単⼀一液滴凍結法に基づく ⼤大気中氷晶核粒粒⼦子における

個別粒粒⼦子特性の解明⾦金金沢⼤大学 　岩⽥田 　歩

松⽊木 　篤

混合相雲と氷晶核

-37˚C

0˚C

氷晶核

混合相雲

氷晶核は⼤大気中エアロゾル粒粒⼦子105個に１個  (DeMott et al., 2008)

氷晶核の影響

氷晶核の降降⽔水過程への影響⼤大

(mm) (mm)

積算降降⾬雨量量差

(33h)

(Araki and Murakami, 2015)

IN0.1-INdef IN10-INdef

⼤大気中の氷晶形成を予測する必要性⼤大

氷晶形成の予測⼤大気中における氷晶形成の予測には不不確定性⼤大

⼤大気中の氷晶核となりうるエアロゾル粒粒⼦子の理理解(DeMott et al., 2009)

氷晶核となるエアロゾル粒粒⼦子

Bioaerosol

(Hoose et al., 2010)

(Atkinson et al., 2010)

⽬目的

実⼤大気中の氷晶核を理理解  　 　 　 　 　 　(物理理的・化学的特徴)

（氷晶形成における要因や特徴の解明→予測向上へ）

実⼤大気中のエアロゾル粒粒⼦子は極めて複雑

・室内実験結果の実証 ・実⼤大気レベルでの混合状態

実⼤大気中の氷晶核採取

Cziczo etal., 2012

混合相雲氷晶雲

実際の混合相雲における氷晶核の採取は技術的に困難

Ice-CVI

・分取精度度 ・ライミング ・氷晶形成情報

個別液滴凍結法

LN2

LN2

LN2

Observation Condensation Freezing Drying

Si wafer+撥⽔水剤

Wet air Dry air

⽔水過飽和   冷冷却・凍結(-‐30℃)   氷未飽和  

20µm

a

20µm

b

20µm

d

20µm

c

実⼤大気エアロゾルにおける氷晶核の直接的な分析が可能

Results Ice nucleation experiments

samples Onset Temp.(˚C)

純⽔水 -36.5

カリ⻑⾧長⽯石 -20.3

曹⻑⾧長⽯石 -20.7

⽯石英 -25.7

カオリナイト -31.6ATD

(DP>1.1µm)-22.5

砂漠砂(DP>1.1µm)

-26.6

標準粒粒⼦子 　 2/28 4/10

粒粒⼦子 10,188 24,145

凍結粒粒⼦子 37 122

活性率率率 (DP>1.1µm)

3.6E-03 5.6E-03

⼤大気エアロゾル(DP>1.1µm)

(a) 28 February 2016 (b) 10 April 2016 60

75

90

105 120 135

30

45

60

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2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

3000

0004/10

18 12 06 0004/09

18 12 06 0004/08

18 12 06

NOAA HYSPLIT MODEL Backward trajectories ending at 0600 UTC 10 Apr 16

GDAS Meteorological Data

Sour

ce★

at

36.5

4 N

136

.71

EM

eter

s AG

L

Job ID: 111758 Job Start: Thu Sep 22 03:28:17 UTC 2016Source 1 lat.: 36.537500 lon.: 136.712300 hgts: 3000, 1500, 3000 m AGL Trajectory Direction: Backward Duration: 72 hrs Vertical Motion Calculation Method: Model Vertical Velocity Meteorology: 0000Z 8 Apr 2016 - GDAS1

NA

TI

ON

AL

O

CE

A

NI C

AND

A TMOS PHERI C

AD

MI

NI

ST

RA

TIO

N

U. S

. DEPARTMENT OF CO

MMER

C

E

noaa

75

90

105 120 135 150

30

45

60

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1500 2500 3500 4500

3000

0002/28

18 12 06 0002/27

18 12 06 0002/26

18 12 06

NOAA HYSPLIT MODEL Backward trajectories ending at 0600 UTC 28 Feb 16

GDAS Meteorological Data

Sour

ce★

at

36.5

4 N

136

.71

EM

eter

s AG

L

Job ID: 13543 Job Start: Thu Sep 22 03:30:52 UTC 2016 Source 1 lat.: 36.537500 lon.: 136.712300 heights: 3000, 1500 m AGL Trajectory Direction: Backward Duration: 72 hrs Vertical Motion Calculation Method: Model Vertical Velocity Meteorology: 0000Z 22 Feb 2016 - GDAS1

NA

TI

ON

AL

O

CE

A

NI C

AND

A TMOS PHERI C

AD

MI

NI

ST

RA

TIO

N

U. S

. DEPARTMENT OF CO

MMER

C

E

noaa

96%の粒子が-26℃以下で氷晶形成

個別粒粒⼦子分析

1µm

顕微ラマン分光法

SEM-EDX

原⼦子間⼒力力顕微鏡(AFM)

SulfatesNitrates

OrganicHydroxyl

⼤大気圧下での個別粒粒⼦子分析

粒粒⼦子の元素組成の分析

Results

35x103

30

25

20

Inte

nsity

(Cou

nts)

15001000500

x10

3

15001000500Raman Shift (cm-1)

x10

3

40003000

28x103

26

24

22

20

18

16

Intensity (Counts)

2934

2989

2938

347615951317

1089

1069

100

101

102

103

104

Intensity

86420keV

101

102

103

104

Intensity

ONa

Mg

S

Cl

70x103

60

50

40

30

20

Inte

nsity

(Cou

nts)

15001000500

x10

3

15001000500Raman Shift (cm-1)

x10

3

40003000

x10

3

40003000

90x103

80

70

60

50

40

30

20

Intesity (Counts)

160313891089975

100

101

102

103

104

Intensity

86420keV

101

102

103

104

Intensity

OMg

AlK

CaFe

40x103

35

30

25

20

Inte

nsity

(Cou

nts)

15001000500

x10

3

15001000500Raman Shift (cm-1)

x10

3

40003000

x10

3

40003000

19x103

18

17

16

15

Intensity (Counts)

34023238

2993

2934

1050

1090

870

975

101

102

103

104

Intensity

86420keV

101

102

103

104

105

Intensity

O

Mg

nm 0.5µm

1.20.80.40.0

Height (µm

)

5.55.04.54.03.53.0Length (µm)

nm 0.5µm

0.6

0.4

0.2

0.0

Height (µm

)3.53.02.52.01.51.0

Length (µm)

nm 0.5µm

1.0

0.5

0.0

Height (µm

)

5.04.03.02.01.0Length (µm)

AFM micro-Raman EDX(a)

(b)

(c)

凍結粒粒⼦子

⾮非凍結粒粒⼦子

Results Observation of atmospheric particles by AFM(a)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0-2 2-4 4-6 6-8 8-10 10-12 12-14 14-16 16-18 18-20

Freq

uenc

y

DS/h

Non-activeIN active

2 640 8 14 16 1810 12

Non-active

IN active

(b)

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

1.0-1.

11.1

-1.21.2

-1.31.3

-1.41.4

-1.51.5

-1.61.6

-1.71.7

-1.81.8

-1.91.9

-2.02.0

-2.12.1

-2.22.2

-2.32.3

-2.42.4

-2.5

2.5-

Freq

uenc

y of

asp

ect r

atio Non-actine

IN active

Non-active

IN active

1 1.5 2.0 2.5

Aspect ratio

液体固体

凍結粒子

非凍結粒子

凍結粒子

非凍結粒子

Results Analysis by micro-Raman spectroscopy

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Det

ectio

n Fr

eque

ncy

Non-active IN active ASD

Nitr

ates NaN

O3

Mg(

NO

3) 2

Ca(

NO

3) 2

Sulfa

tes

(NH

4) 2SO

4

CaS

O4

⽯石英

⻑⾧長⽯石

蛍光粒粒⼦子

有機物

(C-H

)

スス・腐植物質など

ヒドロキシル基

Car

bona

tes N

a 2C

O3CaC

O3

Non-active IN active ADS凍結粒子非凍結粒子 砂漠砂

Results Analysis by SEM-EDX

Mineral dust Mineral dust+inclusion

Sea salts(flesh) Sea salts(flesh)+inclusion

Sea salts(aged) Sea salts(aged)+inclusion

Sulfates Sulfates+inclusion

ca_rich Ca rich+inclusion

other

Mineral dust Mineral dust+inclusion

Sea salts(flesh) Sea salts(flesh)+inclusion

Sea salts(aged) Sea salts(aged)+inclusion

Sulfates Sulfates+inclusion

ca_rich Ca rich+inclusion

other

Mineral dust

Sea salts (flesh) Sea salts (flesh) + inclusion

Sea salts (aged) Sea salts (aged) + inclusion

Sulfates Sulfates + inclusion

Mineral dust + inclusion

Ca-rich Ca-rich + inclusion

Other

⾮非凍結粒粒⼦子 凍結粒粒⼦子

58%

12%12%

15%

3%

55%21%

24%

ここまでのまとめ

凍結粒粒⼦子 ⾮非凍結粒粒⼦子

固体かつイレギュラー 球形

蛍光粒粒⼦子(粘⼟土鉱物) ⽯石英

CaSO4 (スス・腐植物質など)

硝酸塩

鉱物粒粒⼦子 硫硫酸塩+inclusionCa-rich+inclusion

海塩粒粒⼦子

・⼤大気エアロゾル粒粒⼦子の96%が-26℃以下で氷晶形成

AFM

Raman

EDX

有機物の検出による違いはなし

海塩粒粒⼦子

35%以上の海塩との混合が氷晶形成の阻害要因

海洋上の輸送が氷晶形成に負の影響を与える

(海塩)

(鉱物)

⾮非凍結粒粒⼦子凍結粒粒⼦子

35%

鉱物粒粒⼦子

・凍結温度度

・顕微ラマン分光法蛍光粒粒⼦子←・粘⼟土鉱物内の有機物  　 　 　 　 　・結晶構造内の不不純物や構造⽋欠損

⻑⾧長⽯石: 2%⽯石英:19%

鉱物中では粘⼟土鉱物粒粒⼦子や 鉱物混合粒粒⼦子が⽀支配的であり、純粋な⻑⾧長⽯石粒粒⼦子は稀

⾮非凍結粒粒⼦子凍結粒粒⼦子カリ⻑⾧長⽯石曹⻑⾧長⽯石

すべての粒粒⼦子が-‐‑‒24℃以下で凍結

鉱物組成の違いによる氷晶形成への影響は⼩小さい

硫硫酸塩&Ca-rich

⾮非凍結粒粒⼦子凍結粒粒⼦子

0

20

40

60

80

CaCO3 nitrate

Freq

uenc

y (%

)

(鉱物)

0

20

40

60

80

nh4so4 flu caso4

Freq

uenc

y (%

)

CaC

O3

nitr

ates

(NH

4) 2SO

4

蛍光

(粘⼟土鉱物

)

CaS

O4

純粋な(NH4)2SO4と

 　純粋なCaCO3(カルサイト)と硝酸塩との混合は氷晶形成× (NH4)2SO4はカルサイトや粘⼟土鉱物との混合によって氷晶形成×→◯

まとめ・個別液滴凍結法により、⽐比較的簡便便に氷晶を形成する粒粒⼦子の分析が可能 ・鉱物粒粒⼦子(特に粘⼟土鉱物)が氷晶形成◯に対し海塩粒粒⼦子は氷晶形成× ・実⼤大気中における粒粒⼦子の鉱物組成は氷晶形成に寄与していない ・海洋上を輸送される過程での海塩との混合は氷晶形成◯→× ・純粋な(NH4)2SO4やカルサイトは氷晶形成× ・⼀一⽅方で純⽔水な(NH4)2SO4はカルサイトとの混合により氷晶形成×→◯ 　 　 　

これまでの室内実験結果に対して実⼤大気における実証  　 　 　 　 　 　と輸送過程における粒粒⼦子の混合状態の調査 氷晶形成の予測には ⼤大気中での粘⼟土鉱物粒粒⼦子と輸送過程における粒粒⼦子の混合状態も重要