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]

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1 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 stelab.nagoya-u.ac.jp 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

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 2

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 3

4 太陽光のスペクトル ( 波長強度分布 ) 各波長での光の強さ 紫外 目で見える 赤外 波長 (nm) スクリーン 5500 の黒体放射 プリズム 太陽 太陽光 4

5 オゾン層問題 目では見えない紫外光が重要 太陽光の波長分布 ( 大気の外 ) 1.0 光の強度 0.5 窒素の光吸収 N2 酸素の光吸収 O2 太陽光 紫外 目で見える 波長 (nm) 5

6 酸素 O2 太陽光 (200~240nm) 2つの酸素原子 O 光吸収 酸素原子 O 酸素 O2 +M オゾン O3 三体反応 6

7 オゾン O3 の高度分布 酸素 O2 の光吸収に有効な太陽光 (200~240nm) 40 高度 (km) オゾン層 酸素 O オゾン数密度 ( 分子 1cm 3 あたり ) 地上 吸収されつくして低いところまで届かない 7

8 1.2 1 太陽光の波長分布 大気の外の太陽光 光の強度 酸素の光吸収 O2 オゾンの光吸収 O3 地上の太陽光 0.2 目で見える 波長 (nm) 紫外光生物に有害な光をオゾン層が吸収 8

9 太陽 9

10 世界的なオゾン全量の変化 オゾン量の変化 (%) 年 (WMO, 2003, Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2002 より ) 10

11 皮膚ガンの増加 1,500 USA Excess cases (per million per year) 1,250 フロン規制なし 1,000 倍増 規制 (1992) Year (WMO, 2003, Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2002 Q-29より ) 11

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 フロン : 非常に化学的に安定 だから有用だった 太陽光 大気中に出るとフロンがオゾン層まで拡散してゆく オゾン層 フロン 12

13 フロン (CFC) および代替フロンの大気中での寿命 化合物 CFCl 3 (CFC-11) CF 2 Cl 2 (CFC-12) CH 3 Br CClF 2 H (HCFC-22) CHF 2 -CHF 2 (HFC-134a) 寿命 50 年 102 年 1.3 年 13 年 14 年 オゾン破壊係数 (ODP) ~ 0 1 OHと反応するかどうか OHは大気の掃除屋 CFCl 3 + OH 反応しない CClF 2 H + OH H 2 O + CClF 2 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 13

14 1.2 高い高度には短い波長の太陽紫外光 大気の窓 大気の外の太陽光 光の強度 酸素の吸収オゾンの吸収 O2 O3 地上の太陽光 0.2 目で見える 波長 (nm) フロンの光吸収 フロンの光分解 CFCl 3 ( フロン )+ 光 Cl ( 塩素原子 ) + CFCl 2 14

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

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 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 気候変動がオゾン層破壊にどのような影響を与えるか 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 16

17 成層圏オゾン層の回復 中緯度域のオゾン量 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) 南極の最小オゾン全量 衛星による実測 将来予測 (WMO, 2003, Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2002 より 17 )

18 地球温暖化 6 5 気候変動も引き起こす 洪水 温度上昇 4 3 北半球の平均温度 ( ) 年後 旱魃 ( 西暦年 ) 18

19 太陽光のスペクトル ( 波長強度分布 ) 各波長での光の強さ 目で見える紫外赤外 波長 (nm) スクリーン 5500 の熱放射白色ランプもこの位の温度 プリズム 太陽 太陽光 19

20 太陽の熱放射 5500 地球の熱放射 ~15 各波長の強度 見える ストーブ 600 赤外 0.1μm 1μm 10μm 波長 20

21 地球の温度を決めるもの 太陽 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 太陽からの日射 5500 地球 地球からの熱放射 ~15 21

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

23 光吸収強度 二酸化炭素 (CO2) の光吸収 透明 波長 (nm) 可視 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 O C O 紫外光吸収 O C O O C 赤外光吸収 O O C O 振動 電子がより高い軌道をまわる O C O 23

24 エネルギーバランス 温室効果 エネルギーバランス エネルギーバランス 太陽光 ( 可視 ) 黒体放射 ( 赤外 ) 透過 吸収 +15 地球地球地球 +30 大気なし現状温室効果気体増大 単位面積あたりの黒体放射強度 σt 4, σ:stefan Boltzmann 定数 24

25 光化学スモッグ 太陽 光化学反応 風が弱く日差しが強い 目がチカチカする息苦しい頭痛がする 25

26 光化学スモッグ - オキシダント (O 3 ) の発生 (λ< 400nm) + 太陽光 +O 2, M O O 3 NO 2 NO 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 + NO 2 ) 炭化水素類太陽紫外線 (λ< 400 nm) 26

27 炭化水素類の大気中での酸化過程とオゾン発生 OH + R-CH 2 -R' R-CH-R' + H 2 O +O 2 OO R-CH-R' NO NO 2 NO NO 2 O R-C-R' HO 2 O R-CH-R' O 2 NO 2 + 太陽光 (λ< 400nm) NO + O O + O 2 O 3 ( オゾン生成 ) 27

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 28

29 光を用いた遠隔計測法で地球大気を観測 人工衛星 太陽 人工衛星 地球大気 赤外分光計 レーザーレーダー 29

30 衛星観測ー太陽掩蔽法 地球大気を通して太陽光を測定 30

31 ILAS I, II 日本の人工衛星 ( みどり I, II) ( , 2003 年 ) ( 国立環境研究所 ILAS II ホームページより ) 31

32 32

33 波長 (μm) チャンネルナンバー 33 ( 国立環境研究所 ILAS II ホームページより )

34 GOSAT (2008 年予定 ) 地球温暖化の温室効果気体 (CO 2 ) の濃度分布を測定 ( 宇宙航空研究開発機構 GOSAT ホームページより ) 34

35 衛星観測 - 太陽光後方散乱検出法 35

36 36 ( 宇宙航空研究開発機構 GOSAT ホームページより )

37 レーザーレーダー オゾン NO 2 など差分吸収ライダー 2 色のレーザー オゾン分子の光吸収のある波長 オゾン層 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 光の速さ m/s 到達時間で高度わかる オゾン分子の光吸収 O3 受光器 受光望遠鏡 データ処理系 波長 (nm) 37

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 ) 38

39 地上赤外分光による大気成分の計測 太陽光 フーリエ赤外分光計観測 オゾンなどの光吸収 CO, O 3, VOCs, etc. 赤外 太陽追尾装置 高分解能フーリエ変換型赤外分光器 (FTIR) 39

40 赤外地上分光によるオゾンの計測 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 41

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O 3 の計測 (JIS) 水銀灯 253.7nmの光吸収二酸化炭素 CO 2 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 + O 3 NO 2 * + O 2 蛍光検出硫黄酸化物 SO 2 の計測 (JIS) SO 2 + hν(uv) SO 2 * 42

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 NO 3, NO 2, 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, HO 2, NO 2, SO 2 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 43

44 キャビティーリングダウン計測の原理 検出光 高反射率ミラー反射率 R> 実質的な光路長数 km Intensity L~500 mm time リングダウンタイム τ 0 ( 吸収無 ) τ ( 吸収有 ) 時間 τ 0 τ = L/c = 1 R L/c ( 1 R) + σnl 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 44

45 キャビティーリングダウン計測の実際 NO 3 ラジカルの測定 フィルター 大気 NO/N 2 排気 MFC 熱分解用ヒーター NO 3 測定用光学キャビティー 電磁弁 オシロスコープ 高反射率ミラー 色素レーザー 532 nm Nd:YAG レーザー 検出用 APD 高反射率ミラー 光路調整用 cw-yag レーザー 662 nm 45

46 レーザー誘起蛍光法による大気 OH ラジカルの測定 高繰り返しで高分解能のレーザー 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 個 /cm 3 2) レーザーによる計測オゾンによる化学干渉 O 3 + hν O( 1 D) + O 2 O( 1 D) + H 2 O 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 46

47 大気中微小粒子の起源と環境影響 起源と種類硫酸エアロゾル OCS SO 2 海塩粒子 Sea Solt Wind Wave DMS スス粒子 Black Carbon 有機エアロゾル Organic Carbon 土壌粒子 Mineral Dust Wind 環境に及ぼす影響気候変動に影響 人体に悪影響 大気反応に影響 47 4-B

48 エアロゾルの個別粒子のレーザーによる検出 & イオン化 Photomuliplier tube Scattered light 193nm Excimer Laser Particle Pump イオン化用レーザー エアロゾル アブレーションイオン化 nm Ar ion Laser 散乱光 48

49 単一粒子質量スペクトルの例 黄砂粒子 1.8 μm NO 2 - SiO 2 - SiO 3 - HSO 4 - 黄砂の飛来過程で Nitrate, Sulfate が付着 1000 個 /L エアロゾル個数 組成時間変化 (> 1 μm 径 ) 海塩粒子 Cl μm 37 Cl - NaCl % 元素状炭素 (EC) 粒子 0.8 μm C - 3 C C - C 2 - C 5 - C - 6 C m/e % 0% 黄砂粒子 EC, 有機物 海塩粒子その他 49

50 Energy (ev) 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 爆発物 麻薬 RDX TNT 自動車排ガスダイオキシン前駆体 C 6 H 6 C 6 H 5 Cl シックハウス過敏症原因物質 H 2 CO etc 一般の空気 H 2 O N 2 O 2 CO 2 etc signal イオン化エネルギー 10.5 ev CH 3 CH 3 1:1:1 CH m/z 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 50

51 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 NO Ionization Cell 非線形光学効果による 118 nm 真空紫外光発生 Xe gas 355 nm 118 nm Ionization Chamber Sampling Nozzle MCP Einzel Lenz 118 nm Detection Chamber LiF Prism VUV Generation Cell Xe gas 355 nm 51

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 52

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