光トラップを利用した氷晶の衝突帯電機構の解明

利用光阱阐明冰晶冲击充电机制

• 批准号: 20K03822
• 负责人: 立川 真樹
• 金额: $ 2.83万
• 依托单位: Meiji University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K03822/
• 关键词: 氷晶の衝突帯電; 光トラップ; 光の放射圧; 放射圧; 氷晶; 衝突帯電; 雷

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。前年度までの研究により、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かった。そこで2022年度は、氷晶同士が分離衝突をする状況を作り出すために、一旦光トラップ内での衝突実験を離れ、細線上に成長したマクロな氷にレーザー光の放射圧で加速した氷晶を衝突させる実験を試みた。しかしながら、マクロな氷がレーザー光を吸収して融解してしまうことがわかり、この方法も断念することになった。放射圧による運動制御を前提とする限り、衝突させる氷晶の大きさには制限があると考えられる。

闪电是最常见的自然现象之一，但其发生背后的基本机制仍不清楚。在雷雨云中，冰粒相互碰撞并带有静电，负电荷积聚在底部，正电荷积聚在顶部。当累积的电力突破空气绝缘层并放电到地面或云中时，就会发生闪电。然而，目前尚不清楚为什么两块冰碰撞时会产生正电荷和负电荷，以及为什么即使产生正电荷和负电荷，它们也会根据其符号向相反的方向携带。在这项研究中，利用光阱将冰微晶固定在空气中，通过光的辐射压加速的冰晶相互碰撞，以现场观察带电状态。这项研究的目的是通过严格规定碰撞冰晶的形状和碰撞速度的实验来阐明决定电荷极性的属性，并增进我们对雷雨云中电荷分离机制的理解，这一直是一个问题100 年。截至前一年进行的研究表明，在大多数情况下，光陷阱内碰撞的冰晶会合并。即使环境温度从-5℃变化到-35℃，这种情况也没有改变。因此，在2022年，为了创造冰晶分离并相互碰撞的情况，我们将暂时脱离光阱内的碰撞实验，将激光辐射压加速的冰晶应用到宏观冰上，我尝试了一个碰撞实验。然而，人们发现宏观冰吸收了激光而融化，因此这种方法被放弃了。只要运动受辐射压力控制，相互碰撞的冰晶的大小就受到限制。