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

• Project/Area Number: 19K21905
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 17:Earth and planetary science and related fields
• Research Institution: Japan, 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 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥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 / 顕微鏡分析 / 北極 / 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少数存在する。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に関し、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。
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て氷晶核能実験を行い、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。このデータをまとめて、Journal of Geophysical Research誌に出版した（Adachi et al. 2022）。また、太平洋上空で得られた隕石由来の成分を含むエアロゾル粒子の挙動を解析して、成層圏など他のエアロゾルの少ない上空で重要なエアロゾルとして存在し、氷晶核になる可能性を示唆した。それらの成果をまとめた論文を投稿中である。加えて、北極の観測点で得られた雲残渣粒子の解析を行い、そこに含まれる粒子の氷晶核に対する寄与を議論した。その結果、鉱物粒子や海塩粒子などが低温で採取された雲残渣粒子中により多く存在する傾向が明らかとなった。これらの結果は、実際の雲中でどのように雲粒が氷や水滴になったかを示す重要なデータとなる。これらの成果をまとめて論文を作成中である。

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。新たに氷晶核になる可能性があるエアロゾル粒子（灰粒子、隕石成分を含む粒子、ダストと海塩の混合粒子）を発見した。これらの成果は、いずれも論文投稿済みか、準備中である。2022年度にこれまで行けなかった北極観測や航空機観測が予定されており、さらに研究を進展させるために延長申請を行った。

Strategy for Future Research Activity

今後の研究計画は、新たな試料採取を中心に行う予定である。昨年度まで、渡航規制により海外観測や国内観測の制限などがあり、新たな試料に対する解析が十分ではなかった。そのため、研究期間を延長し、2022年度中に北極（ノルウェー、スバールバル諸島）や北海道沖での航空機観測および船舶観測に参加し、新たな試料を得て追加の氷晶核関連実験を行う予定である。また、これまでの成果をまとめ、特に雲残渣粒子と氷晶核形成に関する論文をまとめる予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Stockholm University(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] ストックホルム大学(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] ストックホルム大学(スウェーデン)
• [Journal Article] Identification and particle sizing of submicron mineral dust by using complex forward-scattering amplitude data (2022)
  • Author(s): Yoshida Atsushi、Moteki Nobuhiro、Adachi Kouji
  • Journal Title: Aerosol Science and Technology Volume: Online Issue: 7 Pages: 1-14
  • DOI: 10.1080/02786826.2022.2057839
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fine Ash‐Bearing Particles as a Major Aerosol Component in Biomass Burning Smoke (2022)
  • Author(s): Adachi Kouji、Dibb Jack E.、Scheuer Eric、Katich Joseph M.、Schwarz Joshua P.、Perring Anne E.、Mediavilla Braden、Guo Hongyu、Campuzano‐Jost Pedro、Jimenez Jose L.、Crawford James、Soja Amber J.、Oshima Naga、Kajino Mizuo、Kinase Takeshi、Kleinman Lawrence、Sedlacek Arthur J.、Yokelson Robert J.、Buseck Peter R.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Atmospheres Volume: 127 Issue: 2 Pages: 1-22
  • DOI: 10.1029/2021jd035657
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Arctic black carbon during PAMARCMiP 2018 and previous aircraft experiments in spring (2021)
  • Author(s): Ohata, S., Koike, M., Yoshida, A., Moteki, N., Adachi, K., Oshima, N., Matsui, H., Eppers, O., Bozem, H., Zanatta, M., and Herber, A. B.
  • Journal Title: Atmos. Chem. Phys. Volume: 21 Issue: 20 Pages: 15861-15881
  • DOI: 10.5194/acp-21-15861-2021
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Compositions and mixing states of aerosol particles by aircraft observations in the Arctic springtime, 2018 (2021)
  • Author(s): Adachi Kouji、Oshima Naga、Ohata Sho、Yoshida Atsushi、Moteki Nobuhiro、Koike Makoto
  • Journal Title: Atmospheric Chemistry and Physics Volume: 21 Issue: 5 Pages: 3607-3626
  • DOI: 10.5194/acp-21-3607-2021
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Comparison of three aerosol representations of NHM-Chem (v1.0) for the simulations of air quality and climate-relevant variables. (2021)
  • Author(s): Kajino, M., Deushi, M., Sekitama, T., T., Oshima, N., Yumimoto, K., Tanaka, T., Y., Ching, J., Hashimoto, A., Yamamoto, T., Ikegami, M., Kamada, A., Miyashita, M., Inomata, Y., Shima, S., Khatri, P., Shimizu, A., Irie, H., Adachi, K., Zaizen, Y., Igarashi, Y., Ueda, H., Maki, T., Mikami, M,
  • Journal Title: Geoscientific Model Development Volume: 14 Issue: 4 Pages: 2235-2264
  • DOI: 10.5194/gmd-14-2235-2021
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [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
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Wintertime Airborne Measurements of Ice Nucleating Particles in the High Arctic: A Hint to a Marine, Biogenic Source for Ice Nucleating Particles (2020)
  • 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 Issue: 13
  • DOI: 10.1029/2020gl087770
  • 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 2017 (2020)
  • 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 Issue: 16
  • DOI: 10.1029/2020jd032526
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Enhanced new particle formation above the marine boundary layer over the Yellow Sea: Potential impacts on cloud condensation nuclei (2020)
  • 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 Issue: 9 Pages: 1-17
  • DOI: 10.1029/2019jd031448
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Detection of Aerosol Particles from Siberian Biomass Burning over the Western North Pacific (2020)
  • Author(s): Yoshizue Momoka、Taketani Fumikazu、Adachi Kouji、Iwamoto Yoko、Tohjima Yasunori、Mori Tatsuhiro、Miura Kazuhiko
  • Journal Title: Atmosphere Volume: 11 Issue: 11 Pages: 1175-1175
  • DOI: 10.3390/atmos11111175
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Rapid evolution of aerosol particles and their optical properties downwind of wildfires in the western US (2020)
  • 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 Issue: 21 Pages: 13319-13341
  • DOI: 10.5194/acp-20-13319-2020
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Comparison of three aerosol representations of NHM-Chem (v1.0) for the simulations of air quality and climate-relevant variables (2020)
  • Author(s): Kajino Mizuo、Deushi Makoto、Sekiyama Tsuyoshi Thomas、and co-authors
  • Journal Title: Geoscientific Model Development Volume: 14 Pages: 225-2264
  • DOI: 10.5194/gmd-2020-229
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mixing states of Amazon basin aerosol particles transported over long distances using transmission electron microscopy (2020)
  • 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 Issue: 20 Pages: 11923-11939
  • DOI: 10.5194/acp-20-11923-2020
  • 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 2011 (2020)
  • 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 Issue: 1
  • DOI: 10.1029/2019jd030737
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Spherical tarball particles form through rapid chemical and physical changes of organic matter in biomass-burning smoke (2019)
  • 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 Issue: 39 Pages: 19336-19341
  • DOI: 10.1073/pnas.1900129116
  • 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 deposition (2019)
  • Author(s): Ching Joseph、Adachi Kouji、Zaizen Yuji、Igarashi Yasuhito、Kajino Mizuo
  • Journal Title: npj Climate and Atmospheric Science Volume: 2 Issue: 1 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1038/s41612-019-0081-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Physical and chemical analyses of aerosol particles from biomass burning using transmission electron microscopy (2021)
  • Author(s): Kouji Adachi
  • Organizer: Pacifichem2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 深層学習を利用した画像認識技術による電子顕微鏡画像中の炭素質エアロゾル粒子の判定 (2021)
  • Author(s): 足立光司
  • Organizer: 第38回エアロゾル学会・技術研究討論会
  • Invited
• [Presentation] Spherical tarballs form through chemical and physical evolution of primary organic particles in biomass-burning smoke (2020)
  • Author(s): Adachi K, Takeshi Kinase, Eric M Scheuer, Jack E Dibb, Joseph M Katich, Joshua Peter Schwarz
  • Organizer: AGU Fall meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spherical tarballs form through chemical and physical evolution of primary organic particles in biomass-burning smoke (2020)
  • Author(s): Adachi K
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Single-particle analyses of aerosol particles using transmission electron microscopy and cold stages with an optical and scanning electron microscopes (2019)
  • Author(s): Adachi K., Kinase T.
  • Organizer: American Geophysical Union 2019 Fall Meeting
  • Int'l Joint Research