北極広域に沈着した光吸収性粒子の測定手法の開発とその空間分布の観測的研究

2019 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K20441
• 研究機関: 東京理科大学
• 研究代表者: 森 樹大 東京理科大学, 理学部第一部物理学科, 助教 (60801181)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: ブラックカーボン / 黒色酸化鉄粒子 / 北極 / 湿性除去 / レーザー誘起白熱法 / ネブライザー / 積雪

研究実績の概要

本研究の目的は、北極広域の積雪に沈着した黒色炭素粒子（ブラックカーボン、BC）と黒色酸化鉄粒子（FeOx）の質量濃度と沈着量の空間分布を明らかにすることである。以下に、昨年度に実施した内容と研究成果を記す。
１) 水試料中に含まれるFeOx粒子の測定
BC粒子の標準試料であるフラーレンスートとFeOx粒子の標準粒子であるマグネタイトを、それぞれレーザー誘起白熱法を用いた装置 (SP2) に導入し、既知の質量ごとに白熱光強度を測定した。また、異なる波長域で測定された白熱光強度の比から、BCとFeOx粒子を区別するアルゴリズムを開発した。この実験により、BCとFeOx粒子を選択的に区別し、同時に両者の粒径別質量濃度の測定を可能にした。次に、室内実験と数値計算を組み合わせ、ネブライザーによって水抽出された粒子がSP2に導入されるまでの粒子抽出効率を決定した。BCの抽出効率は0.07-2.0μmで50%、FeOxの抽出効率は、0.07-1.0μmで50%であった。BCの抽出効率については、粒径が既知であるPSL粒子の懸濁液を用いても確かめた。ネブライザーとSP2を組み合わせることで、水試料中のBC・FeOx粒径別質量濃度の高精度な測定(16%)を可能にした。この手法を、北極広域から採取した220個の積雪試料に適用し、分析と解析を行った。
2) 研究成果
北極広域の積雪に沈着したBC濃度と沈着量の空間分布を明らかにした。BCの排出量や降水量、境界層高度（逆転層）が、積雪に沈着したBC濃度や粒径分布、沈着量に強く影響を与えることを明らかにした。これらの結果をまとめ、学術的に評価の高いJournal of Geophysical Research, Atmosphereに投稿し、受理された (2019/10)。また、複数の学会で研究発表を行った（国内：口頭３、ポスター１、国際：ポスター１）。

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

昨年度、申請者は水試料中におけるBC粒子とFeOx粒子の粒径別質量（数）濃度を測定する手法を確立した。すでに北極広域から採取した全220個の積雪試料の分析を終了しており、今後はデータ解析とその解釈を行う。

今後の研究の推進方策

本年度は、分析した積雪試料中のFeOx粒子のデータ解析を行う。北極広域に沈着したFeOx粒子の質量濃度や沈着量、粒径分布を定量的に明らかにする。これらの測定物理量が、気象条件や場所、地形、空気塊の輸送などの違いによって、特徴が見られるかを調べる。水試料中のFeOx数濃度が低く、統計的にデータ取得数が少ない場合は、追加で実験を行う。

次年度使用額が生じた理由

次年度使用額が生じた理由は、実験装置の修理費が比較的安く抑えられたためである。次年度に繰り越した予算は、昨年度と同様、実験装置や関連する備品の修理代に費やし、高精度な測定や分析に心がける。

研究成果

• [雑誌論文] Black Carbon and Inorganic Aerosols in Arctic Snowpack (2019)
  • 著者名/発表者名: Mori, T., Goto-Azuma, K., Kondo, Y., Ogawa-Tsukagawa, Y., Miura, K., Hirabayashi, M., Oshima, N., Koike, M., Kupiainen, K., Moteki, N., Ohata, S., Sinha, P. R., Sugiura, K., Aoki, T., Schneebeli, M., Steffen, K., Sato, A., Tsushima, A., Makarov, V., Omiya, S., Sugimoto, A., Takano, S., Nagatsuka
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Atmospheres 巻: 124 ページ: 13325～13356
  • DOI: doi.org/10.1029/2019JD030623
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] BarrowにおけるBC粒子の湿性沈着に関する研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 森樹大、近藤豊、大畑祥、Y. Zhao, P. R. Sinha, 大島長, 松井仁志, 茂木信宏, 小池真
  • 学会等名: エアロゾル・雲・降水の相互作用に関する研究会
• [学会発表] Black carbon and inorganic aerosols in snowpack over the Arctic (2019)
  • 著者名/発表者名: Mori, T., Goto-Azuma, K., Kondo, Y., Ogawa-Tsukagawa, Y., Miura, K., Hirabayashi, M., Oshima, N., Koike, M., Kupiainen, K., Moteki, N., Ohata, S., Sinha, P. R., Sugiura, K., Aoki, T., Schneebeli, M., Steffen, K., Sato, A., Tsushima, A., Makarov, V., Omiya, S., Sugimoto, A., Takano, S., Nagatsuka
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会2019年大会
• [学会発表] 北極域に沈着した黒色炭素粒子と無機エアロゾルの空間分布 (2019)
  • 著者名/発表者名: 森樹大, 東久美子, 近藤豊, 塚川佳美, 平林幹啓, 小池 真, Kaarle Kupiainen, 茂木信宏, 大畑 祥, 大島 長, 三浦和彦, 杉浦幸之助, 青木輝夫, Konrad Steffen, Martin Schneebeli, 佐藤篤司, 對馬あかね, Vladimir Makarov, 大宮 哲, 杉本敦子, 鷹野真也,
  • 学会等名: 日本エアロゾル学会
• [学会発表] BarrowにおけるBC粒子の湿性沈着フラックスの季節変動 (2019)
  • 著者名/発表者名: 森樹大, 近藤豊, 大畑祥, Y. Zhao, P.R.Sinha, 大島長, 松井仁志, 茂木信宏, 小池真
  • 学会等名: 大気化学討論会
• [学会発表] Black Carbon and Inorganic Aerosols in Arctic Snowpack (2019)
  • 著者名/発表者名: Mori, T., Goto-Azuma, K., Kondo, Y., Ogawa-Tsukagawa, Y., Miura, K., Hirabayashi, M., Oshima, N., Koike, M., Kupiainen, K., Moteki, N., Ohata, S., Sinha, P. R., Sugiura, K., Aoki, T., Schneebeli, M., Steffen, K., Sato, A., Tsushima, A., Makarov, V., Omiya, S., Sugimoto, A., Takano, S., Nagatsuka
  • 学会等名: Sixth International Symposium on Arctic Research (ISAR-6)
  • 国際学会