第6章紫外日射の測定

気象研究所技術報告 第6号 1982

第6章紫外日射の測定

ホ   治二

正正林野

小浅

ホ  ホ三幸

潔正井根

村関

6．1 はじめに

 地表面に到達する日射の波長範囲は、約300㎜から5μmと見られるが、その中で紫外日身量は、

大気の上端に入射する、いわゆる太陽常数の中でも約9％弱であって、大気を通過した後に地表面 に到達する日射の中での割合はたかだか数％になる。これは、散乱によって大気外へ反射される量 が波長の減少とともに大きくなることによる。こ．のように、地球大気に入射するエネルギーとして の紫外日射は極めて微小であって、熱収支あるいはエネルギー収支の問題に対する役割は小さい。

ところが、紫外日射に対する関心と、その量の測定は非常に古く、今世紀の初頭からその測定法が 開発されている。これは主として、生物あるいは、医学上の問題から発している。すなわち、紫外 日射は人間の皮膚に対する日焼けを始めとして、動植物に対して種々の効果を示している心そして、

これ等の効果が顕著に現われるのは、波長（λ）が250〜320nmの間の紫外域に集中している。種々 の作用の効果の波長分布は現在かなり細かく知られており、320nmは、1つの境目を示し、とくに、

紅斑と呼ばれる効果は280〜320nmの間で強い効果を示している。このような生物学的に特徴のあ る領域をとくに、UVB（Biologically active part of the ultraviolet spectrum）と名付けている。

これに応じて、最近は、UVA（320〜400nm）、UVC（λ＜280nm）というような便宜的な分類も用 いられている。

 一方、この波長域はオゾン吸収の著しい領域にもなっており、大気中に入射した日射は、オゾン 層のオゾンによってほとんど吸収されてしまう。その結果、地表面に到達する日射の短波長側の限 界は約290nmとなる。オゾンの吸収係数は、約330nmから波長が短くなるとともに急激に大きく なっているので、この領域の波 長分布はオゾン層のオゾン量によってほぽ決められ、オゾン量の変 動に伴って著しく変動する、この様に、生物等に直接効果と及ぼす紫外目射は同時にオゾソ量に大 きく左右されている5この性質は、『現在、オゾン量測定の有力な手がかりとなっており｛気象要素 の一つとして世界的観測網による測定に利用されている。ところが、最近の人間活動の激化による 人工汚染気体は、オゾン層内のオゾンを破壊し、オゾンの平均レベルを低下させ、これが地表に入 射する紫外日射の増加を招き、そり結果、人体等への有害な効果、とくに、皮膚がんの増加などが 懸念されるよう匠なった。このよ、うにして、紫外日射強度の地域的分布、長期的変動の検出のため

の監視網の必要性が叫ばれるようになり、紫外日射への関心が再び大きくなって来たのである。

＊高層物理研究部

一229一

気象研究所技術報告 第6号 1982

 この報告に示される測定の目的は、上記の観測網の一つとして利用し得るような資料を出来る限 り長期間に亘って集積することにあるが、その他に、国内のいくつかの地点で同時に測定を継続す るための測器についての検討も目的の1つとして扱われている。さらに、可視域の測定資料と併用 して、エーロゾルの散乱吸収の効果についての解析も大事な問題の1つとして含まれる。

6．2測  定

 測定に用いられた装置は、グレーティソグと石英プリズムを組合せた複式分光器を本体とし、サー ボ方式の太陽追跡装置をこれに取付けたものを直達日射成分の測定に用いた。また、同型の分光器 の入射スリットの直前に積分球を設置し、全天日射および天空散乱成分の測定のための受光面を形 成した。積分球は半径10cmで、受光面として開口した円は直経30mmである。天空散乱成分を 得るためには直径40mmの円板を用い直射成分と遮蔽した。遮蔽板は赤道儀方式で太陽方向に追随 し、常時直射成分を遮蔽するが、必要に応じ遠隔操作により、遮蔽板を直達日射の光路から外して やる。このようにして全天日射と散乱日射を交互に測定する。

 分光器による波長の分解は、直達成分に対しては、約20A、全天日射および散乱日射に対しては約 30Aである。光量検出は、光電子増倍管を用いているが、310nmより短い領域では印加する電圧は 非常に高く、したがって、雑音成分が大きくなり、測定精度は低下している。また、こ．の波長域で は空気分子およびエー・ゾルによる太陽周辺光の効果が著しく、直達成分を測定する場合に混入し て来る散乱光の割合は可視近赤外域に比べてかなり大きくなる。この効果は、太陽高度が低くなる 程大きくなり、大気が同一の状態であったとしても、散乱光成分の割合が大きくなり、垂直気柱に 換算した大気の透過率は見かけ上良くなってしまう。この様に、この測定における装置の誤差、光 の特性による誤差を併せ考えて測定結果を見ると、310nmより短い波長域の測定値は信頼し難いよ

うに見受けられる。

 装置の検定は、いわゆる Langley 法、すなわち、直射成分のある1日の測定値を測定時刻の airmass（m）に対してプPットし、大気外、m＝0における値を外挿によって求めこれを装置の常 数とする。この方法は、古くから行われているものではあるが、精度には限度がある。大気が清澄 で、しかも少なくとも半日間、同じ状態で安定していることが必要である。実際には、このような 好条件の日は極めて少く、地上の観測点では皆無に近い。したがって、通常は何回かの測定によっ てその平均値としてこの常数を決めることになるが、これが測定の精度を悪くする原因となる。

 地表に入射する直達日射の強度1（λ）は、大気上端に入射する日射強度を1。（λ）、大気の消散係数 をτ（λ）とすると、太陽天頂角がZの時刻では、

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と表わされる。測定で得らた1（λ）と、上の方法によって求めた、1。（λ）に対応する装置の常数に よってτ（λ）が求められるが、τ（λ）の波長分布は滑らかな曲線で表わされる筈であるという前提       一230一

      ，気象研究所技術報告 第6号 1982

に立って、各波長における測定値のばらつきを求めて見ると、最もばらつきが大ぎい様相を呈して いる390nmの波長では、平均的な滑らかな曲線からのぽらつきは約9％である。その他の波長では これよりはかなり小さい。310nmより短い波長では先に述べたように精度は非常に悪くなっている ので、明らかに採用し難い値は除いてある。

6．3測定結果

 ここに掲げる測定結果は、1980年11月から1981年5月まその間ぢ筑波において得られた資料であ る。直達成分の測定は、全天日射、散乱成分に比べて回数は多いのそあるが、3成分が揃っている 時刻のものを選んで図示してある。図6．1（1）〜（1⑤は、上記3成分の各波長における絶対値を示すも ので、実線が全天日射、点線が天空散乱日射、破線が直達日射の値である。単位は何れもW・cm−2・

μm−1である。図の上部に、測定の日、時刻およびOptical airmass（m＝secZ）を示してある。ま た、オゾン量は図枠内に示してあるが、これは高層気象台（舘野）におけるドブソン分光計による 測定値であって、単位はm atm−cmである。図6．2（1）〜（2）は、比較のためにエー・ゾルのない大 気、オゾンを含むRayleigh大気についての値を示したものである。DaveanaFurukawh（1966）

の計算によるもので、オゾン総量341m atm−cmを含むモデル大気について計算されている。m＝

2．000（Z＝60。）とm＝3．864（Z二750）の2つの場合しか示してないので、mの値の異る実測値をそ のまま比較することは出来ないが、エー・ゾルの効果についてある程度は知ることが出来る。

 図6．3（1）〜⑳は、直達日射の測定値から求めた消散係数の波長分布を示す。実線は、測定値から 空気分子の散乱の消散係数を差引いた値、すなわち、エー・ゾルとオゾンの効果によるものを表わ一

している。この値からオゾン吸収の消散係数を差引いた値、すなわち、エーβゾルによる消散係数 を点線で示してある。360nm以上の波長域では、オゾン吸収の効果は無視し得るので、空気分子の 値を差引いたものがエーロゾルの消散係数として得られる。この部分は図では実線で示されている。

このようにして求めたエー・ゾルの消散係数窺（λ）の波長分布は、指数法則分布、すなわち、宛

（λ）＝Cλ一αで表わされるように見受けられる。んの値は場合によって異るが、図に示した例の中で は、α＝0．56〜L21の範囲で変動している。

 図6．4（1）〜（9）は、天空散乱日射D（λ）、 と全天日射G（λ）、の比の測定値である。図内の数字は、

曲線の番号とこれに対応する時刻及びAirmass（m）の値である。曲線の値は、遮蔽板の着脱によっ て、波長毎に得られた比R（λ）＝D（λ）／G（λ）を示す。したがって、この段階ではG（λ）、D（λ）

のおのおのの値は得られないが、R（λ）は装置の感度の時間的変動の影響を受けない。G（λ）、D（λ）

の値を求めるためには、同時刻に測定された直達成分1（λ）を用い、

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       気象研究所技術報告 第6号 1982

という関係式を使う。図6．1のD（λ）の値はこの方法で求めた値である。図6．4に示されるR（λ）

の値は、波長の関数であると同時に、エー・ゾルの状態、すなわち、知（λ）によって変動し、同じ エー・ゾルの状態でも太陽高度によって大きく左右される。図6．5は、先に示したDaveandFum・

kawa（1966）の計算値から求めたR（λ）の波長分布である。3本の曲線は、上からZ＝750（m＝

3．86）、600（m＝2．00）および30。（m二1．16）の場合の値である。

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図6．2 （1》〜（2）Ray理eigh大気における     紫外日射強度の波長分布

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図6．3 （1）〜（6）紫外域の消散係数の波長分布

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図6．3 ㈹〜（1⑧紫外域の消散係数の波長分布

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図6．3 働〜⑳紫外域の消散係数の波長分布

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（2）

図6．4 ｛1）〜（2）紫外域における散乱日射と全天日射の比の波長分布

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（6）

図6．4 （3）〜（6）紫外域における散乱日射と全天日射の比の波長分布

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図6．4 （7）〜（9）紫外域における散乱日射と全天日射の比の波長分布

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図6．5 Rayleigh大気における散乱日射と全天日射の比の波長分布

麹齢車諮翠露識鑑玲 黙①畑 一〇〇︒N

気象研究所技術報告 第6号 1982

6．4 むすび

 ここに掲げた測定例では、波長310nmより短い領域で測定精度が悪く、現在、この領域での装置 の感度の増加と、精度の向上を試みている。ま牟、地上に到達する限界波長（〜290nm）付近の測定 のために写真測光の方法による測定も実施中である。

 直達日射の測定から求めた消散係数の波長分布を見ると、エー・ゾルによる消散係数は可視域の 分布から指数関数分布による外挿でほぽ表わし得る。このことから、ドブソン分光計によるオゾン のルーチン観測値を参考にすることにより、消散係数のオゾン成分とエー・ゾル成分を分離して求 めることの可能性が認められる。

 紫外域における天空散乱成分の割合は非常に大きく、紫外日射量の長期監視のためには、直達日 射の測定だけでは不充分で全天日射量の測定値が重要である。この波長域で、全天日射量を測定す

る場合、受光面の入射角特性の優れたものを作るのは非常に難かしいが、技術的問題点としては最 も重要な問題である。

 以上のことから、まず第一に、300nm付近の測定精度を充分に向上し、直射成分の測定か・ノエー ロゾルの効果とオゾンの効果を分離し、オゾン量の推定を可能にすることが当面の目標となる。次 に、直射成分と散乱成分の同時測定による、オゾソの消長と紫外日射量の監視の体制を整え、長期 変動の検出のための観測を続けることが今後の課題となる。

       ，       参考文献

Dave，J．V．and P』M．Furukawa，1966二Scattered radiation in the ozone absorption bands at   selected levels of a terrestrial，Rayleigh atmosphere，Metorological Monographs，Vol．7，

   No．29，Amer．Met．Soc．353p．

一242一

所長

  一

  誠

所︶本

 2松

象︵博

気4理

予報研究部 台風研究部

物理気象研究部 応用気象研究部 気象衛星研究部 地震火山研究部

海洋研究部

高層物理研究部 地球化学研究部

山原林山藤辺田納田 

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博博博 博 博博博術林 理理理 工 理理農技          所岡          究： 長長長長長長長長長研 部部部部部部部部部象長      員          気委       集 部部部部部部部部部 編 正俊信恵偉利宗 昭彦雄彦吉夫義靖守

子一宏 孝正昌 山川藤 秋荒遠

委員 集

編

椎野純一 佐粧純男

穐聖田  巌  清野政明

廣田道夫 杉村行．勇

事務局：西田圭子 西村浩弥

気象研究所技術報告は，気象学，海洋学，地震学，その他関連の地球科学の分野において，気 象研究所職員が得た研究成果に関し，・技術報告，資料報告及び総合報告を掲載する。

気象研究所技術報告は，1978年（昭和53年）以降，必要の都度刊行される。

昭和57年11月30日発行 ISSN O386−4049

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