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Nano-scale analyses of structures and chemical compositions of ice nucleating particles

Research Project

Project/Area Number 19K21905
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 17:Earth and planetary science and related fields
Research InstitutionJapan, Meteorological Research Institute

Principal Investigator

足立 光司  気象庁気象研究所, 全球大気海洋研究部, 主任研究官 (90630814)

Project Period (FY) 2019-06-28 – 2022-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Keywords氷晶核 / エアロゾル / 電子顕微鏡 / 冷凍チャンバー / 気候変動 / 凍結実験 / 気候影響
Outline of Research at the Start

地球温暖化などの気候変動メカニズムの理解にとって、氷の粒(氷晶)からなる氷晶雲が不確定要素となっている。このため、高い氷晶核能を持つ粒子がどのような物理化学特性を持ち、どのようなメカニズムで氷を成長させるかの解明は大気科学における挑戦的な研究課題である。本研究では、申請者がこれまで蓄積してきた顕微鏡学的分析技術を組み合わせ、結晶構造、ナノスケールの化学分析を同一粒子に行う革新的な実験手法によって、この謎の解明に取り組む。

Outline of Annual Research Achievements

エアロゾル粒子の中に、気候変動に影響を与える氷晶雲の生成に重要な高い氷晶核能を持つ粒子が存在する。それらの限られた粒子が氷晶雲の形成に非常に重要となり、また気候にも大きな影響を与える。それらが氷晶を形成する過程が、どのような物理・化学的性質によって引き起こされているかは、まだ十分に理解されていない点が多い。そのため、本研究ではそれらの未解明な点を個別粒子分析で明らかにすることを目的とする。実験では、冷凍チャンバーを用いた個別粒子分析実験を行い、高い氷晶核能を持った粒子がどのような物理化学的特徴をもち、どのようなメカニズムで高い氷晶核能を持つのかを明らかにする実験を行った。特に、2020年度はアマゾン地域で得られた氷晶核能実験を集中的に行い、バイオエアロゾルとダスト粒子の氷晶核能の比較検討を行った。その結果、バイオエアロゾルが高い氷晶核能を示したものの、サハラ砂漠からのダストプルームが到達した際にはダストも大きく氷晶核寄与をすることが分かった。また、両者の氷晶生成プロセスが異なることを顕微鏡分析で明らかにした(論文準備中)。加えて、北極の航空機観測で高い氷晶核能が得られた試料の電子顕微鏡分析結果を論文として公表した(Hartmann, Adachi et al., 2020)。また、新たに高い氷晶核能を持つ粒子として注目されている森林火災由来の灰粒子に着目し、その氷晶核能実験を行い、その結果、灰粒子が森林火災プルームの中では重要な氷晶核粒子となることが分かった(Adachi et al. 投稿中)。また、太平洋航海試料において、氷晶核能が高かった試料の電子顕微鏡実験を行ったほか、氷晶核として機能する可能性がある固体粒子の新たな検出方法に関して検討を行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

計画は順調に進んでいる。特に、アマゾンで採取された試料を用いて、統計に必要な数の試料を分析し、その氷晶核とエアロゾル種の関係について検討を行った。また、森林火災由来の灰粒子について、その氷晶核能の検討を行い、興味深い成果を得ており、現在論文投稿中である。加えて、過去の観測で得られた試料などを用いて、他の研究者とも議論しながら氷晶核とエアロゾル種の関係について多くの知見を得た。それらデータに関して論文を投稿中もしくは準備中である。研究計画が遅れている面としては、世界的なパンデミック状況において、国内外での出張を伴う学会発表、新たな野外観測等が進んでいないことがあげられる。そのため、既存の試料分析に集中した研究を進めており、本研究課題に関連した新たな野外調査は、今後出張が可能になった研究期間の後半で行いたい。

Strategy for Future Research Activity

今後の研究計画は、過去に採取した試料の室内実験を進める予定である。特に、氷晶核データがそろう北極の試料解析を中心に実験を行う計画である。出張が可能になれば、北極(ノルウェー、スバールバル諸島)での氷晶核試料の追加採取を行う予定である。

Report

(2 results)
  • 2020 Research-status Report
  • 2019 Research-status Report

Research Products

(17 results)

All 2021 2020 2019 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (12 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Peer Reviewed: 12 results,  Open Access: 10 results) Presentation (3 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results)

  • [Int'l Joint Research] ストックホルム大学(スウェーデン)

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  • [Journal Article] SIGMA及び関連プロジェクトによるグリーンランド氷床上の大気・雪氷・雪氷微生物研究2021

    • Author(s)
      10.青木輝夫, 的場澄人, 庭野匡思, 朽木勝幸, 谷川朋範, 竹内望, 山口悟, 本山秀明, 藤田耕史, 山崎哲秀, 飯塚芳徳, 堀雅裕, 島田利元, 植竹淳, 永塚尚子, 大沼友貴彦, 橋本明弘, 石元裕史, 田中泰宙, 大島長, 梶野瑞王, 足立光司, 黒﨑豊, 杉山慎, 津滝俊, 東久美子, 八久保晶弘, 川上薫, 木名瀨健
    • Journal Title

      雪氷

      Volume: 83 Pages: 169-191

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Comparison of three aerosol representations of NHM-Chem (v1.0) for the simulations of air quality and climate-relevant variables2021

    • Author(s)
      Kajino Mizuo、Deushi Makoto、Sekiyama Tsuyoshi Thomas、and co-authors
    • Journal Title

      Geosci. Model Dev.

      Volume: 14

    • DOI

      10.5194/gmd-2020-229

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Compositions and mixing states of aerosol particles by aircraft observations in the Arctic springtime, 20182021

    • Author(s)
      Adachi Kouji、Oshima Naga、Ohata Sho、Yoshida Atsushi、Moteki Nobuhiro、Koike Makoto
    • Journal Title

      Atmospheric Chemistry and Physics

      Volume: 21 Pages: 3607-3626

    • DOI

      10.5194/acp-21-3607-2021

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Wintertime Airborne Measurements of Ice Nucleating Particles in the High Arctic: A Hint to a Marine, Biogenic Source for Ice Nucleating Particles2020

    • Author(s)
      Hartmann M.、Adachi K.、Eppers O.、Haas C.、Herber A.、Holzinger R.、H?nerbein A.、J?kel E.、Jentzsch C.、Pinxteren M.、Wex H.、Willmes S.、Stratmann F.
    • Journal Title

      Geophysical Research Letters

      Volume: 47

    • DOI

      10.1029/2020gl087770

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Mixing State of Black Carbon Particles in Asian Outflow Observed at a Remote Site in Taiwan in the Spring of 20172020

    • Author(s)
      Sun Cuizhi、Adachi Kouji、Misawa Kentaro、Cheung Hing Cho、Chou Charles C.‐K.、Takegawa Nobuyuki
    • Journal Title

      Journal of Geophysical Research: Atmospheres

      Volume: 125

    • DOI

      10.1029/2020jd032526

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Enhanced new particle formation above the marine boundary layer over the Yellow Sea: Potential impacts on cloud condensation nuclei2020

    • Author(s)
      Takegawa, N., T. Seto, N. Moteki, M. Koike, N. Oshima, K. Adachi, K. Kita, A. Takami, and Y. Kondo
    • Journal Title

      Journal of Geophysical Research: Atmospheres

      Volume: 125 Pages: 1-17

    • DOI

      10.1029/2019jd031448

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      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Detection of Aerosol Particles from Siberian Biomass Burning over the Western North Pacific2020

    • Author(s)
      Yoshizue Momoka、Taketani Fumikazu、Adachi Kouji、Iwamoto Yoko、Tohjima Yasunori、Mori Tatsuhiro、Miura Kazuhiko
    • Journal Title

      Atmosphere

      Volume: 11 Pages: 1175-1175

    • DOI

      10.3390/atmos11111175

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      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Rapid evolution of aerosol particles and their optical properties downwind of wildfires in the western US2020

    • Author(s)
      Kleinman Lawrence I.、Sedlacek III Arthur J.、Adachi Kouji、Buseck Peter R.、Collier Sonya、Dubey Manvendra K.、Hodshire Anna L.、Lewis Ernie、Onasch Timothy B.、Pierce Jeffery R.、Shilling John、Springston Stephen R.、Wang Jian、Zhang Qi、Zhou Shan、Yokelson Robert J.
    • Journal Title

      Atmospheric Chemistry and Physics

      Volume: 20 Pages: 13319-13341

    • DOI

      10.5194/acp-20-13319-2020

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Mixing states of Amazon basin aerosol particles transported over long distances using transmission electron microscopy2020

    • Author(s)
      Adachi Kouji、Oshima Naga、Gong Zhaoheng、de S? Suzane、Bateman Adam P.、Martin Scot T.、de Brito Joel F.、Artaxo Paulo、Cirino Glauber G.、Sedlacek III Arthur J.、Buseck Peter R.
    • Journal Title

      Atmospheric Chemistry and Physics

      Volume: 20 Pages: 11923-11939

    • DOI

      10.5194/acp-20-11923-2020

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Concentrations and Size Distributions of Black Carbon in the Surface Snow of Eastern Antarctica in 20112020

    • Author(s)
      Kinase T.、Adachi K.、Oshima N.、Goto‐Azuma K.、Ogawa‐Tsukagawa Y.、Kondo Y.、Moteki N.、Ohata S.、Mori T.、Hayashi M.、Hara K.、Kawashima H.、Kita K.
    • Journal Title

      Journal of Geophysical Research: Atmospheres

      Volume: 125

    • DOI

      10.1029/2019jd030737

    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Spherical tarball particles form through rapid chemical and physical changes of organic matter in biomass-burning smoke2019

    • Author(s)
      Adachi Kouji、Sedlacek Arthur J.、Kleinman Lawrence、Springston Stephen R.、Wang Jian、Chand Duli、Hubbe John M.、Shilling John E.、Onasch Timothy B.、Kinase Takeshi、Sakata Kohei、Takahashi Yoshio、Buseck Peter R.
    • Journal Title

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      Volume: 116 Pages: 19336-19341

    • DOI

      10.1073/pnas.1900129116

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      2019 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Aerosol mixing state revealed by transmission electron microscopy pertaining to cloud formation and human airway deposition2019

    • Author(s)
      Ching Joseph、Adachi Kouji、Zaizen Yuji、Igarashi Yasuhito、Kajino Mizuo
    • Journal Title

      nature partner journals Climate and Atmospheric Science

      Volume: 2 Pages: 1-7

    • DOI

      10.1038/s41612-019-0081-9

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      2019 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Spherical tarballs form through chemical and physical evolution of primary organic particles in biomass-burning smoke2020

    • Author(s)
      Adachi K, Takeshi Kinase, Eric M Scheuer, Jack E Dibb, Joseph M Katich, Joshua Peter Schwarz
    • Organizer
      AGU Fall meeting 2020
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Spherical tarballs form through chemical and physical evolution of primary organic particles in biomass-burning smoke2020

    • Author(s)
      Adachi K
    • Organizer
      JpGU-AGU Joint Meeting 2020
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      2020 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Single-particle analyses of aerosol particles using transmission electron microscopy and cold stages with an optical and scanning electron microscopes2019

    • Author(s)
      Adachi K., Kinase T.
    • Organizer
      American Geophysical Union 2019 Fall Meeting
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2019-07-04   Modified: 2021-12-27  

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