Atmospheric Chemistry Group (Climate Science Course), DEES-GSES-NU Japanese/English
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大気エアロゾルの放射、雲過程との関わり

 大気中には、エアロゾル粒子と呼ばれる微小な粒子(直径:数ナノメートルから数十マイクロメートル程度まで)が浮遊しています。その大きさは極めて小さく、浮遊している個々の粒子を肉眼で見ることはできませんが、1立方センチメートルあたり数百個から数万個ほども存在します。

 このエアロゾル粒子は、雲・降水過程を通した地球上の水の循環や、放射のエネルギー収支に密接に関連していることが知られています。私たちは、大気エアロゾル粒子の主要成分である有機化合物に注目し、その多様で特異な特性が地球の気候に対してどのように影響しているのか、その解明を目指して研究を進めています。(「環境学と私」の記事もご覧下さい。)
有機エアロゾルの関わる大気過程

有機エアロゾル研究の重要性

 有機化合物で構成されるエアロゾル(有機エアロゾル)は、陸上・海洋生物に由来する放出・生成や、森林火災や農業活動などのバイオマス燃焼による放出など、地球上の生物活動と、さまざまな形で関係しています。更に、化石燃料の使用など、人間活動により放出・生成される有機エアロゾルも、気候への影響が懸念されるほどの発生量があることが知られています。このように、有機エアロゾルは極めて多様な放出/生成過程を持つ上に、大気中で化学的変質を受けることで、その組成や分布はさらに複雑なものになります。このような理由から、有機エアロゾルと気候の関係は極めて難解であり、これまで十分な理解が得られていません。その解明は大変にチャレンジングな課題として残されています。

研究のアプローチ

 有機エアロゾルの大気中の挙動、役割の解明には、「物質科学」的な基盤に立脚した研究が重要であると私たちは考えています。大気化学研究室では、有機エアロゾル粒子の吸湿特性や不均一反応過程など、気候プロセスとの関連性が高いと考えられる化学的過程や特性に焦点をあて、野外観測と室内実験の2つのアプローチで解き明かします。そして、地球温暖化など気候変動のメカニズムのより正確な理解に結びつく研究成果を挙げることで、気候変動研究に貢献することを目指しています。


主な研究課題

エアロゾル質量分析による大気エアロゾル成分の組成解析

大気エアロゾルの測定装置

 エアロゾル粒子は、人間活動や自然界の現象により大気に放出される上、大気中の気体が粒子に変換される過程によっても生成します。また、大気中を浮遊する間に、化学反応により構成する物質が変化すると考えられています。このため、大気エアロゾルは場所や時間、さらには個々の粒子ごとに様々な組成を持っています。

 私たちのグループでは、大気エアロゾル粒子の性質を決める本質的な要因のひとつである「化学組成」に着目して、その粒子特性との関係を明らかにすることを目指しています。最先端の技術であるエアロゾル質量分析の手法を用いて、有機物の化学的な特徴など、組成に関する情報を取得し、粒子特性との関係を明らかにすることを目指しています。(右図:吸湿タンデムDMAとエアロゾル質量分析計を結合した測定システム)

有機物の化学的特徴の解析

(左図) フィルタに捕集したエアロゾル成分を抽出した後、再微粒子化してエアロゾル質量分析計に導入し、有機物の化学的特徴を解析した結果。抽出溶媒(水、メタノール、酢酸エチル)の違いにより、異なる範囲の有機物群の情報(例:酸素原子を含む構造の多寡)を得ることができる。

From Toshiyuki Mihara and Michihiro Mochida, Characterization of solvent-extractable organics in urban aerosols based on mass spectrum analysis and hygroscopic growth measurement," Environmental Science & Technology, 45, 9168-9174, 2011 (TOC art).

吸湿タンデムDMA、雲凝結核カウンタを用いた大気エアロゾル粒子の吸湿特性の測定とその雲凝結核能力の評価

エアロゾル粒子

 大気中においてエアロゾル粒子は、周りの水蒸気を取り込んで大きくなり、また放出して小さくなることを繰り返しています。その際には、粒子に含まれる様々な成分が水に溶けたり、あるいは析出すると考えられます。この粒子が水を取り込む性質(吸湿特性)は、粒子が太陽光を散乱する程度や、雲粒化する能力と密接に関係していることから、エアロゾルの気候プロセスへの関与を理解する上で重要な特性です。ところが、大気エアロゾル粒子は、そこに含まれる有機物が複雑な組成を持つうえ、個々の粒子の組成がそれぞれ異なっています。そのため、大気エアロゾル粒子の吸湿特性を理解することは容易ではありません。 HTDMAの概要

 私たちは、吸湿タンデムDMA(HTMDA)や雲凝結核カウンタ(CCNC)と呼ばれる先端計測装置を用いて、大気エアロゾル粒子が空気中の水分を取り込んで大きくなる程度を詳細に調べています。この装置で得られるデータと、粒子の化学組成の分析などを組み合わせることにより、粒子中の有機物が、水の取り込み/蒸発などの熱力学的な平衡条件に、どのような作用をしているのか評価することができます。また、大気中に存在する個々のエアロゾル粒子が雲粒の核として作用する能力を間接的に算出することもできます。これらの解析から、有機エアロゾル粒子が地球の放射収支や雲過程におよぼす影響を評価することを目指します。

低温下における有機エアロゾル粒子の氷晶核能力の評価

氷晶チェンバ

 エアロゾルや雲粒に取り込まれた水は、どのように雨や雪などの降水に結びつくのでしょうか。実は、降水過程の多くにおいて、エアロゾル粒子や雲粒の水分が「凍る」現象が、周りの水蒸気を取り込んで氷晶となり、それらが成長して最終的に落下するプロセスに結びついています。

 この氷晶の形成は、雲粒やエアロゾル粒子の化学組成や熱力学的な条件に従い、均一あるいは不均一凍結のいずれかにより進行します。私たちは、このような凍結過程に、粒子の化学成分、特に有機物がどのように関わっているのかに興味を持っています。そこで、連続流型熱拡散チェンバと光学式パーティクルカウンタを組み合わせた氷晶計を用いて、大気エアロゾル粒子が氷晶になる能力の評価を目指します。

有機エアロゾル粒子の不均一反応、多相反応に関する室内実験研究

 エアロゾル粒子に含まれる有機物は大気中の反応性気体と反応することで、その特性を次第に変化させていることが考えられます。私たちのグループでは、質量分析法を用いて、気体成分の関与する大気粒子成分の化学反応過程を調べる試みを始めています。このような過程について理解を深めることは、大気圏においてエアロゾル粒子がどのように生まれ成長するのか、その一生を理解することに結びつくと期待されます。

野外大気観測

沖縄の辺戸岬

 大気化学研究グループでは、開発した実験装置等を用いた野外大気観測を実施しています。2007年、2008年の春には、沖縄において集中大気観測を行いました(右図:観測サイトから臨む沖縄辺戸岬)。また、2008年の夏季には、北部・西部北太平洋において、 船舶を利用した海洋エアロゾル観測を行いました。2010年の夏季には、和歌山県の森林域において大気観測を行っています。

 これらの観測では、他の大学や研究機関と連携して、大気化学過程の解明に取り組んでいます。私たちのグループの装置で得られたデータと、他の研究グループで得られた観測結果と照合することで、これまで十分に理解されていないエアロゾルの特性・プロセスに踏み込んだ解析を行うことを目指しています。

科学研究費補助金・若手研究(S)

本研究グループでは平成20年度から25年度まで、科学研究費補助金若手研究(S)「外部混合状態を考慮した大気エアロゾルの特性研究への新展開」を実施しました。


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