3段階ですすむ新たな氷の成長機構を発見~地球大気や宇宙に存在する氷微粒子の構造解明に前進~

2025-07-25 東京大学

東京大学の研究チームは、地球大気の中間圏(高度80~90km、約-153℃)に見られる氷微粒子の構造を、膜厚に応じて3段階で変化することを実験的に明らかにした。膜厚が15nm未満ではアモルファス氷、15~50nmで立方晶氷、50nm以上で六方晶氷が形成されることを発見。この結果は、極中間圏雲に安定な六方晶氷だけでなく、準安定な構造の氷も存在しうる可能性を示し、気候変動の理解や宇宙氷粒子の研究に重要な知見を提供する。

3段階ですすむ新たな氷の成長機構を発見~地球大気や宇宙に存在する氷微粒子の構造解明に前進~
本研究で明らかにしたナノ薄膜氷の構造の模式図

<関連情報>

中間圏の温度と水蒸気条件下での蒸着氷の3段階成長 Three-Step Growth of Vapor-Deposited Ice under Mesospheric Temperature and Water Vapor Conditions

Reo Sato,Kentaro Noguchi,Hiroyuki Koshida,Atsuki Ishibashi,and Tetsuya Hama
The Journal of Physical Chemistry Letters  Published: July 24, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.5c01536

Abstract

Polar mesospheric clouds provide clues to physicochemical processes in the mesosphere and lower thermosphere. However, the heterogeneous nucleation and growth processes of water ice under polar mesospheric conditions are poorly understood, especially at the nanoscale. This study used reflection high-energy electron diffraction and infrared reflection–absorption spectroscopy to analyze the structure of vapor-deposited ice at polar mesospheric temperature (120 K) under vapor pressure (10–6 Pa) conditions. The ice appeared to grow in three steps during vapor deposition, being amorphous water for the first 15 nm, then cubic ice up to 50 nm, and finally hexagonal ice subsequently. This three-step growth suggests that the three observed phases can coexist in polar mesospheric clouds, depending on the thickness of water ice. The finding of the three-step growth also shows that the Ostwald rule of stages can hold for vapor-deposited ice at low temperature.

1702地球物理及び地球化学
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