Document

SEM/EDXによる
大気エアロゾルの性状分析
交通電子機械工学課程
2000834 根津拓史
2000844 吉田健一郎
発表内容
1
2
3
4
5
6
7
研究の背景と動機
大気エアロゾルについて
電子顕微鏡用のエアロゾルサンプルの捕集
観察と元素分析について
結果と考察
まとめ
謝辞
1 研究の背景と動機
・現在、都市化、工業化の地球規模への拡大に伴い、人工起
源の大気エアロゾル（浮遊微粒子）が大量に排出されている。
・加えて、砂漠地帯の拡大などの自然環境の変化に伴い、黄
砂のような自然起源の大気エアロゾルにも強い関心が集め
られている。
・大気エアロゾルは、大気の放射収支や気象に影響を与えると
いわれており、それらの変動を予測するには、大気エアロゾ
ルの影響を知る必要があり、その化学的、光学的特性を知
る必要がある。
・大気エアロゾルに含まれている元素の成分、形状、性質を分
析することは、エアロゾルの特性を知る基礎となる。
2 大気エアロゾルについて
質
量
濃
度
自然起源
人工起源
0.1
1.0
10
[ m ]
粒径 r
・エアロゾルの大きさは数nmから10μmとされている。
・自然起源の粒子 ⇒ 土壌粒子、海塩粒子など
人工起源の粒子 ⇒ 排ガスに含まれている硫酸（塩）粒子
や硝酸塩粒子
・自然起源の粒子
土壌粒子・・・・・・土壌から発生した鉱物性の粒子。
［アルミニウム、シリコン、鉄、カリウム、
カルシウム、マグネシウム］などで構成。
海塩粒子・・・・・・海面から発生した粒子。
［ナトリウム、塩素］などで構成
3 電子顕微鏡用の
エアロゾルサンプルの捕集
メッシュについて
3㎜
コロジオン膜200メッシュ
電子顕微鏡像
0.127mm
インパクター捕集装置について
空気の流れ
ここで粒子は一気に加速する
ここにメッシュを設置
捕集日時と大気の状況
捕集場所
東京海洋大学
新２号館屋上
2000年から2001年3月までの計4回、一回の捕集は、流量約
1.0L/minで手動で5分間行われた。
サンプル
捕集年月日
捕集時間
予測された粒子
1
2000年4月9日
09:24-09:29 黄砂時の粒子－Ⅰ
2
2000年7月24日
13:18-13:23 海風時の粒子－Ⅰ
3
2000年7月24日
13:35-13:40 海風時の粒子－Ⅱ
4
2001年3月6日
15:13-13:18 黄砂時の粒子－Ⅱ
捕集日時と大気状況
4 観察と元素分析につい
走査型電子顕微鏡（SEM)について
電子源
電子ビーム
電子レンズ
（コンデンサ）
走査コイル
偏向走査コイル
試料
対物レンズ
（走査）
２次電子検出器
試料
投射レンズ
蛍光スクリーン
像
透過型電子顕微鏡
Transmission Electron Microscope
像
ブラウン管
ブラウン管
CRTスクリーン
走査型電子顕微鏡
Scanning Electron Microscope
蒸着について
蒸着・・・・・カーボン棒を、溶解蒸発することに
よって、薄い膜でメッシュを覆うこと。
理由・・・・・捕集された粒子を固定するため。
電子顕微鏡(SEM)で観察する際に電
子が試料に集まりすぎることによって
負の電荷を帯びてしまい、電子が反
発しないようにメッシュに導電性をも
たせるため。
エネルギー分散型X線分光法（EDX）について
X線分光法
・エネルギー分散型X線分光法
EDX：Energy Dispersive X-ray spectroscopy
・波長分散型X線分光法
WDX：Wavelength Dispersive X-ray spectroscopy
元素から放出されるX線は、それぞれ固有のエネル
ギーをもっている。
試料から発生するX線を検出することによって、含有元
素を特定する。
入射電子
特性X線
２次電子
電子ビームを照射することによって生じる
２次電子と特性X線
（カウント数）/（測定時間）
エネルギー（KeV)
EDXによる定性分析例
実際の測定、分析の流れ
粒子を捕集
カーボン蒸着
SEMによる形状の観察、撮影
EDXによる元素成分の分析
・各サンプルに対してフィルター上の粒子の中から無作為に20
から30個の粒子を選択した。
・メッシュが銅製のため、元素分析で検出された元素のうち銅
は除外した。
5 結果と考察
・EDXによって検出された、粒子の元素成分
・黄砂粒子が大陸から輸送されてくる際に起こる変質や海
塩粒子との内部的な混合状態
・海塩粒子の変質と土壌粒子との内部的な混合状態
・観察された粒子の形状とライダー・データによって示され
る非球形性との比較
SEM画像例１（2000年7月24日海塩粒子）
SEM画像例2 （2000年4月9日黄砂粒子）
2~3μm
50μm
黄砂時の粒子の元素構成
粒子　No．
検出された元素
1
Si Al Fe Ca K V
2
Si Al Fe Ca K Mg
3
Si Al Fe Ca K S
4
Si Al Fe Ca K Mg
5
Si Al Fe Ca K Mg S Cl
6
Si Al Fe Ca K S
7
＊ Al Fe Ca K P
8
Si Al Fe Ca K Mg
9
Si Al Fe Ca K Mg
10
Si
11
K Na Cl
12
Si Al Fe Ca K Ti
黄砂時ｰⅠ（2000年4月9
日）
粒子 No．
検出された元素
1
Al Si Fe Mg Ca K
2
Al Si Fe Mg Ca S Cl
3
Na Cl Mg Ca Si S
4
Al Si Fe Mg ＊ K
5
Na Cl Mg Ca Si K
6
Al Si Fe Mg Ca S Cl K
7
Na Cl Mg Ca Si S
8
Na Cl Mg Ca S K
9
Na ＊＊＊ Si S Zn
10
Al Si Fe Mg Ca S Cl K Ti Mn
11
Al Si ＊＊＊ Cl
12
Na Cl Mg Ca Si S K
13
Na Cl Mg Ca Si S K
14
Mg S Cl Ca
15
Na Cl Mg Ca Si S
16
Na Cl Mg Ca Si S
17
＊ Si Fe Mg Ca
18
Al Si Fe Mg Ca
19
＊ Si ＊ Mg Ca S Cl
20
Na Cl Mg Ca Si S
21
Na Cl Mg Ca Si S K
22
Al Si Fe ＊ Ca K
黄砂粒子ｰⅡ（２００１年３月６日）
23
Al Si Fe Mg Ca S Cl
黄砂時ｰⅡ（2001年3月6日）
％
黄砂時ｰⅠと黄砂時ｰⅡの元素の検出頻度
100%
10個/12
個
黄砂時ｰⅠ（2000年4月9日）
黄砂時ｰⅡ（2001年3月6日）
83%
80%
60%
40%
20%
0%
Si
Al
Fe
Ca
K
Mg
Cl
Na
S
P
V
Ti
Mn
Zn
元素
海風時ｰⅠの元素構成
粒子　No．
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
検出された元素
Na Cl Ca
Na Cl S K Ca Ti
Na Cl Al Si S Ca
Na Cl
Na Cl S K Ca
Na Cl Si S Ca
Na Cl Mg K Ca
Na Cl Mg S K Ca
Na Cl K Ca
Na Cl Ca S K
Al Si Cl K Ti Fe
Na Cl K Ca
Na Cl Si K
Na Cl Mg Si S Ca
Na Cl S Ca
Na Cl Ca
Na Cl Si Cr
Na Cl K
Na Cl Si K
Na Cl Si S K Ca
粒子　No．
21
22
23
24
25
26
27
28
29
検出された元素
Na Cl Si S K Ca
Na Cl Si S Ca
Na Cl Si S K
Na Cl Mg Si S K Ca
Na Cl Al Si K Ca Ti Fe
Na Cl Mg K
Na Cl Mg Si K Ca
Mg Al Si K Ca Ti Fe
Na Cl S Ca Mn
2000年7月24日
（13:18～13:23）
海風時ｰⅡの元素構成
粒子　No．
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
検出された元素
Mg Si
Si
Si K
Si Ca P
Si
Si
Si
Na Cl Mg Si S K Ca
Na Cl Mg Si Ca
Na Cl Si S
Na ＊ Al Si Ca
Na Cl
Na Cl K Ca
Na Cl Si S
Na Cl Mg Si S K Ca
Na Cl Si Ca
粒子　No．
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
検出された元素
Mg Al Si Cl Ca
Mg Al Si Ca Ti Fe
Si S
Mg Si S Cl K Ca
Na ＊ Mg Si S Ca
Na Cl Mg Si Ca
Mg Si Ca
Na Cl Mg S Ca
Na Cl Mg Si S Ca
Mg Si Cl K Ca Fe
Na Cl S Ca
Si K
2000年7月24日
（13:35～13:40）
％
海風時ｰⅠと海風時ｰⅡの元素の検出頻度
100%
海風時－Ⅰ（2000年7月24日）
海風時－Ⅱ（2000年7月24日）
80%
60%
40%
20%
0%
Si
Al
Fe
Ca
K
Mg
Na
Cl
S
P
Ti
Cr 元素
％
黄砂時と海風時の元素の検出頻度
100%
黄砂時ｰⅠ（2000年4月9日）
黄砂時ｰⅡ（2001年3月6日）
80%
海風時ｰⅠ（2000年7月24日）
海風時ｰⅡ（2000年7月24日）
60%
40%
20%
0%
Si
Al Fe Ca
K Mg Cl Na
S
P
V
Ti Mn Zn Cr
元素
元素の個数割合（土壌系成分と海塩系成分の混合）
黄砂時ｰⅠ（2000年4月9日）
1
黄砂時ｰⅡ（2001年3月6日） 0
10
5
7
海風時ｰⅠ（2000年7月24日） 0 1 1 0 2
海風時ｰⅡ（2000年7月24日）
0%
0
11
11
1
20%
0
10
1
2
10
40%
0 1
13
9
1
60%
0
1
0
11
80%
1
0
100%
①
②
③
④
⑤
⑥
⑦
⑧
⑨
Si or Al or Fe
Si+Al+Fe (no Cl, no Na)
Si+Al+Fe (+Cl, no Na)
Si+Al+Fe (no Cl, +Na)
Si+Al+Fe (+Cl, +Na)
Si or Al or Fe　(+Cl, +Na)
(Na+Cl) のみ
(Na+Cl) +others
only others
12
12
10
10
8
8
Altitude [km]
Altitude [km]
2000年4月9日（黄砂時ｰⅠ）のライダー観測データ(532nm)
6
6
4
4
2
2
0
0
0
2
4
6
8 10 12 14
JST(UTC+09) [h]
16
18
20
22
0
2
4
6
8 10 12 14
JST(UTC+9) [h]
16
18
20
ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞ
0
5
10
15
20
Attenuated Backscatter [a.u.]
25
0
10
20
30
Depolarization ratio [%]
40
50
顕著な黄砂時---非球形な鉱物粒子高い偏光解消度を生ずる
22
黄砂時ｰⅠのSEM画像
黄砂時ｰⅠのSEM画像（UP）
4
4
3
3
Height (km)
Height (kkm)
2000年7月24日のライダー観測データ(532nm) （海風時ｰⅠ＆海風時ｰⅡ）
2
2
1
1
0
0
10
11
12
13
14 15 16 17
Loacl Time (h)
18
19
20
10
11
12
13
14 15 16 17
Local Time (h)
18
19
20
ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞ
0
5
10
15
Attenuated Backscatter (a.u.)
20
0
5
10
Depolarization Ratio (%)
15
夏、海風の卓越するとき偏光解消度の高くなる原因は海塩or土壌粒子?
海風時ｰⅠのSEM画像
海風時ｰⅡのSEM画像
6 まとめ
• 黄砂時の粒子
黄砂時ｰⅠ･･･比較的、混じり気のない土
壌粒子ばかりだった。
黄砂時ｰⅡ･･･海塩性成分との混合がよく
見られた。
• したがって、黄砂粒子は大陸からの輸送
環境によって、海塩粒子などとの混合条件
が左右されるのではないだろうか。
• 海風時の粒子･･･海塩粒子と混合している粒
子がほとんどだった。
• ただし、海風時－Ⅱでは・・・
• 海塩粒子と混合している粒子の他に、「海塩成分をまったく含
まない土壌成分だけの粒子」がいくらか見られたが、これら以
外の粒子は
「土壌成分と海塩成分が混合されていた粒子」と
「土壌成分を含まなかった粒子」
大きく分かれ、その比は海風時－Ⅰ・海風時－Ⅱともにほぼ
１：１で、特に違いは見られなかった。
• 「海塩成分をまったく含まない土壌成分だけの粒子」とは、「別
の発生源から、一時的に飛来してきて捕集されてしまった土
壌粒子」だったのではないか。
• 実際に観察された粒子の形状は、ライダー・
データから考えられる非球形性について、よく
一致した形状であった。
7 謝辞
最後に本研究にあたり、海洋電子機械工学科
の村山利幸助教授に終始ご指導をいただき、深
く感謝しております。
また同学科の元田慎一助教授、海事交通共同
研究センターの酒井直道博士に実験装置を貸し
ていただき、円滑に研究を進めることができ、深
く感謝しております。本当にありがとうございまし
た。

Download Report