Exploring new indicators representing the hygroscopicity of atmospheric organic aerosol

• Project/Area Number: 23H00515
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 63:Environmental analyses and evaluation and related fields
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 持田 陸宏 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 教授 (10333642)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 佐藤 圭 国立研究開発法人国立環境研究所, 地域環境保全領域, 室長 (10282815) ; 木村 勇気 北海道大学, 低温科学研究所, 教授 (50449542) ; 松井 仁志 名古屋大学, 環境学研究科, 准教授 (50549508) ; 山崎 智也 北海道大学, 低温科学研究所, 准教授 (50735032) ; 宮崎 雄三 北海道大学, 低温科学研究所, 助教 (60376655) ; 大畑 祥 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 助教 (70796250) ; 石塚 紳之介 名古屋大学, 高等研究院(宇宙), 特任助教 (20817788)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥47,450,000 (Direct Cost: ¥36,500,000、Indirect Cost: ¥10,950,000); Fiscal Year 2024: ¥9,750,000 (Direct Cost: ¥7,500,000、Indirect Cost: ¥2,250,000); Fiscal Year 2023: ¥19,500,000 (Direct Cost: ¥15,000,000、Indirect Cost: ¥4,500,000)
• Keywords: 有機エアロゾル / 吸湿性 / 分子量分布 / 相状態 / 電離度

Outline of Research at the Start

大気中に浮遊するエアロゾルの吸湿性には、地球の生命活動から直接・間接的に生ずる多様な有機物が深く関わっている。この有機エアロゾルの吸湿性を表現する方法の確立は、エアロゾルの気候影響を評価し、大気汚染の対策を講じる上での課題であるが、単純な経験則に頼る既往の試みは正確性・実用性に欠けている。本研究では、有機エアロゾルの吸湿性を原理的に支配するが連続・広域測定が困難な規定因子を量的に把握し、吸湿性を直接的に規定しないが大気モニタリングが可能な代理指標との関係をパラメータ化で結びつけることで、原理と実用性の狭間を埋め、有機エアロゾル吸湿性の表現方法を刷新する。

Outline of Annual Research Achievements

ソフトイオン化質量分析に基づいて大気エアロゾル試料に含まれる有機物の分子量分布を解析する手法について検討を開始した。具体的には、有機化合物の試薬と大気エアロゾル試料を用いて以下の予備的検討を行った。ポリエチレングリコール（average Mn 300, 400）の水溶液をシリンジに取り、シリンジポンプを用いてエレクトロスプレーイオン化質量分析計（ESI-MS）に水溶液を直接導入して質量スペクトルを取得した。そして、得られたスペクトルの信号から水溶液中のポリエチレングリコールの平均分子量を推定した。また、単一の有機化合物（レボグルコサン、フタル酸、コハク酸ほかの試薬）の水溶液や、複数の有機化合物（コハク酸、グルタル酸ほかを含む）の混合水溶液をESI-MSに導入して質量スペクトルを取得し、スペクトルのピークに対応するイオンを推定した。そのほか、名古屋大学で採取された大気エアロゾル試料に含まれる水溶性成分の抽出物、また同抽出物とコハク酸等の有機化合物試薬を混合した水溶液試料に対して、ESI-MSへの直接導入による質量スペクトルの測定を試行した。この水溶性成分の抽出物に対して、溶媒をメタノールに置換した試料に対するESI-MS測定も行い、水・メタノールのそれぞれを溶媒とする試料に対して平均分子量の推定を行った。
そのほか、大気エアロゾル試料から抽出したフミン様物質、硫酸アンモニウム、さらにそれらの混合物からなる微粒子の吸湿成長に関する論文の作成などにも取り組んだ。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

吸湿性など未実施の測定項目がある。また、有機成分の電離に関する解析において、実験手法の検討が必要である可能性がある。

Strategy for Future Research Activity

計画している測定項目の中には、関連プロジェクトで得たエアロゾル試料のデータを本研究で用いるデータとして利用可能なものがあると考えられ、これらの既往データと当該試料に対する新規測定を組み合わせることで、効率的な研究推進を目指す。電離に関する解析については、有機エアロゾルの化学構造に関する既往のデータに基づき、有効な測定方法・実験条件について検討する。

Research Products

• [Journal Article] Frontiers of Atmospheric Chemistry: No. 1. Overview of Chemical Reactions Occurring in the Atmosphere (2024)
  • Author(s): 佐藤 圭
  • Journal Title: Journal of Japan Society for Atmospheric Environment / Taiki Kankyo Gakkaishi Volume: 59 Issue: 2 Pages: A87-A96
  • DOI: 10.11298/taiki.59.A87
  • ISSN: 1341-4178, 2185-4335
  • Year and Date: 2024-03-10
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Observationally constrained analysis of sulfur cycle in the marine atmosphere with NASA ATom measurements and AeroCom model simulations (2024)
  • Author(s): Bian, H., Chin, M., Colarco, P. R., Apel, E. C., Blake, D. R., Froyd, K., Hornbrook, R. S., Jimenez, J., Jost, P. C., Lawler, M., Liu, M., Lund, M. T., Matsui, H., Nault, B. A., Penner, J. E., Rollins, A. W., Schill, G., Skeie, R. B., Wang, H., Xu, L., Zhang, K., Zhu, J.
  • Journal Title: Atmospheric Chemistry and Physics Volume: 24 Issue: 3 Pages: 1717-1741
  • DOI: 10.5194/acp-24-1717-2024
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Evaluation of a method to quantify the number concentrations of submicron water-insoluble aerosol particles based on filter sampling and complex forward-scattering amplitude measurements (2023)
  • Author(s): Ohata Sho、Moteki Nobuhiro、Kawanago Hikaru、Tobo Yutaka、Adachi Kouji、Mochida Michihiro
  • Journal Title: Aerosol Science and Technology Volume: 57 Issue: 10 Pages: 1013-1030
  • DOI: 10.1080/02786826.2023.2223387
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The emissions model intercomparison project (Emissions-MIP): quantifying model sensitivity to emission characteristics (2023)
  • Author(s): Ahsan, H., Wang, H., Wu, J., Wu, M., Smith, S. J., Bauer, S., Suchyta, H., Olivie, D., Myhre, G., Matsui, H., Bian, H., Lamarque, J.-F., Carslaw, K., Horowitz, L., Regayre, L., Chin, M., Schulz, M., Skeie, R. B., Takemura, T., Naik, V.
  • Journal Title: Atmospheric Chemistry and Physics Volume: 23 Issue: 23 Pages: 14779-14799
  • DOI: 10.5194/acp-23-14779-2023
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Morphological features and water solubility of iron in aged fine aerosol particles over the Indian Ocean (2023)
  • Author(s): Ueda, S., Iwamoto, Y., Taketani, F., Liu, M., Matsui, H.
  • Journal Title: Atmospheric Chemistry and Physics Volume: 23 Issue: 17 Pages: 10117-10135
  • DOI: 10.5194/acp-23-10117-2023
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Additive water uptake of urban atmospheric HULIS and inorganic mixtures (2023)
  • Author(s): Ruichen Zhou, Sonia Afsana, Chenran Wei, Michihiro Mochida
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2023年大会
• [Presentation] Strong connection of the degree of oxygenation to the light absorption of atmospheric organic aerosol fractions and their nitrogen-containing compounds (2023)
  • Author(s): Ruichen Zhou, Qingcai Chen, Jing Chen, Lujie Ren, Pingqing Fu, Michihiro Mochida
  • Organizer: 第28回大気科学討論会
• [Presentation] Light absorption of water-soluble and water-insoluble organic aerosol components: Results from COALA-2020 in Australia (2023)
  • Author(s): Michihiro Mochida, Sonia Afsana, Ruichen Zhou, Sho Ohata, Yoko Yokoyama, Motomi Igarashi, Dhananjay K. Deshmukh, Bhagawati Kunwar, Kimitaka Kawamura, Quang Deng, Clare Paton-Walsh
  • Organizer: 第28回大気科学討論会
• [Presentation] Aircraft-based observation of mineral dust particles over the Northwestern Pacific Ocean in the summer of 2022 (2023)
  • Author(s): S. Ohata, N. Moteki, K. Adachi, Y. Tobo, H. Matsui, K. Kita, T. Mori, A. Yoshida, M. Koike
  • Organizer: 6th ISEE Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 夏季の西部北太平洋上空における鉱物ダストの粒径別数濃度の航空機観測 (2023)
  • Author(s): 大畑祥, 茂木信宏, 當房豊, 足立光司, 松井仁志, 北和之, 森樹大, 吉田淳, 小池真
  • Organizer: 第28回大気化学討論会
• [Presentation] 二次有機エアロゾル粒子および有機無機混合粒子によるHO2ラジカルの取り込み係数の測定 (2023)
  • Author(s): Rathi Dwi Fardilah, 黎珈汝, 坂本陽介, 森野悠, 江波進一, 梶井克純, 佐藤圭
  • Organizer: 第28回大気化学討論会
• [Presentation] Quantifying the role of microphysical properties and processes on the global distribution and radiative effects of black carbon (2023)
  • Author(s): Matsui, H.
  • Organizer: AGU Annual Meeting 2023
  • Int'l Joint Research / Invited