| 研究課題/領域番号 |
26340016
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| 研究機関 | 独立行政法人国立環境研究所 |
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研究代表者 |
遠嶋 康徳 独立行政法人国立環境研究所, 地球環境研究センター, 主席研究員 (40227559)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 大気中酸素濃度 / 連続観測 / 炭素循環 / 大気ー海洋ガス交換 / 船上観測 / 酸素/二酸化炭素比 |
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| 研究実績の概要 |
船舶での大気中酸素（O2）濃度の長期観測を実現するために、小流量（～毎分10mL）で高精度に連続観測できるシステムの開発を行った。O2測定には市販の燃料電池式O2計を用いた。O2計の2つの検出器に流路切替バルブを用いて試料空気と参照空気を2分毎に交互に導入した。また、CO2濃度も測定できるように、O2計の一方の検出器の下流にCO2計（LI-840）を設置した。試料・参照空気はマスフローコントローラを用いて流量を毎分10mLに制御し、大気圧変動の影響を受けないように検出器の出口で可変バルブを用いて圧力を一定に保った。2分間の測定値と、前後2分間の測定値の平均値との差からO2およびCO2の参照空気からの濃度差を求める。なお、O2計の場合は2つの検出器の平均値を求める。また、O2およびCO2の標準ガスの測定から、2分毎の分析値の分析精度はO2で±0.7ppm、CO2で±0.15ppmであること、また、本分析システムがO2およびCO2濃度に対して直線的に応答をすることが分かった。さらに、定期的なキャリブレーションの結果、O2およびCO2濃度のドリフトは2ヶ月間で±0.2ppmおよび±0.1ppm以内であった。
空気中の水蒸気をppm以下に除湿するために、スターリング式冷却機で冷却（-80℃）したガラストラップとステンレス製トラップに空気を通過させて除湿するシステムを開発した。なお、ナフィオンチューブを用いた乾燥ではO2濃度が低下することが分かった。また、試料空気の採取にはポンプの下流で容積約2Lのガラス容器を背圧調整弁で圧力を一定に保ち、その中心部分から必要量の空気を1/16インチの配管を使って取り込むことで、O2濃度の分別を抑えながらO2計に導入することができた。
本分析システムを用いて外気の観測を2月に実施したところ、O2とCO2が逆相関をしながら変動する様子を捉えることができた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
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
定期貨物船を用いた長期連続観測を実現するためには、メンテナンスが簡便で消耗品等の交換頻度が少なくて済む測定システムである必要がある。これまでに報告されている連続測定システムでは、空気の流量は毎分約100mLを必要とした。しかし、その流量では試料空気と同時に分析する参照空気を、たとえ容積48Lの高圧容器（120気圧充填）を使用したとしても、40日程度で交換しなければならず実用的ではない。今回開発した分析システムでは、流量制御にマスフローコントローラを用い、Valco社の流路切替バルブを用いることで、試料空気と参照空気の切替に対して小流量でも極めてシャープな応答を実現できた。また、実験室という比較的環境が安定した条件下ではあるが、分析精度1ppm以下を実現した。さらに、分析システムの出力が安定しており、キャリブレーション頻度を抑えられることも実際の観測では利点となる。
当初はCO2濃度の測定は、船上で独立に運用されているCO2計のデータを利用することを考えていた。しかし、小型のCO2計をシステムに組み込むことで小流量でも十分な精度でCO2濃度を測定することが可能となった。
試料空気の除湿のために、スターリング式冷却機のコールドヘッドにステンレス管を固定するアルミブロックを取り付け、その外側にガラス製トラップを密着させることで、ステンレス管とガラストラップをアルコール等の冷媒を使わずに同時に冷却する装置を考案した。大気試料をガラストラップ、ステンレス管の順に通すことで長期間、詰まることなく十分に除湿することが可能となった。また、大気試料採取システムとしては、既にステーションでの連続測定で利用されているシステムを応用することでO2濃度を変化させずに分析システムに導入することが可能となった。
このように、船舶での長期連続観測のために克服しなければならない問題はほぼ解決することができた。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成26年度に開発した分析システムのシステム制御およびデータ収集のためのソフトウエアを開発する。また、大気採取部、除湿部、標準ガス導入部、O2計+CO2計、およびデータ収集・システム制御部（PC）から構成される船上観測システムを、貨物船の限られたスペースにも設置できるようで装置全体をできるだけコンパクトにまとめる。平成27年度末までに、開発された船上O2連続測定システムを日本－北米間を定期運航する貨物船（New Century 2号）へ設置し、北部北太平域での大気O2濃度の連続観測を開始する。
船上連続観測の結果を、同じ貨物船で同時に実施されているボトルサンプリングによって得られるO2およびCO2濃度の分析結果、および、本分析システムとは別のCO2連続測定結果と比較し、船上連続測定装置によるO2およびCO2濃度の分析精度を評価する。O2濃度およびCO2濃度の船上連続観測結果を用いてCO2の高濃度イベント時のO2/CO2変動比を求め、CO2の発生源の推定を行う。O2/CO2変動比は発生源によって特徴的な値を取りるため（生物起源：1.1、石炭燃焼：1.17、石油燃焼：1.44、天然ガス燃焼：1.95）、観測される変動比からCO2の発生源を推定することができる。
また、太平洋中緯度帯では春から初夏にかけて植物プランクトンの一次生産が急激に増加する現象（ブルーミング）がしばしば発生し、海洋からO2が放出されることが知られている。一方、秋から冬にかけて、表面海水温の低下に伴って鉛直混合が活発化し深層海水が表層に達することで大気中のO2を吸収する。そこで、こうした海洋フラックスの変化に起因する大気中O2濃度の変化を検出する。同時期の衛星によるクロロフィルや海面水温を調べ、O2濃度上昇・下降域との関連を調べる。
上記のように船上観測によって得られた上記の結果を取りまとめ、成果の発表を行う。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
当該年度に開発した分析装置を次年度に貨物船に設置する際に、配管や継手等を新たに購入する必要があるから。
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| 次年度使用額の使用計画 |
次年度は大気中酸素濃度連続測定システムを貨物船に設置する。そのために、次年度予算を使って、大気採取装置、除湿装置、ガス切替装置、O2+CO2計、計測制御・データ収集用パソコンをコンパクト化を行う。さらに、貨物船に設置する際に、配管や継手等の部材が必要となり、次年度使用額を用いてこれらの部材を購入する。
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