| 研究課題/領域番号 |
20K03822
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| 研究機関 | 明治大学 |
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研究代表者 |
立川 真樹 明治大学, 理工学部, 専任教授 (60201612)
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| 研究分担者 |
長島 和茂 明治大学, 理工学部, 専任教授 (70339571)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 氷晶の衝突帯電 / 光トラップ / 光の放射圧 |
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| 研究実績の概要 |
雷は最も身近な自然現象の一つだが、実はその発生機構は根本的なところがまだ解明されていない。雷雲の中では、氷の粒子同士が互いに衝突することによって静電気を帯び、雷雲の下部には負の電荷が上部には正の電荷が蓄積する。こうして蓄積した電気が空気の絶縁を破って地面や雲内に放電したものが雷である。しかし、同じ物質である氷同士の衝突で正・負の電荷が生じる理由、また、正・負の電荷が生じたとしても、符号によって上下反対方向に運ばれる理由が明らかになっていない。
本研究では、光トラップによって氷の微結晶を空中に静止させ、光の放射圧で加速した氷晶を衝突させて帯電の様子をその場観測する。衝突する氷晶の形状・衝突速度等を厳密に指定した実験から帯電の極性を決める属性を明らかにし、百年来の課題である雷雲の電荷分離機構の理解を前進させることが本研究の目的である。
2020年度の研究により、ほとんどの場合に、光トラップ内で衝突した氷晶同士は合体してしまうことが明らかになった。環境の温度を-５℃から-35℃まで変化させてもこの状況は変わらない。実際の雲中に比べて、氷晶の衝突速度が１桁以上小さいことが衝突後分離せずに合体してしまう要因と考えられる。
そこで2021年度は、衝突速度を上昇させるための光学系を検討するために、単一のガウスビームによる雲粒の加速特性を測定した。雲粒は光の放射圧と空気抵抗を受けて運動し、放射圧が最も強くなるガウスビームの焦点より少し下流で最大速度に達することが、実験と運動方程式によるシミュレーションから明らかになった。今後、この基礎データをもとにあらたな光学系を設計する必要がある。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
4: 遅れている
理由
この2年間、コロナ禍で大学への入構が制限され、研究時間が十分確保できなかったことに加え、2020年度に高速度カメラが不調をきたしたことも遅延の一因となった。
しかし、最も大きな障壁は、光トラップ内で衝突した氷晶が合体してしまうことである。電荷分離が起きるには、衝突後に氷晶同士も分離しなければならない。合体の一因は衝突速度の不足と考えられるが、その他にもトラップ環境の湿度や氷晶の大きさなども影響している可能性がある。
これに関しては自然現象なので、根気よく解明していくしかない。氷晶の衝突帯電は数百年来の謎であり、一筋縄ではいかないということであろう。
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| 今後の研究の推進方策 |
衝突速度を向上するために、対向ビーム型光トラップの光軸をずらし、単一のガウスビームで加速された氷晶同士が最大速度ですれ違うような光学系を構築する。これにより、大きなエネルギーのオフセット衝突を誘起する。
また、構造が複雑な六花状や樹枝状結晶では、衝突時の破壊による帯電機構も想定されるので、100μm程度の大きな結晶同士の衝突を実現したい。光トラップによる衝突実験が無理な場合には、マクロな結晶を針先などに固定し、放射圧で加速させた氷晶との衝突により、帯電が生じるかを検証することも考えている。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
2021年度の実験は既存の装置や消耗品を用いて行ったため、予算を消化する必要がなかった。また、氷晶の合体を防ぐ有効な手段を模索するフェーズにあり、解決策が見いだされた場合に集中的に予算措置するために、使用を控えたという側面もあった。
今年度の残予算については、主として光学系の消耗品にあてる。
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