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1 2 章成層圏オゾン層の破壊 名古屋大学太陽地球環境研究所 松見豊 連絡先 : matsumi( アットマーク )stelab.nagoya-u.ac.jp ( アットマーク ) をいれる Matsumi Lab. Nagoya Univ.

2 授業の内容 成層圏オゾン層はどのように生成するのか その物理 化学過程について解説する オゾン層破壊反応のサイクル反応 南極オゾンホールの生成機構について解説する 大気オゾンの計測 研究について解説する これらを通して地球規模の環境問題について考える

3 太陽

4 人間活動の地球大気への影響 地球規模の重要な環境問題は大気が関与している

5 産業革命以降の大気中の各気体の濃度変化 CO 2 CH 4 N 2 O CFCl 3 フロン

6 オゾン量 スイスアローサでのオゾン計測

7

8 ドブソンユニット (DU, Dobson Unit) の定義 オゾンの気柱 オゾンを 1 気圧にする = 300 DU

9 1,500 皮膚ガンの増加 Excess cases (per million per year) USA 1,250 フロン規制なし 1,000 倍増 規制 (1992) Year

10 オゾン層の破壊 フロン ハロン ( 塩素 しゅう素化合物 ) 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 オゾン層 フロン フロンが光を吸収して分解塩素原子 Cl を出す フロン : 非常に化学的に安定

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12 成層圏へ CFC の拡散 太陽光 成層圏 大気の窓 220nm 付近 200 対流圏 CFC 光吸収太陽光 30 km 波長 (nm) 大気の混合非常に遅い 0 km nm より長波長 OH が大気の掃除屋 C 3 H 8 + OH C 2 H 7 + H 2 O CF 2 Cl 2 + OH 反応しない 非常に長い寿命の気体が成層圏へ CFC ガス

13 フロン (CFC) および代替フロンの大気中での寿命 化合物 寿命 オゾン破壊係数 (ODP) CFCl 3 (CFC-11) 50 年 1 CF 2 Cl 2 (CFC-12) 102 年 0.82 CH 3 Br 1.3 年 0.64 CClF 2 H (HCFC-22) 13 年 0.04 CHF 2 -CHF 2 (HFC-134a) 14 年 ~ 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

14 典型的な大気混合時間 対流圏界面 (10 km) 接地境界層 5 km 2 km 1 日 1 週間 1 ヶ月 10 年 0 km

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16 1.2 1 太陽光の波長分布 大気の窓 大気の外の太陽光 0.8 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) 生物に有害な光

17 太陽光の高度別のスペクトル強度

18 大気の窓と CFC の光吸収 太陽光の波長分布 波長 (nm) CFC の光吸収

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20 Cl ClO ClO Cl (Cl の消費 ) (Cl の再生 )

21 1 つの塩素原子が 個のオゾンをこわす 酸素 O2 塩素原子 Cl オゾン O3 サイクル反応 酸素原子 O 一酸化塩素 ClO 酸素 O2

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24 リザーバー分子 リザーバー分子 リザーバー分子

25 クルッツェン ( 独 ) モリーナ ( 米 ) ローランド ( 米 )

26 7 大気中全塩素濃度 (ppb) 当初の規制スケジュール 南極オゾンホール出現 1992 年改正スケジュール 1990 年改正スケジュール オゾンホール消滅? 年 CFC などオゾン層破壊物質の規制スケジュール ( 現行はモントリオール議定書 1992 年改正スケジュール ) とそれに伴う大気中全塩素濃度の将来予測 (WMO による )

27 フロン (CFC) および代替フロンの大気中での寿命 化合物 寿命 オゾン破壊係数 (ODP) CFCl 3 (CFC-11) 50 年 1 CF 2 Cl 2 (CFC-12) 102 年 0.82 CH 3 Br 1.3 年 0.64 CClF 2 H (HCFC-22) 13 年 0.04 CHF 2 -CHF 2 (HFC-134a) 14 年 ~ 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

28 プロセスに対する理解の必要性 大気への排出前駆体 プロセス 大気中存在量大気組成 特性 / プロセス 気候環境 このプロセスを理解することが重要 化学反応過程 物理化学特性 大気力学過程

29 大気寿命 τ の重要性 無限の超寿命 消失なし, 回復なし 大気中の濃度 放出停止 長寿命 τ ゆっくりした回復 時間 短寿命 τ 速い回復 大気寿命 τ は大気中の濃度を決めている 大気寿命 τ は大気浄化の速度を決めている ある成分が環境に与える影響はその大気寿命に依存する

30 成層圏オゾンを観測する

31 1.2 1 太陽光の波長分布 大気の外の太陽光 0.8 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) 生物に有害な光

32 地上紫外分光によるオゾンの計測 太陽光 ドブソン分光計による観測 オゾンの光吸収紫外 CO, O 3, VOCs, etc. ドブソン分光計

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34 ドブソン分光計 nm, nm nm, nm

35 地上赤外分光によるオゾンの計測 太陽光 フーリエ赤外分光計観測 オゾンの光吸収赤外 CO, O 3, VOCs, etc. 太陽追尾装置 母子里 陸別 北海道 高分解能フーリエ変換型赤外分光器 (FTIR)

36 太陽追尾装置 母子里観測所フーリエ変換赤外分光計 Bruker IFS120HR 可動鏡 1.5m 移動

37 赤外地上分光によるオゾンの計測

38 ドブソンユニット (DU, Dobson Unit) の定義 オゾンの気柱 オゾンを 1 気圧にする = 300 DU

39 成層圏オゾンを観測する

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41 オゾンゾンデの測定原理 O 3 + 2Br - + H 2 O O 2 + Br 2 + 2OH - 炭素電極 C + 2OH - CO + H 2 O + 2e - 白金電極 Br 2 + 2e - 2Br - 白金電極 A 炭素電極 オゾンを含む大気 KBr 溶液

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44 成層圏オゾンを観測する

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46 ILAS I, II 日本の人工衛星 ( みどり I, II)

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52 成層圏オゾンを観測する

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56 成層圏オゾンを観測する

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58 オゾン層 エアロゾル 空気分子で反射 2 色のレーザー 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 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)

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61 成層圏オゾンを観測する

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65 南極オゾンホール オゾンゾンデ観測

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69 成層圏の飛行機 (ER-2) 観測

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71 極域では 冬になると著しく気温が低下するため 成層圏であっても雲が発生する この雲を極成層圏雲 (PSC) と呼ぶ

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74 リザーバー分子 リザーバー分子 リザーバー分子

75

76 極渦による大気成分の隔離 南極

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79 フロン (CFC) および代替フロンの大気中での寿命 化合物 寿命 オゾン破壊係数 (ODP) CFCl 3 (CFC-11) 50 年 1 CF 2 Cl 2 (CFC-12) 102 年 0.82 CH 3 Br 1.3 年 0.64 CClF 2 H (HCFC-22) 13 年 0.04 CHF 2 -CHF 2 (HFC-134a) 14 年 ~ 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

80 代替フロン HCFC:R22(CHClF 2 ) CFC ほど強力ではないが, オゾン層を破壊する能力があり, 温室効果ガスでもある オゾン破壊係数 0.055, 地球温暖化係数 1700 HFC:R134a(CH 2 FCF 3 ) オゾン層を破壊能力がないという意味で 環境配慮型 だが, 強力な温室効果がある オゾン破壊係数 0 地球温暖化係数 1300 京都議定書 温室効果係数 代替フロン (HFC PFC) 六フッ化硫黄 (SF 6 ) は 1995 年に比べて 先進国全体で 5.2% 削減する

81 オゾン破壊係数 ODP (Ozone Depletion Potential)

82 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 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

83 以上は講義 2 章の一部です 2 章成層圏オゾン層の破壊 に興味がある方は連絡をください 連絡先 : matsumi( アットマーク )stelab.nagoya-u.ac.jp ( アットマーク ) をいれる

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