固体粒子のナノスケール構造・化学分析から挑む氷晶核メカニズムの解明

• 研究課題/領域番号: 19K21905
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分17:地球惑星科学およびその関連分野
• 研究機関: 気象庁気象研究所
• 研究代表者: 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)
• 研究期間 (年度): 2019-06-28 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2021年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円); 2020年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円); 2019年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
• キーワード: エアロゾル粒子 / 氷晶核 / 電子顕微鏡分析 / 北極観測 / 航空機観測 / 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

研究開始時の研究の概要

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。

研究実績の概要

本研究は氷晶核になりうるエアロゾル粒子を、電子顕微鏡等の個別粒子分析によってその実態を明らかにすることを目標とした。その目標達成のため、氷晶雲やその残渣、また氷晶が生成しやすい環境におけるエアロゾルが採取できる地点において観測を行った。当該年度に北極（ニーオルスン、グリーンランド、船舶観測）、南極（しらせ航海）、山岳（フランス）、航空機観測における試料採取を行った。それらの試料を用いて、例えば北極の観測では氷晶核能と固体エアロゾル粒子の関係、氷晶核能を持つ粒子と季節の関係、雲残渣中の氷晶核粒子などを明らかにした。それらの成果は、Freitas et al. (2023; 2024)やAdachi et al (2023)などの国際誌で報告した。Freitas et al. (2023) では、北極のスバールバル諸島において気温が0度を上回る夏季においてバイオエアロゾルの発生が増え、その結果混層雲における氷晶核雲の生成が促進している可能性を、観測期間中に採取したエアロゾル粒子を電子顕微鏡を使って分析することで明らかにした。また、氷晶核になりうる固体エアロゾル粒子の分析法に関して、その光学特性やサイズを連続的に検出する方法の開発やその実大気への応用を行った（Moteki et al., 2023; Ohata et al., 2023）。 上記の研究成果は、極域を含む実大気においてバイオエアロゾルなどの固体粒子が氷晶核となって機能していることを示す成果である。令和5年度は、特に試料採取に注力したが、令和6年度は令和５年度に採取した試料をさらに解析し、その個別粒子の特徴を明らかにする計画である。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究では関連論文が主著で6本、共著でもNature Communicationsを含む国際雑誌に複数本報告しており、順調に進捗している。また、昨年度は航空機観測や極地観測を増やして、貴重な試料を多く採取することができた。これらの試料を今後解析することで、さらなる成果が期待できる。一方で、本研究課題は当初予定していた研究期間の倍の時間をかけている。これは、延長願いで示したように世界的なパンデミックにより野外観測が制限されたためである。その分として令和5年度に集中した試料採取を行うなど、当初計画の進捗に努めている。そのため、当初計画より時間はかかっているものの順調に成果が出ている。

今後の研究の推進方策

今後は、これまでに採取した試料の分析を進めるとともに、氷晶雲を生成する環境での試料の採取に努める。また、観測は他の共同研究者とともに行っており、顕微鏡分析でしか得られない分析結果（バイオエアロゾルの検出など）を提供し、氷晶核能研究の推進を行う。特に、北極での試料採取とその分析は継続して行っており、令和6年度も全シーズンをカバーする試料採取を行う計画である。また、小型チャンバーを用いた環境制御実験も行い、野外観測と室内実験の両方からエアロゾル粒子の氷晶核能実態解明を目指す。

研究成果

• [国際共同研究] Stockholm University(スウェーデン)
• [国際共同研究] Stockholm University(スウェーデン)
• [国際共同研究] Stockholm University(スウェーデン)
• [国際共同研究] ストックホルム大学(スウェーデン)
• [国際共同研究] ストックホルム大学(スウェーデン)
• [雑誌論文] Microphysical properties of atmospheric soot and organic particles: measurements, modeling, and impacts (2024)
  • 著者名/発表者名: Li Weijun、Riemer Nicole、Xu Liang、Wang Yuanyuan、Adachi Kouji、Shi Zongbo、Zhang Daizhou、Zheng Zhonghua、Laskin Alexander
  • 雑誌名: npj Climate and Atmospheric Science 巻: 7 号: 1
  • DOI: 10.1038/s41612-024-00610-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Occurrence, abundance, and formation of atmospheric tarballs from a wide range of wildfires in the western US (2024)
  • 著者名/発表者名: Adachi, K. Dibb, J. E. Katich, J. M. Schwarz, J. P. Guo, H. Campuzano-Jost, P. Jimenez, J. L. Peischl, J. Holmes, C. D. Crawford, J.
  • 雑誌名: EGUsphere 巻: - ページ: 1-30
  • DOI: 10.5194/egusphere-2024-880
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Composition and mixing state of individual aerosol particles from northeast Greenland and Svalbard in the Arctic during spring 2018 (2023)
  • 著者名/発表者名: Adachi Kouji、Tobo Yutaka、Oshima Naga、Yoshida Atsushi、Ohata Sho、Krejci Radovan、Massling Andreas、Skov Henrik、Koike Makoto
  • 雑誌名: Atmospheric Environment 巻: 314 ページ: 120083-120083
  • DOI: 10.1016/j.atmosenv.2023.120083
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Constraining the complex refractive index of black carbon particles using the complex forward-scattering amplitude (2023)
  • 著者名/発表者名: Moteki Nobuhiro、Ohata Sho、Yoshida Atsushi、Adachi Kouji
  • 雑誌名: Aerosol Science and Technology 巻: 57 号: 7 ページ: 678-699
  • DOI: 10.1080/02786826.2023.2202243
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A signature of aged biogenic compounds detected from airborne VOC measurements in the high arctic atmosphere in March/April 2018 (2023)
  • 著者名/発表者名: Holzinger Rupert、Eppers Oliver、Adachi Kouji、Bozem Heiko、Hartmann Markus、Herber Andreas、Koike Makoto、Millet Dylan B.、Moteki Nobuhiro、Ohata Sho、Stratmann Frank、Yoshida Atsushi
  • 雑誌名: Atmospheric Environment 巻: 309 ページ: 119919-119919
  • DOI: 10.1016/j.atmosenv.2023.119919
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Shortwave absorption by wildfire smoke dominated by dark brown carbon (2023)
  • 著者名/発表者名: Chakrabarty Rajan K.、Shetty Nishit J.、Thind Arashdeep S.、Beeler Payton、Sumlin Benjamin J.、Zhang Chenchong、Liu Pai、Idrobo Juan C.、Adachi Kouji、Wagner Nicholas L.、Schwarz Joshua P.、Ahern Adam、Sedlacek Arthur J.、Lambe Andrew、Daube Conner、Lyu Ming、Liu Chao、Herndon Scott、Onasch Timothy B.、Mishra Rohan
  • 雑誌名: Nature Geoscience 巻: 16 号: 8 ページ: 683-688
  • DOI: 10.1038/s41561-023-01237-9
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: Ohata Sho、Moteki Nobuhiro、Kawanago Hikaru、Tobo Yutaka、Adachi Kouji、Mochida Michihiro
  • 雑誌名: Aerosol Science and Technology 巻: 57 号: 10 ページ: 1013-1030
  • DOI: 10.1080/02786826.2023.2223387
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Regionally sourced bioaerosols drive high-temperature ice nucleating particles in the Arctic (2023)
  • 著者名/発表者名: Pereira Freitas Gabriel、Adachi Kouji、Conen Franz、Heslin-Rees Dominic、Krejci Radovan、Tobo Yutaka、Yttri Karl Espen、Zieger Paul
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 号: 1 ページ: 5997-5997
  • DOI: 10.1038/s41467-023-41696-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Identification and particle sizing of submicron mineral dust by using complex forward-scattering amplitude data (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Atsushi、Moteki Nobuhiro、Adachi Kouji
  • 雑誌名: Aerosol Science and Technology 巻: Online 号: 7 ページ: 1-14
  • DOI: 10.1080/02786826.2022.2057839
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Composition and mixing state of Arctic aerosol and cloud residual particles from long-term single-particle observations at Zeppelin Observatory, Svalbard (2022)
  • 著者名/発表者名: Adachi Kouji、Tobo Yutaka、Koike Makoto、Freitas Gabriel、Zieger Paul、Krejci Radovan
  • 雑誌名: Atmospheric Chemistry and Physics 巻: 22 号: 21 ページ: 14421-14439
  • DOI: 10.5194/acp-22-14421-2022
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The Ny-Alesund Aerosol Cloud Experiment (NASCENT): Overview and First Results (2022)
  • 著者名/発表者名: Pasquier J. T.、David R. O.、Freitas G.、Gierens R.、Gramlich Y.、Haslett S.、Li G.、Sch?fer B.、Siegel K.、Wieder J.、Adachi K. et al
  • 雑誌名: Bulletin of the American Meteorological Society 巻: 103 号: 11 ページ: E2533-E2558
  • DOI: 10.1175/bams-d-21-0034.1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Meteoritic materials within sulfate aerosol particles in the troposphere are detected with transmission electron microscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: Adachi Kouji、Oshima Naga、Takegawa Nobuyuki、Moteki Nobuhiro、Koike Makoto
  • 雑誌名: Communications Earth and Environment 巻: 3 号: 1 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1038/s43247-022-00469-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Fine Ash‐Bearing Particles as a Major Aerosol Component in Biomass Burning Smoke (2022)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Atmospheres 巻: 127 号: 2 ページ: 1-22
  • DOI: 10.1029/2021jd035657
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Arctic black carbon during PAMARCMiP 2018 and previous aircraft experiments in spring (2021)
  • 著者名/発表者名: Ohata, S., Koike, M., Yoshida, A., Moteki, N., Adachi, K., Oshima, N., Matsui, H., Eppers, O., Bozem, H., Zanatta, M., and Herber, A. B.
  • 雑誌名: Atmos. Chem. Phys. 巻: 21 号: 20 ページ: 15861-15881
  • DOI: 10.5194/acp-21-15861-2021
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Compositions and mixing states of aerosol particles by aircraft observations in the Arctic springtime, 2018 (2021)
  • 著者名/発表者名: Adachi Kouji、Oshima Naga、Ohata Sho、Yoshida Atsushi、Moteki Nobuhiro、Koike Makoto
  • 雑誌名: Atmospheric Chemistry and Physics 巻: 21 号: 5 ページ: 3607-3626
  • DOI: 10.5194/acp-21-3607-2021
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Comparison of three aerosol representations of NHM-Chem (v1.0) for the simulations of air quality and climate-relevant variables. (2021)
  • 著者名/発表者名: 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,
  • 雑誌名: Geoscientific Model Development 巻: 14 号: 4 ページ: 2235-2264
  • DOI: 10.5194/gmd-14-2235-2021
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: 雪氷 巻: 83 ページ: 169-191
  • 査読あり
• [雑誌論文] Wintertime Airborne Measurements of Ice Nucleating Particles in the High Arctic: A Hint to a Marine, Biogenic Source for Ice Nucleating Particles (2020)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 47 号: 13
  • DOI: 10.1029/2020gl087770
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mixing State of Black Carbon Particles in Asian Outflow Observed at a Remote Site in Taiwan in the Spring of 2017 (2020)
  • 著者名/発表者名: Sun Cuizhi、Adachi Kouji、Misawa Kentaro、Cheung Hing Cho、Chou Charles C.‐K.、Takegawa Nobuyuki
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Atmospheres 巻: 125 号: 16
  • DOI: 10.1029/2020jd032526
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Enhanced new particle formation above the marine boundary layer over the Yellow Sea: Potential impacts on cloud condensation nuclei (2020)
  • 著者名/発表者名: Takegawa, N., T. Seto, N. Moteki, M. Koike, N. Oshima, K. Adachi, K. Kita, A. Takami, and Y. Kondo
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Atmospheres 巻: 125 号: 9 ページ: 1-17
  • DOI: 10.1029/2019jd031448
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Detection of Aerosol Particles from Siberian Biomass Burning over the Western North Pacific (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshizue Momoka、Taketani Fumikazu、Adachi Kouji、Iwamoto Yoko、Tohjima Yasunori、Mori Tatsuhiro、Miura Kazuhiko
  • 雑誌名: Atmosphere 巻: 11 号: 11 ページ: 1175-1175
  • DOI: 10.3390/atmos11111175
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Rapid evolution of aerosol particles and their optical properties downwind of wildfires in the western US (2020)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Atmospheric Chemistry and Physics 巻: 20 号: 21 ページ: 13319-13341
  • DOI: 10.5194/acp-20-13319-2020
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Comparison of three aerosol representations of NHM-Chem (v1.0) for the simulations of air quality and climate-relevant variables (2020)
  • 著者名/発表者名: Kajino Mizuo、Deushi Makoto、Sekiyama Tsuyoshi Thomas、and co-authors
  • 雑誌名: Geoscientific Model Development 巻: 14 ページ: 225-2264
  • DOI: 10.5194/gmd-2020-229
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mixing states of Amazon basin aerosol particles transported over long distances using transmission electron microscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Atmospheric Chemistry and Physics 巻: 20 号: 20 ページ: 11923-11939
  • DOI: 10.5194/acp-20-11923-2020
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Concentrations and Size Distributions of Black Carbon in the Surface Snow of Eastern Antarctica in 2011 (2020)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Atmospheres 巻: 125 号: 1
  • DOI: 10.1029/2019jd030737
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spherical tarball particles form through rapid chemical and physical changes of organic matter in biomass-burning smoke (2019)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 116 号: 39 ページ: 19336-19341
  • DOI: 10.1073/pnas.1900129116
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Aerosol mixing state revealed by transmission electron microscopy pertaining to cloud formation and human airway deposition (2019)
  • 著者名/発表者名: Ching Joseph、Adachi Kouji、Zaizen Yuji、Igarashi Yasuhito、Kajino Mizuo
  • 雑誌名: npj Climate and Atmospheric Science 巻: 2 号: 1 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1038/s41612-019-0081-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Fine ash-bearing particles as a major aerosol component in biomass urning smoke (2022)
  • 著者名/発表者名: Adachi Kouji
  • 学会等名: AGU FAll meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Physical and chemical analyses of aerosol particles from biomass burning using transmission electron microscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Kouji Adachi
  • 学会等名: Pacifichem2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 足立光司
  • 学会等名: 第38回エアロゾル学会・技術研究討論会
  • 招待講演
• [学会発表] Spherical tarballs form through chemical and physical evolution of primary organic particles in biomass-burning smoke (2020)
  • 著者名/発表者名: Adachi K, Takeshi Kinase, Eric M Scheuer, Jack E Dibb, Joseph M Katich, Joshua Peter Schwarz
  • 学会等名: AGU Fall meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Spherical tarballs form through chemical and physical evolution of primary organic particles in biomass-burning smoke (2020)
  • 著者名/発表者名: Adachi K
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Single-particle analyses of aerosol particles using transmission electron microscopy and cold stages with an optical and scanning electron microscopes (2019)
  • 著者名/発表者名: Adachi K., Kinase T.
  • 学会等名: American Geophysical Union 2019 Fall Meeting
  • 国際学会