2016 Fiscal Year Annual Research Report
Development of a method for measuring complex refractive index of black carbon aerosols
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15H05465
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
茂木 信宏 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (20507818)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | エアロゾル / 大気放射 / 気候変動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究実施計画では、複素屈折率決定のためにブラックカーボン粒子の光吸収断面積・光散乱断面積を個々の粒子について同時測定する手段として、それぞれ、熱輻射光の強度スペクトルと、広角散乱強度分布の観測モジュールを開発し、それらを直列に接続する予定であった。前者のモジュール開発のために、これまでブラックカーボンの単一粒子質量を測定するために開発したレーザー白熱の熱輻射光の検出波長帯の数を増やして性能評価実験を行った。その結果、これまでに検出できていなかった、黒色・赤色の酸化鉄粒子（マグネタイト・ヘマタイト）も、ブラックカーボンと判別して検出できることを偶然発見した。とくに黒色酸化鉄については適切な校正実験を行うことで粒径別数濃度・質量濃度を観測できることを示し、さらに東京・千葉において製鉄所近傍、都市大気の黒色酸化鉄の動態および発生源の候補を解明するための観測を実施した（2016年8-9月）。その結果、黒色酸化鉄は都市大気に普遍的に高い質量濃度で存在しており、1000-2000nm程度に粒径別質量濃度のピークを持つことを明らかにした。これらの観測的発見は、人為起源の光吸収性エアロゾルとして、ブラックカーボンだけでなく黒色酸化鉄も放射強制因子として重要な可能性を示唆しており、全球エアロゾルモデルで放射強制力を見積もるための重要な基礎データとなると考えられる。このような予期せぬ重要な発見があり、本来の目的であるブラックカーボンの光吸収断面積の観測手法については、複素屈折率虚部の測定感度の観点からより優れた方法「単一粒子消散法」を思いついたので、そちらの理論設計を進めることにした。さらに、光散乱断面積を観測するための単一粒子広角散乱測定装置の設計と製造を企業と共同して進めた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究計画書に記載した通りではないものの、その開発過程で、これまでに世界的にも前例のない、人為起源の黒色酸化鉄に選択的な定量手法を発見することができ、様々な地域での実大気観測データを取得した、その結果、人為起源の酸化鉄が温暖化や水循環影響の観点から無視できないほど大きな放射強制因子である可能性が示唆された。また、ブラックカーボン粒子の複素屈折率の虚部に対して、計画書に記載した熱輻射光測定よりも直接的に、感度の高い信号が得られる光消散干渉法を発案し、測定シミュレーションおよび装置の設計を実施した。さらに散乱断面積の測定モジュールである、広角光散乱測定装置の設計と製造は完了し、初期データが得られつつある。
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| Strategy for Future Research Activity |
単一粒子光消散法の装置を完成させ、まずは粒径・屈折率が既知であるポリスチレン粒子を導入して実際の測定性能が理論値とどの程度一致しているかを確かめる。また、光吸収性の染色ポリスチレン粒子を導入して、複素屈折率の虚部の大きさに比例した観測信号が得られるかどうか確かめる。広角光散乱測定装置についても同様の粒子を導入し、実測値と理論値の対応関係を確認する。また、本研究開発の過程で新たに発見した、人為起源酸化鉄の選択的定量法とその観測結果、全球モデル計算結果の知見を論文にまとめる。
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