科学技術・学術審議会 資源調査分科会 光資源委員会（第1回）配付資料 ［資料8］

「光と地球環境および環境計測」

名古屋大学 太陽地球環境研究所 松見 豊 2006年11月6日（月） 文部科学省科学技術・学術審議会資源調査分科会光資源委員会 matsumi ＠ stelab.nagoya-u.ac.jp http://www.stelab.nagoya-u.ac.jp/ste-www1/div1/matsumi/ 資料８

2

地球環境と光

１．地球環境問題に関わる光 オゾン層破壊や地球温暖化などの地球環境問題 の発生メカニズムには光が関与している ２．光で計測する地球環境 光を応用した地球環境計測法の新しい展開

3

地球環境問題

• オゾン層破壊

• 地球温暖化

• 光化学スモッグ

など

すべて

光

が関連している

• 大気中の

光化学反応

• 赤外線

光吸収による温室効果

など

4 太陽光のスペクトル（波長強度分布） 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 200 400 600 800 1000 1200 太陽 太陽光 紫外 目で見える 赤外 波長（nm) スクリーン プリズム 各波長での光の強さ 5500℃の黒体放射

5

太陽光の波長分布（大気の外）

光の強度 波長（ｎｍ） 0 0.5 1.0 100 200 300 400 500 窒素の 光吸収 Ｎ2 酸素の 光吸収 Ｏ2 太陽光 紫外 目で見える

オゾン層問題→目では見えない紫外光が重要

6

酸素O

2

酸素O

2

酸素原子O

２つの酸素原子O

太陽光（２００～２４０ｎｍ） 光吸収

オゾンO

3

＋Ｍ

三体反応

7 オゾンＯ3の高度分布

0

10

20

30

40

2

4

オゾン層 オゾン数密度 （×1012_{分子1ｃｍ}3_あたり） 高度 （ｋ ｍ） 酸素Ｏ2の光吸収に有効 な太陽光（200～240ｎｍ） 酸素Ｏ2 地上 吸収されつくして 低いところまで 届かない

8

太陽光の波長分布

光の強度 波長（ｎｍ） 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 100 200 _{300 400 500}

生物に有害な光をオゾン層が吸収

目で見える 酸素の 光吸収 オゾンの 光吸収 O2 O3 大気の外の太陽光 地上の太陽光

紫外光

9

10

世界的なオゾン全量の変化

年

オゾ

ン

量の変化

(%)

11

皮膚ガンの増加

Excess cases (per million per year)

1950 _{2000 2050 2100} 0 500 750 1,000 1,250 1,500 Year USA 倍増 フロン 規制なし 規制（1992） 250

12

オゾン層の破壊

フロン、ハロン（塩素Cl、臭素化Br合物） 人類が放出

スプレー クーラー、 冷蔵庫 ＩＣ、精密部品_洗浄剤 土地の改良剤 太陽光 フロン オゾン層

大気中に出ると

フロンがオゾン層

まで拡散してゆく

フロン：非常に化学的に安定 ←だから有用だった

13 フロン(CFC)および代替フロンの大気中での寿命 ～ 0 14年 CHF₂-CHF₂ (HFC-134a) 0.04 13年 CClF₂H (HCFC-22) 0.64 1.3年 CH₃Br 0.82 102年 CF₂Cl₂ (CFC-12) 1 50年 CFCl₃ (CFC-11) オゾン破壊係数(ODP) 寿命 化合物 ① OHと反応するかどうか ⇐ OHは大気の掃除屋 CFCl₃ + OH → 反応しない CClF₂H + OH → H₂O + CClF₂ ② 対流圏で光分解するかどうか ⇐ 太陽光 λ > 300 nm 300 nmより長波長で光分解するかどうか

14 光の強度 波長（ｎｍ） 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 100 200 _{300 400 500} 目で見える 酸素の吸収 オゾンの吸収 O2 O3 大気の外の太陽光 地上の太陽光

大気の窓

フロンの光吸収

高い高度には短い波長の太陽紫外光

フロンの光分解 CFCl₃（フロン）＋光 → Cl （塩素原子） + CFCl₂

15 フロンの光分解で生成した１つの塩素原子が １００.０００個のオゾンをこわす 塩素原子Ｃｌ 一酸化塩素ＣｌＯ 酸素 Ｏ2 酸素 Ｏ2 オゾン Ｏ3 酸素原子 Ｏ サイクル反応

16

成層圏オゾン層の今後の課題

フロンの減少とともに成層圏オゾン層が復活するか 気候変動がオゾン層破壊にどのような影響を与えるか 国際的なフロンガスなどの生産・使用・禁止の取り決め の効果、フロン回収の取り組みの効果 現在がオゾン破壊の最も大きな時期であり、これから 回復に向かう予測－予測どおりに回復するか 地球温暖化 → 成層圏の温度の低下をもたらす。 オゾン破壊反応の不均一反応の活発化の予測

17 成層圏オゾン層の回復 中緯度域のオゾン量 南極の最小オゾン全量 1980 年からの オ ゾ ン 量変化 (% ) 実測 将来予測 最小 オ ゾ ン 全 量 (DU) 衛星による実測 将来予測 _{（WMO, 2003, Scientific} Assessment of Ozone Depletion: 2002 より）

18

地球温暖化

1000 1500 2000 0 0.5 1 -0.5 2 4 3 5 6 1 0 2100 100年後 （西暦年） 北半球の 平均温度（℃） 温度上昇 洪水 旱魃 気候変動も引き起こす

19 太陽光のスペクトル（波長強度分布） 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 200 400 600 800 1000 1200 太陽 太陽光 紫外 目で見える 赤外 波長（nm) スクリーン プリズム 各波長での光の強さ ５５００℃の熱放射 白色ランプも この位の温度

20

各波長の強度

波長

0.1μｍ

1μｍ

10μｍ

太陽の熱放射

5500℃

地球の熱放射

～15℃

見える _赤外 ストーブ 600℃

21 太陽

5500℃

地球からの熱放射

～15℃

地球 地球の温度を決めるもの 太陽からの日射 地球から宇宙へ の熱放射 バランス 大気の上面でバランス

22 人工衛星 赤外探知機 大気 各波長の強度 波長 ５μｍ １０μｍ ２０μｍ 人工衛星でとった各波長強度 メタン オゾン フロン吸収 ＣＯ２ _水蒸気 １５℃の熱放射 地球 夜

23

二酸化炭素（CO

2

）の光吸収

透明 0 100 400 _{700 1000} 2000 3000 波長 （ｎｍ） 可視・紫外の吸収 電子励起による 赤外の吸収 振動励起による 電子 C O O 紫外光吸収 電子がより高い 軌道をまわる 赤外光吸収 200 可視 光吸収 強度 振動 C O O C O O C O O C O O

24

温室効果

太陽光（可視） _{黒体放射（赤外）}

地球

_地球

_地球

エネルギー バランス 大気なし _{現状 温室効果気体増大} -18℃ -18℃ -18℃ +15℃ エネルギー バランス +３０℃ エネルギー バランス 透過 吸収 単位面積あたりの黒体放射強度 σT4, σ:Stefan Boltzmann定数

25

光化学スモッグ

太陽 風が弱く 日差しが強い

光化学反応

目がチカチカする 息苦しい 頭痛がする

26

光化学スモッグ － オキシダント(O

₃

)の発生

NO₂ NO (λ< 400nm) +太陽光

O

O

3 +O₂, M 炭化水素の 酸化過程 オゾン（オキシダント）生成に必要なもの NO_x (= NO + NO₂) 炭化水素類 太陽紫外線（λ< 400 nm）

27 OH + R-CH₂-R' R-CH-R'• + H₂O OO +O₂ R-CH-R' NO NO NO₂ NO₂ O• R-C-R' O HO₂ O₂ R-CH-R' 炭化水素類の大気中での酸化過程とオゾン発生 NO₂ + 太陽光(λ< 400nm) → NO + O O + O₂ → O₃ （オゾン生成）

28

地球環境と光

１．地球環境問題に関わる光 オゾン層破壊や地球温暖化などの地球環境問題 の発生メカニズムには光が関与している ２．光で計測する地球環境 光を応用した地球環境計測法の新しい展開 • 遠隔計測 • その場計測

29

光を用いた遠隔計測法で地球大気を観測

地球大気 人工衛星 人工衛星 太陽 レーザーレーダー 赤外分光計

30

衛星観測 ー 太陽掩蔽法

31

ILAS I, II 日本の人工衛星（みどりI, II）

(1996-1997, 2003年)

33

波長 (μm)

チャンネルナンバー

34

GOSAT (2008年予定）

地球温暖化の温室効果気体(CO₂)の濃度分布を測定

35

36 （宇宙航空研究開発機構 GOSAT ホームページより）

37 2色の レーザー 受光器 _データ 処理系 受光 望遠鏡 オゾン分子の 光吸収のある 波長 オゾン分子の 光吸収がない 波長 エアロゾル、 空気分子で反射 オゾン層 波長（ｎｍ） 200 _{300 400} オゾン分子の光吸収 O3 光の速さ 1×108 _m/s 到達時間で高度わかる レーザーレーダー オゾン、NO₂ など 差分吸収ライダー

38 （国立環境研究所 地球環境研究センター ホームページより）

39

高分解能フーリエ変換型 赤外分光器 (FTIR)

太陽光

太陽追尾装置 CO, O₃, VOCs, etc.

フーリエ赤外

分光計観測

地上

赤外

分光による大気成分の計測

オゾンなどの光吸収

赤外

40

41

地球環境と光

１．地球環境問題に関わる光 オゾン層破壊や地球温暖化などの地球環境問題 の発生メカニズムには光が関与している ２．光で計測する地球環境 光を応用した地球環境計測法の新しい展開 • 遠隔計測 • その場計測

42

光を応用した環境計測－その場計測

広く用いられている計測技術 • 光吸収測定 オゾンO₃の計測(JIS) 水銀灯253.7nmの光吸収 二酸化炭素CO₂の計測 非分散型赤外光吸収 • 化学発光検出 窒素酸化物NO_xの計測(JIS) NO + O₃ → NO₂* + O₂ • 蛍光検出

43

光を応用した環境計測－その場計測

大気環境の先端的な研究に用いられている計測技術 • 光吸収測定 キャビティーリングダウン分光計測 NO₃, NO₂, IO など 長距離光路差分吸収測定(DOAS) • 蛍光検出 レーザー誘起蛍光法 OH, HO₂, NO₂, SO₂ など • 大気エアロゾル（微粒子）分析 レーザーイオン化による大気微粒子の個別粒子質量分析 • 真空紫外光イオン化法 真空紫外レーザーによる有機物の高感度検出

44

キャビティーリングダウン計測の原理

Intensity ti m e 検出光 高反射率ミラー 反射率R>0.9999 L~500 mm リングダウンタイム

τ

₀ (吸収無)

τ

(吸収有)

(

1 R

)

σNL L/c + − =

τ

R 1 L/c 0 − =

τ

R: ミラーの反射率 L: 光路長 c: 光速 s: 吸収断面積 N: 数密度 時間 実質的な光路長 数km

45 フィルター Nd:YAG レーザー 色素 レーザー 532 nm 662 nm 検出用 APD 光路調整用 cw-YAGレーザー 排気 NO/N₂ 電磁弁 MFC 熱分解用 ヒーター オシロ スコープ 大気 高反射率 ミラー 高反射率 ミラー NO₃測定用光学キャビティー

キャビティーリングダウン計測の実際

NO₃ラジカルの測定

46 OHの計測はかなり難しい 1) 反応活性なので定常濃度が 非常に低い 地表付近 105 _{- 10}7 _個／cm3 2) レーザーによる計測 オゾンによる化学干渉 O₃ + hν → O(1_{D) + O} 2 O(1_{D) + H} 2O → 2 OH 一つのレーザーパルスのうちに 起こる 検出レーザー自身がOHをつく り出す。 高繰り返しで高分解能のレーザー レーザー誘起蛍光法による 大気OHラジカルの測定

47 硫酸エアロゾル 海塩粒子 土壌粒子 SO₂ OCS Wind Mineral Dust Organic Carbon Black Carbon Wind Wave Sea Solt 有機エアロゾル 起源と種類 DMS スス粒子

大気中微小粒子の起源と環境影響

気候変動に影響、人体に悪影響、大気反応に影響

環境に及ぼす影響

4-B

48 Photomuliplier tube 514nm Ar ion Laser Particle Scattered light Pump 193nm Excimer Laser 散乱光 + -+ + + イオン化 エアロゾル イオン化用レーザー アブレーション

エアロゾルの個別粒子の

レーザーによる検出＆イオン化

49 エアロゾル個数・組成時間変化 0 20 40 60 80 100 NO₂ -HSO₄ -黄砂粒子 1000 その他 EC, 有機物 海塩粒子 黄砂粒子 0% SiO₂- SiO3 --0.1 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 0 20 40 60 80 100 海塩粒子 35_Cl -NaCl₂ -100% 50% 個/L 0 20 40 60 80 100 元素状炭素 (EC) 粒子 C -C₂ -C₃- _C 4 -C₅ -C₆ -C₇ -（ > 1 μm径） 37_Cl -0 2-0 4-0 6-0 8-0 1-0-0 m/e 0 単一粒子質量スペクトルの例 _{黄砂の飛来過程で} Nitrate, Sulfate が付着 1.8 μm 1.4 μm 0.8 μm

50

真空紫外光イオン化による有機物の検出

真空紫外光イオン化による有機物の検出

有機分子の フラグメンテーション閾値 9 10 1１ 12 En ergy (eV) シックハウス 過敏症原因物質 H₂CO etc 一般の空気 H₂O N₂ O₂ CO₂ etc 爆発物、麻薬 RDX TNT 自動車排ガス ダイオキシン前駆体 C₆H₆ C₆H₅Cl 20 40 60 80 100 120 m/z signal CH₃ CH3 CH3 1:1:1 イオン化エネルギー10.5 eV イオン化閾値近傍で効率よく親イオンのみへイオン化 →フラグメンテーションフリー 混合系の同時測定に適する

51 355 nm 118 nm 非線形光学効果による 118 nm 真空紫外光発生 Ionization Chamber Detection Chamber

VUV Generation Cell Xe gas NO Ionization Cell Einzel Lenz MCP 355 nm 118 nm LiF Prism Sampling Nozzle 真空紫外レーザー光による高感度な 大気中の有機物の検出器 Xe gas

52

地球環境と光

１．地球環境問題に関わる光 オゾン層破壊や地球温暖化などの地球環境問題 の発生メカニズムには光が関与している ２．光で計測する地球環境 光を応用した地球環境計測法の新しい展開 END