横浜付近におけるエアロゾルの光学観測
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(2) 100. ･吸収のそれぞれの光学的厚さの和として表わせる｡可視波長域での丁(i)の変動の主. 要部分はエアロゾルの光学的厚さの変動と考えてよい｡で(A)はまた消散係数,大気混濁 (Roosen 度とも呼ばれ,長期的な観測が行われ,その季節変動について調べられている｡ King et et alリ1973: al., 1980)これらの報告によれば,世界各地での大気混濁度ほ, ほぼ冬季最少夏季最大の傾向を示している｡しかし観測地点によってほ可視短波長の大 (Roosen et al., 1973)また大気 気混濁度が,冬季に極大を示す例が報告されている｡ (Peterson et al., 1981:荒生･ 混濁度の長期変動についての解析も報告されている｡ 山本, 1981)前者は米国,後者は日本の観測データを用いて,エアロゾルの長期変動を 求めて, 1950年代から除々に増加の傾向があることを示した｡一方都市部及びその近郊 では,人間活動による起源のエアロゾルが主要なものと考えられる｡これらのエアロゾ. ルについても,多くの研究があり,風向･風速などの気象要素と粒径分布,濃度,大気 1980:三浦他, 電導度との関係が明らかにされている｡ (岩田他, 1975:小林他,. 1980). 著者らは横浜付近におけるエアロゾルを光学的方法を用いて観測した｡横浜付近は東京. 湾からの海洋性エアロゾルや,京浜工業地帯の人工的なエアロゾルが混合されているも のと考えられる｡本論文においてこのエアロゾルの光学的性質についての観測結果につ いて報告する｡ 2.観測方法と装置. 従来,大気中のエアロゾルの光学的測定法ほ,太陽の直連日射量を測定することによ り,それからエアロゾルの全量を求める方法が主であった｡この方法だと観測が日中に 限られ,また曇天時にも測定ができないことになる｡ここで述べる観測方法は,太陽を (㌔. 光源とする代りに,人工の光源を用いて地表近傍に存在するエアロゾルを光学的に測定 する方法である｡人工の光源であるため上記の太陽光による測定法の弱点を克服するこ とができ,観測ほ常時行なうことができる｡しかし一方エアロゾルによる減衰のない,. 言わゆるゼロ吸収の光源の強度を求めることができず,何らかの方法でこの強度を見積 らなければならない｡. 観測装置にほ,光源からの光を集光するため,口径75mm,焦点距離1300mmのレ ンズを用いた｡集光された光ほ,視野シポリ,干渉フィルターを通った後,光電子増倍 管により電流に変換される｡装置の光学系を図1に示す｡視野シポリ紘,測定すべき光. 源の周囲の背景光をできるだけ除去するためのもので,これにより昼間においても光源 の強度を検出することができたo波長列別の光源の強度を求めるた捌こ,金属薄膜の干 モニタ 一円. 珊レンズ. 視野シJi(1). @ 集光レンズ. 光電子増陪管. --J-磨 ぅ二1-Ⅰ 1､. ヽ. フイルター. 口径75mm. プI)Lタ-. 鮎拒削300mm.. ーレット 国1.観測装置の光学系｡.
(3) 101. 表1.干渉フィルターの特性. フィルター. 中心波長. バンド幅. 透過率. ♯1. 4505. A. 100. A. 37%. ♯2. 5250. Å. 110. A. 48%. ♯3. 5970. A. 140. 6474. A. 150. A A. 45%. ♯4. 6980. A. 125. A. 42%. ♯5. 図2一(a)観測装置外観｡. 図2-(b)フィルターレットと光電子増倍管ホルダー｡. 41%.
(4) 102. 渉フィルターを用いた｡フィルターは5枚収納可能なフィルターターレットに取り付け られて,ターレットを手で回すことにより,順次フィルターを切り換えることができる｡ 観測に使用した干渉フィルタ-の特性を表1に示す｡. S-20の光電面を 有している｡光電子増倍管の出力電流は,微少電流計により測定し,ペソレコーダーに 記錬される｡観測装置の外観を図2に示す｡ 光検出のために用いた光電子増倍管は浜松ホトニクス製R647で,. 3.観. 測. 観測用光源として横浜港大桟橋付近にある,船舶の入出港規制用信号灯を用いた｡ (図3 )この信号灯の光量を横浜国大教育学部第2研究棟屋上に設置した観測装置を用 いて測定した｡光源と観測地点す位置関係は図4に示すとおりである｡両地点間の直線. (図5) 距離は5.7kmで,観測地点から光源の方向は南東,途中は平坦な市街地である｡ 観測は1986年10月から1987年11月までの18日間について行った｡観測時間は観測日 より異なるが,ほぼ一時間間隔で信号灯の光の強度を測定した｡この時フィルターを切 り換えて各波長毎の強度を求める｡. (1987年8月4日より5波長で観測,それ以前は♯5. のフィルターを除く4波長で観測)集光系を通して光検出器に導入される光は,測定し ようとする信号灯の背景光の和になっている｡このため背景光の量を求め,さし引く必 要がある｡ところがこの信号灯は約2秒周期で点滅を繰り返している｡このため測定し. たい信号光と背景光の分離が容易で,昼間時のように背景光が大きくまた変化するよう な時でも,精度よく信号光の強度を求めることができた｡図6に測定された生データの 一部を示す｡. 信号灯は白熱電球がマトリックス状に配置され,文字を表現している｡. 図3. 観測に光源として使用した信号灯｡. (図3参照).
(5) 103. 斗 /ご毒霊. 械測地点. 横浜塘. 東梅選抜 信号灯 3km. 図4整観測地点と信号灯の位置関係｡. [ ■･･･1:.1LI■. ■■■写主筆.室■吾･･･､. 事･･∃･.蚕墓･･ヒ.
(6) 104.
(7) 105. ここでJ｡は光源の強度,丁は大気の光学的厚さである｡丁は大気分子を始め,大気中に 含まれる微量成分による光学的厚さの和となる｡すなわち (3 ). T-TR＋Ta＋Tg. TBは大気分子によるレ-リー散乱の光学的厚さで,大気密度から理論的に計算できる. ものである｡丁αは今問題にしているエアロゾルによる光学的厚さである｡. Tgは大気中. の微量ガス(H20,03等)による光学的厚さである｡この量の精確な見積りは,これら 03の吸収は紫外と赤外波長域に強. のガスの密度が分らないとできない｡しかしH20,. く,標準的な密度を用いて計算した光学的厚さは,今回の測定の波長域ではTaに比較 (2)式. し,非常に小さいので無視することができる｡表4に各光学的厚さの値を示す｡. J｡の値が必要となるが,これは今回の観測方法からは求めるこ とができない｡そこで観測期間を通じ,最っとも吸収の少ない日(換言すれば,最とも ′のつい 大きな出力電流が観測された日)の信号光の強度と各観測値との比を求める｡ た量を電流値が最大の時の値とすると, (2)式を用いて, より丁αを求めるには,. ナ. ナ｡exp. J′. (一丁). (-(Ta-Tl). -exp-(I-T')-eXP (一丁′). J｡ exp. (4). ･a-1n与＋T左 と書ける｡. J′の値として1987 ここでレ-リー散乱の光学的厚さほ一定であるとする｡ 年1月4日15時の値を用いた｡この時は北西の季節風が強く,正月休みもあり大気透明 度は非常に良かった｡. (以下混同の恐れがないので,丁αを丁と書く｡)ここで丁′を見積. 蓑4.平均大気の光学的厚さ. 波長 (〃m). 水蒸気 (1cm降水量あたり). レーリー散乱 ( 1大気路程あたり). オゾン. (0.3cm. STP. (あたり). 0. 40. 0. 364. 0. 45. 0. 223. 0. 001. 0.50. 0. 145. 0. 009. 0.55. 0. 098. 0. 026. 0.60. 0. 069. 0. 038. 0.65. 0. 050. 0. 020. 0.70. 0. 037. 〃An. lntroduction. to. 0. 024. Solar. Radiation”,. Academic. 0. 007 Press. (1983)による｡. 表5.クリーン大気中のエアロゾルの光学的厚さ. 波 4505. 長 A. 光学的厚さ 0. 241. 0. 5250A. 0. 178 (). 5970A. 0. 137 0. 6475A. 0. 117 0. 6980A. 0. 101.
(8) 106. 】 l. 3. l. --87JUL.21. ㌔. ＋. ＼ ㌔. ⊥. JUL.27 AUG.3. 一句-. 【 1. 1 i. l 】 l. AUG.4. ￣▲￣. r ⊥. F. 1. I. 千. T. 】. 2. 千 】. 0 図7. 12. 14. 16. 18. 20h. JST. エアゾルの光学的厚さ(波長5250A)の時間変化｡. 1.0. 86DEC.24. ヒ.o こ＼｡ 0.5. ト ロI 0. ＼. 8賢. ロ. ＼. A--I. ○ ー. ＼. 一礼--㌔. :I:. ＼. ;J÷. -0.5. -o･3. 囲8 □. :. ◇. :. △. :. 1ogl. -0･2. ー0.1. エアロゾルの光学的厚さの波長依存性｡ ◇ : 1987年8月3日12時10分 □ : 17時32分 16時22分. 1986年12月24日16時00分. 19時20分･.
(9) 107. るために,次のÅngtr6mの式を用いることとした. (5). T-β1￣α. βはÅngstr6mの混濁係数, αは波長依存を表わすパラメーター. }ほpm単位の波長,. αはエアロゾルを構成する粒子の粒径により, 0-4の間で変化する｡一般に 粒径が小さくなると大きくなり,レ-リー散乱の波長依存性に近づく｡ここでほ丁′の 値を, α-2.0, β-0.07として計算した｡このβの値は視程約50kmに相当する○ である｡. (5)式の値は,大気路程が1の時として定義されているので,光源と観測地点との距離. (5)式で計算した値に0.7をかけたものを丁′とした｡表5にその. 5.7kmを考慮して,. 値を示す｡この値ほ通常観測されるTに較べかなり小さく,この推定値の誤差がT決定 に与える影響は,それほど大きくないことが分る｡式(4)と表5の値を用いて求めたT の時間変化の例を図7に示す｡丁が時から16時にかけて大きくなる日は,人工的エアロ. ゾルの増加と考えることができるが,日変化は観測日により大きく変化し,かならずし も日中大きいわけでもない｡平均的な日変化や季節変化を議論するには,なお長期的な 観測が必要である｡. ii)丁の光学的特性 今回得られた丁(1回の観測で4ないし5波長の丁が求まる)の光学的特性について α, βを決定す 解析を行った｡でが(5)式で表わせるならば,観測された丁を用いて,. 4 860CT.g-87JAN.4. ●. ●. ●. 2. ●. ●. DEC.24. ●. ● ●. ●. ● ● ●. ●. 1. v. 0.5. 1.0. 1･.5. β 図9-(a). αのβ依存性｡曲線で囲んだ点が,それぞれの観測日のデータ｡.
(10) 108. ることができる｡. (5)式を変形した 1ogT-log. は,. β-α1og}. (6). logTと1og}に関する一次式となるので,最小自乗法を用いてα,. βを求めた｡. 1og}を横軸にプロットしたものを図8に いくつかの観測値について, logTを縦軸, 示す｡観測値がはぼ直線上に並んでいることが分る｡. 次にβに対するαの値を図9に示す.データほ観測日の違いにより,バラついたが, 平均的に見ると,どの観測日も0･5≦β≦1･5の範囲で,. βが大きくなると,. に小さくなっていく傾向が見られる｡値としてほぼ1･5-0･8になっている｡ くなるということは,視程の悪化に対応するので,丁ほ大きくなると考えられる｡. αほ除々. βが大き βと. 丁の関係を示したのが国10である｡予想されるようにβと丁は,ほぼ比例しているこ とが分る｡またαの減少はエアロゾルの粒径が大きくなると考えられるので,今回の 観測から丁の増加と共にエアロゾルの粒径が大きくなる債向にあることが言える｡. βの関係やβ,丁の関係からかなりずれてい. しかし観測日によってほ,平均的なα, ることも明らかになった｡. 1986年12月24日,. 1987年7月22日,. 10月12日が,その例で,. 他の観測日の値と区別した｡. (図9,図10参照) 12月24日と10月12日は,向じβの他の 観測日と比較するとαは大きい値を示す｡この日は風が弱く,視程の大変悪い日であ. った｡これに対して7月22日のαほ,同じβを示す他の観測日のαの値のほぼ1/2と. 87JUL.17-∧UG.3. α. 2. t ●. ●. ● ● ● ● ●. ●. ヽ. ◆. ヽ ●. ●. JUL.22. o･5 囲9-(b). β. 1･0. (a)に同じ｡. 1･5.
(11) 109. 4 87AUG.4-NOV.17. α ●● ●. ◆. 2. OCT.12. I. o･5. 1･0. 1･5. β 図9-(c). (a)に同じ｡. 2.0. 1.5. β 1.0. 0. 87JUL.22. ..･ ●●. 0.5. .I::'･.'':･''. 870CT.12. ●●. ◆. ●. t. ヽ. .. ●. ●｡. 0. 1 丁. 国10. 2. 横軸ほ波長5250Åの丁の低. 3.
(12) 110. なっている｡この日ほ風速約4m/sの南ないし南南西の風が吹き,視程が良好であっ た.これは海からの風になっており,他の観測日甲視程の良い日は,北ないし北西の風 が吹いていた日であり気象条件が異っていた｡このようにエアロゾルの性質が,気象条 件の違いにより変化し,光学的性質の違いに表われているものと考えられる｡しかしま だこれだけでの観測例では,横浜付近のエアロゾルの光学的性質と気象要素の関係を明. らかにするには不充分で,なお長期の観測が必要である｡ 5.結. 論. 今回のエアロゾルの光学観測により以下の点が明らかになった｡ 1)人工光源を用い,地上付近のエアゾロルの光学的厚さが定量できた｡ 2)可視波長域での光学的厚さは約0.1-3の間で変化することが分った｡また大きな 日変化や観測日による変化が見られた｡ Angstr6mの式でよく表わせることが分った｡ 3)エーロゾルの光学的厚さは, 4)波長依存のパヲメーターαは, βが大きくなるに従って小さくなることが分った｡ 0. またβの非常に小さい時には, 3程度になる｡ 5) αとβの関係は,同じような傾向を示す日が多かったが,光学的厚さが非常に大 きい時や,南よりの強い風が吹いて視程の良くなった時などこの傾向からずれること が分った｡. 終りに当り,本研究のため多くの資料を提供していただいた東北大学理学部中島映至 博士に感謝します｡. 献. 文 荒生公雄,山本秀子, 岩田. 1981,日本における大気混濁の1970年代の特徴と経年変化についての考察, p. 87-98. 長崎大学教育学部自然科学研究報告,第32号, 晃,石川晴治,高木増美,森田恭弘, 1975佐久島での大気電気要素の観測結果,大気電気研 究, 13巻,. KING,. M., deptb. 98-102.. p.. ∫.REAGAN. ByRNE,. D.. Tucson,. at. Meteorリ. 柑, p.. B. HERMAN,. and between. Arizona. August. 1980, 1975. Spectral. and. variation. December. 1977.. of. Jour.. optical Appl.■. 723-732.. 1980,夏季浦和市におけるエーロゾルと風および化学汚染物質 小林啓男,松本文利,北川信一郎, との関係,大気電気研究, 23巻, p. 44-47. 増田純男,関川俊男, 三浦和象 1980,神楽坂における大粒子の粒径分布の変動(3),大気電気研究, 13巻,. p.. M0日AMMAD PETERSON,. 98-102.. IQBAL,. An. I.T., E.C. Atmospheric. introduction FI.OWERS,. turbidity. to. solar. G.J. BEVRI, over. central. 1983, radiation, C.L. REYNOLDS. North. Carolina,. Press.. Academic and. J.H.. RuDISILL,. 198l,. ユour.. Appl.. Meteor.,. 20, p.. 229-241. RoosEN,. RりR.. ANGIONE. transmission Socリ54,. :. p.. 1.. and Baseline. 307-316.. C.. KLEMCKE, results. from. 1973,. World. Smitbonian. wide. variations. observations,. Bull,. in. atmospheric Meteor.. Amer,.
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