大気微量成分を観測する香川晶子（富士通FIP/情報通信研究機構） Outline • • • • • 大気を観測する重要性 FTIRとはリトリーバル大気科学研究例まとめ大気の構造高度~50-~80 kmは中間圏と呼ばれる高度~10-~50 kmは成層圏と呼ばれる「オゾン層」が存在高度 0-~10 km の領域は対流圏と呼ばれる地球大気には窒素・酸素以外のごくわずかの微量成分が存在しこれらの微量成分が大気に大きな働きをしている大気観測の重要性・成層圏（10-50km)オゾン破壊問題 S. RolandとM. Molina（1974年）人為起源物質のフロン(CFCs)が成層圏オゾン破壊を引き起こす可能性を発見ノーベル化学賞（1995年）フロンは化学的に安定 →人体に安全で便利 1980年代から中緯度のオゾン層が減少中緯度オゾンの年変化 [WMO, 2003] 1980年代に J. FarmanとS. Chubachiが南極オゾンホールを発見 1987年モントリオール議定書でフロン規制フロン規制の反応としてのオゾン「回復」の検出の議論が注目されている [Newchurch et al.,2003] • しかし、オゾンはフロン以外からも影響を受ける（e.g., 地球温暖化が引き起こす気温変化） • 「フロン規制」に伴い、近年、オゾン層が「回復」し始めたかどうかは、更なる議論が必要対流圏(0-10km) 地球温暖化メカニズムの解明の必要性 • 人工衛星・地上観測からのCO2等全球観測が始まろうとしている • 精度良い観測が必要（~1%) • 大気微量成分をとりまく現在の複雑な状況において、大気を「モニター」する重要性は近年更に増加 • アラスカ上空においてFTIRを用いて1999年から大気微量成分の観測を行っている • 世界のFTIRコミュニティの１サイト FTIR観測装置がある場所 • FTIRとは • 大気微量成分の導出 • 微量成分の季節変動 FTIRとは • Fourier Transform InfraRed Spectroscopy (フーリエ変換赤外分光法） • 分子の振動や回転を測定 • 高感度・高分解能の測定を、全自動で高速に行える Jean Baptiste Joseph Fourier （1768年－1830年）フランスの数学者・物理学者 FTIRの原理マイケルソン干渉計固定鏡光源（太陽）可変鏡試料（測定する大気）光路差ビームスプリッタ検出装置コントロール干渉計の出力信号フーリエ変換光路差スペクトル強度波数アラスカに設置されたFTIR FTIR サントラッカーアラスカ州・ポーカーフラット（65.12N, 147.43W, 0.61km) （年）観測期間（オゾンの場合） 2.5-13.5 mmの赤外吸収を観測観測スペクトルの例 2.5-13.5 mm （750-4200 cm-1) の赤外スペクトルを観測 3ミクロンフィルターを用いた観測例スペクトルからの分子導出 • リトリーバル (取り出すこと・取り戻すこと）ドラゴンの足跡からドラゴンの全容を推測すること強度リトリーバル高度 • スペクトルに含まれた分子の情報から、最も確からしい量を導出波長化学種混合比リトリーバル ① スペクトル線の形は気圧に依存（圧力広がり）低圧高圧地上で「分子の吸収線」が観測される ② 観測されたスペクトル線の形濃度で重み付けして、理論値を用いて足し合わせ ③ 高度濃度フィットしたスペクトルに相当する分子の量を導くリトリーバルした化学種 FTIRで観測可能な分子: O3, HNO3, CH4, H2O, NO2, ClONO2, HCl, CCl3F, CCl2F2, HF, CO, C2H2, C2H4, HCN etc. 対流圏（0-10 km) CO C 2H 2 C 2H 4 成層圏（10-50 km) O3 人間活動で発生 HCN CH4 気候変動に関係する化学種を検出 HNO3 HCl 中間圏（50-80 km) CO オゾン変化に寄与比較的安定な分子 HF オゾントレンドを導く中間圏の力学研究成層圏オゾン変動の研究例オゾンのリトリーバル例観測スペクトルと計算結果の重ね打ちどれだけの情報量でリトリーバルできたかの指標十分な情報でリトリーバルできた範囲（高度分解能は約5 km）誤差の見積もり季節変動・年変動等の議論を行うためには、誤差を見積もる必要がある（１）誤差解析（観測とリトリーバルの誤差分を計算）から気温・観測ノイズ・アベレージングカーネル・吸収線の理論値・装置関数の誤差を仮定系統誤差はランダム誤差より大きい全量に対する誤差は4つの化学種で~5% Partial columnの誤差は~10% （２）他観測との比較衛星観測との比較地上観測との比較誤差範囲内で一致これら4つの化学種のリトリーバルの結果は妥当他のFTIRサイトからの報告とも一致季節変化 Ozone HNO3 アベレージングカーネルから求めた独立にリトリーバルできる層 HCl HF 季節変化は春大きく夏小さい量の変化は下部成層圏で大きい春に極渦の影響対流圏COの研究 :エラーバー CO 全量アラスカのCOの季節変化は化石燃料・森林火災が支配的 [Holloway et al., 2000] 春大きく、夏小さい季節変化を示す 2002年秋にイベント的な増大が観測される →この大きな値の原因を調べた発生源を調べるため、流跡線解析（風を追尾する手法）を行った 2002年9月21日に観測されたCOの大きな値はシベリアから輸送された統計解析アラスカの COの季節変化は「ロシア森林火災が4-5月中旬, 8月, 9月後半に増加し」「アジア･シベリアから輸送された」ことを示唆する中間圏COの研究 COは長寿命のため中間圏COの変化は中間圏の力学で決定される 2002年と2004年の COの春季の減少時期が異なる同じ場所の成層圏と中間圏の風西風東風 •COは冬の力学状態で増加 •風が冬から夏のパターンに変化する時期と COの減少時期が一致まとめ • 地球環境問題において、大気微量成分の観測を行うことは近年更に重要である • 我々はアラスカ上空の興味深い場所で1999年から FTIRを用いて大気観測を続けている • 大気微量成分をリトリーバルし、季節変動を議論するために誤差を見積もった • 成層圏オゾンとオゾン破壊に関連する化学種の季節変動を調べた • 対流圏COとシベリア森林火災の関連を調べた • 中間圏COから力学状況の年変化を調べた今後 • 成層圏オゾン長期変動の研究 • 対流圏COと数値モデル研究との比較 • CO2の観測計画 • アラスカは北半球で観測が比較的少ない • 今後も成層圏オゾンモニタリングや気候変動の研究を行っていく予定