Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

エアロゾル / 海洋微粒子 / 微粒子測定 / 黒色炭素 / 鉱物ダスト / 光散乱 / 大気微粒子 / 海洋懸濁粒子 / 観測装置

新型コロナウイルス流行のため、渡航先研究機関が外国人の受入れを停止中であるため、渡航後に実施する予定の実験研究の予備研究を進めた。特に、本研究で実施する予定の大気・海洋中の黒色炭素・鉱物ダスト粒子の同定・定量測定を可能にするための技術的基盤を整えた。まず、液中粒子の複素散乱振幅を単一粒子毎に定量的に測定する方法「複素散乱振幅センシング」の実用化装置を完成させた。本装置では、大気中・海洋中の粒径0.2-5umの範囲の固体粒子について、複素散乱振幅から、屈折率または粒子形状が異なる粒子種を判別し、各々の粒径別数濃度を導出することができる。黒色炭素・鉱物ダスト粒子・生物粒子について、実験用標準粒子を導入して応答特性を評価した。2019年4月に長崎県福江島で観測した大気中の黒色炭素粒子の直接観測データと、Aerosol Devices Inc社のスポットサンプラーA110を用いて水中捕集した黒色炭素粒子の複素散乱振幅データから導出された粒径分布を比較した結果、一部の観測期間に高い相関がみられたものの、全観測期間では相関が悪かったため、スポットサンプラーの黒色炭素粒子の捕集性能に問題があることが示唆された。そこで本研究では、大気中の黒色炭素・鉱物ダスト粒子・生物粒子を液中に捕集して複素散乱振幅センシングにより連続観測することを可能にするため、流量条件や捕集効率を改良した新たな粒子捕集装置（Particle Sampler with Spiral Condenser: PSSC）を開発し、大気中の黒色炭素粒子の捕集効率の性能評価を行った。その結果、大気中の黒色炭素のほとんどを占める粒径範囲0.06-1.0umにおいて、80%以上の捕集効率を示した。

微粒子計測技術 / 光散乱 / エアロゾル / 海洋微粒子 / 微粒子測定技術 / ナノプラスチック / 海洋懸濁微粒子 / 微粒子検出 / ナノ粒子 / 計測技術 / 海洋懸濁粒子

空気や水などの流体に浮遊する微粒子の正確かつ高速な自動測定法は、物理学・化学・生物学の実験、地球環境モニタリングなど、多くの科学技術研究・産業分野において必要とされている。しかしこれまで、直径数マイクロメートル未満の微小粒子について、粒子の構成物質と粒子の大きさを両方とも正確に決定できる利便性の高い自動測定法はなかった。本研究では、流体中に浮遊する粒径範囲０．２～５マイクロメートルの微粒子について、複素散乱振幅の正確な単一粒子測定に基づき、粒子を構成する物質の複素屈折率と粒径別数濃度を、両方とも同時にかつ正確に自動測定できる手法を考案・実証した。

本研究で開発された複素散乱振幅センシング法は、流体試料の前処理が不要で、安価に実現可能であるため環境中の微粒子の広域観測などに適する。また非破壊分析であるため、他の任意の分析化学・物理センシング手法と組み合わせた複合分析を行うことができる。このような汎用性と拡張性の高さから、今後、大気圏・水圏・雪氷圏の微粒子の観測など、多方面に多様な形で応用されていくことが期待される。

レーザー分光 / 光散乱 / 光トラップ / エアロゾル / レーザー / 光計測 / 放射光 / X線分光

本研究では、マイクロ・ナノサイズの水表面の特異的物性を解析するレーザー分光・放射光X線分光複合解析法実現のために、テーブルトップ型準弾性レーザー散乱装置の開発、およびマイクロ気泡表面の表面張力を光学的に計測するマイクロデバイス・レーザー光学系開発を行った。テーブルトップ型準弾性レーザー散乱装置は、従来の大型レーザーを用いた装置と遜色ない性能を示す装置が開発された。また、マイクロ気泡測定では、新しい気泡生成法、気泡の光トラップ法、気泡表面のレーザー分光法が実証出来、高い学術的新規性を持つ成果が得られた。

テーブルトップ型準弾性レーザー散乱装置の開発および気泡表面張力の測定は、物理化学・分析化学において過去に例のない研究であり、複合計測における実験技術の実証および、気液界面計測の新しい手法として有意義な結果が得られた。今後この研究が発展することにより、応用研究が進んでいるナノバブル表面の基礎科学解明が進むと期待される。この基礎過程解明は、半導体加工の洗浄過程やナノバブルの生態影響などの応用分野の発展にも寄与すると期待できる。

大気化学 / 放射強制力 / エアロゾル / 地球温暖化 / 大気放射 / 大気環境 / 気候変動 / 大気物理学 / 光散乱

当初の予定では、単一粒子光散乱法と単一粒子レーザー白熱法を用いてブラックカーボン粒子の散乱断面積、吸収断面積を同時測定し、そこから複素屈折率を導出する方法論を構築する予定であった。予備実験の過程で、自動車や製鉄所から発生する人為起源の酸化鉄粒子を、ブラックカーボンや自然起源の酸化鉄粒子と区別して検出できることを発見し、その手法を確立した。人為起源酸化鉄粒子の多地点の観測データと数値シミュレーションを用いて、全球大気中の濃度および放射強制力を世界で初めて評価した。また、より複素屈折率の虚部に感度の高い測定原理である、単一粒子消散法を新たに考案し、その計測の理論モデルおよび実験系を完成させた。

【研究分担者】
足立光司	気象庁気象研究所	全球大気海洋研究部	主任研究官	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
原田慈久	東京大学	物性研究所	教授	(Kakenデータベース)