ISSN 2189-8839

Archives of Atmospheric Chemistry Research
第 47 号

目次

総説―トピックス：「大気化学の将来構想 2022-2032: 各論第１集」―

Article No.

１． 序文
大気化学の将来構想 2022-32：各論部の概要 ································· 金谷 有剛，持田 陸宏

047A01

２．温室効果気体
温室効果気体とオゾン層破壊物質 ···································································································································································· 梅澤 拓，丹羽 洋介，斉藤 拓也，齋藤 尚子，豊田 栄

047A02３．反応性気体
大気汚染物質群の新たな科学：
化学理論の更新と排出―気候変動・健康問題の解決へ向けて ····················································································· 金谷 有剛，須藤 健悟，Prabir Patra，坂本 陽介，関谷 高志，藤縄 環···································· 谷本 浩志，江口 菜穂，齋藤 尚子，笠井 康子，出牛 真，佐藤 知紘

047A03

４．物理化学
未来の大気化学のための室内実験 ··················································································································································································· 江波 進一，石塚 紳之介，羽馬 哲也，猪俣 敏

047A04

５．大気陸域統合
陸域生態系と大気化学 ··················································································································································································································· 持田 陸宏，伊藤 昭彦，松田 和秀，谷 晃

047A05６．大気海洋統合
人新世における生物地球化学的物質循環と気候への海洋エアロゾルフィードバック ················································· 伊藤 彰記，宮﨑 雄三，竹谷 文一，岩本 洋子，金谷 有剛，西岡 純

047A06

学会からのお知らせ
第 27 回大気化学討論会のお知らせ ·························································································································································· 関山 剛，石戸谷 重之，岩本 洋子，内田 里沙，坂本 陽介

047N012022 年度日本大気化学会奨励賞の候補者募集 ····················· 日本大気化学会 運営委員会

047N02

JpGU2022「大気化学」セッション開催報告····································································································································································内田 里沙，坂本 陽介，岩本 洋子，石戸谷 重之

047N03

日本大気化学会会員集会プログラム ··········································· 日本大気化学会 運営委員会

047N04

第 24-27 回日本大気化学会運営委員会議事録 ······················ 日本大気化学会 運営委員会

047N05

記事のご投稿について
論文や記事のご投稿をご検討されている方は，事前に本誌編集委員または日本大気化学会運営委員までご相談下さい。
大気化学研究編集委員：山地一代（共同編集長），宮﨑雄三（共同編集長），八代尚，大畑祥
日本大気化学会運営委員（第 12 期，2021 年 7 月 1 日から）： 金谷有剛（海洋研究開発機構），石戸
谷重之（産業技術総合研究所），入江仁士（千葉大学），岩本洋子（広島大学），内田里沙（日本自動車研究所），加藤俊吾（東京都立大学），齋藤尚子（千葉大学），坂本陽介（京都大学），関山剛（気象研究所），
竹川暢之（東京都立大学），竹谷文一（海洋研究開発機構）， 宮﨑雄三（北海道大学），山地一代（神戸大学）

１

Contributing Authors:序文

大気化学の将来構想 2022-32：各論部の概要
Future Vision for Atmospheric Chemistry 2022-32: Overview of the topical section

金谷有剛，持田陸宏

総説 ―トピックス： 「大気化学の将来構想 2022-2032: 各論第１集」―

Research Focus

Article No. 047A01

大気化学の将来構想 2022-32：各論部の概要
Future Vision for Atmospheric Chemistry 2022-32: Overview of the
topical section
金谷有剛 1 *，持田陸宏 2
日本大気化学会と日本学術会議・IGAC 小委員会

構成のうち，7 つのコアテーマから成る各論部を取りは，大気化学の研究分野において今後 10 年で推進まとめるものである。序論部は今後，IGAC 小委員会

すべき研究で，周辺分野も巻き込みつつ実施すべきにおいて日本学術会議の「記録」としてゆく計画であ

課題を整理し，「大気化学の将来構想 2022-32」としる。また，序論部と各論部を統合した全体版は本学て取りまとめ，この度，公表開始に至った。学術研究

会のウェブに掲載予定である。

の方向性の道標として活用することに加え，今後，大各論の作成作業は，2019 年から約 3 年にわたって型プロジェクトや大型設備等を提案・獲得していく目

進められた。作成の当初から全ての分野の網羅を意的で，また，本学会の活動をアピールしつつ，周辺

識しすぎると，広く薄い内容の文書となることが懸念

学会とのコミュニケーションを高める目的での活用をされたため，いくつかのコアテーマと代表者をトップダ狙うものである。当分野では，2000 年に「日本の地球ウンで指名し，「尖った」サイエンスを記述する文書と大気化学研究 1989–1999 －10 年間の総括と今後することを目指した。代表者には，作成の段階でコミの研究戦略－」を, 2008 年には「今後の日本の大気ュニティからの広いインプットを受けられるように小研

化学研究 IGAC 小委員会の提言」を取りまとめてき究集会等を開催し，活動を進めてもらう想定であった

た経緯があり，本将来構想はそれらの後継文書に位が，新型コロナ感染症の蔓延により，対面での会合置付けられる。近年，学問の成熟とともに学術的によ開催は難しくなり，オンラインで限られた機会を活用

り深い探求・洞察が求められるようになり，また，し，構想と執筆を進めることとなった。その代替として，

Future Earth や SDGs といった超学際的な出口や社

一次原稿を広く本会会員に読んでもらいコメントをも会実装も求められるようになるなど，私たちを取り巻くらう「パブリックビューイング・パブリックコメント」を充実

状況も大きく変化した。今回の取りまとめにおいて，こさせ，オープンな形で広いインプットを取り込むものとれらの点も強く意識することとなった。

した。また，第 26 回大気化学討論会（2021 年）と日本

本将来構想は，序論部と各論部から構成される。

地球惑星科学連合大会 2022 において，各論の内容

各論部は専門内外の研究者向けとし，最先端の科学について代表執筆者から紹介し，議論する場を設け

トピックスや，喫緊の社会要請に応える取組等を，研た。これらの過程で得られたコメントと回答についても

究開発のアプローチとともに具体的に述べるものであ公開する段取りになっている。本将来構想を通して，る。一方，序論部では，より広い読者を想定し，各論

コアテーマは最終的に，「長寿命気体」，「反応性気部全体を俯瞰的に捉え，当分野の果たすべき役割

体」，「物理化学」，「大気陸域統合」，「大気海洋統や分野間・国際・国内連携，必要となるファシリティや合」，「エアロゾル・放射・雲」，「成層圏・中間圏」の 7

人材育成等の課題をとりまとめる。本特集はこの全体つとなった。それらのうちの 5 テーマの決定稿を今回

1

大気化学研究 第 47 号 (2022)の第 47 号で，残りの 2 テーマを次回の第 48 号に収録する。
各論部の筆致はそれぞれ著者の個性が残るものとなっているが，統一感を得るための工夫として，末尾に共通フォーマットの「サマリー表」を設けることとし，究極の目標は何か，最近の世界の動向と我が国の強み，現在の重要なギャップを記述してから，今後 10年どのような取り組みを進めるべきか，と論考を進められるものとした。読者の皆様には参考にしていただ
ければありがたい。最後に，各論の執筆や取りまとめを担った学会内外の皆様，また，査読コメントを寄せていただいた皆様，ご協力いただいたすべての方々に感謝申し上げたい。

原稿受領日: 2022 年 7 月 4 日
掲載受理日: 2022 年 7 月 4 日

著者所属：
1. 海洋研究開発機構 地球表層システム研究セン
ター
2. 名古屋大学 宇宙地球環境研究所* 責任著者:
Yugo Kanaya <yugo@jamstec.go.jp>2

２

Contributing Authors:

温室効果気体温室効果気体とオゾン層破壊物質
Greenhouse gases and ozone depleting substances

梅澤拓，丹羽洋介，斉藤拓也，齋藤尚子，豊田栄総説 ―トピックス： 「大気化学の将来構想 2022-2032: 各論第１集」―

Research Focus

Article No. 047A02

温室効果気体とオゾン層破壊物質
Greenhouse gases and ozone depleting substances
梅澤拓 1 *，丹羽洋介 1，斉藤拓也 1，齋藤尚子 2，豊田栄 3
大気中の温室効果気体（GHG）やオゾン層破壊物質（ODS）は，多様な人為・自然放出源を起源に持ち，様々な消失・吸収過程によって大気から除去される。大気中の GHG や ODS の変動を理解するた
めには，地球表層での GHG や ODS の交換や大気中での輸送ならびに化学反応を定量的に把握する必要がある。将来の GHG や ODS の収支を正確に予測するためにも，これらの循環メカニズムの解明が重要である。このため，地上，航空機，船舶，人工衛星による大気観測，フラックス観測，大気輸
送モデル，陸域・海洋の物質循環モデルなど，多様なアプローチによる研究が行われ，GHG や ODSの全球・地域収支が推定されてきた。現在の収支推定では不確実性の大きい低緯度地域や，急激な変化が起こり得る北極圏については，循環メカニズムの理解を深化すべく，より重点的な研究が必要である。パリ協定やモントリオール議定書にもとづく国際社会の取り組みも進展しており，対象気体の放出起源や分布を正確に把握して排出インベントリの検証に関する科学的知見を提供し，国際枠組
みが実効的に機能しているかを定量的に評価するとともに，実効的な排出削減策の立案にも貢献することが求められている。現在では，複数のアプローチを組み合わせた統合的研究が国際的に展開されるようになり，我が国の研究も大きな責務や貢献を果たしている。

１．はじめには国際的な社会背景や政策課題と密接に関連して人間活動による様々な化学物質の放出量の増加

おり，排出削減対策への貢献が強く求められている。

は，大気の物理化学過程に大きな影響を与えている。

しかし，これらの大気中微量気体の将来にわたる

産業革命後に大気中濃度が大幅に増加した二酸化

正確な濃度予測は簡単ではない。大気中濃度の変炭素（CO2）やメタン（CH4），一酸化二窒素（N2O）など

動要因を支配する地球規模の循環メカニズムの解明の温室効果気体（Greenhouse Gases, GHG）は，地球は未だ不完全であり，人為起源から自然起源まで多温暖化の緩和のため，その放出量の削減が喫緊の岐におよぶ GHG や ODS の放出源・吸収源や，これ

国際的課題として認識されている。特に，2015 年にらと大気との多様で複雑な交換過程の理解を積み上パリ協定が採択され，各国が GHG の排出削減目標

げる必要がある[例えば持田ら, 2022]。そのため，多の策定義務を負うなど，国際社会の取り組みも実効様なプラットフォームを活用した大気観測のみならず，的になってきた。一方，オゾン層破壊物質（Ozone

個別の放出源・吸収源での交換過程の観測，大気Depleting Substances, ODS）については，1987 年の輸送モデル，陸域生態系モデル，海洋フラックス観

モントリオール議定書の採択以来，国際社会の取り測，排出インベントリなど，様々な手法を駆使した解組みの成果として，様々な化学物質の大気中濃度が析が行われている。近年では，後述のように，Global

減少に転じてきた。このように，GHG や ODS の研究

Carbon Project（GCP）による統合解析が定期的・組織

1大気化学研究 第 47 号 (2022)

図 1 CO2，CH4，N2O，ハロカーボンの全球循環の概観図。図中に示された地上基地，船舶，航空機，人工衛星などの観測プ
ラットフォームを利用した大気観測が行われている。Nakazawa [2020]の Fig. 1 を改変。

的に報告されるようにもなってきた[Friedlingstein et

ムの理解を深化させることが重要な課題である（図１）。

al., 2020; Saunois et al., 2020; Tian et al., 2020]。

地表面における CO2 の放出・吸収量（地表面フラッ

本稿では，重要な GHG や ODS である CO2，CH4，クス）を求める研究手法には二つのアプローチがある。

N2O およびハロカーボンの循環の解明に向けた国内

一つはボトムアップ・アプローチであり，統計データや外の研究動向をまとめる。また，近年発展の著しい

CO2 フラックスの現場観測，陸域生態系モデルによる

GHG の衛星観測についても記述した。我が国の研シミュレーションなどにもとづいて，個々の素過程を究の現状や成果についても触れ，現在および将来の積み上げて拡張することで，特定の領域や地球全体

研究課題についても議論する。

での量を推定する。もう一つは，トップダウン・アプローチであり，大気観測にもとづいて，地表面での排2．二酸化炭素（CO2）

出・吸収の結果を反映する大気中濃度の時間変化

人間活動における化石燃料消費や土地利用変化

や空間分布から推定する。本章においては，大気化によって，CO2 の大気中濃度は増加の一途を辿って学との関連が深いトップダウン・アプローチの研究をおり，地球温暖化に最も影響を及ぼしている大気成中心に議論を行う。

分となっている。海洋や陸域生態系が大気中の CO2

我が国による GHG の大気観測は世界的に見てもの大きな吸収源となっており，これらの正味吸収量の有数の規模で展開されており，これらは CO2 の観測

合計は人間活動による放出のおよそ半分に及ぶを基礎に発展してきた。東北大学では，1970 年代末[Friedlingstein et al., 2020]。そのため，人間活動に伴に高精度の非分散型赤外分光計（NDIR）を開発し，う放出だけでなく，陸域生態系と海洋における放出・

1979 年には民間旅客機を用いた日本上空での CO2

吸収の量を正確に把握することや，それらのメカニズ

濃度の観測を開始した[Tanaka et al., 1983]。この旅2大気化学研究 第 47 号 (2022)

客機観測は世界最長の GHG の航空機観測となってet al., 2019]。最近では，陸上生態系における光合成

今も継続中である [Ishidoya et al., 2012; Umezawa et

量の関連指標として，光合成によって CO2 と共に植al., 2014]。1980 年代以降は，南極昭和基地や北極物に取り込まれる硫化カルボニル(COS) [Campbell et

ニーオルスン基地，国内でも綾里，南鳥島，与那国

al., 2008]を利用した研究にも注目が集まっている。

島，落石岬，波照間島での地上観測が，東北大学，

地表面フラックスを時間・空間的に均一に並んだ

国立極地研究所，気象庁，国立環境研究所によってグリッドデータとして得るためには，まばらな観測デー開始され，現在まで観測が継続されている[Morimoto

タを使って大気中に拡散された情報を“拾い集める”

et al., 2003; Goto et al., 2017a; Watanabe et al., 2000;

必要があり，そのため大気中での移流拡散を考慮す

Tohjima et al., 2010]。1984 年には，民間旅客機の国る大気輸送モデルや先験情報としてボトムアップ・ア

際線航路での CO2 濃度の定期観測も世界に先駆けプローチで得られたデータを使う必要がある。この大て実施された[Nakazawa et al., 1991]。この観測は，気輸送モデルを用いた地表面フラックス推定は逆解

日本航空国際線定期航路を用いて 1993 年に開始さ析と呼ばれる。国内では，国立環境研究所，海洋研

れた自動大気採取装置による観測[Matsueda et al.,

究開発機構，気象庁気象研究所などで逆解析の研

2002]や，2005 年からの CONTRAIL プロジェクト（自究が行われているが，どれも異なる大気輸送モデル

動大気採取装置と自動連続 CO2 濃度測定装置を搭

をベースとしており，NICAM-TM [Niwa et al., 2011]，載）[Machida et al., 2008]へと発展し，観測範囲と頻MIROC-ACTM [Patra et al., 2018] ， NIES-TM

度が大幅に拡大された。また，気象庁の観測船[Belikov et al., 2013] ， GSAM-TM [Ishijima et al.,[Hirota et al., 1991]や，民間貨物船を用いた観測も2022]といった全球モデルが使われている。逆解析で実施されている[Morimoto et al., 2000; Tohjima et al.,は，一般にベイズ推定が用いられ，評価関数が最も2005] 。 さ ら に ， 大 気 球 を 用 い た 成 層 圏 の 観 測

小さくなる解（最適解）を求めることで，観測と整合的[Sugawara et al., 2018]や，シベリアでのタワー観測とな地表面フラックスが求められる。どの手法でも評価チャーター航空機による観測[Sasakawa et al., 2013]

関数の定義の仕方はおおよそ同じであるが，最適解など，多様なプラットフォームでの観測ネットワークもの求め方は異なっている。その一つが，解析的な計

長期にわたって維持されている。過去 10 年間ほどの算が可能となるまでフラックスの時空間解像度や観観測の展開も目覚ましく，富士山山頂やアジア各国

測データのサイズを落として解析解を求める

での観測[Nomura et al., 2017, 2021; Nishihashi et al.,synthesis inversion 法[Enting, 2002]である。この手法

2019]，南鳥島航路上での航空機観測[Tsuboi et al.,は国際的なモデル比較解析プロジェクト TransCom

2013; Niwa et al., 2014]，東京都市圏内での観測[Gurney et al., 2002]が採用したことで最もポピュラー[Ishidoya et al., 2020; Sugawara et al., 2021]など，上な 手 法 と し て 知 ら れ て お り ， MIROC-ACTM や述の研究機関に加えて，産業技術総合研究所，防GSAM-TM で用いられている[Maki et al., 2010; Saeki

衛大学なども参画し，地域スケールや都市域スケー& Patra, 2017]。一方で，NICAM-TM や NIES-TM でルでの人為排出を含むフラックス推定も視野に入れは，４次元変分法が用いられている[Niwa et al., 2017;

た多様なネットワークへと発展してきている。

Maksyutov et al., 2021]。４次元変分法では，観測デ

また，CO2 の濃度データだけではなく，CO2 の炭ータのサイズを落とさず，また，フラックスの時空間解

素・酸素同位体比の観測，O2 濃度の精密観測も，独像度も落とさずに大気輸送モデルのグリッド解像度で自の高精度測定技術が確立されて，その長期観測最適化を行うことが可能となっている。近年，利用可

が炭素収支の推定に活用されてきた[Morimoto et al.,

能な観測データの量は急激に増えており，観測デー

2000; Ishidoya et al., 2012; Goto et al., 2017a; Tohjima

タの持つ情報を最大限に抽出することができる４次元
3大気化学研究 第 47 号 (2022)

変分法やアンサンブル・カルマンフィルター（もしくは成る多様性を維持しつつも，我が国全体でより統合

スムーザー）といった手法が逆解析の主流となりつつ的な解析を行っていく必要があり，大気観測やモデある。これらの手法は，後述する衛星観測のデータを

ル解析，排出インベントリなど様々な研究グループの用いた逆解析にも利用されている[e.g., Baker et al.,

研究成果を常に共有・相互評価できる体制を構築し2010]。これらの逆解析では，大気観測データに加えていくことが肝要である。また，新型コロナウィルス蔓て，ボトムアップ・アプローチによるデータも初期値推延による人為排出の減少[Tohjima et al., 2020]や大定値として重要な役割を果たしており，化石燃料起規模森林火災[Niwa et al., 2021]などといった突発的源排出データや，大気−陸域植生・海洋間フラックス，な事象による CO2 放出・吸収量の変化は，社会の関森林火災のデータが用いられている[e.g., Oda &心も高いため，早期に検知，情報発信を行うことのでMaksyutov, 2011; Ito & Inatomi, 2012; Takahashi et al.,

きる体制を整えていくことが望ましい。さらには，都市

2009; Iida et al., 2015; Zeng et al., 2014; van der Werf

域観測のさらなる強化や[寺尾と石戸谷, 2021]，起源

et al., 2017]。

別推定に有効な酸素や同位体観測の充実とそれにトップダウンとボトムアップ・アプローチの地表面フ対応したモデル開発，大気輸送モデルの高解像度

ラックス推定値は以前には差異が大きかったが，観化が必要となっている。

測データの拡充やモデルの高度化に伴い，近年で3．メタン（CH4）は両者の比較解析が可能となってきた[Kondo et al.,2020]。国際的には，国際協働研究プラットフォーム

CH4 の大気中の濃度は約 2 ppm と CO2 の 200 分

Future Earth の研究プロジェクトである Global Carbonの 1 程度だが，100 年間での地球温暖化指数（GWP）

Project （GCP）が，全球のトップダウンとボトムアップ

は 28 と評価され，産業革命前（1750 年）からの濃度の統合解析の結果を取りまとめて毎年論文として出増加による放射強制力は CO2 の 25%に相当して，こ版している[Friedlingstein et al., 2020]。さらに，GCP

れは GHG による寄与として CO2 に次ぐ大きさであるの も と で 立 ち 上 げ ら れ た Regional Carbon Cycle[Forster et al., 2021]。CH4 は大気の酸化力を支配す

Assessment and Processes （ RECCAP ） プ ロ ジ ェ ク ト

る水酸化ラジカル（OH）と反応して大気から除去され[Canadell et al., 2011]では，地域別の放出・吸収量のるが，OH は大気中の多数の反応性気体の消失源で包括的な解析が試みられており，現在はその phase-もあるため，CH4 は様々な微量気体の変動にも影響

II が開始されている[Ciais et al., 2022]。

を与える[Lelieveld et al., 2002]。CH4 の大気中での寿GCP のほかにも，ヨーロッパでは ICOS や CoCO2，

命は約 9 年と比較的短く，その排出削減は効率的に

米国では NACP といった大型の炭素収支研究プロジ

気候変動の緩和に貢献すると考えられている。

ェクトが始動しており，それぞれ独自の研究が進めら

CH4 の生成は，嫌気的環境下による微生物活動れている。特に，2015 年のパリ協定以降，1.5°C/2°C（メタン細菌による），有機物の熱分解，地殻内部で目標に向けて CO2 排出削減の機運が高まっており，

無機炭素化合物からの化学反応（非生物生成）によ

これら大型プロジェクトは，排出削減の政策立案に資って起こる。微生物活動による CH4 の発生源として，する科学的知見の創出を重要な課題として位置づけ

湿地や湖沼，海洋，シロアリ，反芻動物，水田，廃棄ている。先に述べたとおり，我が国の観測ネットワーク

物の埋立地などが挙げられる（図１）。森林火災や薪は世界に誇る規模であり，また，大気輸送・逆解析モ

燃料などのバイオマス燃焼による CH4 放出は，有機

デルも GCP などの様々な解析に参加して世界的に物の熱分解に当たる。また，化石燃料など地殻に含高い認知度を得ている。しかし，上記の欧米のプロジ

まれる CH4 は，微生物活動，有機物の熱分解，非生

ェクト群に伍するためには，個々の研究グループから物生成の全生成過程に起因するものが含まれ，地殻
4大気化学研究 第 47 号 (2022)から自然に漏洩するとともに，化石燃料の採掘や輸

ロマトグラフ（GC-FID）による測定が用いられてきたが，送などの人間活動によっても大気中へと放出されて近年はキャビティリングダウン分析計（CRDS）も広範いる。化石燃料の不完全燃焼によっても CH4 は生成に用いられるようになっている[Nara et al., 2012]。国される。このように，CH4 の発生源は自然起源から人際標準スケールが確立する以前から，国内で独立に為起源まで多岐にわたる。産業化前と比べて大気中

CH4 濃度の標準スケールが開発・維持されてきたことの CH4 濃度は二倍以上に増加したが，エネルギー消も特筆に値する[Aoki et al., 1992; Terao et al., 2011]。

費や食糧生産の拡大など，人間活動による放出の増大気中の CH4 濃度の経年的な変動は，この数十加が原因と考えられている[Ghosh et al., 2015]。

年にわたって長らく議論の的であり，その要因につい

大気からの CH4 の消失の約 90%は OH による酸化ての理解は十分ではない。1980 年代に CH4 濃度はにより，大部分が対流圏で生じる。短寿命（秒オーダ

10 ppb/年を超える増加率を示していたが，1990 年代ー）である OH 時空間変動が非常に大きく，広域の平に入ると増加率が徐々に減少し，2000 年代には CH4

均的な大気中濃度を高精度で観測することは難しい。

濃度はほぼ一定となった[e.g., Dlugokencky et al.,

そのため，化学気候モデルによる推定[Voulgarakis et2003]。ところが，2007 年から CH4 濃度は再び増加に

al., 2013]または人為放出量が比較的良く分かってい転じ[Rigby et al., 2008; Dlugokencky et al., 2009]，

るメチルクロロホルム（CH3CCl3）の濃度観測にもとづ2014 年には 1980 年代以来初めて，増加率が 10 ppb/

く推定[Montzka et al., 2011; Patra et al., 2020]が一般年を超えた[Nisbet et al., 2019]。最近では，このような的に用いられ，CH4 の消失量はその結果から推定さ過去数十年間の CH4 濃度の長期変動は主に人為放れる。その他の CH4 消失は，土壌中のメタン酸化細出源の変動が要因であったと考えられている菌による分解や成層圏での化学反応である。成層圏[Chandra et al., 2021; Jackson et al., 2020]。

では O(1D)や Cl と反応して消失する。Cl との反応はこのような全球規模での CH4 濃度の経年変動は，

海洋上の大気境界層内でも生じている可能性が指国内の研究機関による報告にも共通して見られる特

摘されているが，その寄与の大きさはよくわかってい徴 で あ る [Tohjima et al., 2002; Terao et al., 2011;

ない[Allan et al., 2007; Hossaini et al., 2016]。大気中

Umezawa et al., 2014]。一方，冬季の中国からの高濃の CH4 濃度のモニタリング観測は海外の研究機関に

度気塊の到来[Tohjima et al., 2002, 2014; Wada et al.,

よって 1980 年前後に開始された[e.g., Fraser et al.,2011]，夏季の北西太平洋および日本上空への東ア

1981]。国内でも，先行していた CO2 濃度の観測を拡

ジア・南アジア起源の気塊の到来[Umezawa et al.,

張させて，1987 年に国立極地研究所や東北大学に2012a, 2014; Niwa et al., 2014]，東南アジア域での化

よって南極昭和基地での CH4 濃度の観測が開始さ

石燃料や火災起源の高濃度気塊の検出[Nara et al.,

れた[Aoki et al., 1992]。その後も，南北両極域やアジ

2014, 2017]，シベリア上空における鉛直勾配の経年

ア域，シベリア域，太平洋域など広域をカバーする観変化[Sasakawa et al., 2017]，対流圏上部と成層圏下測ネットワークが，地上観測所，航空機，船舶など複部における季節変動[Sawa et al., 2015]，成層圏にお数のプラットフォームを駆使して，東北大学，国立極

け る 鉛 直 分 布 [Sugawara et al., 1997; Goto et al.,

地研究所，気象庁および気象庁気象研究所，国立2017b]，北極域における長期観測[Morimoto et al.,

環境研究所などによって拡大された[Matsueda &2017]など，国内独自の観測プラットフォームで捉えら

Inoue, 1996; Tohjima et al., 2002; Machida et al., 2008;

れた興味深い CH4 濃度変動の報告も多い。このようWada et al., 2011; Terao et al., 2011; Niwa et al., 2014;に，我が国の観測は海外の研究機関の観測とも補完

Morimoto et al., 2017; Sasakawa et al., 2017]。CH4 濃的であり，かつ重要な CH4 の放出源に対して感度の度の観測は水素炎イオン化型検出器を備えたガスク

高い観測地点を有していると言える。
5

大気化学研究 第 47 号 (2022)

全球にわたる CH4 の放出量と消失量の推定は

2018]。同位体以外にも，不完全燃焼で生じる CO を様々な方法で試みられてきたが，現在では CO2 と同バイオマス燃焼起源 CH4 のトレーサーとして利用する

様に，GCP が全球 CH4 収支の統合解析を定期的にことや，化石燃料の採掘や輸送にともなって放出され報告している[Saunois et al., 2020]。トップダウン法は，る炭化水素（特にエタン）を化石燃料起源 CH4 のトレ

大気中の CH4 濃度の高精度測定に拘束されるため，ーサーとして利用することにも注目が集まっている

全球収支の均衡の正確さに信頼がおけるが，放出源[Simpson et al., 2012; Hausmann et al., 2016; Wordenや消失源の内訳についての直接的な情報は得られ

et al., 2017]。

ない。ボトムアップ法は，個々の CH4 放出や消失過以上のように，大気中の CH4 濃度の変動の理解は程の推定量を提供するが，その総量に拘束はなく，まだ不十分であり，CH4 の全球収支についても個々

自然起源の CH4 放出量について過大評価の傾向がの放出源別に見ると不確実性が大きい。特に，自然ある。実際のトップダウン法の解析では，ボトムアップ

起源の CH4 放出量の推定精度の向上が必要であり，法による複数の CH4 の放出や消失の推定データを先

地球温暖化に伴う将来予測の精度向上のためにも，

験情報として，大気輸送モデルで計算した大気中濃陸上生態系モデルや地球システムモデルの研究の度にもとづいて放出量や分布の最適化（逆解析）が重要性は高い。CH4 放出量の起源別推定の高度化行われている[e.g., Patra et al., 2016; Chandra et al.,のため，同位体や炭化水素などを同時に扱う大気輸2021]。このような統合的な解析を通して，相互にフィ送モデルの開発も望まれる。CH4 の主な消失源であードバックを繰り返すことが重要である。

る OH の変動の不確実性を低減することも，CH4 の全

個々の CH4 の放出や消失過程を反映するトレーサ

球収支の高精度化に重要である。大気中の CH4 濃ーを利用すれば，大気観測にもとづいて CH4 放出源

度や同位体の観測では，国内で蓄積されたノウハウや消失源の内訳についての情報も得られる。CH4 のや地の利を活かした観測が独自に展開されている。

放出源がその種類によって特徴的な同位体比を持パリ協定のもとで地域別や国別の人為的排出量の検つため，CH4 の放出源を微生物起源，化石燃料起源，証が求められており，また，2021 年には，新たな国際

バイオマス燃焼起源と大別し，地域スケールで複数枠組みとしてグローバル・メタン・プレッジが発足し，の CH4 放出源の起源別割合の推定や[Umezawa et

2030 年までに世界の CH4 放出量を 2020 年比で 30%

al., 2012b; Fujita et al., 2018]，より広域スケールでを削減することが目標とされた。これまでよりも高頻CH4 放出源の起源別変動を推定する研究が行われ度・高解像度の観測データの取得と大気輸送モデルてきた[Morimoto et al., 2017; Fujita et al., 2020]。まを組み合わせた解析が望まれ，高コストな観測や解た，成層圏における CH4 の消失反応の寄与について

析システムをどのように継続的に維持・発展させてゆも同位体測定が効果的に利用された[Sugawara et al.,

くかが大きな課題である。大気中の CH4 濃度の増加

1997]。一方で，同位体の大気観測データが増えてく率は依然として高い値を維持しており，気候変化やるとともに，個々の放出源の同位体比の特徴に地域頻発する異常高温によって，北極域の湿地や永久凍的な変動が大きいことや[Sherwood et al., 2017]，消土からの CH4 放出がどのように応答するのかにも注失過程での同位体分別が限られた実験結果に依存視が必要である[e.g., Yokohata et al., 2020]。

しているなど，解析の要となる端成分の値の不確実性が推定精度向上の制約となることも再注目されて

4．一酸化二窒素（N2O）いる。また，研究グループ間の同位体測定の系統差

N2O は温室効果と成層圏オゾン層破壊の両方にを相互比較から明らかにし，世界のデータを統合し直接関与する成分の中では最も大気中濃度が高く，て解析するための取り組みも始まった[Umezawa et al.,2019 年の全球平均濃度は 332.1ppb で，0.95ppb/年
6大気化学研究 第 47 号 (2022)で増加している[Canadell et al., 2021]。N2O の濃度増を複数地点で継続的に行っているほか[Toyoda et al.,加の原因とそれを支配する地球規模の循環メカニズ

2013]，フィルン試料の分析[Ishijima et al., 2007]，成ムの解明および将来予測は，大気観測，発生源観測，層圏における緯度・高度分布およびその長期変化

プロセス研究，モデル研究によって行われている（図[Toyoda et al., 2018]についても独自の研究が行われ

１）。

ている。

CO2 や CH4 の大気観測と同様に，NOAA（米国海長期にわたって開発されてきた大気中濃度の観測

洋大気庁）や AGAGE（先進的全球大気気体実験）

技術は成熟の域に達しているが，長期間におよぶ変に代表される全球観測ネットワークによって，対流圏動の精密な解析を行うための精度および確度の維

大気中の N2O の時空間分布が 1980 年頃から系統持・管理には地道な不断の努力が必要であり，研究的に調べられている[Prinn et al., 2000]。我が国でも，室間の濃度較正の相違の解消，赤外レーザー分光

東北大学，国立環境研究所，国立極地研究所など

計を用いた高時間分解能での高精度観測などが今によって，国内，北極圏，南極における地上観測，航後の課題として挙げられる。安定同位体比について

空機を用いた広範囲の緯度・高度分布の観測が行は特にレーザー分光法の分析精度に改善の余地がわれ，高品質のデータ提供に貢献している[Tohjima

残されているほか，N2O 同位体比の国際標準物質のet al., 2000; Ishijima et al., 2001]。大気の直接観測が整備，濃度観測と同様の全球ネットワーク観測が今開始される以前の期間については，極域フィルン（氷後の課題である。

床上部の空隙層）や氷床コアに保存された過去の大N2O の最も大きい発生源は自然起源，人為起源

気の分析が約 80 万年前までさかのぼって行われ，人いずれについても土壌である。N2O は微生物の窒素為発生源の影響や自然発生源の変動についての知

代謝（硝化，脱窒など）で生成するため，自然土壌で見が蓄積されつつあり，我が国の研究者が先駆的な

は高温多湿の熱帯土壌が，人為起源では無機・有役割を果たしている[Machida et al., 1995; Oyabu et al.,

機の窒素肥料が投入される農業土壌が主な対象とな

2020]。N2O が紫外光や活性酸素原子（O（1D））により，土壌から大気への N2O 放出速度（フラックス）観測

り分解される成層圏においても，航空機や大気球をや土壌ガスの採取観測が行われてきた。我が国では用いた緯度・高度分布の観測が行われている。国外

栽培，施肥，水補給などが詳細に管理された畑や水の研究のほとんどは散発的な観測であるのに対し，

田でのフラックス観測や，家畜排泄物の処理（堆肥化）

約 30 年にわたって継続的な観測を行っている我が過程におけるフラックス観測に特色があり，国際的な国の研究グループの大気球観測は特筆に値する

N2O 放出係数（EF）の推定に貢献している[Akiyama[Nakazawa et al., 2002]。

et al., 2006]。発生源の安定同位体比観測は全球規

大気中 N2O の安定同位体比は，種々の発生源や模での収支解析を行う上で欠かせないものであるが，消失過程とその収支を反映する指標であるが，濃度

フラックス観測に比べると研究例は少ない。国内外のに比して観測例は少ない。国外ではフィルンやアイス研究で，肥料や土壌の種類，土壌水分量によって硝コア，長期保存された大気試料の分析による 80 年前化と脱窒の寄与率や脱窒による N2O 消費の割合がから現代までの同位体比変動測定が行われた

変化する様子が同位体比観測によって捉えられてい[Prokopiou et al., 2017]。また最近，スイスの研究グル

る[Toyoda et al., 2011; Ostrom et al., 2010]。最近は赤ープがレーザー分光計を用いた高時間分解能の定外レーザー分光計を用いて発生源現場での高時間

点観測を高山で始めている[Yu et al., 2020]。我が国

分解能の同位体比モニタリングも行われるようになっでは，東京工業大学と国立環境研究所，国立極地てきた[Wolf et al., 2015]。

研究所が共同で，1990 年代後半から地上大気観測

土壌に次いで重要な発生源として自然起源では
7

大気化学研究 第 47 号 (2022)

海洋が挙げられる。東部熱帯太平洋やアラビア海な

いての研究の必要性が認識されている。陸域の大気

どの湧昇域を除くと，海洋では陸域と比べて弱い発

CO2 濃度増加実験では，農地からの N2O 放出が増生源が広く分布しているため，大気へのフラックスを加することが示された[Dijkstra et al., 2012]。海洋では直接検出するのは難しく，表層海水の飽和度と風速

CO2 溶解に伴う酸性化を模擬する実験がボトルスケに依存するガス交換の経験式に基づいた推定が行ールで行われているが，最近我が国の研究者らが既われてきた。様々な海域で各国の研究者により行わ

往研究とは逆に酸性化で N2O 生成が増加することをれた観測結果のデータベース化も進んでいる[Bange

報告し[Breider et al., 2019]，今後のさらなる研究が待et al., 2009]。安定同位体比は後述する N2O の生成

たれる。

機構の推定に用いられるほか，表層海水中の N2O の大気，海洋，陸域のそれぞれについて N2O の生収支解析にも利用することができ，上述した経験式

成・消失反応や輸送を定量化した大気輸送モデルに頼らない N2O フラックス推定も試みられているや生態系モデルが開発されており，我が国でも先進[Popp et al., 2002]。

的な研究が行われている。成層圏では，比較的定量

農業土壌以外の人為起源は全球収支への寄与が化しやすい光化学反応が N2O の分布を支配し，鉛比較的小さい。その中でも，化石燃料やバイオマス

直方向の濃度差が大きいことからモデルが観測値をの燃焼過程については，直接的発生源のみならず，

よく再現するのに対し，対流圏では発生源の分布と燃焼で生じた NOｘが硝酸エアロゾルとして地表へ沈

強度の不確実性が大きく，時空間変動が小さいため着して陸域・水圏微生物による N2O 生成を誘起する

モデルによる再現は難しく，逆解析による発生源のという間接的発生源としても注目されている。直接放推定への期待が高まっている[Saikawa et al., 2014]。

出については工場や自動車の排ガス観測が行われ，発生源の詳細な識別には安定同位体比の利用も有

EF の推定に利用されている[De Soete, 1993]。安定同効である。海洋では生物による窒素代謝を組み込ん

位体比の観測は我が国の研究を含む数例に限られだモデルにより N2O の分布がおおよそ再現されていている[Toyoda et al., 2008 など]。

るが[Martinez-Rey et al., 2015]，前述した微生物過程

現在および将来の全球 N2O 収支の精細化に資すの環境変化に対する応答の不確実性が大きいため，るため，未知の N2O 生成プロセスや，既知のプロセス

将来予測はいまだ困難となっている。陸域においての地球環境変化に対する応答に関する研究が行わも生物過程の取り扱いが重要な鍵となっているが，観れている。微生物による N2O 生成は，これまで硝化測データが限られるため，国際的なモデル間比較に細菌によるアンモニア酸化過程または脱窒細菌によよる検証と改良の努力が続けられている[Tian et al.,

る硝酸還元過程によると考えられてきた。しかし，硝2018]。将来は，各領域のモデルが有機的に結合し化を行う古細菌（アーキア），脱窒を行う糸状菌（カビ）た地球システムモデルによる全球 N2O 循環の解明がによる N2O 生成，N2O 分子内の N が 2 種類の異な期待される。

る基質に由来するハイブリッド機構による生成が環境

5．ハロカーボン

中で起きていることが報告されている[Laughlin &Stevens, 2002; Santoro et al., 2010]。これらの機構のハロカーボンは分子内にハロゲン原子を含む

解明に，生化学的研究に加えて安定同位体比を用

炭化水素として定義される化合物群で，大気中にいた研究も貢献している。

は様々な成分が存在する。地球温暖化や成層圏オモデルによる将来の GHG の消長予測において，ゾン破壊の観点では，大気中寿命が概ね一年以上

大気中 CO2 濃度の増加が直接・間接的に微生物がの長寿命大気成分が主な対象となる。

関わる N2O 発生源にどのような影響を及ぼすかにつ

長寿命ハロカーボンの大気組成はこの十年で8大気化学研究 第 47 号 (2022)

大きく変動した。ODS としてモントリオール議定が大気観測から見いだされた[Montzka et al., 2018]。

書の規制対象となっている特定フロンの大気中

この変化の原因は，大気への放出量の増加，それ濃度は引き続き減少し，一方でその代替などとしも全廃後の新たな製造に伴って放出量が増加して使われるハイドロフルオロカーボン（HFC）のている可能性が高く，さらにその発生源の一部が濃度が急激に上昇した。こうした規制対象物質に東アジアのどこかにあると考えられた。東アジア

ついて，「モントリオール議定書が機能しているで CFC-11 のモニタリングを実施している日本とか」を定量的に評価することが，ハロカーボン関

韓国の観測サイトでは，実際に CFC-11 濃度のス

連研究の主なゴールになっている。本章では，こパイク状の増加が頻繁に観測されており，こうしのゴールに向かって精力的に行われてきた最近た大気観測データに基づく逆解析計算によって，の研究事例と今後の課題を紹介したい。

CFC-11 大量放出は中国東部で起こっていたとい

四塩化炭素（CCl4）は特定フロンの原料などとう発生源の特定につながっている[Rigby et al.,

して使われてきたが，ODS として特定フロンとと

2019]。これに続く研究では，中国東部からの CFC-

もにモントリオール議定書によって規制された

11 放出量が 2018 以降，急激に減少し，2019 年にことでその消費量は大きく減少した。しかし，は増加前のレベルに戻ったことが明らかとなっ2010 年代前半には，消費量の減少ほどには大気中た[Park et al., 2021]。この CFC-11 の事例は，大気濃度が低下していないことが全球地上観測ネッ

観測が環境問題の発見から解決にまで繋がった

トワークによる大気観測データと大気輸送モデ好例であり，日本の貢献も大きい。

ル に よ る 解 析 か ら 明 ら か に な っ た [World

地域スケールの放出量やその分布を推定する

Meteorological Organization (WMO), 2014]。この収ための研究は，東アジア以外にもヨーロッパ

支の不均衡の原因を探るため，発生源と消失源の[Schoenenberger et al., 2018]，アフリカ[Kuyper et al.,

両面から研究が行われた。発生源については，工2019]，インド[Say et al., 2019]などを対象として広業的な生産量などの発生源情報が再整理され，塩く適用され，最近のハロカーボン研究の主流とな

化メチル製造時の漏出など，新しい発生源が重要っている。このような研究では，発生源の比較的であることが見いだされた[Sherry et al., 2017]。一近傍で高濃度スパイクを ppt レベルで検出するた方，消失源についてはフィールド観測データの再めの高精度かつ高頻度な測定システム，そして，解析などから土壌と海洋の消失源の両方が以前

高頻度な大気観測データから発生源を推定する

は過大評価されていたことが明らかになり，CCl4

ための逆解析手法が不可欠である。ハロカーボンの大気寿命は約 26 年から約 35 年と再評価されたの大気中濃度の測定については，研究レベルで利[Rhew & Happell, 2016; Butler et al., 2016]。このよ用可能な市販の分析装置がないため，AGAGE，うに，大気観測から大気輸送モデル，発生源，消NOAA などの全球観測ネットワークや国立環境失源にまたがる一連の研究の進展によって，放出研究所において独自の測定装置が開発されて運源と消失源のギャップが大幅に解消された好例

用されている。従来，ハロカーボンの低温濃縮にと言える。

は蒸気圧縮式冷凍機が用いられてきたが，最近はまた，トリクロロフルオロメタン（CFC-11）も高効率なスターリング冷凍機を利用した大気濃

近年大きな注目を集めた。
CFC-11 もモントリオー

縮装置の開発が進められ，長期間にわたってよりル議定書の製造規制により，90 年代から大気中濃安定した大気観測に貢献すると考えられる。一方，度は減少傾向にあった。しかし，大気中濃度の減逆解析手法については，この十年で放出量の推定少率が 2013 年頃から予想外に停滞していること

精度が飛躍的に向上した。初期の逆解析では，人9大気化学研究 第 47 号 (2022)

口分布などから推定された発生源分布の先験情

上部対流圏の濃度の観測となる。一方，太陽放射報が必要だったが[Stohl et al., 2009]，最近では水の後方散乱光を利用した観測は，地表の太陽反射

平一様な発生源分布からであっても，大気観測デ

光を利用するため地表付近における対象気体の濃ータにもとづく発生源分布の推定が可能になっ度変動にも感度を持つという利点がある。短波長赤ている[Rigby et al., 2019]。

外スペクトロメータである ENVISAT/SCIAMACHY に

ここまで，ODS としてモントリオール議定書のよる CO2，CH4 のカラム平均濃度 XCO2，XCH4 の観規制対象となっている成分について述べた。1989

測[Buchwitz et al., 2005]以来，太陽放射光を利用し年に発効されたモントリオール議定書は，幾度かた GHG のカラム濃度観測が主流となっている。

の改正を経て段階的に規制が強化されてきたが，SCIAMACHY は，衛星による対流圏の GHG 観測

2019 年にはキガリ改正が発効され，HFC が対象の可能性を広げた先駆的なセンサーである。

成分に加えられた。HFC は ODS ではないが強力SCIAMACHY による XCO2 の観測によって，植生のな GHG であり，モントリオール議定書による

光合成による夏季の濃度減少など，地表付近の CO2ODS の規制の代替成分として開発されたという濃度の季節変動が衛星からも詳細に観測できること経緯もあってモントリオール議定書の対象となが 示 さ れ た [e.g., Barkley et al., 2006] 。 ま た ，った。また，ジクロロメタンやクロロホルムなど，

SCIAMACHY による XCH4 の観測によって，湿地，

人為起源の極短寿命物質については，比較的短寿

稲作，牧畜，石炭採掘などの地表放出源に由来する命のためモントリオール議定書の規制対象ではCH4 の高濃度領域[e.g., Frankenberg et al., 2011]やないが，近年の放出量の増加によるオゾン層への水田からの放出に由来する地表付近の CH4 の季節影響が懸念されている[Hossaini et al., 2017; Fang

変動[e.g., Hayashida et al., 2013]を衛星で直接捉え

et al., 2018]。このような大気成分についても，こられることが示された。一般に，太陽放射の後方散乱れまで特定フロンなどの研究に利用されてきた光を利用した観測の場合，光路中に存在する雲・手法を応用できると考えられる。一方，塩化メチ

エアロゾルの存在が気体濃度導出の大きな誤差

ルやクロロホルム，ブロモホルムなど，自然生態要因となり得る。CH4 については「proxy 法」

系が関わる ODS については，発生・消失メカニズ[Frankenberg et al., 2005]を用いることで，雲・エア

ムに不明な点が多く，フィールド調査等によるプ

ロゾルの影響が大きく通常は観測が難しい領域

ロセス研究を進める必要がある。

においても，XCH4 を比較的精度よく導出することができ，衛星による対流圏 CH4 濃度観測データ

6．温室効果気体の衛星観測の活用の機会が広がった。空間分解能は 30 km×60

人工衛星による GHG の観測は 2000 年代に入っ

km と比較的粗いものの，SCIAMACHY による XCO2，て飛躍的に拡大した。対流圏の GHG の観測は，太XCH4 の観測研究・データ利用研究が進んだことで，陽放射の後方散乱光を利用した観測と地表面およ2009 年に打ち上げられた GOSAT/TANSO-FTS のデび大気からの赤外放射光を利用した観測に大別されータ処理・データ利用研究は想定よりも早く進んだとる。衛星による対流圏の CO2 濃度の観測は，赤外サ言える。TANSO-FTS の短波長赤外（SWIR）バンドのウンダである TOVS/HIRS の観測スペクトルの気温プ

XCO2，XCH4 プロダクト導出アルゴリズムは国立

ロファイル導出に利用される 15-μm 帯付近の CO2 の環境研究所をはじめ複数の研究機関で研究・開発

吸収線を利用した例[Chédin et al., 2003]が最初でされており[Yoshida et al., 2011, 2013; O’Dell et al.,あるが，赤外放射光による観測は地表付近の感度2012; Cogan et al., 2012; Parker et al., 2011; Butz etが相対的に乏しくなるため，主に中部対流圏から

al., 2011]，XCO2，XCH4 観測の高精度化が大きく
10大気化学研究 第 47 号 (2022)

進展した。直下視 10.5 km×10.5 km の空間分解能

エアロゾルの濃度，紫外線放射量の観測を行ってで観測が可能な TANSO-FTS [Kuze et al., 2009]に続おり，GHG 濃度の高度分布の観測も含まれる。最き，1.29 km×2.25 km で観測が可能な OCO-2 [Crisp

近では，Bruker 社の EM27/SUN フーリエ分光計を

et al., 2017]が 2014 年に打ち上げられ，これらの対流多地点展開して GHG（CO2，CH4，N2O）のカラム

圏の GHG 観測に特化して設計されたセンサーの全量観測を行う新たなネットワーク COCCON の登場により，さらに多くの研究者に衛星観測 GHG

プロジェクトも始動している[Frey et al., 2019]。

データが利用されることになった。高空間分解能化も衛星観測による GHG データについて，CO2 の放進んだことで，OCO-2 では発電所の風下側で高濃度

出源・吸収源の逆解析における有用性に関する議論

CO2 を捉えられるなど，GHG のポイントソースの検出が始まった当初は，衛星による気体濃度の観測確ができるまでになった[Nassar et al., 2017]。2016 年に度・精度が肝であった。Rayner ＆ O’Brien [2001]は，は，CO2 観測に特化した中国初の衛星である

CO2 のカラム量に求められる観測精度は全球観測でTanSat が打ち上げられた[Yue et al., 2016]。TanSat

2.5 ppm，海上のみでは 1.5 ppm 以上であると見積もには，OCO-2 と同様に，回折格子型分光計 ACGSった。Pak ＆ Prather [2001]は，太陽掩蔽法センサが搭載されており，2 km×2 km の高空間分解能でを想定した上部対流圏・低空間分解能の CO2 観測で

XCO2 の観測が可能である[Bao et al., 2020]。2017

あっても低緯度では 3 ppm の精度でも有用であるとし年に打ち上げられた Sentinel-5P/TROPOMI はフット

た一方，高緯度では 1 ppm 以下の観測精度が必要

プリントサイズ 7 km×7 km，観測幅 2600 km の高空間であるとした。2021 年現在，運用中の TANSO-FTS，分解能・高頻度で XCH4 を観測することができ，天然OCO-2 は CO2 の逆解析に十分有意な情報をもたら

ガス・石油プラントからの CH4 漏出の検知に成功してしうる確度・精度で XCO2 を観測することが可能であいる[Schneising et al., 2020]。OCO-2 と同一の分光る[e.g., Zhou et al., 2016; O’Dell et al., 2018]。GOSAT計を搭載する OCO-3[Eldering et al., 2019]は，2019の登場以来，衛星観測 GHG データを利用した CO2

年 5 月に ISS に取り付けられ，8 月より定常観測のフラックス推定に関する研究は盛んに実施されるよを開始した[Taylor et al., 2020]。OCO-3 は，ISS にうになった[e.g., Houweling et al., 2015; Kondo et al.,

搭載されていることにより，局所的なホットスポ

2016; Deng et al., 2016; Schuh et al., 2019; Chen et al.,ットの XCO2 の二次元イメージ（85 km×85 km）や

2021]。一方，CH4 の収支解析においても，広域観測

XCO2 および SIF の時空間変動を捉えることが可が可能な衛星の XCH4 データを利用することで，CH4能である[Taylor et al., 2020]。

のフラックスの推定誤差が特に地上観測が乏しい領

衛星観測 GHG データを研究目的で利用するに域で有意に低減することが示されている[e.g., Fraser

あたっては，地上観測等の独立したデータとの比et al., 2013]。しかし，CH4 の大気中の変動には大気較を通してデータ質を検証する必要がある。衛星輸送の影響も大きいため，観測される CH4 の変動が観測 GHG データの検証解析に広く利用されてい直下の放出源の変動を直接的に反映するとは限らなる地上観測ネットワークとして，TCCON [Wunch

いことも指摘されている[Houweling et al., 2017]。2018

et al., 2011]，NDACC [De Mazière et al., 2018]があ

年 に は ， GOSAT/TANSO-FTS の 後 継 機 で あ る

る。TCCON による SWIR バンドを利用したカラ

GOSAT-2/TANSO-FTS-2 も打ち上げられ，膨大な衛ム全量観測（CO2，CH4，N2O，HF，CO，H2O，HDO）

星観測 XCO2，XCH4 データが利用できるようになっは 2004 年に開始され，2021 年現在，全球に 30 サている。しかしながら，各センサー間の濃度バイアス

イトが展開されている。NDACC の歴史は古く，の扱い，同一センサーのデータに存在する時空間方

1991 年から全球の観測基地で様々な微量気体や向に非一様な濃度バイアスの影響など，衛星観測11大気化学研究 第 47 号 (2022)

データの逆解析への利用には克服すべき課題もされる。また，CO や NH3 など GHG の放出源解析に存在する。衛星観測 GHG データはすでに十年以援用できる他成分の同時観測が可能であることも赤上の長期間データがあり今後も蓄積されていく

外放射光観測の強みとなりうる。

が，その大量のデータをフラックス推定研究に有さらに近年，衛星による N2O や CH4 の同位体の観効に活用する手法について，モデル開発研究，衛測研究も進みつつある。高波長分解能観測が可能

星アルゴリズム研究の両面から検討を進めていな衛星搭載のフーリエ分光計である ACE-FTS は，高く必要があると考える。

度 6 km から成層圏での CH3D と 13CH4 の観測[Buzan
et al., 2016]に，さらに高度 5 km から成層圏での先に述べた通り，赤外放射光による観測は地表面温度との温度差が小さい地表付近では感度が15

NNO，N15NO，NN18O の観測[Bernath et al., 2017]

相対的に乏しくなるが，大気層の気温の違いを利に成功している。ACE-FTS は太陽掩蔽法センサーの用して主に中部対流圏から上部対流圏の気体濃度ため，水平分解能が 250 km 以上と粗く，中部対流圏の高度分布情報を得ることができる。そのため，CH4より下層の観測はできないが，同位体は GHG の放出や N2O など，化学反応や光解離を伴いながら大気中起源の解明や消失・輸送過程の解析に有用なデーを長距離輸送される GHG については，赤外放射光タである。CH4 と N2O の同位体は短波長赤外より赤を利用した鉛直分布観測が果たす役割は大きい。例

外放射光の波長帯の方により強い吸収帯を持っていえば，モンスーン循環に伴う強い上昇流のため地表るが，地表付近の同位体情報を得るためには短波長で放出された高濃度 CH4 の空気塊が上空に輸送さ

赤外の吸収帯を利用する方が有利であるため，れやすい南アジアにおいては，XCH4 の季節変動がTANSO-FTS および TANSO-FTS-2 を想定した導出

地表フラックスおよび地表付近の CH4 濃度の季節変検討も進められている[Malina et al., 2018]。

動と連動せず，上空の濃度変動を考慮しないと説明

太陽放射の後方散乱光，赤外放射光による GHG

できない領域が存在する[Chandra et al., 2017]。実際，および関連物質の衛星観測にはそれぞれ利点があAIRS および TANSO-FTS による中部対流圏から上るが，両方の波長の吸収帯を利用してより高精度に

部対流圏の観測によって，6 月から 9 月のモンスーン

下 層 の GHG 濃 度 を 導 出 す る こ と が 可 能 と な る期に，南アジア上空の 300 hPa 付近で CH4 が高濃度

[Worden et al., 2015; Kuze et al., 2020]。短波長赤外と な る 様 子 が 捉 え ら れ て い る [Xiong et al., 2009;

波長と赤外波長では濃度導出の際の誤差の要因がBelikov et al., 2021]。また，AIRS，TANSO-FTS，IASI

異なること，多くは異なる検出器を利用しておりセンの CH4 データ，TANSO-FTS の N2O データの解析で，サーに起因するスペクトル誤差の特徴が違うなど，克アジア起源の高濃度 CH4 および N2O の空気塊がア

服しなければならないことも多いが，両者の利点を活

ジアモンスーン循環によって地中海東岸の上部対流かせる観測研究が進むことを期待したい。

圏に輸送されることが明らかになっている[Ricaud et

7. おわりにal., 2014; Kangah et al., 2017]。濃度の鉛直勾配が相対的に小さい CO2 についても，地上観測 CO2 データ

本稿では，重要な GHG と ODS である CO2，に加えて TES の中部対流圏の CO2 データを利用す

CH4，N2O およびハロカーボンの全球循環の研究ることで，CO2 のフラックス推定に有意な情報をもたらを中心に，国内外の研究の現状と課題を整理した。

しうることが示されている[Nassar et al., 2011]。赤外放

その内容を表１にまとめた。これまでの様々なア

射光観測センサーの高波長分解能化が進むこと

プローチの研究により，GHG や ODS の研究は大で濃度の高度情報がより高分解能で得られるよきく進展してきたが，気候変動への取り組みが社

うになれば，さらに発展的な解析につながると期待会的・国際的にますます重要視されるなか，GHG
12大気化学研究 第 47 号 (2022)と ODS の放出源や消失・吸収源の定量的な把握

究手法の着実な進展とともに，関連研究グループと循環メカニズムの理解は大気化学が担う重要の連携を強化して統合的解析を進めることも重な責務である。現状では，これらの気体の全球収要であろう。

支の定量評価には相当の不確実性が残されており，理解の不十分な現象も多い。全球・大陸スケ

8. 略語リストールから地域・国別・都市スケールへ，また，放ACE-FTS:

出起源別の収支評価へと，解析の精緻化は着実に

Fourier Transform Spectrometer

進んではいるものの，個別の研究における課題はAGAGE: Advanced Global Atmospheric Gases

まだ多い。多様な測定技術を駆使して観測データ

Experimentを拡充するとともに，モデル解析の高度化を進め，

AIRS: Atmospheric Infrared Sounder

増大する多様なプラットフォームからの観測デACGS:ータをさらに有効活用する必要がある。個別の研Spectroradiometer

表1

Atmospheric

Atmospheric

ChemistryExperiment-

Carbon-dioxide

Grating

GHG と ODS の研究の現状と将来展望のまとめ

1.

究極のゴールは何か。

・GHG や ODS の大気中濃度の変動要因を放出源や消失・吸収源の観点から定量的に理解し，
循環メカニズムの理解にもとづいて正確な将来予測を可能とすること
・パリ協定やモントリオール議定書にもとづく国際社会の取組に対し，対象気体の放出起源や分布の情報を正確に提供し，実効的な排出削減策の立案に貢献すること2.

この 10 年での世界的な動向や日本での研究の強み

・継続的に発展してきた大気観測，排出インベントリ，大気輸送モデル，陸域生態系モデルなどを活用し，トップダウン法とボトムアップ法の統合比較解析が可能になり，そのための国際プロジ
ェクトが組織されて日本の研究者も多く参加してきた・日本の GHG 観測衛星である GOSAT/TANSO-FTS による CO2 や CH4 のカラム平均濃度のデータ処理・利用研究が大きく進展し，後続の国内外の衛星観測データも利用可能となって，衛星観測データを利用した地表面フラックスの推定研究も進展した
・パリ協定の発効を受け，GHG の人為排出量を地域・都市域スケールで把握するための観測・モデル研究が盛んに行われている・GHG や ODS の放出源としてアジア地域の重要性が高まるなか，アジア地域の放出源変動を高感度に検出できる日本の観測データの価値は高く，継続的で高品質なデータ提供が求められている
・日本国内の観測では，地上のみならず，大気球，航空機，船舶など，独自の観測プラットフォー
ムが開発・維持されるとともに，GHG の循環解析に有効な関連トレーサーの観測も独自の技術開発にもとづいた成果が報告されている
・大気輸送モデルや陸域生態系モデルが日本の複数の研究グループで独自に開発され，世界的にも高い認知度を得ている

3.

現在の重要なギャップ

・全球スケールでは大陸内陸部や熱帯地域の観測データが依然として不足しており，地域・都市域スケールではさらに高密度の観測データが期待されているが，高精度観測の維持や解析シス
テムの整備，新たな観測の展開などには技術的・コスト的な課題が大きい
・多様なプラットフォームによる観測データが飛躍的に増加しているが，統一的なデータの質の担保やデータを最大限活用するためのモデルの高度化など，多様なデータを地表面フラックスの逆解析に十分に活用するための課題がある

4.

それらを踏まえ，今後 10 年の研究をドライブする keyquestion or 作
業仮説

・パリ協定やモントリオール議定書が機能しているかをどのように評価するか？どのような時空間
密度・測定精度・観測プラットフォームの観測データが必要なのか？多様な観測データを活用するためのモデル解析システムをどのように構築すべきか？
・気候変動，海洋酸性化，オゾン層破壊・回復などに伴って，海洋と陸域生態系の GHG と ODSの放出源・吸収源，大気化学反応はどのように変化するか？特に劇的な変動が起こりうる北極圏の湿地，永久凍土，森林火災がどのような影響を受けるのか？

Ba
5.

主な連携相手 GCP, RECCAP, NOAA, AGAGE, IGAC

13

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World

Meteorological

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of

Organization
Ozone

原稿受領日: 2022 年 4 月 28 日
(WMO),

Depletion:

Scientific2014,

掲載受理日: 2022 年 6 月 13 日

World

Meteorological Organization, Global Ozone Research and

著者所属：

Monitoring Project-Report No. 55, 416 pp., Geneva,

1. 国立環境研究所 地球システム領域

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2. 千葉大学 環境リモートセンシング研究センター
3. 東京工業大学 物質理工学院 応用化学系

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23

３

Contributing Authors:

反応性気体

大気汚染物質群の新たな科学：
化学理論の更新と排出－気候変動・健康問題の解決へ向けて
New science of air pollutants: Toward complete chemical theory and science-based
solutions of the emission-driven climate change and health issues

金谷有剛，須藤健悟, Prabir Patra, 坂本陽介, 関谷高志, 藤縄環, 谷本浩志,
江口菜穂, 齋藤尚子, 笠井康子, 出牛真, 佐藤知紘

総説 ―トピックス： 「大気化学の将来構想」―

Research Focus

Article No. 047A03

大気汚染物質群の新たな科学：化学理論の更新と排出－気候変動・健康問題の解決へ向けて
New science of air pollutants: Toward complete chemical theory and sciencebased solutions of the emission-driven climate change and health issues
金谷有剛 1 *，須藤健悟 2, 1, Prabir Patra1, 坂本陽介 3, 関谷高志 1, 藤縄環 4,
谷本浩志 4, 江口菜穂 5, 齋藤尚子 6, 笠井康子 7, 出牛真 8, 佐藤知紘 7
対流圏の大気化学反応を支配するのは「OH ラジカル」を中心とした反応系である。OH はメタンの大
気中滞在時間やオゾン・PM2.5 の生成など，多くの大気汚染物質の濃度や分布動態を決定づける。多くの大気汚染物質は短寿命気候強制因子 SLCFs として直接・間接的に気候変動に影響するほか，健康影響を引き起こす。しかしながら OH の収支や濃度分布・変動は未だ十分に把握できておらず，戦略的なプロセス研究が必要である。これらの物質の濃度変化を根源的な変動要因である「人間活動による排出増加」と定量的に結び付けることは，これらの温暖化・健康影響を和らげる方策を練るうえで重要である。しかしながら，非線形性や自然プロセスの寄与分離などの重要課題が残されている。気候変動のフィードバックも含め，これらの課題を取り上げ，現場観測，数値モデル解析に新たな衛星観測を統合した具体的な戦略や，長寿命温室効果ガスと複合した解析について議論する。

１．はじめにClimate Forcers）として直接・間接的に気候変動にも人間活動や自然界から大気へ排出（または放出）影響する。SLCFs には，温暖化に寄与するメタン

される気体のほとんどは，「大気の掃除屋」とも呼ばれる「OH ラジカル」による酸化反応をきっかけとして
大気中から除去される[例えば，秋元，2014]。例えば
メタンは，OH との反応速度により大気中の滞在時間
が約 10 年に規定される[e.g., Patra，2017]。窒素酸化物（NOx）や非メタン炭化水素類（NMHCs）も同様に
OH により数時間程で除去されるが，OH 濃度がその決定因子となる。またその際の光化学反応によって，オゾン（O3）や PM2.5 が二次的に生成するため，その定量評価のためにも OH の反応系に関する完全な理解が必要である（図 1）。これらの大気汚染物質やメタ
図 1. 人間活動や自然界との物質交換フラックスを境界条件とし，OH ラジカルの反応系を中心とする大気化学の概観図。

ン は ， 短 寿 命 気 候 強 制 因 子 （ SLCFs, Short-lived
1

大気化学研究 第 47 号 (2022)（CH4）・対流圏オゾン・ブラックカーボン（BC）等だけ

つまり生成・消失項のバランスの評価に用いられるよ

でなく，逆に直接効果や雲過程を通じて冷却効果をうになった。その評価の結果，実測値とモデル値はもたらす無機エアロゾルや有機エアロゾル等の粒子，

相関し約 2 倍の範囲内では一致がみられ，モデルのさらにはそれらの原料となる前駆物質（二酸化硫黄

大きな方向性はほぼ間違いないことが確認されたが，（SO2）, NOx, 一酸化炭素（CO）, アンモニア（NH3）,

同時に，生成・消失項に関わる化学種の濃度を実態

非メタン揮発性有機化合物（NMVOCs）等）も含まれに合わせて評価してもなお数十%に上る不一致がみる。排出増加・削減が正負の放射強制力を通じて速られる場合もあり，化学過程の理解が不足しているこ

やかに気候に影響する特徴をもつ（図 2）。

とが示されている[例えば，金谷，2020]。また，排出OH の反応性は非常に高く大気中の寿命は 1 秒の量が既知のトレーサー（メチルクロロホルム（CH3CCl3）

桁かそれ以下となる。そのため，OH 濃度は生成項など）の濃度と消失項の解析から推定される OH 全球（オゾンの光分解など）と消失項（一酸化炭素，メタン，

平均濃度は，化学反応収支で算出した値（約 1×106

NOx 等との反応）のバランスで決まる「定常濃度」とな

molecules cm-3 または体積混合比では 0.04 pptv）と比る。またその濃度は一般に 1 ppt 以下と超微量である。

較的よく一致する[e.g., Prinn et al., 1992]。しかしなが生成・消失項は対流圏の多様な環境下で大きく変動

ら，トレーサー法では，半球間の OH 濃度比や最近するため，大気化学輸送モデルや化学気候モデル

30 年間の濃度トレンドなど，化学輸送モデルと整合しにおいては，この生成・消失項を正確に表現し，OHない点も見出され [e.g., Patra et al., 2014]，メタンの濃度の再現性を高めることが基本的で本質的な優先

排出量を地域や排出部門（化石燃料採掘・農畜産業

課題となる。OH 濃度を再現して初めて，OH の反応など）のレベルで評価する際の大きな壁となっている。

で支配される，対流圏オゾン生成やメタン消失などがこうした課題を乗り越えるため，一つには，モデル表

精確に表現できるようになるためである。つまり，オゾ

現を改善すべく，OH 収支にまつわる亜硝酸（HONO）

ンやメタンの放射強制力・気候影響および健康影響，や，ガスと大気中で共存するエアロゾル粒子上で起それらの将来予測についての正確な評価は，OH 反

こる不均一反応の役割 [Ha et al., 2021]など，ギャッ

応の理解度とそのモデル表現に強く依存している。

プを埋めうる未解明プロセスを戦略的に検討し，モデしかしながら OH の生成・消失項の表現は十分にルへ実装することが大事である。また，OH ラジカルの

正確なレベルに達していない。例えば，近年実現し「消失項（反応性）」を実測から評価することで，化学た OH の直接測定は，モデルでの定常濃度の評価，過程の未知量を明らかにすることが有効である[e.g.,

図 2. 1750 年から 2019 年にかけての排出物質ごと（左縦軸）の有効放射強制力（左）と世界平均気温上昇への寄与（右）。
CO2 と CFC, N2O 以外は SLCFs である。棒の色は温暖化・寒冷化を発現させる大気中の成分を表す。（IPCC, 2021; TS Fig.
TS15, Fig 6.12 より）

2大気化学研究 第 47 号 (2022)

Sadanaga et al., 2005]。国内でも先駆的な評価が進

形性を加味しながら排出量や分布を評価できる，新められた結果，未知の OH 反応性が有意に見出されたな時代を迎える。第 3 節ではこのような新たな排出てきた。しかしながらギャップを説明するプロセスが特推計に結び付く取り組みについて述べたい。

定されない場合も見出され，理解の不完全性が指摘

オゾンは SLCF として温暖化に寄与するほか，光されている[例えば，梶井，2021]。さらには，このよう

化学スモッグのガス状主要物質でもあり，健康を害すな反応性（消失項）の評価を，濃度の評価と同時にる大気汚染物質である。オゾン（光化学オキシダント）行うことで，生成項についても一意に決定し，劣決定の我が国の環境基準（1 時間値で 60 ppb）は，ほぼ全問題（underdetermined problem）を克服することも重国で全く達成されてない状況が過去 40 年続いてい要である。これらの点について，まず第 2 節で述べる。

る[環境省, 2021]。国内問題に加えて，中国での濃度

化学反応系がある程度明らかになったうえで大き増加傾向の継続と越境大気汚染の問題も加わって，な課題となるのは，各種 SLCFs の濃度変動を「排出PM2.5 以上に健康問題に影を落としている。世界的に量」と結び付けることである。SO2, NOx, CO, NH3, 炭は，オゾンと PM2.5 の大気汚染は年間数百万人の余化水素等（メタン含む），BC の全てについて排出量命を奪っているともいわれる。そのような背景下，衛を明らかにすることが必要であり，その効率的な達成

星観測を踏まえた排出量評価や大気濃度分布の現も含め，大きな課題である。例えば上述したメタンで況分析，数日後までの化学天気予報，突発的な森は，濃度上昇と温暖化への寄与を，地域・部門別と林火災なども加味した評価，地球温暖化による大気

いった，経済活動ごとの排出量変化に結び付けるこ

汚染への影響評価などは社会的に有用である。化学とによって，はじめて合理的な排出削減対策が可能

物質の解析から気象予報を高度化する試みなどもあとなる。同様に，オゾンの生成がどのような前駆物質

る。オゾンのプロセス面については第 2 節の最後に（NOx, 炭化水素などの原料物質）の排出に起因し述べるが，第 4 節ではこうした社会実装についても議ているか，定量的に解明することは大気汚染対策に論する。

直結する。濃度から排出を逆推定する手法としては，
アンサンブルカルマンフィルター法によるデータ同化モデルなども進歩し，国内でも世界をリードする成果を上げてきた[e.g., Miyazaki et al., 2017]。しかしながら，都市圏のオゾン化学で出現する「数キロメートル
スケールの非線形性」が数値モデルでは十分に解像されていない場合も多い。この非線形性は，オゾン生
成連鎖反応の効率が低 NOx 濃度領域では NOx 濃度の増大により増進する一方，高 NOx 濃度領域では低下することに由来すると考えられているが，理解は完全ではない（図 3）。こうした排出量の解析では，近年発展著しい衛星観測データも活用される。技術進
歩の結果，衛星観測の方がむしろ水平解像度の面で数値モデルを上回る場合さえも見られるようになっ
図 3. オゾン濃度は前駆物質である NOx, VOCs（揮発性有機化合物）濃度に非線形的に応答する。半球～都市内部まで，その非線形性とオゾン生成制限因子（NOx, VOC 制限レジー
ム）を明らかにする。[井上ら，2010; Itahashi et al., 2020]た。今後，キロメートル級解像度をもつ多成分衛星観測や静止衛星による日内変動計測などにより，非線3大気化学研究 第 47 号 (2022)

２． OH と化学プロセスの完全理解へ向けて
2.1. 未知化学反応のモデル評価
上述の通り，対流圏の OH 濃度は化学反応を介して，メタン，O3，およびエアロゾル（硫酸塩，硝酸塩，
二次有機エアロゾルなど）等の SLCFs・大気汚染物
質の分布に直接的・間接的に影響を及ぼす（図 1）。
こ の た め ， OH の 全 球 分 布 や そ の 経 年 変 動 は ，
IPCC/CMIP 等の気候変動関連のモデル間相互比較
プロジェクト（ACCMIP, CCMI, AerChemMIP など）においても重要なターゲットの一つとなっており，化学輸送モデルや化学気候モデルを用いた推定結果の議論が続いている[Naik et al., 2013; Voulgarakis et al.,2013; Eyring et al., 2016; Nicely et al., 2018; Stevenson
et al., 2020；IPCC, 2021]。全球 3 次元 OH 分布の推図 4. 全球 OH 分布とその変動（CCM による推定例）。(a)CHASER（MIROC）で計算された地表 OH 濃度分布（2019 年
4 月 ） , お よ び (b) 東 西 平 均 OH 分 布 。 (c)CMIP6/AerChemMIP 実験で推定された全球平均 OH 濃度の時間発展（1850-2014 年）[Stevenson et al., 2020]。値は，1998-2007 年の平均濃度に対する変動分（アノマリ）を％で示す。黒実線がモデルアンサンブル平均。

定研究は，Spivakovsky et al. [1990，2000]が，化学輸送モデルとメチルクロロホルム（CH3CCl3）を含む各種
観測データを組み合わせて行ったモデル推定に端を発している。このような OH 推定の取り組みは，現在
では，観測情報に人工衛星データを利用し，さらにモデル手法としてデータ同化手法を導入するなども，化学プロセスの改善の必要性が高いことが示唆さ（2.2，3.1 節参照），より精緻化した研究に発展してきれる。

てはいるが，推定例ごとのバラつきは依然として大き

化学気候モデル（CCMI）による OH 分布のシミュレ

く，顕著な不確定性が残存した状況が続いている。

ーション例を図 4a,b に示す。HOx（OH とその貯留物

大気酸化能力の指標である全球平均の OH 濃度に

質 HO2 の総称）の基本的な生成が水蒸気と紫外光については，当初の３次元モデルによる推定値 ~1.1

規定されることから，OH 濃度は低緯度で大きい傾向

×106 molecules cm-3 [Spivakovsky et al., 1990] からにあるが，NOx 濃度が高い領域（船舶航路を含む）

それほど大きな更新はない [e.g., Rigby et al., 2017]では高濃度，また，イソプレン等の植物起源揮発性（不確定性の高い OH であるが，全球平均濃度の推

有機化合物（BVOCs）の放出が大きいアマゾンやア定値については，30 年もの間，多くの知見が加わりフリカなどでは低濃度となるなど，空間不均一性が高ながらも変化していない点については，先駆者の慧い。

眼というべきであろう）。しかしながら，観測データに

OH による気候影響を検討するうえでは，全球分布基づく束縛条件を課さない場合，一般的には化学輸に加えて，その経年変動が重要である。上述のモデ送モデルが全球平均 OH を過大評価する傾向にある

ル間相互比較プロジェクトにおいても，過去の OH 変

ことや，北半球の OH 濃度を南半球に比べて過大評

動の再現や将来予測が継続的に行われてきている。

価している可能性 [Patra et al., 2014] 等が指摘され，

図 4c は最新のモデル間相互比較実験 AerChemMIP

メタン収支の理解を妨げる因子となっている（2.2 節をによる OH 変動シミュレーション例 [Stevenson et al.,参照）。このことから最新の化学輸送モデルにおいて

2020]を示す。ここに見られる OH の経年変動については，第一に NOx 等の前駆気体排出量の変動と，こ4大気化学研究 第 47 号 (2022)

れにともなう対流圏オゾン変動の寄与が重要である。

の不確定性が顕在している。

図 1 が示す通り，NOx（NO）の存在はこれ自体が HO2

図 4c では，1980 年代以降に顕著な OH 増加が卓を OH に変換させることで，OH 増加を引き起こすとと越しているが，これについては気候変動（温暖化）に

もに，NOx によるスモッグ反応で生成される O3 も重要よる気象場変化が大きく影響していると考えられる。

な OH 生成源である。この NOx を中心とする効果とWild et al. [2020] や Nicely et al. [2020] は，水蒸気同時に，メタン，CO，NMVOCs の増加が及ぼす OHなどの気象変数も含め，OH の経年変動とそのモデへの影響も重要であり，特に 1850 年以降に観測され

ル間でのバラつきについて，機械学習的方法で解明ているメタン濃度の継続的な増加は，R1 の反応によを試みているが，OH 変動の支配要因はモデルごとり，当該期間における OH 濃度の傾向に負の影響をに大きく異なっており，OH 変動メカニズムの統一的及ぼしていると考えられる：理解として，定量的な解決には未だ到達していない

CH! + OH (+ O" ) → CH# O" + H" Oのが実情である。

(R1)

上で概説した通り，全球 OH 分布とその経年変動にこのようなメタン増加による負の OH 効果は,上述のついて，化学輸送モデル等を用いた継続的な議論

NOx による正の効果と相殺し, 20 世紀終盤に入るまが展開されているところであるが，そもそも各モデル

で，OH 濃度の変動がそれほど大きくないことが図 4cで考慮されている化学反応過程・メカニズムに精緻からわかる[Naik et al., 2013]。ただし，メタンと OH の化・改良の余地がないか否か，という視点も重要であ

変動を同時に議論する際には，メタンと OH との間のる。OH に関連する対流圏化学反応として，理解が不相互作用[Prather, 1996] にも注意が必要である。た十分・不完全であるとみられるプロセスとしては，不均

とえば，R1 の反応を考えると，OH 減少によるメタンの一反応が挙げられる。対流圏オゾンを主眼とする化増加は，OH 消費の増大を起こすことで，さらなる OH

学モデルでは，通常以下のような NO3，N2O5 に関す減となり，メタン濃度には正のフィードバックが加わる

るエアロゾルや雲粒子表面での不均一反応

ことになる。このような効果をあらわす指標として，[Dentener and Crutzen, 1993] が必ず導入される（ダOH-CH4 相互作用に関するフィードバック・ファクター
表 1. 各種不均一反応が及ぼすメタン寿命（年），NOx，オ
ゾン対流圏存在量への影響。化学気候モデル CHASER による推定例 [Ha et al., 2021]（f）が用いられる。このファクターを用いると，OH 変化
によるメタン寿命変化に付随するメタン濃度変化を，

メタンの大気中寿命 (年)

以下のようにあらわすことができる。

対流圏における存在量
NOx (TgN)

O3 (TgO3)

標準実験

9.44

0.115

402.29

N2O5 不均一反応の影響+4.48%-5.51%-2.12%

ここで，𝑚$ , 𝑚, 𝜏$ , 𝜏はそれぞれ，変化前後における全雲粒上+0.30%-0.43%-0.13%

エアロゾル粒子上+3.87%-4.56%-1.83%

球平均メタン濃度および OH に関するメタン寿命であHO2 不均一反応の影響+1.51%+3.26%+0.05%

る。上述のような相互作用が働くため，フィードバック

雲粒上+1.00%+1.87%+0.01%

エアロゾル粒子上+0.41%+1.11%+0.03%

ファクター（f）は 1 以上の値となり，近年のメタン濃度

RO2 不均一反応の影響+0.15%+0.52%-0.93%域に対しては，𝑓 ≈ 1.1~1.5と見積もられている[Fiore

雲粒上+0.23%+0.39%-0.41%

エアロゾル粒子上-0.12%+0.09%-0.43%

et al., 2009; Holmes et al., 2013; Stevenson et al., 2013;

全不均一反応の影響+5.91%-2.19%-2.96%

Voulgarakis et al., 2013; Prather et al., 2001]。ただし，雲粒上+1.34%+1.71%-0.56%

エアロゾル粒子上+4.15%-3.44%-2.21%

𝑚
𝜏
=- /
𝑚$
𝜏$

%

(1)

*STD はすべての不均一反応が考慮された標準実験を表す。
*メタン寿命は，OH 反応による寄与のみを示す。

この広い推定幅が示す通り，使用モデルによって大きなバラつきがみられ，R1 および関連化学反応過程5大気化学研究 第 47 号 (2022)

ストや硫黄酸化物（SOx）・二次有機エアロゾル・ハロ

イトレート）の生成抑制を介して高緯度の地表 NOx 濃

ゲン関連の反応を含むモデルもある）：

度を増加させる可能性も示唆されている。しかしながN" O& (+H" O) → 2HNO#

ら，このようなモデル研究では，取込係数（g; 2.3節参(R2)照）の値に，概して暫定的な一定値が使用されており，

最近では，これに加えて，過酸化ラジカル（HO2，RO2）

粒子組成・状態や湿度などの情報を加味した実験の不均一反応（粒子相への取り込み）：

的・観測的研究[e.g., Taketani et al., 2012]との有機的HO" → 0.5 H" O"(R3)

RO" → products(R4)

な連携が今後の課題である。
対流圏オゾン化学における不確定性の大きい過程
として，上述の不均一反応に加え，亜硝酸（HONO）

も実験的・観測的手法により確認されており[e.g.,に関する化学反応がある（図 5）。都市域では，ppbv

Cooper and Abbatt, 1996; Geyer et al., 2003; Kanayaのオーダーの高濃度の HONO が観測されることも多et al., 2007; Taketani et al., 2012, 2013]，化学輸送モ

く[e.g., Acker et al., 2006; Villena et al., 2011]，郊外にデルへの実装も試行されつつある[e.g., Macintyre

おいても ~100 pptv の濃度レベルになることがしばし

and Evans, 2011; Ha et al., 2021]。化学気候モデル

ば観測される。高濃度の HONO の光解離（R5）は，

CHASER を用いた最新の感度実験[Ha et al., 2021]

OH のソースとして重要視されている。

では，N2O5，HO2，および RO2 の各不均一反応の対HONO + hν → OH + NO

流圏化学における役割の定量化が行われている（表(R5)1）。これによると，メタン寿命や対流圏オゾン量へのHONO のオゾン化学における重要性はモデルシミュ

影響は，N2O5 の不均一反応によるものが最も大きい

ーレーション[e.g., Jacob, 2000; Li et al., 2011]でも指が，HO2, RO2 の反応による寄与も無視できないことが摘されているが，HONO の生成・消滅を支配する化分かる。領域規模でみた場合，HO2, RO2 の不均一反学反応には未解明の部分が大きく，モデルでの表現

応の寄与は，夏季・北半球での OH への影響が大きが不十分である。大気中の HONO の生成源としては，

く，特に RO2 については，PAN（ペロキシアセチルナ

自動車等のディーゼルエンジンによる人為起源[Kurtenbach et al., 2001] や 土 壌 か ら の 直 接 放 出[Porada et al., 2019]に加え，以下のような化学反応を介した寄与も重要である（図 5）。
NO + OH + M → HONO + M(R6)

HONO + OH → NO" + H" O

(R7)

NO" + H" O(surface) → 0.5 HONO + 0.5 HNO# (R8)HONO + (surface) → NO + OH

(R9)

HNO# + hν + (surface) → HONO + NO"(R10)

この中で，特に，粒子表面の不均一反応（R8，10）は
日中の HONO の生成源として重要視されている [Yeet al., 2018]。前述の化学気候モデル CHASER によ図 5. O3-NOx 化学における HONO の役割。化学反応（R510）については本文中を参照のこと。R8,9,10 はエアロゾル
表面での不均一反応である。

るシミュレーションでは，これらの HONO 化学反応過程の導入により，NOx および O3 の対流圏存在量が，6大気化学研究 第 47 号 (2022)

布をもつ。OH の短い寿命は，大気汚染物質等との高い反応性に由来する（図 6）。オゾン，過酸化ラジカル（HO2，RO2），NOx および SOx などは，
主に OH との反応によって生成または変換される。
OH の現場大気の測定は実現したが，チャンバー
内・野外での相互比較から見積もられた不確かさ
は 13%, 69%と高く[Schlosser et al., 2009; Kanaya etal., 2012]，広域の OH 濃度を計測から評価する手法も確立されていない。
化学気候モデル（CCM）によって推定された全球平均 OH 濃度は，(7.4-13.3)´105 molecules cm-3 の範囲で大きな変動を示し， このような OH 推定

図 6. 対流圏における主な OH 生成・消滅反応（Wennberg etal. [2006] を一部改変）。HOx 収支については，化学気候モ
デル CHASER 計算 [Sekiya et al., 2020 など]による。

のバラつきは，最大で 16％（モデルアンサンブルの 1-s標準偏差）の CH4 寿命の不確実性につながそれぞれ最大で 21%，5%減少し，メタン寿命としてることが報告されている [Naik et al., 2013]。

15%増加に匹敵する顕著な OH 減少が確認されてい一方で，OH の全球平均濃度は，主に OH とのる。しかしながら，ここでも不均一反応（R8～10）の取込係数（g）の与え方に大きな不確定性があり，各種
野外観測や実験と突き合せた詳細な検証が必要である。
以上のように，OH に関連する化学過程には，未だに大きな不確定性が残存しており，観測・モデルによるさらなる定量化への挑戦を継続すべきである。現状で検討されている温暖化緩和策では，メタンや代替フロン等に着目することも多くなってきており [IPCC,
2021; Nakajima et al., 2020]，これらの大気中寿命を支配する OH 濃度の分布・変動の理解が急務となっている。
2.2. トレーサーモデルとの OH 知見整合化：メタン等
収支の詳細理解本小項目では，トレーサー（ここではメチルク
ロロホルム）の収支を利用し，OH に関する重要図 7. (a) AGAGE の４地点について，観測およびシミュレーシ
ョンによる CH3CCl3 濃度変動の比較。小パネルは MHD（Mace Head）と Cape Grim（CGO）の２点間の濃度差を示す。(b) ３手法による OH 変動の推定。1:CCM シミュレーショ
ン[Stevenson et al., 2020]，2:経験的（機械学習的）手法[Nicely et al., 2018]，3: CH3CCl3 からの推定 [Patra et al.,2021] 。

指標を評価するアプローチについて述べる。メタン，代替フロン類（HCFCs，HFCs）や大気汚染物
質（CO，NMVOCs など）の除去は，OH との反応に支配される。OH の大気中寿命は約 1 秒と非常に短いため，OH 濃度は非常に不均一な時空間分7大気化学研究 第 47 号 (2022)

反応によって消滅し，かつ，その全球排出量が正度と観測濃度の間にやや差異（通常は 10％未満）

確にわかっているトレーサー化学種の濃度をモがみられることがある。このようなモデルバイア

デル化することによっても推定可能である。本節スを利用して，OH による消失の経年変化の導出

では，CCM で計算された OH 濃度の検証方法とが可能である[Patra et al., 2021]。この方法によっして，このようなトレーサーとして，メチルクロて推定された OH 変動を，別手法による推定例とロホルム（CH3CCl3）の測定とシミュレーションをともに図 7b に示す。ここで，OH 変動はその推定利用した手法について概説する。CH3CCl3 の光化手法によって大きく異なっており，対流圏 OH 変

学的消失は，化学輸送モデル MIROC4-ACTM で動の大きさ，またその要因について，統一的な理

次のようにモデル化されている（詳細は Patra et

解には至っていないといえる。 なお，CH3CCl3 か

al. [2014, 2021]を参照）。

ら推定された OH 変動は，エルニーニョ南方振動（ENSO）と統計的に有意な相関を示しているこ

CH3 CCl3 + OH → products: ~90%, 対流圏 (R11)と が わ か っ た が ， CCM シ ミ ュ レ ー シ ョ ン

CH3 CCl3 + hν → products: ~10%, 成層圏 (R12)[Stevenson et al., 2020]や機械学習的方法 [Nicely et

CH3CCl3 の放出は，100%人為起源であり，半導体

al., 2018] では明瞭なシグナルは見えていない。

製造における溶媒としての使用によるものである。そ化学気候モデル（CCM）でシミュレートされたの 2000 年までの生産量・消費量については，正確なOH 濃度の評価指標として，OH の平均存在量の南

データがある[McCulloch and Midgley, 2001]。 2000
年以降について，Patra et al. [2014]では，CH3CCl3
排出量が，5 年を時定数として指数減衰していくシナリオを想定している。 さらに， 1990 年代初頭については，大気・海の交換による最大 5％の海洋シンクも考慮されている [Patra et al., 2021]。 CH3CCl3 濃度に つ い て は ， AGAGE; the Advanced Global
Atmospheric Gases Experiment [Prinn et al., 2005]や，
NOAA; 米国海洋大気庁 [Montzka et al., 2011]，およ び HIPPO; HIAPER Pole-to-Pole Observations[Wofsy et al., 2011]の観測値が利用可能である。
図 7a は，1985 年から 2019 年の期間の CH3CCl3
濃 度 変 動 に つ い て ， AGAGE に よ る 観 測 とMIROC4-ACTM によるシミュレーションを比較

図 8. CH3CCl3 観測濃度の南北勾配から，モデルを併用して推定した対流圏 OH 濃度の NH/SH 比。CH3CCl3 の南北勾したものである。シミュレーションでは，経年変配（水平点線）は，複数の観測データセット（黒：AGAGE，
化なしの気候値的な月平均 OH を使用しているが， 赤：AGAGE Medusa，青：NOAA フラスコ;緑：HIPPO 航空機
観測，30 N〜30 S, 高度 1-4km）によるもの。ACTM 大気輸
1990 年代初頭までの増加や，その後のモントリオ
送モデルからは，標準の CH3CCl3 全球排出量および全球平ール議定書（1987）に従った排出削減による指数
均 OH 濃度を基本としつつ， OH に様々な NH/SH 比を想定した感度シミュレーション （2004～2011 年）を行い，フラスコ
関数的な減衰トレンドなど，CH3CCl3 濃度の主要観測および HIPPO で期待される CH3CCl3 南北勾配を算定
な経年変化を正確に再現できていることがわかし，直線近似した。観測における CH3CCl3 南北勾配量（水平点線）と直線との交点（塗りつぶし記号）の x 座標が，OHる。ただし，年によっては，シミュレーション濃
濃度の NH/SH 比の推定値となる。 Patra et al.[2014]より。

8

大気化学研究 第 47 号 (2022)

北半球間差も有用である。OH の半球間濃度差は，間分布と，トレーサー収支に基づく大気輸送モデ

北半球の大気汚染や陸域環境と南半球の自然・海

ルでの OH の評価との整合を目指して，不確定性

洋環境における大気化学の理解に資する指標での低減に繋げていくことが重要である。

ある。最近 20 年間に着目した場合，CH3CCl3 の排出量は対流圏での OH による消失に比べて有意

2.3. OH 反応性・過酸化ラジカル反応性のフィールドに小さい状態にあり，南北半球間の CH3CCl3 勾配

観測による検証

は，OH 濃度の半球間差を大きく反映しているとOH および過酸化ラジカルの「消失項（反応性）」

考えられる。このような視点で半球間の CH3CCl3を実測から評価することで，化学過程の未知量を明勾配に着目すると，以下のようなことがわかる。

らかにすることも有効な手段である。本節では，OH

CCM で計算されている OH 濃度場では，北半球および過酸化ラジカルの消失項について現在指摘さOH の南半球に対する比（NH/SH 比） が通常 1 よれている未知量：未知 OH 反応性および過酸化ラジり大きいが，このような OH 分布は，NH/SH 比がカルの不均一消失過程について紹介する（図 9）。

～1（南北半球でほぼ同一 OH 濃度）の OH 分布に比べて，CH3CCl3 排出源の北半球への偏りを打ち消す効果が強すぎ，CH3CCl3 勾配を有意に過小評価する点である（図 7a，
挿入図）。
AGAGE と NOAAの長期観測と，HIPPO による広域航空機観測を使用したさらなる解析では，NH / SH OH 比の最適値は 0.97±0.12 であり，CCM シミュレーション
1.28±0.10 より有意に低い（図 8）。このギャップを説明しうるプロセスで，CCM で適切に取り入れられていないものを戦略的に精査・特定し，ギャ

図 9. 大気 HOX ラジカル反応サイクルにおける未知量。

ップを埋めることが重要である。例えば，雲の効

大気中において OH と反応するすべての化学種と果で光解離速度定数（J 値）にバイアスがある可の反応速度を足し合わせたものは総 OH 反応性と呼能性や，北半球で OH を主に消費している一酸化ばれる。

炭素（CO）の排出量過小評価の可能性などについて，CCM での感度実験などから有力な仮説を抽出し，観測知見も合わせて評価することが望ましい。

d[OH]= 𝑘 ' ()(*+ [OH] = ST 𝑘, [𝐶], V [OH]d𝑡,

HFC などの代替フロン類なども，排出量が十分な(2)

精度で抑えられれば，濃度変動観測データから
OH に関する情報を導き出すことができるトレー

ここで k’total は総 OH 反応性，ki は化学種 i と OH のサーとして機能する。短寿命物質では，例えば CO

二次反応速度定数，[C]i は化学種 i の濃度を表す。

の濃度鉛直勾配なども OH の影響を受けており，

総 OH 反応性の決定方法について，各個別の化

OH の情報を紐解く情報源となりうる。今後の学種の濃度を決定し積み上げるボトムアップ型と，大CH3CCl3 の濃度変化からも引き続き OH に関する

気中での OH の減衰速度を測定することで総 OH 反情報を得ることができる。これらを総合して，化応性を直接測定するトップダウン型のふたつの方法

学過程に基づく CCM モデルにおける OH の時空がある [Yang et al., 2016]。ボトムアップ型の測定の場
合，CO，NOx，SO2，O3 などの無機ガス測定に加え，
9大気化学研究 第 47 号 (2022)

ガスクロマトグラフィーや陽子衝突型質量分析法によおける観測いずれにおいても，モデルで未知 OH 反る VOCs の測定が行われる。トップダウン型の直接測応性を説明できる場合と共に説明できない場合両方

定では，人工的に生成させた OH の減衰速度を直接が示され，未知物質の一次放出源の存在が示唆さ測定する絶対反応性測定法[Sadanaga et al., 2005]れている。したがって，未知 OH 反応性の一部である，や，大気中物質に対し OH と競争的に反応する参照(2)既知物質の光酸化で生成する検出が難しい生成物質を添加し，人工的な OH 暴露によるその減少量

物の OH 反応性については化学モデル計算で評価を測定することで総 OH 反応性を見積もる反応性比が可能であることが判明する一方で，(1)一次放出さ較法 （CRM）がある。ボトムアップ型，トップダウン型

れる未知物質およびその光酸化生成物の寄与分にそれぞれに更にバリエーションがあるがここでは割愛

ついては，今後の課題として残っており，大気化学モする。

デル計算を用いたオゾン生成評価における本質的な積み上げ法と直接測定法による総 OH 反応性測定

バイアス要因となりうる。

の比較は 20 年以上様々な場所で行われてきた。そ

一次排出源からの未知物質の放出について，すの結果ほぼすべての場所で，直接測定された総 OH

でにいくつかの調査が進められている。Kovacs et al.

反応性は個別の化学種の反応性を積み上げたもの[2003]はトンネル内の空気を測定し，自動車排ガスのでは再現できないことが報告されてきた。この起源が由来と考えられる 10%前後の未知 OH 反応性を報告

未把握の OH 反応性が未知 OH 反応性（unknown

した。また，Nakashima et al. [2010]はシャーシダイナ

OH reactivity）と呼ばれている。都市や都市郊外では

モ上でテスト運転させた乗用車からの排気ガス中に

未知 OH 反応性の占める割合は 30％以下から 50％

約 10%程度の未知成分の放出があることを報告した。

以上までさまざまで，時刻，季節や場所により大きく

山崎ら[2012]および井田ら[2016]は，幼齢のカナダト変動する。森林域，大規模松造林，タイガ，熱帯雨

ウヒおよび杉から放出される成分の未知 OH 反応性

林および海洋上においても 40%以上の未知 OH 反が 40%以上に及びうること，また温度環境に依存する

応 性 の 存 在 が 報 告 さ れ て い る [Nakashima et al.,ことを報告した。Nölscher et al. [2013]はオウシュウトウ

2014; Yang et al., 2016]。もし，この数十%にもおよぶ

ヒの成木から放出される成分の未知 OH 反応性が季未知 OH 反応性をまったく考慮しない場合，オゾン生節変化することを示し，晩夏～秋にかけて 80%近い

成は 30-80％の過小評価になると報告されている[Li未知 OH 反応性が存在すること，気温や強風などのet al., 2020; Sadanaga et al., 2005; Yoshino et al., 2012]。

外部ストレスが未知成分放出に関連することを報告し

未知 OH 反応性の起源として，(1) 一次放出された。一方で，Kim et al. [2011]はテフロンバッグ内のレる未知物質およびその光酸化生成物，もしくは(2)既ッドオーク，シロマツ，ブナ，アメリカハナノキの枝より

知物質の光酸化で生成する検出が難しい生成物が放出される成分には有意な未知 OH 反応性は存在し考えられている。いくつかの集中観測において，観測ないことを報告した。上述したように特に植物から一された未知 OH 反応性と対流圏化学反応メカニズム

次放出される成分について未把握の部分が多く残さ（RACM）もしくは詳細化学モデル（MCM）に基づく 0

れており，また，生物由来のため樹種や外部条件に次元ボックスモデル計算により予想される既知成分

より未把握成分の放出量が影響されると考えられるたの光酸化生成物由来の OH 反応性の比較が行われめ，より詳細な放出実態の調査が今後進められることた[Lew et al., 2020; Lou et al., 2010; Whalley et al.,が期待される。また，一次放出された未把握の成分

2021; Whalley et al., 2016] 。中国珠江デルタ，北京，が光酸化を経てどのように変化するか知見は無く，今ロンドンの都市部，米国インディアナ州の落葉樹林に後に解明すべき課題である。

10

大気化学研究 第 47 号 (2022)

既知物質の光酸化由来の未知 OH 反応性につい

ここで，wおよび S は XO2 の熱平均速度（cm s-1）およては化学モデル計算で評価が可能であるが，当然そび単位気体体積当たりに含まれるエアロゾル等の不れはモデルの正確さに依存する。Sato et al. [2017]は，均一反応場表面積濃度（cm2 cm-3）である。モデル計

国立環境研究所のスモッグチャンバー（物理化学編

算では，多くの場合gHO2 = 0.2 およびgRO2 = 0.1（ここを参照）を用い，主要な芳香族 VOCs の光酸化で生での R はヒドロキシ基を含むものに限る）が用いられ成する成分について，MCM に基づく 0 次元ボックス

る[Ha et al., 2021; Jacob, 2000]。

モデルによる未知 OH 反応性の再現性を調査した。

HO2 の不均一消失については，多くの室内実験に

モデル計算は未知 OH 反応性を説明できたが，過大

よ る 取 り 込 み 係 数 が 報 告 さ れ て い る [Cooper and評価を含んだ。これはモデル計算が準揮発性有機

Abbatt, 1996; George et al., 2013; Taketani et al., 2013;

化合物（SVOCｓ）による二次有機粒子の生成や壁面

Thornton and Abbatt, 2005]。大気化学モデル計算でへの沈着を考慮していないためである。チャンバーは近似的に固定値が使われているが，取り込み係数

実験ではこれらの影響は実際の大気条件より大きく

は不均一反応場の組成や状態に依存するため，室なるが，大気への応用においても潜在的な誤差とな内実験では 0 ~ 1 の範囲で値が報告されている。特りうる。そのため，より正確なモデルでの記述を目指し，に，銅や鉄などの金属イオンが存在すると取り込み粒子生成や沈着による VOCs の消失を正確に記述

係数を増加させることが報告されている[Jacob, 2000]。

するモデルの開発が進められている。

実大気エアロゾルは組成・状態が場所・時間で変化

以上のように，大気 OH 反応性の全容把握に向けするため，取り込み係数も一定値ではないと予想され新たな取組が期待される。一方で，これまでに見出さる。実際に，Taketani et al. [2012]は中国の山間部でれた反応性のギャップが，どのように全球大気化学

採取したエアロゾルを再噴霧し疑似生成させた大気へ伝播するか，についても把握しておくことが望まし

エアロゾルの取り込み係数が 0.09-0.40 の範囲で変い。例えば現在の誤差要因を組み込んだ大気化学

動することを報告している。したがって，一定値を用モデルが提案されることを期待したい。

いる現在の大気化学モデル計算は潜在的な誤差を一方，OH のリザーバーである過酸化ラジカル（HO2,含むと考えられる。しかしながら，実大気エアロゾルをRO2）についても未知反応性を評価・同定し, モデル

対象とした報告が限られているため，一定値の取り込へ組み込んでゆくことが重要である。雲やエアロゾル

み定数を近似した計算の潜在的な誤差については，

表面での不均一消失過程は，HO2 や RO2 の大気化検証できていないのが現状である。

学において重要な消失過程であり，場合によってはRO2 の不均一消失に関しては，室内実験の報告も

オゾン濃度を数十％減少させるなど，大きな影響を限られている状態である。Gershenzon et al. [1995]は及ぼすことが示唆されてきた[2.1 節，Ha et al., 2021;

塩化ナトリウムを塗布した壁面への CH3O2 の取り込み

Jacob, 2000]が，理解が不十分である。不均一消失係数を測定し 3×10-3 と報告した。 Villalta et al. [1996]

過程による過酸化ラジカル，XO2 （HO2 or RO2）の消は PAN 由来の CH3C(O)O2 の純水表面への取り込み

失速度は衝突頻度と取り込み係数gで記述される。

係数を 4.3×10-3 と報告した。両者ともに取り込み係数
としては小さい値であるため，飽和炭化水素や PAN
由来の RO2 への不均一消失過程の寄与は小さいと

d[XO" ]
1−= 𝛾 𝜔𝑆[XO" ]d𝑡4

考えられている。一方で，例えばイソプレンやプロペ(3)ン等の不飽和炭化水素由来のヒドロキシ基を含む
RO2 は水への親和力が高いと予想されるため，取り11大気化学研究 第 47 号 (2022)

込み係数としては HO2 に近い 0.1 が推奨値とされてのほか，RO2 + NO 反応による有機硝酸の生成経路いる。しかしながら，実際の大気条件に近い室内実

も HOx サイクルに影響を及ぼすため，理解度の向上

験はいずれの場合も行われておらず，以上の推奨値が望まれる。

がどれだけ信頼できるのかは不明である。また， RO2

以上，2.1～2.3 節では日中の大気酸化能を支配すは取り込み過程について提案されているものの，HO2

る OH ラジカルと過酸化ラジカルの研究必要性につの場合と同様に実大気では一定値でないと予想されいて述べてきた。一方で，夜間に濃度が上昇するる。したがって，一定値として取り扱う近似が持つ潜NO3 ラジカルによる酸化も，一部の炭化水素類等に在的な誤差もモデル計算には含まれると予想される。

とっては重要であり，NO3 自身の収支・動態や，N2O5

以上より，RO2 の取り込み係数についての推奨値はおよび ClNO2 への変化，さらには翌朝に光分解で生HO2 に比べさらに大きな潜在的な誤差が含まれてい成する Cl 原子を介した反応についても今後の研究るのが現状であると考えられる。

が必要である[Brown and Stutz, 2012]。

上述したように過酸化ラジカルの不均一消失過程の評価には潜在的な誤差要因が含まれている。しか2.4. 対流圏オゾンの化学プロセス理解の強化

し，その誤差要因を除くための新たな試みも進められ

上記のような対流圏の光化学プロセスは，前駆物ている。例として，これまで難しかった大気中のエアロ質である NOx や炭化水素類の排出と合わせて，全ゾル粒子への過酸化ラジカルの取り込み速度の直接

球規模の対流圏オゾンの分布や変動を決定づける

リアルタイム測定について国内で近年大きな発展が支配要因となる。本節では対流圏オゾン収支や関連みられている。Zhou et al. [2020]は，レーザー誘起蛍するプロセス面での課題について，全球・アジア・都光法を用いたエアロゾル粒子への過酸化ラジカルの市の 3 つの視点から順に述べる（地球システム科学，

取り込み速度測定法とエアロゾル濃縮法（VACES）を

健康面については第 4 節も参照のこと）。

組み合わせ，実大気エアロゾルを直接利用した HO2

図 2 に示したように，対流圏オゾンは CO2，メタンにの取り込み速度測定を世界で初めて行った。測定さ次ぐ第 3 の温室効果気体（全球平均での大気中滞在

れた取り込み係数は平均値で 0.24 と現在の推奨値

時間は 25.5 日，Griffith et al. [2021]）であり，同時に（0.2）とほぼ一致したが，一方で 0.08（25 パーセンタ

光化学オキシダントの主要成分として健康や植生へ

イル，P25%）から 0.36（P75%）の変動を示した。現時点の被害を生む。対流圏オゾンの全球存在量は数値

では変動要因の特定はなされていないものの，今後モデルや観測を含み，2010 年で 347±28 Tg [IPCC,の外気観測を通じたエアロゾル成分や外部環境との2021]とされ，漸増傾向が続いているが，減少がみら

比較により，HO2 の取り込み係数の変動要因の解明れる地域も大きく空間的不均一さは大きい。全球的が今後進められることが期待される。また，Kohno et

な衛星観測でも漸増傾向がみられるが，手法等によal. [2020]は，レーザー誘起蛍光法を用いた実大気りバイアスが大きく[Gaudel et al., 2018]，IGAC のアク

条件下での高時間分解能 RO2 気相反応速度測定法

ティビティ TOAR-II（対流圏オゾンアセスメント第二期，を開発した。この手法はエアロゾル取り込み速度測2020-24 年）で詳細評価予定である。プロセス別では定に応用可能なため，RO2 の取り込み係数を実験的HO2 （または RO2） + NO 反応による光化学的オゾンに測定するブレークスルーとして今後の展開が期待生成項や，光分解などのオゾン消失項には 2 倍程度，される。最終的には，変動要因と連動させた取り込み

成層圏からの流入や地表面沈着のフラックスには 3係数を大気化学モデルに導入することが必要であり，倍程度の不確かさがあり[Young et al., 2018]，理解の今後取り組んでいかなければならない。不均一反応向上が必要である。産業革命前やその頃のオゾン量12大気化学研究 第 47 号 (2022)に つ い て も 知 見 が 増 え た が [Yeung et al., 2019;

HOX + hν → OH + X(R15)

Tarasik et al., 2019]，不確かさが大きい。温暖化に伴net: HO" + O# → 2O" + OH

(R16)い，光化学的オゾン生成速度の増大や，Brewer-

X, XO の供給源は，海面から放出される CH3X，

Dobson 循環の強化による成層圏-対流圏交換量の

CH2X2，CHX3，HOX，X2 などの光解離や不均一反増加[Sudo et al., 2003]，気温上昇とともに放出量が応である。化学輸送モデル GEOS-Chem によるシミュ

増大する植物由来揮発性有機化合物を前駆物質とレーション例 [Sherwen et al., 2016]では，ハロゲン化

したオゾン生成などによる濃度増大（気候のペナルテ学の導入により，対流圏オゾン総量が 19%減少し，ィー）があるが，水蒸気増加によるオゾン消失項の増

全球平均 OH 濃度も 8%程度の減少につながると示加が上回り，全体では負のフィードバックが働くとされ唆している。ただし，実際には上述のハロゲン供給源ている[IPCC, 2021]。植生被害は CO2 吸収低下につの強度や化学反応過程の推定には大きな不確かさながるため，オゾンは「間接的な温室効果」を持つとがあり，データ同化など，観測と密に連携した研究されるが未解明である（大気陸域統合編を参照）。

[Sekiya et al., 2020] による精緻化が期待される。

これらの未解明問題や濃度トレンドを高精度に評価

主要なオゾン減少要因と考えられるヨウ素の供給源するため，また新たな衛星観測（静止衛星など）の評
価のために，地上測定局・船上観測等の現場観測や，地表から対流圏界面を超えて高度分布を計測するとして，海洋表面での大気オゾンとヨウ化物イオンの不均一反応の重要性が指摘された[Sakamoto et al.,2009; Carpenter et al., 2013]。海洋表面温度が高い

オゾンゾンデ気球観測や航空機観測が果たす役割

西部太平洋低緯度域などではヨウ化物イオン濃度がは大きい。対流圏オゾンアセスメントレポート（TOAR）

高いとされ[Chance et al., 2019]，この過程が重要であでは，全球規模で 9000 を超える地上サイトのオゾンるとの指摘があるが未解明である。MAX-DOAS（複濃度データを収集し，分布や長期トレンド，気候・生数軸太陽散乱光測定・差分吸収法解析）による IO

態系・健康へのインパクトを議論したが，アジアや南（一酸化ヨウ素）ラジカル測定[Takashima et al., 2022]

半球などに大きなデータ空白域が広がっていた。前などは有効な手段であり，船舶・離島などでの大気・述の TOAR-II ではその空白域の解消を一つの目標

海洋総合調査による過程解明が望まれる。船舶によとしている。

る洋上広域のオゾン観測 [Kanaya et al., 2019]等を

海洋上のオゾンデータ不足・プロセス理解の遅れも世界各国での観測と統合してデータベース化し，数今後の課題である。ハロゲン（Cl, Br, I）に関する化学値モデルと合わせてハロゲン化学の役割を解明する

反応が成層圏オゾン層破壊を引き起こすことは知ら

Oceans WG を TOAR-II にて立ち上げたところである。

れるようになったが，同様に対流圏オゾンに対しても次に，アジア地域スケールでの対流圏オゾンプロセ

大きく影響する可能性があり，最近の化学輸送モデ

ス理解の進展と今後の課題について述べる。オゾン

ル で は こ う し た 過 程 が 導 入 さ れ つ つ あ る [e.g.,

は PM2.5 のように，東アジア地域規模の大気汚染としSherwen et al., 2016; Sekiya et al., 2020]。しかしながて大規模に発生し，偏西風により我が国へと越境流

ら，現状では未解明な部分が大きく [Abbatt et al.,

入する。そうした寄与が東アジアの経済発展とともに2012; Simpson et al., 2015]，化学気候モデルでは表2000 年代から増し，社会的にも話題となった。国内

現されていない。臭素やヨウ素（X; X = Br, I）は以下

汚染の寄与分や，欧州・米国も含む半球規模大気汚の触媒反応によりオゾン破壊を起こす：

染の寄与分との分離評価が重要となり，アジア地域

O# + X → XO + O"

(R13)

スケールの気象・化学輸送モデル（WRF/CMAQ など）

HO" + XO → HOX + O"

(R14)が観測との整合性などから最適化され評価に用いら13大気化学研究 第 47 号 (2022)

れてきた[e.g., Yamaji et al., 2006]。地域別に排出量をる。EANET（国内の利尻～小笠原などや北東・東南

仮想的に変化させる感度実験や，発生源地域や化アジア），WMO/GAW（綾里・与那国・南鳥島），研究

学的生成地域にタグをつけるタグ付きトレーサーモ

コミュニティや研究所・大学のスーパーサイト等（落石デル実験などにより，我が国上空の春季オゾンに対岬・波照間・沖縄辺戸岬・福江島・能登など），つくば

する中国起源分の寄与率やその変化などが見積もらのオゾンゾンデデータなどは国内研究や IPCC 報告

れてきた[e.g., Nagashima et al., 2017]。

書にも活用されてきたが，今後さらに発信して海外研

第 1 節で述べたように，我が国のオゾン（光化学オ究者に広く活用されるべきである。OMI 衛星などによキシダント）の環境基準達成率は全国的にほぼ 0%でる地表付近オゾン量のアジア規模解析[Hayashida et

あり，あらゆる角度からの評価が求められている。科

al., 2018]などの実績も活かし，上述した各種衛星観

学的に堅牢な評価とするために，MICS-Asia シリー

測についても，アジア規模のモデルシミュレーション

ズにみられるように国際的なモデル相互比較実験もと統合的な解析に活用される包括的な研究体制が行われ，日本からも複数の研究グループが参加して望まれる。PM2.5 の減少を裏返したようなオゾン濃度きた。近年その第三期（MICS-Asia III）の成果がとりの増加が 2013 年以降中国上空で見られている[e.g.,

まとめられ，Atmos. Chem. Phys.誌の特集号に 20 報

K. Li et al., 2019]が，原因について理解が定まっておを超える論文が掲載されている[e.g., J. Li et al., 2019]。

らず，化学・物理を包括したプロセス研究が必要であ

数値モデルへ入力する排出量の共通化などにより，る。また，今後一層の排出増が見込まれる南アジア・

オゾン濃度の特徴的な季節性などはよく再現され，東南アジア地域への解析の適用も望まれる。地表・モデル間の相関も比較的良好であったが，モデル間

大気境界層・自由対流圏を対比した形での，HONOの大きなばらつきや日本上空オゾン濃度が過大傾向を含む窒素酸化物全種を網羅したオゾンと前駆物質となる点などは依然として大きな課題である。数値モ

総合観測と解析も，オゾン化学の本質に迫るものとな

デルでの海表面での乾性沈着速度が過小である点る。オゾンの生成・消失に関連づけながら，前節までや，反応性が低い窒素酸化物から NOx が再生してに述べた HOx ラジカル濃度やエアロゾル粒子・雲粒いる可能性など，プロセスに関する新たな指摘がなさ

上の不均一反応の実大気中評価を行うことも重要でれ，今後の解明が必要となっている[e.g., Akimoto etある。必要なセンサ・計測技術開発も望まれる。

al., 2019, 2020]。アジア地域の大気化学輸送モデリ

都市・局所発生源付近のスケールでは，第 3 節にング・観測再現性については，欧州のモデルなどと述べる排出量と濃度を結びつけること，そのために水比べて一日の長がある。たとえばドイツの専用航空機

平解像度の高い衛星観測を利用することの重要度がHALO が 2018 年春季に台湾をベースに，都市ごと増してくるが，排出量と濃度を結びつける化学プロセから広がる汚染大気の特徴づけを行った EMeRGe-

スの非線形性を分子反応レベルで明らかにすること

Asia 航空機観測データのプロセス解析では日本のも大きな課題である。第 1 節の図 3 で示したように，研究者のアジア地域スケールモデルの有用性が明ら

オゾン濃度等値線ダイヤグラムには，前駆物質であかとなっており，オゾン生成やエアロゾル輸送メカニる NOx 濃度に強く依存する NOx 制限領域と，VOC

ズムに関する共同解析を実施する計画である。また，濃度に強く依存し NOx 濃度には逆相関する VOC 制

前述の TOAR-II でも東アジア WG や都市オゾン WG限領域とがあると考えられているが，詳細は十分明らなどが立ち上がっており，日本からも主要なデータやかではない。地球温暖化・健康影響の軽減を目指し

解析情報を提供してゆく。こうしたモデル解析の評価て，オゾン濃度を低減させるためには，その制限因軸を提供するうえで，地上観測等の維持は重要であ子の理解度を高める必要があり，行政や政策対応の14大気化学研究 第 47 号 (2022)

ための科学的知見の充実化が不可欠である。特にとなる可能性やハロゲン酸化物が硫酸の生成に寄与

都市～郊外の間に存在するはずのレジーム境界を，する可能性が指摘されたほか，南極の沿岸部と内陸

その季節的・長期的変化を含めて，非線形化学と排でプロセスが異なる可能性が示唆された[Ishino et al.,

出の統合的理解に基づいて明らかにし，専門外の関2017, 2021]。また，グリーンランドのアイスコアでの係者も含めて共有することが鍵となる。オゾン低減戦

Δ17O(SO42-)値が増加傾向にあり，1960 年代以降に略は，その瞬間の制限因子の理解だけに基づいて

雲内での液相オゾン酸化が pH に依存して寄与増大

近視眼的に策定すべきものではなく，ダイヤグラム上したためとされた[Hattori et al., 2021]。今後，OH のの長期的なゴールを設定し，業界別に異なる排出特

長期変動などに関する情報を取得することへの期待

性や規制の推移などを俯瞰的に捉えて，削減の道筋がある。また，これまで難しかったオゾンの同位体組を検討すべきものであるが，科学的エビデンスに基成の定量が近年容易になり[e.g., Vicars et al., 2012;

づき，排出削減効果を確かめながら進めて行くべきもXu et al., 2021]，観測ベースで成層圏オゾン流入がのである。

対流圏オゾンへ与える影響を定量化する際の有用なオゾンや関連物質のプロセスごとの寄与の解明にツールとなる。

は，同位体情報を用いることも有効である。オゾンの生成反応では質量非依存の大きな同位体分別が見

3. 排出量と濃度のリンクられるため，対流圏や成層圏のオゾンは，特異的に3.1. トップダウン排出量推計

1717

大きい三酸素同位体異常（Δ O～25‰, δ O – 0.52×

排出量推定は，従来，様々な排出源の活動量と排δ18O)を持つ。そのため Δ17O 値は，大気中の光化学出係数を掛け合わせ，それらを積み上げる，「ボトム反応過程におけるオゾンの関与度を評価したり，光アップ法」により実施されてきた。こうしたボトムアップ

化学反応経路を特定するトレーサーとなる。南極東推定は様々な工夫・改良により高度化されてきたが，172-

部で Δ O(SO4 )は氷期に低いことが，O3 より OH に

各種データの不確実性を積み重ねた際の大きな推よる酸化が支配的だったためである可能性

定誤差の問題は依然として残っている。また，利用す17-[Alexander et al., 2002]や，南極西部で Δ O(NO3 )はる各種統計データの公開までにある程度の時間を要

徐々に減少しており，過去 150 年分については，南するため，準リアルタイム更新は難しい。こうした問題

半球中高緯度で HO2 の増加が O3 の増加を上回り，を補うため，数値モデルで求めた排出量変化に対すNO を NO2 へと酸化させる際に HO2 の相対的重要性

る濃度変化の感度を介して，濃度の観測データからが増した可能性[Sofen et al., 2014]が指摘されてきた。

排出量を最適化する，「トップダウン法」を用いた排出国内では利尻での降水中の硝酸イオンの Δ17O 値の量推定が行われている。例えば，トップダウン推定に

季節変化から大気中の HNO3 生成反応に占めるよるアメリカの排出量の減少率が米国環境保護庁

NO2 + OH 反応の寄与率の季節変化が，定量的にEPA によるボトムアップ推計と比較して著しく低いこと評価された[Tsunogai et al., 2010]。さらにこのように湿が明らかになり，排出規制の評価の見直しを迫ったと性沈着する硝酸イオンの Δ17O 値と，乾性沈着する硝いった事例もある [Jiang et al., 2018]。このように，トッ

17酸イオンの Δ O 値の比較から，札幌などの都市域でプダウン推定はボトムアップ推定を補足する情報をは，NO + RO2 反応で生成した NO2 が HNO3 生成に提供することができる。

より大きく寄与していることを見出した[Nelson et al.,

トップダウン推定は，解析的な逆解析手法 [Heald

2018]。南極での硫酸・硝酸イオンの Δ17O 値の季節

et al., 2004]や排出量とカラム量の間の線形関係を仮性から春季にはオゾンより OH による酸化経路が重要定した手法 [Martin et al., 2006] のような比較的簡

15大気化学研究 第 47 号 (2022)

行われてきた。国内でも，オゾン，NO2，CO，SO2 などの衛星観測データを統合した全球対流圏化学再解析データ（TCR） [Miyazaki et al., 2020b] を構築し，オゾンや無機エアロゾルの前駆物質のうち NOx，CO，SO2 排出量の季節変化や経年変化，新型コロナウィ
ルス蔓延に伴う経済活動低下による世界的な排出量減少を明らかにしてきた [e.g., Miyazaki et al., 2021]。
また，オゾンや二次生成有機エアロゾルの重要な前駆物質でもある非メタン炭化水素類（NMHCs）については，ホルムアルデヒド（HCHO）やグリオキサール（CHOCHO）といった NMHCs の酸化反応から生成される二次物質の衛星観測から推定されてきた [e.g.,
Millet et al., 2008, Stavrakou et al., 2009]。HCHO，
CHOCHO が NMHCs の各化学種に対して異なる収率を持つことを利用して，HCHO，CHOCHO の衛星

図 10. 2008 年夏季における北米の対流圏 NO2 カラム量分
布（上）。OMI 対流圏 NO2 カラム量を用いた，メガシティとその周辺域のコントラストを解像可能なモデル水平解像度（左下）と解像不可能なモデル水平解像度（右下）における，ロサ
ンゼルス周辺（上図の黒枠）のトップダウン NOx 排出量推定
結果の比較。“平均値”は黒枠内の排出量の平均値。
Sekiya et al. [2021] から改変。

観測を組み合わせて，人為・自然起源の NMHCs 排出量を推定するといった試みも行われている [e.g.,
Cao et al., 2018]。さらに，CrIS からは，NMHCs の主
要成分のひとつであり，陸上植生からの放出量が多便な手法から開発が進んだ。近年では，高品質な衛いことで知られるイソプレン（C5H8）の直接リトリーバル

星観測データの蓄積が進んだこともあり，4 次元変分も試みられており [Fu et al., 2019]，こうしたデータを法（4D-Var）やアンサンブル・カルマンフィルタ（EnKF）

利用することで今後トップダウン推定精度のさらなるといった先進的データ同化手法の大気化学への応向上が期待できる。無機エアロゾルの前駆物質のひ用も盛んに行われるようになっている。先進的データ

とつである NH3 については，近年，GOSAT などの赤同化手法は観測とは異なる時刻・場所の異なる物理外分光観測からの長期間の衛星リトリーバル・データ

量の推定が可能という特徴を活かし，大気化学分野

が 利 用 可 能 と な っ て き て い る [e.g., Someya et al.,のデータ同化はトップダウン排出量推定にも応用さ

2020]。こうした衛星観測データは，トップダウン排出れている。こうした手法は多大な計算コストが要求さ量推定にも利用されるようになりつつあり，北米におれるが，異なる特性を持つ複数の衛星測器からの多ける農業起源の NH3 排出量の過小評価などが示唆

成分観測データを大気輸送・化学反応過程に整合されている [Cao et al., 2020]。

するように統合できるという利点もある。こうした利点

こうした SLCFs 各成分のトップダウン排出量推定はを活用し，多成分観測の統合により大気化学システ

ボトムアップ推計の不確実性を低減する可能性は秘ム全体を最適化することで，数値モデルで求めた排めている一方，利用する数値モデルや衛星観測に関

出量変化に対する濃度変化の感度（例えば OH 濃度

わる不確定性も大きいのが現状である。複数のボトムなど）の改善を介して，排出量推定の改善も期待でき

アップ，トップダウン推計の相互比較から，個々のトッる [Miyazaki et al., 2017]。

プダウン推計の間のバラつきがボトムアップ推計と同上に述べたような手法を用いて，様々な SLCFs 各程度であることが明らかになっている [Elguindi et al.,

成分についてのトップダウン法による排出量推定が16

大気化学研究 第 47 号 (2022)

2020]。こうしたバラつきの一因は，トップダウン推計

濃度の不確定性をより大きく低減することが期待されに用いる数値モデルにおける大気輸送・化学反応過る。さらに, OH 濃度の改善等による排出量―濃度間程の表現に関連した排出量-濃度間の感度の不確実の感度の改善を通じて，さらなる排出量推定精度の性である。例えば，1 節でも述べたようなオゾン化学改善も期待でき，広域的なオゾンや二次生成エアロの非線型性の解像の空間スケールを数百キロから数ゾルの生成過程についての理解の前進にも貢献す

十キロへと改善することによって，OH 濃度を介して，る。物質の大気中輸送に関する共通性についても評

メガシティにおける NOx 排出量推定に大きく影響す

価で加味することができる。また，GEMS のような静止ることがわかっている （図 10）[Sekiya et al., 2021]。今

軌道衛星による 1 時間間隔のオゾン，NO2，CO とい

後，領域モデルを利用し，数キロスケールのオゾン化った主要成分の観測をデータ同化することで，ラッシ学非線型性の解像した上でのトップダウン排出量推ュアワーなどに伴う排出量・オゾン化学過程の日変化

定へと改善することも必要であろう。また，HCHO，や短期変動の要因について，これまでの低軌道衛星

CHOCHO 濃度と NMHCs 排出量の間の感度についの 1 日 1 回のデータ同化から得られる知見を超えてては，計算資源の制約から簡略化されたモデル内の解明できると期待される。

有機化学反応メカニズムを見直すべきか否か検証が第二の課題としては，数値モデルなどに起因するト必要だろう。さらに，推定に用いた観測データ，トップ

ップダウン排出量推定の不確実性の低減が挙げられ

ダウン手法の違いも，排出量推定の不確実性要因でる。特に，モデルで求められる排出量-濃度間の感度ある。IGAC の対流圏オゾン評価レポート（TOAR-II）の不確実性を低減するためには，地道なモデル素過では大気化学再解析ワーキング・グループ

程の改善が求められる。2.1 節で述べたように，これまhttps://igacproject.org/chemical-reanalysis-focus-

でモデルで考慮されてこなかったが重要な化学反応

working-group）が立ち上げられ，対流圏オゾン前駆過程の考慮することや，科学的に理解はされていて物質のトップダウン排出量推定を含めた世界各国のも計算資源上の制約から簡単化されていた過程の表

研究機関が構築した再解析データの相互比較が計現方法の見直しの努力を継続することが必要と考え画されている。こうした活動からも，数値モデル性能，られる。また，Miyazaki et al. [2020a] で行われたよう同化する観測データ，データ同化手法の違いによるな複数モデルと多成分観測によるデータ同化も，今トップダウン排出量推計への影響が明らかになって

後，排出量-濃度間の感度の不確実性低減を実現すいくことが期待される。

る有効なアプローチとなりうるだろう。

（

今後の課題としては，第一に新しい衛星観測の活用が挙げられる。これまで数多くのトップダウン排出3.2. SLCFs インベントリのトップダウン評価と GHG と量推定に活用されてきた NO2，CO，SO2，HCHO にの統合解析

加え，CHOCHO，C5H8，NH3 といった成分の衛星観

前節で述べたような排出量の「トップダウン」推計

測データを統合することにより，全球規模の大気化学

手法は，全球スケールだけでなく，アジアなどの地域システムを包括的に最適化することが可能になる。例

スケールや国内などにも適用できる。たとえば今後ま

えば, 様々な SLCFs の主要消失源となっている OH

すます人口が集中する「都市圏」からの排出や大気濃度は化学反応過程を介して NOx, CO, NMHCs 等

環境の管理のために，都市域や，個別の発電所等の排出量にも影響される（図 1）。多成分の排出量をの大規模固定排出源などの排出量評価を客観的な同時に最適化することにより, 単一成分の排出量の濃度観測から実施し，対策の進展と歩調を合わせて最適化を行う場合に比べて, 排出量に起因する OH評価を進めることは意義深い。その際には，前述のよ17大気化学研究 第 47 号 (2022)

うに，オゾン化学で見られる非線形性[e.g., Inoue et

質である非メタン炭化水素類の排出量推計にも適用

al., 2019]を解像して排出量を評価することが重要で可能である（3.1 節参照）。

ある。また，排出量の評価に用いることができる都市

社会経済情報による各排出部門の活動量や排出圏での観測データについては，日本の関東圏のよう係数などを基に，ボトムアップ法で構築される排出イに，環境省の常時監視データが密に入手できる場合

ンベントリ[e.g., Kurokawa and Ohara, 2020]と並立さもあるが，新興国などではその限りではない。比較的

せ，それぞれの視点での不確実性評価を重ね合わ密な場合であっても測定局は離散的に配置され，ませ，排出量の適正な範囲を絞り込んでゆくことが重要た必ずしも測定局が周囲を代表した濃度を計測できである。
これらのトップダウン排出量推計手法は CH4, CO2ているとも限らないため，排出の評価には限界があった。

の計測にも適用可能である。我が国の温室効果ガス

近年，人工衛星による二酸化窒素（NO2）の計測が観測技術衛星 GOSAT シリーズの 3 号機，GOSAT-

画期的に進歩を遂げ，2017 年に打ち上げられた欧GW ミッション（2023 年度打上予定）では，TANSO-3

州宇宙機関の TROPOMI 衛星[Veefkind et al., 2012]

センサにより，全球を 10km，都市域を 1-3km（検討中）

では 3.5 × 5.5 km2 の空間解像度で，かつ離散的ではの水平解像度で，CO2, CH4, NO2 の面的に連続な分なく「面的に連続」な計測が実現された。TROPOMI布を同一視野で計測する計画であり，CO2, CH4 と合による NO2 計測は，新型コロナウィルスの世界的蔓延

わせた NOx の排出評価を目指す（3.3 節）。SLCFs とに伴う経済活動（エネルギー燃焼）の低下を都市ごと

温室効果気体 GHG をともに扱うことの利点は以下ののレベルで，日毎に描き出したことで大きくメディアに2 点である。第 1 に，SLCFs のうち NO2 の場合はとく取り上げられ，迅速に社会ニーズにこたえたことは記に，エネルギー高温燃焼のマーカーとなり，CO2 とも憶に新しい。面的に連続した情報からは，任意の閉共通な化石燃料燃焼の良いトレーサーとなる。NO2

曲面からの湧きだし（divergence）を基にした排出の計測では差分吸収法による感度が高いことが特長で，評価[e.g., Beirle et al., 2020]も可能となる。一方で，プルームの流れをよく捕捉でき，プルーム内に NOx

国 内 研 究 者 [e.g., Irie et al., 2021] も 参 加 し たと共存する CO2 排出量のトップダウン推計精度を高TROPOMI による対流圏 NO2 標準プロダクトの公式

めることができる。排出比が既知であれば，NOx 排出検証では 25-50%もの過小評価がみられる[Verhoelst

量から CO2 排出量を推計することも可能であり，ボト

et al., 2021]などの基礎的課題もあり，検証と原因解ムアップインベントリとの協業範囲も広がる。第 2 に，明，アルゴリズムの向上が求められる。また，OH によ

メタンやオゾンは CO2 とともに温暖化に影響を与える

る NOx 除去の効果を加味して NOx 排出を精確に導物質であり，オゾンはメタン酸化で二次生成すること

出することも課題となる。OH の挙動を逆にこうした衛もあり，これらの排出の一元管理が有効となる点であ星データから導出する可能性も含め，今後の工夫がる。地表面気温の上昇を 1.5 度以内に収める地球温必要とされる部分である。衛星データによる排出の精暖化対策目標が世界で共有される中，CO2 を 2055

確な評価を踏まえた，オゾンなどの二次生成物に関

年排出ゼロにすると，およそこの目標が達成されるが，する排出源別寄与解明なども重要な課題となる。全

SLCFs の放射強制力が減少しない場合はその達成球の場合と同様に，局所・都市・地域スケールでも排可能性が下がる，とされており[IPCC, 2018]，総合的出評価は NOx だけでなく，CO, SO2, NH3 などの一次な取り組みが必要となっている。AR6 でもメタン削減

物質にも適用可能である。さらに，二次物質 HCHOによるオゾン減少が今後の温暖化制御を検討するうや CHOCHO の衛星観測に基づき，それらの前駆物えで重要なプロセスとされ[IPCC, 2021]，今後 10 年ス

18大気化学研究 第 47 号 (2022)

ケールでの政策の急加速とその検証が求められるよのとなっている。SLCFs についても GCP の SLCFs 版

うになった。また，脱温暖化・脱大気汚染を同時に目としての知見集約を適切なタイミングを狙って目指す

指す GHG/AQ（大気質）統合解析で，気候変動・健べきであろう。対流圏オゾンについては，IGAC の康両面でのコベネフィットを創出することは，新興国

activity TOAR-II （ Tropospheric Ozone Assessment

にとっては比較的目指しやすい目標ともなる。

ReportPhase

II,

2020-2024,2019 年 IPCC 第 49 回会合では，第 7 次評価サイ

https://igacproject.org/activities/TOAR/TOAR-II ） がクルでこれまで GHGs を扱ってきた国別排出インベン

類似の活動であるともみなしうるが，他の SLCFs におトリ報告で SLCFs を新たに対象としてゆくために方法

いても追随すべきである。日本大気化学会は GHGs

論 を 構 築 す る こ と が 決 ま っ たと SLCFs を扱う研究者が所属する，世界的にもユニ（ https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2019/05/IPC

ークな学会であり，その特長を生かすことができる点

C-49_decisions_adopted.pdf#page=10）。GHGs に関でもあろう[e.g., Takegawa et al., 2004]。また，キロメー

しては，2023 年に始まり 5 年に一度繰り返されるグロトル級の超高解像度を備えた大気輸送モデルにつーバルストックテイクにて，排出削減取り組みの進捗

いても開発や評価が進んでおり[e.g., Sekiyama andを客観的に評価して報告してゆくことになるが，Kajino, 2020; Takigawa et al., 2020]，化学と排出の要

SLCFs についても的確な評価の向上が必要となって因分離や定量化などのために知見を結集することがゆく。SLCFs の方法論でも主体となるのはボトムアッ重要である。

プ推計であるが，トップダウンとの統合的評価についエアロゾルの個別成分については，固体の硝酸アても取り入れて行くべきである。GHGs においては，ンモニウム粒子[Höpfner et al., 2019]などを除いては

Global Carbon Project（GCP）にて定期的にこれらを衛星からの直接観測を適用するのは難しい。そこで，総合診断し論文化することが近年定着してきた

例えばブラックカーボン（BC）の現場観測から中国の（https://www.globalcarbonproject.org/）。これらの知排出量と推移をトップダウン式で評価し，ボトムアップ

見集約は，IPCC の報告書などでも引用されやすいも値を検証する [Kanaya et al., 2020]取組もなされてき図 11. キロメートル級での大気組成濃度観測（左上）から，ポイントソース級の排出インベントリを導出し（右上），またオゾン・
PM2.5 濃度や健康影響への結びつきを明らかにする。削減政策に対し，科学知見を提供し，政策を合理化，改善する。その改善効果をさらに衛星観測で明らかにする，といった好循環サイクルを生み出す。

19

大気化学研究 第 47 号 (2022)

た。BC の濃度変動には，排出量の変動に加え，湿ムアップ型インベントリより先行してトップダウン推計

性除去の効果も含まれるため複雑だが，風上での積を行い，評価を牽引してゆくことが重要である。

算降水量[e.g., Oshima et al., 2012]を指標とし，また同時に排出され湿性除去の影響を受けない一酸化3.3 GOSAT-GW 衛星検証・地上観測との融合

炭素（CO）との濃度比を評価に用いるなどの工夫で，前述したように，TANSO-3/GOSAT-GW 衛星観測

排出項と消失項を分離した評価が可能であることがでは，CO2，CH4，NO2 を全球から都市などの大規模示されている。

排出源まで，10 km〜数 km の空間分解能で観測す

以上をまとめると，衛星観測も活用した，排出量のることを目指している。こうした衛星観測の空間分解

適正かつ迅速な評価を通じて，図 11 に示す時計回

能は，数百 km〜数 km オーダーまで，10 年で約 10りの循環の一部を担い，社会科学や行政とも連携し，倍向上のペースで改良されてきており，NO2 のような喫緊の課題である地球温暖化や大気汚染問題の解

短寿命微量気体の水平方向の不均一性を衛星観測

決を導くことを目指す。つまり，大気濃度を衛星観測からも捉えられるようになってきた[e.g., Griffin et al.,から押さえ，化学を考慮したモデル解析で排出量と2019]。衛星観測の高空間分解能化により，都市内

原因を明らかにし，排出削減政策を合理化して，対部に点在する燃焼起源のプルームの形状とその広策効果による濃度低下を客観的に再度衛星で評価

がりを精度よく捉えることができるため，衛星データをする，という好循環サイクルを回してゆく。2030 年の使用したトップダウン排出量推計の高精度化が期待

新たな温室効果ガス削減目標（2013 年比 46%削減），される[e.g., Lorente et al., 2019]。CO2 については，欧2050 年のカーボンニュートラルへ向けた取り組みを

州の OCO （Orbiting Carbon Observatory）-2 衛星に評価し政策を最適化するためには，GHGs を中心に，よる発電所からの排出量推計が行われており[Nassar

SLCFs も合わせて，このサイクルを従来よりも速く，少et al., 2021]，EPA （米国環境保護庁）の提供する各

なくとも 2-3 年に一度回して行く必要がある。そのため事業所の排出量日報との比較では，平均で 15％程にも，社会経済統計のリリースを待つ必要があるボト度の誤差範囲内で排出量推計が可能であることが示されている。また，ドイツ・ブレーメン大学の研究グル

NO2

CO2

ープでは，CO2 と NO2 それぞれ別の衛星観測データを用いた複合解析により，都市域における CO2 排出量の推計が行われた。この研究では，NO2 のプルー
ムの情報から風向などを調整してその形状を最適化することで，都市域における CO2 プルームを同定し，その排出量を 23％〜72％の精度で推計している

km
0

1

2

[Reuter et al., 2019]。これにより GHG/AQ 統合解析の

km
3

0

1

2

3

重要性と今後の課題が明確化された。
GOSAT-GW に関連する国内研究チームでは，世図 12. 航空機で観測された火力発電所由来の NO2（左）と CO2（右）のメッシュプロット。白菱形の点が 2 つの煙突の位置を示し，白矢印は気象値における風向，黒矢印はNO2 のプルーム形状を基に調節した風向を示す。白破線
は，2 つの煙突の中間地点から調節した風向に 400 m 離れた地点を中心とした，800 m×2000 m の領域を示す。
Fujinawa et al. [2021] から改変。

界初となる，同一の航空機プラットフォームからのCO2，NO2 同時リモート計測を成し遂げ，衛星観測の意義を実証するとともに解析を例証した[Fujinawa etal., 2021]（図 12）。その中で，数 km スケールにおける燃焼由来のプルーム内の NOx が光化学平衡値か20大気化学研究 第 47 号 (2022)

ら大きく乖離していることが示唆され，プルーム内になどの地上計測点や，複数の専用航空機など様々

おける光化学プロセス解明のために，排出源近傍のなプラットフォーム・測器を用いて，国際チームにより酸化気体（O3 や HOx など）を含めた包括的な観測のO3，NOx，SOx，VOC，エアロゾルに加えて気象デー

必要性が示唆されるなど，さらなる課題が浮き彫りとタや紫外放射強度などが総合的に観測された。このなった。GOSAT-GW のような太陽同期軌道をもつ衛ような観測キャンペーンを我が国がイニシアチブを発星観測では，現地時間における同時刻の観測を一揮して推進し，GHG/AQ 統合解析の点で世界を牽引

日一度しか行われないため，GHGｓ/SLCFs の日内変するような検証基盤を構築する必要がある。観測キャ化を捉えることはできない点にも留意が必要である。

ンペーンには，環境省の常時監視データも含めて，

これらのことから，衛星観測の技術的発展は著しいも

地上・航空機・気球観測等を用いて検証を行うことで，のの，その時空間的な精度や，排出量推計精度には

TANSO-3/GOSAT-GW をはじめとする GHG/AQ 統合

衛星固有の課題があり，その空間代表性の補完や日解析衛星データの高精度化を目指す。

内変化の評価には，地上観測や航空機・船舶観測との複合的な解析・検証が必要不可欠であるといえる。

3.4. 日変化・高度分布など次世代衛星ミッション目標

TANSO-3/GOSAT-GW をはじめとする衛星を利用

3.2 節で述べたサイクルに貢献できる，脱温暖化・した GHG/AQ の高空間分解能観測の検証には，全脱大気汚染を牽引する大気組成衛星観測を，21 世

球〜都市内を幅広く網羅した地上観測ネットワーク，

紀の SDGｓ達成に必要な社会的なコモン（共有財産）

およびそれらに加えて航空機や船舶，可搬型の地上として提案してゆく。その先駆けとなる，直近の測器を利用した包括的な観測キャンペーンが有効でTANSO-3/GOSAT-GW 計画についてはすでに述べある。高解像度の数値モデルも合わせ，排出源等のたが，本項ではその先の衛星観測計画を論ずる。

解析を強化できる。地上 CO2 観測網については

まず，時間軸について観測頻度を向上できる「静TCCON（Total Carbon Column Observing Network:

止衛星」の利用を実現したい。人間活動からの排出

https://tccon-wiki.caltech.edu

COCCON

日変動（ラッシュアワーなど），光化学過程の評価，生（Collaborative Carbon Column Observing Network:

態系の光合成による炭素吸収変化をとらえることが最https://www.imk-asf.kit.edu/english/COCCON.php ）終目的である。

）

やが あ り ， NO2 観 測 網 に つ い て は PGN （ Pandonia
GlobalNetwork:

2006 年頃，大気化学研究会（日本大気化学会のhttps://www.pandonia-global-前身）・大気環境衛星検討委員会では，静止衛星か

network.org）が最近立ち上がったが，これらを複合的

らの観測の重要性をいち早く認識し，紫外可視・赤に利用して衛星データの評価・検証体制を充実させ

外等の波長域をカバーする，アジア静止軌道からのる。キャンペーン観測では，TANSO-3/GOSAT-GW

オゾンおよび前駆気体計測プロジェクト GMAP-Asia

で対象とする CO2/CH4 と NO2 に加えて，O3 や VOC，を構想し，2009 年には「静止大気・気象観測ミッショ

OH，PM2.5 などの関連物質や雲の観測もその対象とン」として JAXA のミッション定義審査を通過したが予することが望ましい。このことにより，先述のように km

算等の諸事情により残念ながらプロジェクト化されるスケールのプルーム内における NO2 をはじめとした

ことはなかった。同時期に韓国が紫外可視センサに

SLCFs の空間的な分布・化学・排出を総合的に把握絞った形での提案を進め，2020 年 2 月 GEMS の打することが可能となる。例えば，2016 年に行われた上に成功，アジア上空からの大気組成静止観測の

KORUS-AQ （ Korea-United States Air Quality ）「第一幕」が開いた。我が国の研究者も GEMS サイエ[Crawford et al., 2021]では，韓国/オリンピックパーク

ンスチームに入り，検証やデータ利用などで地域協21大気化学研究 第 47 号 (2022)

らえること，つまり米国 GeoCarb 計画のアジア版を狙力を進め成果を上げる見込みである。
その後の我が国独自の大気汚染計測計画はいっう。GeoCarb ではすでにフィージビリティ検討が進み，たん，静止観測ではなく，国際宇宙ステーション（ISS）

近赤外・短波長赤外での CO2 計測については，8kmからの計測計画などに姿を変えたが，それでも実現

四方程度の水平分解能で SNR 500 程度を達成しは遠かった。その曲折ののちに辿り着いたのが<0.3%, 1 ppm の精度要求を達成しうると考えられてい

TANSO-3/GOSAT-GW で，大気汚染物質では可視る[Polonsky et al., 2014]。科学的には地表面計測のバンドの NO2 のみの形となったが，CO2, メタン計測とカバレッジを上げることが最大のメリットである。周回

合流する形で，10 年来の悲願は一部が実る形となっ軌道上の OCO-2 による CO2 観測では，1 度のスキャた。

ンでカバーできるのは非常に限られた空間範囲で，1

一方，静止衛星観測構想は継続している。GEMS

年間データを重ね合わせても排出箇所を特定するのと相補的な形で，アジアの大気微量成分を計測するは容易ではない。最新の低軌道衛星，TROPOMI のことが重要と考えられる。まずは，GMAP-Asia で十分

メタン，GOSAT-GW 計画での CO2 では，面的に連続に検討したオゾン，CO 計測を，気象衛星「ひまわり」

な計測が 1~3 日に 1 度可能となるが，雲で計測でき

10・11 号（2028 年）で気温・水蒸気の高度分布計測ない領域も多く，CO2 高濃度域は隠されてしまう場合の目的で搭載が有力視されているハイパースペクト

も多い。それに対し，静止軌道から 1 時間ごとの計測

ル赤外サウンダで実現してゆくことである。欧州ではを一日 10 回行えば，雲に覆われ 1 日に一度も観測

Sentinel 4 と相乗りとなる IRS にて静止軌道からオゾできない領域は約半分に減り，東アジアの計測ドメイ

ンと CO を赤外 9.6, 4.7μm 帯で計測する計画でン平均で 2 倍の情報が得られ，高濃度域も検出しや[Holmlund et al., 2021]，そのアジア版を目指すもの

すくなる（図 13）。関東冬季のような晴天域では観測である。すでに低軌道周回衛星では，赤外 IASI と紫

頻度が 9 倍にも達する地点もあり，日変化観測が可外 GOME2 のオゾン計測複合によって，高度 0-3km

能となる。生態系の光合成や呼吸のサイクル，ラッシの対流圏オゾン量の日々の変化が捉えられ，地上観ュアワーなどの人間活動のサイクルをとらえ，それら測と同様の傾向が得られることが確かめられ，オゾンの寄与分離を目指す。

の越境大気汚染も可視化されつつある[e.g., Cuesta

3 点目として，現在 GEMS が約 7km 四方での計測

et al., 2018]。これを静止軌道から 1 時間ごとに追いを実現させている NO2 計測を 1km 格子まで水平解

かけ，排出源や光化学と結び付けて行く構想である。

像度を高め，静止衛星からの排出量変化監視能を大幅に向上させることも有意義である。実際，積分時間を増すなどによりこの高解像度化は可能と考えられる。NOx, オゾン，CO などの主要な濃度計測値を
数値モデルへデータ同化することにより，周回衛星で一日 1 度のデータを基にしたこれまでの場合と比較して，化学過程や排出量の解析を飛躍的に向上することができ，さらには両者の結び付きを，非線形

図 13. 周回低軌道（左）と静止軌道（右）から，CO2 カラム
平均濃度（XCO2, Patra et al. (2017)より）を計測する際に，どの程度，雲の存在（灰色）で観測が限定されるかを表した概念図。雲マスクデータにはひまわり 8 号の TAOT
データを利用。[宇宙航空研究開発機構（JAXA）の分野
横断型プロダクト提供サービス（P-Tree）より]性の壁を乗り越えた形で解明することができる。
メタン観測については世界的に進展が著しいため参考として本段落に特記する。カナダの GHGSat シリー ズ [Varon et al., 2018, 2019] や 米 国 の COOL

第 2 に CO2, CH4 の日変化を静止衛星軌道からと22大気化学研究 第 47 号 (2022)[CEOS AC-VC, 2018]など，民間企業の商用衛星によためである。こうしたギャップが生じることを防ぎ，地る CH4 のポイントソース観測も行われるようになってい球規模課題の解決に向けて，衛星観測が貢献するる。これらの超小型衛星によるポイントソース観測は，科学的成果を最大限出せるよう，国際的な連携を常従来の低軌道衛星によるモニタリング重視の観測やにとりつつ衛星観測事業を推進することは重要であり，新たに目指す静止衛星による定点観測に変わるもの

科学者が果たしうる役割の一つである。CEOS AC-

ではないが，大規模発生源や複数の発生源が混在

VC（地球観測衛星委員会 大気組成バーチャルコンする領域での大気 CH4 濃度の高精度観測では大いス テ レ ー シ ョ ン , https://ceos.org/ourwork/virtual-に活用できるであろう。また，2027 年に打ち上げが計

constellations/acc/）はそうした国際連携を深めるため画されている MERLIN は，衛星搭載差分吸収ライダに良い場であり，温室効果ガス・大気質・対流圏オゾーであるため季節・緯度帯・昼夜を問わず地表付近

ン・エアロゾルといった個別要素について科学者のの CH4 を高精度に観測することができると期待され，連携が進められ，ホワイトペーパー等の文書としてもさらに観測地方太陽時 6 時と 18 時の太陽同期軌道

公開されている。また，衛星観測から得られる科学的が検討されていることから，従来の 10 時，13 時の受成果を，いかに国際的な脱温暖化・脱大気汚染の政

動型衛星センサのデータとも組み合わせて，CH4 の策に活かすか，といった点でも科学者の国際連携と

日内濃度変動という新たな情報が得られる可能性がそれを基にした多方面へのアウトリーチは欠かせな

ある[Ehret et al., 2017]。

いといえる。

こうした極軌道衛星，静止衛星，そして ISS といった低軌道プラットフォームや，近年，商業ベースでの3.5. 他の衛星ミッション検討と方向性

打ち上げも見られる小型衛星といった観測プラットフ

次に静止衛星以外による大気微量成分（長・短寿ォームをいかに最大限活用し，科学的に有意義な大命種両方）の衛星観測について，既存の衛星観測と気組成衛星観測とし，脱温暖化・脱大気汚染といっ

今後の計画，展望について記述する。まず，高層のた大気化学の二大チャレンジの達成に結びつけるか

微量気体成分観測の歴史を簡潔に記述する（成層は，大気化学コミュニティが挑戦すべき課題といえる。

圏・中間圏編も参照のこと）。1980 年代，南極のオゾ

しかしながら，大気組成観測を含む地球観測衛星

ンホールの発見と同時期に高層大気のオゾンを中心

は，多くの場合，多額の費用や多くの人的資源を必とした微量気体観測が盛んとなる （LIMS や SAGE-

要とする巨大国家プロジェクトであり，それゆえ，いかI, SAGE-II）。1991 年にアメリカの UARS 衛星のに地球規模の環境問題解決がミッションに掲げられ

HALOE, MLS により高層大気の多成分微量気体のているといえども，常に科学的側面が優先されるわけ

鉛直分布の limb 観測が開始，物質輸送の特に鉛直ではなく，納税者への還元といった国家としての都合輸送の議論が可能となった。これにより大気化学だけも時として優先される。例えば，先述の GEMS はアジ

でなく力学過程の定性的な描像を描くことが可能とな

アの上空を観測する静止衛星であり，東アジアからった。中でも成層圏の南北（Brewer-Dobson）循環場

南アジアまでが観測範囲に入っているものの，残念の可視化（Tape recorder signal [Mote et al., 1996] とながら，観測範囲の東端に位置する日本は午前 11

しての）が世界を驚かせた。続いて 2000 年代半ばに時頃までの観測データ，西端に位置するインドは午NASA の A-Train シリーズの Aura 衛星 と Aqua 衛

後から日没までの観測データが公開されているのみ

星の搭載測器 AIRS, MLS, OMI, HIRDLS 等によっである。これは，技術的な制約もあるが，韓国の大気て，大気微量成分の中部対流圏から中間圏までの汚染を監視するという目的に沿う運用がなされている

鉛直分布観測が可能となった。日本でも ADEOS 衛

23

大気化学研究 第 47 号 (2022)星（1996 年）と ADEOS-II 衛星（2003 年）の ILAS,星のような Limb, Nadir 観測が同時に行える大型衛IMG や ILAS-II による高緯度極域の大気微量成分

星計画も考えうる解かもしれない。

の観測がなされた。また 2002 年にスウェーデンの日本国内では，2012 年頃より将来の地球観測衛

Odin/SMR 衛星，日本の ISS 搭載の JEM/SMILES

星計画に関する研究者レベルの議論が継続的に行（2009 年）では，これまで主流であった可視紫外，赤われてきた（例として，2013 年に設立された 25 の関外，マイクロ波の観測波長域から，サブミリ波，テラヘ

連学会が参加する宇宙関連タスクフォース会議リモ

ルツ帯の観測域に進展し，得られる微量成分と高度ートセンシング分科会;TF）。その中で，特に人工衛域が増えた。その背景で技術的進歩もうかがえる。

星による地球観測の現状，科学コミュニティの構築やSMILES は太陽非同期のためオゾン化学過程の日

衛星データの利活用等が，日本学術会議の地球惑

変化の特徴を捉えることに成功している[Sakazaki et

星科学委員会地球・惑星圏分科会において，2017

al., 2013]。さらに カナダの SCISAT-1 衛星の ACE-

年「我が国の地球衛星観測のあり方について」

FTS による FTS 測器を用いた太陽掩蔽観測による高（鉛直分解能，高精度観測も実施されている。

t247-3.pdf）という提言がまとめられている。このような

http://www.scj.go.jp/ja/info/kohyo/pdf/kohyo-23-

現在，高層大気の微量気体成分観測は Aura

背景から，2018 年より TF 分科会において，将来の衛MLS，ACE-FTS のみが継続しているだけである。

星ミッションを公募し，今後の衛星計画を提案していESA による Sentinel シリーズから Sentinel-5, 5p が打く方針である。これまで 20 数件の衛星計画が提案さ

ち上げ，計画されているが，主に対流圏の微量成分れている （2021 年 8 月時点で第 2 回公募の審査中）。

観測である。Aura 衛星は 2004 年打ち上げから間もこの中で，高層大気を limb で観測する衛星として「全なく 20 年が経つ。これらの衛星測器の後継機がいま

大気圏衛星観測-超電導サブミリ波リム放射サウンダだ計画されておらず，これまでの高層大気の微量成（SMILES-2）」と「高層大気の化学・力学場の動態把

分観測の継続性や今後の気候変動のモニタリングと握のための FTS 衛星ミッション」 がある。SMILE-2 はいう観点から高層大気の微量気体成分観測を主目

JEM/SMILE の後継機であるが，対流圏界面高度か的とした衛星計画が喫緊の課題といえる。その一方

ら下部熱圏（20～150 km）の温度，風，大気成分（オで，時代は，気候変動，大気汚染問題等，より人間

ゾン，水蒸気，微量成分）を同時に高鉛直分解能

社会・生活に直結する課題を解決するための衛星観（2.5 km;観測対象による）で観測し，成層圏内のオゾ測が求められ，対流圏下層の大気汚染関連物質のン化学の定量的理解に加え，中層大気と宇宙領域

衛星観測計画はにぎわっている。しかし最近，中間の遷移領域である超高層大気内の電磁気的エネル

圏を含めた超高層大気の観測データの蓄積から対ギーの役割を明らかにすることを目的としている。一流圏や成層圏と超高層大気の現象を関連付ける研方，後者の高層大気の FTS 観測は，ACE-FTS の後究も注目を集めており，大気の上下結合を意識した継機に近く，太陽掩蔽法で高鉛直分解能は，1.5～4

統一的な観測，および数値実験が今後活発になるこ

km で対流圏中層から下部熱圏（8～100 km）の多種とが予想される。

類の大気微量成分の観測をする。特に GHGｓやオゾ

主に軌道衛星は静止衛星に比べ，時間分解能がン化学に関連する成分（CO2, CH4, N2O, H2O, O3,

悪く，短寿命物質の監視には不適切である。その一CFC-11, CFC-12, CH3Cl 等）をモニタリングする。この方で対象物質の高度分布を詳細に得ることができる

ことで，成層圏化学のより詳細な理解に加え，オゾンというメリットがある。今後，相補的に互いの長所を有層を介した成層圏から対流圏への気候変動の影響

機的に観測する仕組みも必要と考えられる。Aura 衛の評価が可能となる。また中層大気内の CO2 濃度の24

大気化学研究 第 47 号 (2022)

把握により，成層圏への定量的な流入量が明らかと用小型衛星の主流は，光学や能動電波を用いた地なり，CO2 のミッシングシンクを減らし，より正確な炭素球画像観測であり，「見えない物質」である大気物質

収支を求めることが可能となる。さらに水蒸気同位体の観測はこれからの分野である。しかし，例えばメタを使用した天気予報の精度の評価を推進し， 極端ン観測などはエネルギー関連ビジネスに直結するたなイベントの予測精度が向上することが期待されるめに注目を浴びており，民間企業にとって独創的な[Toride et al., 2021]。

観測はその企業の強みとなるため，産業として成り立

先にも記述したが，今後，観測技術および数値モ

つ観測に大気化学が積極的に関与してゆくことも一

デルの開発の進展により，対流圏から低軌道衛星高

つ の 方 向 性 で あ る 。 日 本 で は ， Axelspace や度（～数 100 km）までを統一的に扱う研究が増えるとSynspective などのベンチャー企業が衛星の製造から見込まれる。その際に，同一精度で広高度範囲を高打上げ，データ処理や配布まで一貫した取組を行っ鉛直分解能で観測できる衛星データによる実証，検ており，今後の連携が期待される。

証作業が不可欠と考えられる。これまでは圏を跨ぐ研究（特に対流圏/成層圏/中間圏（中層大気）と熱圏/

4. 地球システム科学・行政・社会貢献

電離圏/磁気圏（超高層大気））はあまりなされてこな

第 3 節までに化学過程・排出量に関する新たな大かったし，数値モデルもそれに耐えうる仕様となって気化学的な知見を専門的な大気化学輸送モデルにいない。特に圏を跨ぐ際に，物理的な圏間の性質の組み込み，化学・輸送・気象等を複合したオゾン等の違いや力学場を駆動している要因の違い，圏を跨ぐ

大気汚染プロセス診断を進め理解を高めることの重物質量の定量的評価等を考慮した数値モデルの改要性を述べた。また，オゾン生成制限因子の特定と良とその検証が急がれる。今後，計算機技術および地球温暖化緩和について，政策決定者を支える科

数値モデルの発展により，これら圏を跨ぐ実験が可学的知見提供と社会貢献の重要性についても述べ能となり，相互作用が気候変動へ与える影響の理解てきた。本節ではさらに，専門毎や科学と社会の垣が進化すると期待される。

根を越えて，地球システムモデルや天気・天候予測

さらに衛星観測と数値モデルの融合として，データを行う数値予報モデルへ大気化学的知見を実装・応同化技術が増々重要となってくる。データ同化技術

用し，また健康影響を可視化して，関連分野や社会は現在の気象・気候研究には必要不可欠なツールでの実用を目指すことの重要性について述べたい。

であり，今後もより依存関係は増していくだろう。データ同化の発展には，数値モデルの改良と同時に，衛4.1. 現業数値予報モデル・地球システムモデルの向星データの高品質，高時間空間分解能が求められる

上ため，相互の長所短所を補うべく，相補的に進展が地球システムモデル（ESM）は，大気・海洋・陸域に期待される。

おける物理現象を中心に取り扱う気候モデルを核と

ここまでは，官主導の大型衛星観測を紹介してき

して，さらに大気化学/エアロゾル/炭素循環過程等をたが，近年では，民間による宇宙ビジネスが活発化し組み込んだ数値モデルであり，SLCFs と気候の間のており，その利用可能性の検討は重要である。2020

多様な相互作用についても包括的に取り扱っている。

年現在，宇宙の軌道上にある地球観測衛星は 906

それ故 ESM は，SLCFs の温暖化への寄与や，温暖機程度であり，そのうち，地球科学を目的とした政府化が大気汚染物質へ及ぼす影響などについて統合

系衛星は 20-50 機程度とされている。商用小型衛星

的に理解し，且つ定量的評価を行う上で必須な技術の利用により，打上げの機会は拡大する。現在の商基盤となっている。

25

大気化学研究 第 47 号 (2022)

なお，温暖化が大気汚染物質へ及ぼす影響につい放出増加の可能性を通じたフィードバックなどがあり，ては 2.4 節で一部触れたが，汚染地域においては温それらの効果を正しく評価することも重要である。

暖化による気温上昇の効果のみでも反応速度が増し

最新の結合モデル相互比較プロジェクト CMIP6て夏季地上オゾンが増加する，いわゆる「気候のペ[e.g., Eyring et al., 2016] においても，長寿命温室効

ナルティー」が生じることが示唆されている[IPCC,

果ガスだけでなく SLCFs エミッション削減による効果

2013, 2021]。陸・海を介した気候フィードバックとしてを 定 量 的 に 評 価 す る た め の 実 験 [Collins et al.,は，温暖化とともに上昇すると考えられる陸域植生か

2017] が世界の ESM によって実施されている。Allen

らの炭化水素放出を通じたオゾン生成，海洋からのet al. [2020, 2021] では，大気汚染物質排出規制に

硫化ジメチル（DMS）放出変化, 森林火災による大ついて異なる将来予測シナリオに基づいて行った実

気汚染物質等の放出 [Tanimoto et al., 2015; Patra

験から，メタンを除いた SLCFs の排出削減では想定

et al., 2017]の加速，永久凍土の融解からのメタン等

どおり大気質は改善する一方，正味で冷却効果を持つエアロゾルの減少によって温暖化を加速させてしまうことを示した（図 14）。しかし，これに加えメタンの排出も同時に削減すると，この温暖化の加速を相殺することが出来，且つ大気質の更なる改善（地上オゾンの減少）につながることを示した。
こうした世界の ESM による CMIIP6 実験の結果はIPCC 第 6 次評価報告書においても多数引用され重要な科学的知見を与えている [IPCC, 2021]。気候変動予測の基盤となる ESM の高度化（不確実性の低減）とその不確実性の評価は，今後も重要な課題となる。
気候変動予測よりも時間スケールが短い気象/季節（数日から数ヶ月程度）予測においても，大気化
学・エアロゾル過程の持つ重要性を理解・評価し，こ図 14. メタン以外の SLCFs エミッション削減による気候と大気質への影響。Allen et al. [2020] から引用。棒グラフ
は，５つの ESMs の CMIP6 将来予測実験結果に基づく
2015-2055 年の各トレンドを示している。(a)地上気温[K/decade] ， (b) 日 最 高 気 温 [K/decade] ， (c) 降 水 量[mm/day/decade] ， (d) 日 最 大 降 水 量[mm/day/decade]，(e)日降水量が 1mm より小さい日の
継 続 日 数 [days/year/decade] ， (f) 有 効 放 射 強 制 力[W/m2/decade]，(g)地上 PM2.5 濃度 [μg/m3/decade]，(h)地上オゾン濃度 [ppb/decade]。赤（青）色が弱い（強い）大気汚染物質排出の規制を行なう将来シナリオ
SSP3-7.0 (SSP3-7,0-lowNTCF) に基づく結果で，黒色はその実験間の差。棒の中心はマルチモデル平均値で，棒の長さは 95%信頼区間を表す。棒グラフには，図中の地図で色分けされた 12 の領域平均のトレンドと共に，陸域全体（"L”），北極（”A”; 60–90N），北半球中緯度（”N”;
30–60N），熱帯（”T”; 30S–30N），南半球中緯度（”S”; 60–30S），全球（”G”）で平均したトレンドも示す。

れらの過程を適切に予測技術に取り入れることで，数日先までの化学天気予報の向上を図ることは，社会への知見還元となる。気象庁では，地球システム
モデルを黄砂や紫外線予測に活用している。また，
物質濃度そのものの分布の予測だけでなく，気象・
放射場の精度向上を図る取り組みが，世界の気象予報センターや研究機関等で行われている。例えば
Benedetti and Vitart [2018]では，エアロゾル分布を気象場と共に予報しその放射効果を考慮することで，特に北半球の春/夏季における季節予測精度が向上する可能性を，ヨーロッパ中期予報センター（ECMWF）の予測システムを用いて示している。アメ26

大気化学研究 第 47 号 (2022)

リカ海洋大気庁（NOAA），ECMWF，気象庁等の現大気汚染による健康被害は，喘息のようにすぐに発業予測システムでは，データ同化手法を用いて求め症するものだけではなく，長期的な暴露により肺がん

たオゾン解析値を，気象予測に重要な初期値の精度

や COPD 等を引き起こし重症化する例もあり，自覚し向上等のために活用している [e.g., Dragani et al,

にくいということが考えられる。

2018] 。また Coopmann et al. [2020] は，Metop 衛星

大気汚染の社会認知度について，すでに認知度搭載のハイパースペクトル赤外サウンダ IASI のオゾが高い地球温暖化による気候変動を例に考察する。

ンチャンネルによる計測と他の赤外チャンネルによる2020 年 8 月に旭硝子財団が実施した日本人の環境計測を個別に同化するのではなく，まとめて同化する

危

ことにより，オゾンに加えて気温や比湿の初期値の精

info.or.jp/ed_clock/jpsense_result.html）において，気度がより向上することを示すなど（大気環境予測と気候変動は日本国内における環境問題として危機的な

象予測のシナジー），近年では化学物質の衛星観測状態にあると考える項目として 41%と最も多かった。

情報を効果的に活用した予測技術の開発が盛んに

この理由として，「温度」という非常に身近な判断基準なっている。このように，大気化学・エアロゾル過程のとなる物理量が存在すること，また，集中豪雨等の災

適切な取り扱いや，化学物質の観測情報の効果的害が起こることで気候変動が実生活に直接的に影響な活用は気象/季節予測精度向上の鍵の一つとしてしていることを自覚しやすいこと等が挙げられる。つま認識され，重要な研究・開発課題となっている [e.g.,

り，温暖化による変化がはっきりと見える化されている

Dragani et al, 2018]。

ことが，高い認知度に繋がると考えられる。

機

意

識

調

査

（

https://www.af-

大気汚染による健康被害の認知度を向上させ，適4.2. 健康影響と社会情報発信

切な情報発信を促していくためには，地球温暖化の

本節では，SLCFs がもたらす健康被害と，それに「温度」に相当する判断基準となる物理量の確立が対する一般市民の認知度向上について取り上げる。

必要である。理想的には，温度計と同等なレベルのPM2.5 や対流圏オゾン，およびそれらの前駆物質は，頻度と密度による大気汚染物質の観測と将来予測が人間や農作物等の生物に直接的に被害を与えること望ましい。この実現のためには，3 章で紹介したようなが長年の疫学研究等を通して知られている [e.g.,

地上観測と衛星観測を統合した観測ネットワークと，

Ueda et al., 2010]。2019 年の大気汚染による世界のそれら観測データを取り入れたモデル同化による高早期死亡者数は約 667 万人（屋外大気汚染によるも精度なシミュレーション予測が必要である。また，温のは 445 万人，室内大気汚染は 222 万人）である。こ度計のように簡便かつ身近に大気汚染物質を測定れは同年の交通事故による死亡者数の約 5 倍に相できる小型センサの普及も，観測ネットワークの充実

当し，高血圧，タバコ，不健康な食習慣に次いで４番だけでなく社会への認知度の向上という意味でも有目に高い死亡リスクに挙げられている [HEI, 2020]。

効である。

また 2016 年の OECD の報告書によれば，ほとんどの

また，大気汚染は温度と異なり，PM2.5 やオゾン，

OECD 加盟国は 2060 年に向けて大気汚染による死

NO2 等の複数の効果が異なる大気汚染物質が存在

亡者数が減少されると予測される中で，日本は約 1.5する。大気汚染では個別の物質ごとの大気中濃度が倍に増加すると予測されている [OECD, 2016]。

最も正確な指標となるが，一般市民には多くの物質

この危機的状況に対して，大気汚染に対する社会の違いを理解すること自体に大きな障壁がある。大の認知度は国や地域によって大きく異なり，日本も決気汚染による健康被害を定量化する方法として，世して進んでいるとはいえない。その原因の一つとして，

27

大気化学研究 第 47 号 (2022)

表 2. 世界で使用されている大気質指数の例

界の様々な国や地域によって独自に定義された指気汚染物質の観測データと死亡者数や救急搬送者数（一般に大気質指数と呼ばれる）が使用されている数等の疫学データを時系列解析し，大気汚染によるが，世界標準となる指数は存在しない。後述する大健康リスクを 0 から 10 までのスケーリングで定量化さ気質指数は，各国や地域の風土や特徴の上に最適れた Air Quality Health Index（AQHI）が使用されて化されているため，世界共通の指数として使用してよいる。AQHI の算出では，ある確率に対する事象の発

いかは議論が必要である。世界保健機関（WHO）は，生数に用いられるポアソン分布が仮定され，各大気大気汚染物質毎に環境基準 [WHO, 2005] を定め

汚染物質濃度に対する回帰係数から相対リスク値をているが，大気質指数のような指数化は行っていな

計算している。
2020 年に日本の大気汚染物質の観測データを用い。
表 2 に代表的な大気質指数を挙げる。世界で初めいた検証とともに提案された Clean aIr Index（CII）は，て提唱され，現在も最も普及している指数が，アメリカ

AQI や AQHI とは異なり，各大気汚染物質濃度を環の Air Quality Index（AQI）である[US EPA, 2014]。

境基準値で規格化した上で平均し，値が高い方が良

AQI は 0 から 300 までのスケーリングであり，AQI がいという直感に沿うために，その平均値を 1 から引くと0 の場合が大気汚染によるリスクが 0 の状態，300 以いう非常にシンプルな定義式である [Sato et al.,上になるとリスクが危険なレベルに達していることを意

2020]。CII は国民が，小学生でも，「直感」で分かる味する。AQI の定義式の特徴としては，考慮される各指標ということが最大の特徴である。また，CII は，使大気汚染物質の濃度に対して設けられた閾値に従用する環境基準によって，例えば，日本の場合は環って，濃度に対する健康リスクを数値化（Individual

境省が定める大気汚染に関する環境基準

AQI, IAQI）する。最終的な AQI の値は，全ての大気（https://www.env.go.jp/kijun/taiki.html），グローバル

汚染物質に対する IAQI の値の中で最大の値を採用に用いる場合は WHO が定める閾値 [WHO, 2005;する。中国や台湾，ヨーロッパでは，この AQI の閾値

2021]を用いることで，原理上，対象地域を最適化す

や大気汚染物質の種類を最適化して定義したものをることが可能である。

使用している [Hu et al., 2015; Cheng et al., 2004;

世界標準となる大気質指数を確立するためには，

Kyrkilis et al., 2007]。カナダや香港では，日々の大それらの定義式を比較することは必須である。しかし，
28

大気化学研究 第 47 号 (2022)

大気汚染による健康被害の定量化における Ground-

な社会ニーズである大気汚染予報への適用という意

truth の設定が困難であることから，大気質指数の定味でも非常に有効な手段である。

義式を定量的に比較した研究例は少ない。Sato et al.

大気汚染による健康被害の認知度を向上するた[2020]は観測値とモデル値から導出された指数を比めには，大気汚染物質の時空間的に稠密な観測ネ

較するという方法で CII と AQI を比較し，モデル値にットワークと高精度なシミュレーション予測がまず必要

適用する場合の CII の有用性を示した。これは，モデであり，さらにそのデータを地球温暖化の「温度」にルがある物質を過大評価した場合に，AQI では考慮

相当する誰にでも理解できる基準を用いて適切に情される全ての IAQI の最大値を取るためにそのバイア報発信することが必要である。世界共通の大気質指スが強く出てしまうが，CII の場合は全ての大気汚染数の確立のためには，大気質指数の定義式やその物質の影響を平均により包括的に評価するため，部

比較方法等，依然として様々な課題がある。WHO の分的に相殺され，観測とモデルとの間の差が生じにく

ような国際組織がトップダウンで定義するのが最も早いためである。この観測とモデルの差を用いた大気道かもしれないが，まずは，世界各国の現場の研究

質指数の定義式の比較方法は，指数に対する大き者や民間事業者によるボトムアップによる議論を進め，

表 3. 本稿で述べた短寿命気候強制因子(SLCFs)の排出・化学過程・濃度・影響のリンクに関するサマリー。

1.

究極のゴールは何か。

・光化学反応・大気輸送・沈着等の諸プロセスを方程式で表現でき，排出量や境界条件が与えられれば，大気微量ガス成分群の濃度時間発展や収支を将来予測できること。各プロセスの役割を定量的に理解できること。
・濃度変動の原因を排出量変化に結び付けて把握でき，フィードバックを含め各成分による短
寿命気候強制因子（SLCFs）としての気候変動への寄与や健康影響を定量化でき，緩和策を提案できること。
・物理および化学等の法則に基づき，精度のよい化学天気予報を社会に発信できること。

2.

この 10 年での世界的な動向や日本での研究の強み

・世界的に，衛星観測や高精度現場観測・標準化が進展し，大気成分濃度情報の時空間的なカバレッジが大幅に向上し，観測と数値モデルの統合化が進んだ。
・日本の強みとしては，東アジア広域オゾン・PM2.5 大気汚染の原因把握，OH ラジカル反応性や不均一反応取り込み係数の評価，同位体などからのプロセス知見，複数の地球システムモ
デル開発，大気化学輸送モデルとデータ同化の進展，GOSAT 等で培った衛星観測解析技
術，排出インベントリの高度化がある。

3.

現在の重要な ・大気化学の心臓部となる OH ラジカル反応系の理解不足
ギャップ
・オゾン化学の非線形性と生成速度制限因子の空間分布の理解不足
・大気組成変化と排出との因果関係定量化，排出インベントリ/削減施策の迅速評価が不十分
・向上した衛星観測でも高度分布情報（成層圏含む），日変化情報が得られない・突発事象予測のための早期検出観測情報の不足

4.

それらを踏まえ，今後 10 年の研究をドライブする keyquestion or 作
業仮説

Ba

5.

・OH 反応系の理解不足は亜硝酸, ハロゲン類，不均一反応，揮発性有機化合物などで解消
し，全球 OH 量推定における方法間のギャップ(半球間勾配, トレンド）は埋まるか？
・キロメートル級の水平分解能を備え，連続的な面分布を計測できる衛星観測システムや温室
効果気体(GHG)-大気質(AQ)の統合解析は，オゾン化学の非線形性・生成制限因子の把握や，重要な排出源の評価を格段に進展させるか？
・地球温暖化による各物質へのフィードバック等の理解も向上させて，脱温暖化などの意思決定に科学エビデンスを与えられるか？
・数値モデルへのデータ同化の対象に，アンモニア, VOC などを NOx 等に加え総合化すると，オゾン, PM2.5 予測等が向上するか（気候変動・健康問題に加えて食糧問題へも知見を提供してゆけるか）？
・大気化学と気象・地球システムとの相互作用の理解向上や，鍵となる観測情報の取り込みにより，化学天気予報・地球システム将来予測だけでなく，気象の現業数値予報モデルが向上でき，社会に有益な情報を与えられるか？

主な連携相手 IGAC, iCACGP, COSPAR, CEOS, SPARC

29

大気化学研究 第 47 号 (2022)

世界にもっとも広く浸透しうる指標を作ってゆくことも

mitigation of non-methane near-term climate forcers,

有意義である。

Atmos. Chem. Phys., 20, 9641–9663, doi:10.5194/acp-209641-2020.

5. おわりに

Allen, R. J. et al. (2021), Significant climate benefits from near-

本稿で記述した具体的な内容をまとめると表 3 のよterm climate forcer mitigation in spite of aerosol reductions.

うになる。新たな衛星観測などを核にし，現場観測・Environ. Res. Lett., 16(3), doi:10.1088/1748-9326/abe06b.

数値モデル解析・実験・開発などを有機的に連携しBeirle, S. et al. (2019), Pinpointing nitrogen oxide emissionsて進める必要があり，研究者同士の連携度の向上もfrom space, Sci. Adv., 5, eaax9800.

重要な課題である。基礎科学の構築にも引き続き重Benedetti, A. & F. Vitart (2018), Can the direct effect of aerosols

点を置くほか，社会への情報発信も重要である。脱improve subseasonal predictability?, Mon. Weather Rev.,

温暖化・カーボンニュートラルの目標は間近に迫って

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原稿受領日: 2022 年 3 月 29 日

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doi:38

大気化学研究 第 47 号 (2022)

著者所属：
1. 海洋研究開発機構 地球表層システム研究セン
ター
2. 名古屋大学大学院 環境学研究科
3. 京都大学大学院 地球環境学堂
4. 国立環境研究所 地球システム領域
5. 九州大学 応用力学研究所
6. 千葉大学 環境リモートセンシング研究センター
7. 情報通信研究機構 テラヘルツ研究センター
8. 気象庁気象研究所 全球大気海洋研究部* 責任著者:
Yugo Kanaya <yugo@jamstec.go.jp>39４

Contributing Authors:

物理化学

未来の大気化学のための室内実験
Laboratory experiments for future atmospheric chemistry

江波進一，石塚紳之介，羽馬哲也，猪俣敏

総説 ―トピックス： 「大気化学の将来構想 2022-2032: 各論第１集」―

Research Focus

Article No. 047A04

未来の大気化学のための室内実験
Laboratory experiments for future atmospheric chemistry
江波進一 1 *，石塚紳之介 2, 羽馬哲也 3， 猪俣敏 1
物理化学をベースとした室内実験・理論計算研究が大気化学の発展に果たしてきた役割は大きい。
本稿では，１０年後の大気化学の発展の鍵となるテーマ・未解決問題を取り上げ，その突破口となる可能性がある室内実験技術について議論する。大気中の凝縮相に関する不均一性の定量化を目指した研究など，既成概念にとらわれない斬新な研究が期待される。

１．はじめにの約 4 分の 1 と報告されているが，二次有機エアロゾ

地球の環境は気相・液相・固相によって構成され

ルの年間生成量は，モデルにより 10-143 Tg/年と大ており，これまでの大気化学の主な舞台は気相であ幅に異なり，大きな誤差要因となっている。エアロゾルった。気相は均一な反応場であり，化学反応を取り扱

に関する不均一性を定量化し，モデルに組み込むこ

いやすいため，実験・理論研究が盛んに行われてきとができれば，これらの誤差要因を大幅に減らすことた。一方，溶媒分子が反応に重要な影響を与える液ができる可能性がある。また大気汚染によって世界

相，異なる相が接触する境界相である界面は，気相で年間約 430 万人が死亡しており，エアロゾルはとは異なる独自の反応場である。近年，液相・界面をその主因であるとされる[Shiraiwa et al., 2017]。界含む多相（multiphase）で起こる物理化学プロセスが面を含む多相反応によって，大気中のエアロゾル

大気化学の理解の鍵となることがわかってきたは酸化を受けており，その毒性も常に変化してい[Akimoto & Hirokawa, 2020]。例えば，空気中に浮遊る。これらの大気のエアロゾルが，どのように発生，成するエアロゾルは，気相の酸化剤（OH，O3，NO3，Cl

長，変質していくのか，という「エアロゾルの一生」になど）と気液界面や液中で反応を起こし，その結果，関しては未だによくわかっていない。このように，液エアロゾルの放射強制力（気候変動を引き起こす影相・界面を含む多相で起こる物理化学プロセスはエ響度）や生体への毒性が常に変化している。個々のアロゾルがもたらす気候変動への影響と健康影響のエアロゾルは微小ではあるが，地球大気に存在する理解において極めて重要と考えられるため，その全エアロゾルの表面積の総和は，地表面の総面積の容解明の取り組みは推進すべき課題である。

100 倍以上に及ぶと 推定さ れ[Seinfeld & Pandis,

本稿では，大気化学の発展の鍵となるテーマ・未2006]，界面の反応を無視することはできない。気候解決問題について議論する。気相，液相，界面の大変動に関する政府間パネル（IPCC）の報告書による

気化学，そして実験技術の進歩と今後の発展性につと放射強制力の不確かさが最も大きいのはエアロゾ

いて概説する。なお，本誌 34 号「有機エアロゾルに

ルと雲の相互作用に関する項目である。最新の第 6

関する不均一反応研究の現状と課題：大気化学と理次評価報告書では，エアロゾル−雲相互作用込みの論化学の連携」[谷本ら, 2016]において，理論計算「Organic carbon（有機炭素）」の放射強制力は，「SO2」

化学の大気化学における将来構想が既に記されて1

大気化学研究 第 47 号 (2022)いるので，本稿では主に室内実験に関する将来構想

急の課題である。これらの反応は，低揮発性の化について述べる。

合物を生成し，エアロゾルの生成と成長に寄与するため重要である。テルペン由来の RO2+R'O2 が

2. 気相の大気化学

十分速く，ROOR'という低揮発性の過酸化物が生気相の大気化学の分子科学的研究は，主にレー

成することで，エアロゾル生成に貢献している可ザーの発展とともに進み，気相で起こる多くの主能性がある[Berndt et al., 2018]。一方で，RO2 の自要な大気化学反応の速度定数や吸収断面積など

動酸化反応によって，分子内に「自動的に」ヒドの分光データが導出されてきた。これらのデータ

ロペルオキシド基-OOH が複数個存在する highly

は既に IUPAC reference data などで公開されていoxygenated organic molecules（HOM）が生成し，エる。これまで，成層圏で起きる化学反応過程は網アロゾルの生成に貢献している可能性がある

羅的に調べられてきた。一方，対流圏で重要な有[Bianchi et al., 2019]。最近の研究では，この自動酸機化合物が関わる反応については，光化学オゾン

化反応は NO 存在下（都市域の汚染大気条件下）生成能を評価するための有機化合物の第一段階でも RO2+NO に匹敵し，大気中のエアロゾル生成の酸化反応（OH 反応やオゾン反応），もしくは，の大部分を占めていると主張されている[Praske

その生成物の後続反応が主として研究されてきet al., 2018]。従来，RO2 の消失過程は R'O2, HO2,た。近年，二次有機エアロゾル生成の研究が盛ん

NO による二分子反応が主であると想定されてきになり，化合物の「揮発性」の概念のもと，生成たが，自動酸化反応も考慮しなくてはいけないこ

物の低揮発性化の鍵となる反応過程に注目したとがわかってきた。今後，大気汚染対策が進み，研究が行われてきた。しかし，下記に示すように

NOx 濃度が減少することが予想されており，自動

いくつかの反応系において未解決問題が残され酸化反応およびそれに伴うエアロゾル生成が重ている。

要になるだろう。
このように，大気中の代表的な揮発性有機化合物であるテルペン由来 RO2 の消失過程を決定する

2.1 RO2 の化学
アルキルペルオキシラジカル RO2 は，大気中の室内実験が望まれる。テルペン由来の RO2 は様々

HOx/NOx サイクルの中心となる重要な化学種でな構造を持つため，それぞれ速度定数が大きく異あり，その反応についてこれまで詳しく研究が行なることも考えられ，理論計算を含めた詳細な研われてきた（RO2 の大気中での役割に関しては究が必要である。

｢大気汚染物質群の新たな科学: 化学理論の更新

HOM 生成に関しては，水素原子移動反応が複と排出ー気候変動・健康問題の解決へ向けて」の数回，秒のスケールで起きているとされるが，今章を参照） [Orlando & Tyndall, 2012]。しかし，近後，それらの反応を逐次反応の 1 ステップ毎に追年その重要性が明らかになってきた炭素数が 10

跡することができれば，HOM の生成機構の直接以上のテルペンを由来とする RO2 に関してはまだ的な証明になると考えられる。

十分理解されていない。特に RO2 の反応の分岐比

また，人為起源の代表的な揮発性有機化合物でが非常に重要な未解決問題となっている。具体的あるトルエン由来の RO2 の反応に関してもまだ完には，RO2 の self-reaction（RO2+RO2）および他種

全には理解されていないため[Wang et al., 2020]，

R'O2 との反応（RO2+R'O2），RO2 の分子内自動酸

こちらも引き続き，室内実験研究が必要である。

化反応（autoxidation）の反応速度定数の導出が早2

大気化学研究 第 47 号 (2022)

2.2 安定化クリーギー中間体の化学

一方で，アルケンとオゾン反応の初期にはエネ

安 定 化 ク リ ー ギ ー 中 間 体 （ stabilized Criegee

ルギーが過剰な状態のクリーギー中間体が生成intermediate, sCI）はアルケンとオゾン反応で生成し，安定化する以外に，異性化してビニルペルオ

するカルボニルオキシドと呼ばれる化学種であキシドを経由し，OH ラジカルを放出する経路もる。後述のエネルギーが過剰な（hot な）状態のクある[Chhantyal-Pun et al., 2020]。その場合は，HOx

リーギー中間体に対して，エネルギー的に「安定サイクルと大気の酸化能に影響を与える。そのた化」したものを sCI と呼ぶ。sCI はビラジカルとめ，様々なアルケン+O3 反応系での sCI と OH の両性イオンの性質を持つ中間体である[Chhantyal-

収率に関する研究が進められてきた[Chhantyal-

Pun et al., 2020]。2008 年に Taatjes らによって最Pun et al., 2020; Hatakeyama & Akimoto, 1994]。

も単純な sCI である CH2OO の直接検出がなされ[Taatjes et al., 2008]，それ以降，sCI の分子科学研

2.3 異性化反応究が盛んに行われている。sCI は，-OH 基を持つ

上述のように，気相で起こる主要な大気化学反分子（主に水，アルコール，カルボン酸）や SO2,

応が研究されてきたが，近年，実験手法や理論計

アミンやアンモニアなどと反応し，大気の重要な算の改良によって，新しい反応経路の発見が報告

反応種としての役割を担っている。テルペンは分されている。特に，ラジカルの異性化反応に関す

子内に C=C 二重結合を持つため（時に複数個持る報告が多い。これまでよく調べられてきたa-ピつ），大気中の主要な sCI のソースである。テルペ

ネンやジメチルスルフィド（DMS，硫化ジメチル

ン由来の sCI の消失過程が二分子反応で進む場合，とも呼ばれる）の OH 酸化反応の反応機構に，粒揮発性の低い生成物が生じるため，エアロゾルの子生成につながる新しい異性化反応が報告され生成に寄与する。しかし，sCI の反応性はその分ている。

子構造に大きく依存することが理論的に示され代表的なテルペンであるa-ピネンと OH の反応ている[Long et al., 2019; Vereecken et al., 2017]。複は，OH 基がa-ピネンの六員環にある二重結合に雑な構造を持つテルペン由来の sCI の消失過程を付加し，もう一方のラジカルポイントに酸素分子

実験的に調べることが今後の課題である。

が付加する過程が主要な反応経路である。また，さらに，sCI の役割として特筆すべき点は，OH

ラジカルポイントが四員環の炭素に移動して，四との反応が遅くて大気中で分解しないと考えら員環が開環する過程の存在も報告されていたが，れていた化学種とも，速い反応速度で反応する場

その開環のルートが HOM 生成に重要である可能合があることである。例えば，近年，環境汚染が性がある（図１）[Inomata, 2021; Xu et al., 2019]。

問題になっているペルフルオロオクタン酸が，CH2OO とほぼ拡散律速の速さで反応することが見出された[Taatjes et al., 2019]。ペルフルオロオク
タン酸の炭素にはすべてフッ素が付いているた
め，OH での引き抜き反応は起こりにくい。しかし，sCI との反応では，速やかにヒドロペルオキ
シド基を持つエステル化合物を生成する。このよ
うに，大気中における sCI の役割はまだ十分には
図１ 新粒子生成(NPF)につながるa-ピネンの四員環の開環経路(枠組み内)[Inomata, 2021]。

理解されていない。

3

大気化学研究 第 47 号 (2022)

同様のラジカルの異性化反応が，六員環外に二重結合のある β-ピネンと OH の反応系でも報告されている[Xu et al., 2019]。開環ルートの収率はアセトンの生成収率から求められていた（a-ピネンの場合約 7％[Nozière et al., 1999]）が，今後，開環ルートの収率の見直しが必要かもしれない。
DMS は主に海洋の植物プランクトンから放出される揮発性の硫黄化合物である。
主に OH によって酸化され，最終的に硫酸もしくはメタンスルホン酸となり，雲の凝図２ Berndt らにより提案された気相で起こるジメチルスルフィド(DMS)＋OH の新規反応経路(赤字と赤矢印)[Berndt et al., 2019]。

結核やエアロゾルを発生する（「人新世に分解する。この反応経路の中心は，上記 2.1 節のおける海洋エアロゾル・生物の気候フィードバッ

RO2 の自動酸化と同じ分子内の水素原子移動反応ク」の章参照）。CLAW 仮説で知られるように，であることが興味深い。この反応経路は従来の大DMS の生成・放出が地球規模の気候変動に関与し気化学モデルでは組み込まれておらず，今後ている可能性が指摘されている[Charlson et al.,DMS+OH 系の見直しが必要になるかもしれない。

1987]。エアロゾルと雲の相互作用が放射強制力の上記のいずれの反応系もこれまで非常によく不確かさの最大の要因であることを踏まえると，研究されてきており，未知の反応経路はないと想DMS の酸化過程は極めて重要な反応であるとい

定されてきた。しかし，a-ピネンのケースで明らえる。実際に，その重要性から DMS の酸化反応かになったように，収率（分岐比）は低くても，に関する多くの研究が行われてきた[Barnes et al.,

生成物の揮発性が低い場合には粒子生成につな

2006]。

がるなど，大気へ大きな影響を与える反応経路が近年，化学イオン化質量分析法を用いた実験に存在する。今後も，エアロゾル生成につながる気

よって，DMS+OH の酸化過程に新しい反応経路が相反応の詳細な研究が重要である。また未知の反報告された[Berndt et al., 2019]。DMS+OH の反応

応経路の探索には理論計算の助けが必須である。

では，硫黄原子 S に OH が付加しジメチルスルホ

特に，質量分析法を用いた実験では，生成物の異キシド（DMSO）が生成する反応経路と，メチル性体を区別することは困難である。理論計算によ基の水素原子が引き抜かれ O2 が付加することでって，異性化反応に進む反応経路の分岐比を推定

CH3SCH2O2 ラジカルが生成する反応経路がある。

することで，多様なエアロゾル有機分子の起源に

この CH3SCH2O2 は RO2 ラジカルの一種で，そのついて定量的な議論が可能になる。

他の RO2 同様に NO や RO2/HO2 と二分子反応を

また，上記のような課題に取り組むためには，有起こすと想定されてきた。しかし，Berndt らは

機合成化学者との連携が今後重要になるであろ

CH3SCH2O2 の>95%は異性化し，CH2SCH2OOH とう。定量分析の鍵となる標準物質や，複雑な構造

なり，さらに O2 が付加し OOCH2SCH2OOH ラジを持つテルペン由来化合物などは市販されていカルとなる反応経路が存在することを見出したないケースが多い。有機合成によって，研究に必（図２）。OOCH2SCH2OOH はさらに異性化し要な化合物を自在に合成し使用できれば大きな

HOOCH2SCHOOH となり，
HOOCH2SCHO + OH に

アドバンテージになる。実際に，海外の大気化学
4大気化学研究 第 47 号 (2022)

研究では有機合成化学者と連携し，大気中で鍵と（ CH2 の分子量に相当），16（ Oの原子量に相なる化合物を合成し用いることで，近年，大きな当），18（ H2O の分子量に相当）であることを見成果を挙げている（例えば [Barber et al., 2018;

出した[Dommen et al., 2006]。この結果はSOA内にKenseth et al., 2020]）。

いくつかの周期的なユニット構造を持つ高分子
量の化合物が生成したことを意味している。この

3. 液相の大気化学

ような化合物は，気相の反応で生成するモノマー

エアロゾルや雲粒などの大気の凝縮相の内部での揮発性からは説明できない。そのため，SOAの起こる液相反応は，粒子の蒸発や凝集，吸湿，相状「内部」でオリゴマー化反応が進んだ可能性が示態の変化，溶解等に影響を及ぼすため重要である。

唆される。

しかし，液相で起こる大気化学反応は気相に比べて硫酸エアロゾルなどの酸性の粒子が存在する

まだよくわかっていない。その理由の一つは溶媒のと，気相のアルデヒド，ヒドロペルオキシド，ア存在である。液相においては溶質の化学反応は常に

ルコール，カルボン酸は粒子に吸収されたのち，溶媒分子の影響下で起こる。例えば，RO2+RO2 の（ペルオキシ）ヘミアセタール，アセタール，ア

self-reaction や RO2+R'O2 の cross self-reaction は気

ルドール反応生成物，アルドール縮合体，エステ

相では比較的遅いが，液中では多くの場合，非常にルなどのオリゴマーの生成を促進することが知速い。これは ROOOOR(ROOOOR')中間体が溶媒分られている[Jang et al., 2002]。酸性粒子内に気相生

子（水など）によって安定化することが理由に挙げら成物が取り込まれて低揮発性の化合物を生成すれる。液相では，第三体（third body, M）が常に密にる過程は「酸触媒不均一反応」と呼ばれ，粒子を存在する「高圧」条件にあるといえる。

成長させるという点で重要である。

これまで OH ラジカルやオゾンによる速い酸化反応

しかし，これらの反応は基本的に可逆反応のたに関しては比較的研究が進められてきた。一方で，め，条件次第では元に戻る（オリゴマーの分解）

エアロゾル・雲粒内で数時間～数日という比較的ゆことが起こりうる。また，HOMやsCIの反応生成

っくりとした時間スケールで進行する縮合反応・重合

物は-OOH基を持つヒドロペルオキシドであるた反応などに関してはよくわかっていない。また，大気め，粒子内に多くのヒドロペルオキシドが存在す

中には水が大量に存在しているため，有機化学でよると考えられている。ヒドロペルオキシドは酸触く知られている有機溶媒中で起こる反応が，水が存

媒分解が知られている[丸山, 1960]。テルペンのオ在する実際の大気の凝縮相で起こるのかどうかにつゾン酸化で生成するヒドロペルオキシドの一部

いては今後詳しく研究する必要がある。特に，液中には，水溶液中でH+の触媒反応によって，過酸化水

おけるオリゴマーや有機硫酸エステルの生成，微小素に分解することが報告されている[Enami, 2021]。

で不均一な液相の大気化学反応の理解は現時点でオリゴマーの生成と分解の兼ね合いが，SOA生

不十分であり，ここで取り上げる。

成量の決定に重要であり，オリゴマーの生成と分解過程を体系的に理解することが今後必要であ

3.1 オリゴマーの化学る。

Dommen らは，イソプレンがNOx 存在下でOHと反応して生成するSOA をマトリックス支援レ

3.2 有機硫酸エステルの化学

ーザー脱離イオン化質量分析法で測定し，質量数

有機硫酸エステル（OS）は，大気粒子に含ま100～600の範囲に現れるイオン信号の間隔が 14れる重要成分として，近年注目を集めている5

大気化学研究 第 47 号 (2022)[Brüggemann et al., 2020]。OSは揮発性が低いの

水

DMSO

で，その生成過程を理解することは，SOA生成のモデル化に必須である。OSの生成過程は，従来考えられていたアルコールとのエステル化反応ではなく，エポキサイドとの酸触媒開環反応が有力とされている。また，スルフォキシラジ
カル（SO3•）の液相内での反応やSO2の界面での不均一反応も提案されている。現在のモデルで

図３ 水:DMSO の混合溶液(海洋エアロゾルのモデル)の内部には 10-10 から 10-9 メートルのサイズのドメインが存在する。Oh & Baiz [2020]を一部改変。

は，イソプレン由来OSにフォーカスされているが，モノテルペン由来OS，人為起源由来OSのモ

とえば，a-ピネンのオゾン酸化で生成するa-ヒド

デル化も今後必要と考えられ，またそれらに帰ロキシヒドロペルオキシドの水：アセトニトリル

属できないOSの存在も確認されており，この解溶媒中での分解速度を調べた実験では，溶媒中の明も残されている。

水の体積%が 60%から 20%に変化すると，分解速

また今後，大気汚染対策で硫酸エアロゾルの量

度定数もそれに従いほぼ線形的に減少する。とこが減ることが予想されており，その場合，無機硫酸イオンに対する有機硫酸イオンの割合が大きろが，20%から 10%に変化させた時には，その分くなり，粒子の吸湿性や形状に変化が生じると予解速度定数は突然一桁減少する[Qiu et al., 2020]。
これはa-ヒドロキシヒドロペルオキシドの寿命想されている[Riva et al., 2019]。エアロゾル−雲相互作用への影響が考えられることからも，OS のに換算すると，1 時間（水 20%）から 11 時間（水研究は必要である。

10%）の劇的な変化である。b-カリオフィレンの
オゾン酸化で生成するa-ヒドロキシヒドロペルオキシドの水：アセトニトリル溶液における分解

3.3 微小不均一性の化学

反応速度定数においても，同様の非線形的な挙動

従来の液相の大気化学の研究では，主に単一のが報告されている[Qiu et al., 2019a]。このような非溶媒（水やアルコール）が使用されてきた。しか線形的な挙動は，水と水以外の液体の混合溶液でし，水と親水性溶媒の混合溶液には，濃度の不均普遍的に観測されており，液中反応だけでなく，一な偏りができることが知られている。例えば，界面反応においても重大な影響を与えている

海洋エアロゾルのモデルとして考えられる水と[Enami et al., 2019]。

ジメチルスルホキシド（DMSO）の混合溶液は，

このように混和している水溶液でさえ，極微視

分子レベルでは不均一な状態で存在している（図的には不均一であり，実際の大気中の凝縮相は，３）。水：イソプロパノール（IPA）などの混和溶

水とそれ以外の成分で構成されているため，常に液でも同様の「微小不均一性」が報告されている。

分子レベルでは不均一な状態として存在してい重要なことに，水と水以外の混合溶液では，分子るはずである。このような不均一性は，周りの環の集合体（ドメイン）が普遍的に発生することが境条件（相対湿度，温度，太陽光・酸化剤の有無）

知られている。このような分子レベルでの不均一によって変化していき，液相反応のみならず，界性が存在する反応場では，反応速度が反応物のバ面で起こる物理化学過程に重大な影響を与えてルク濃度に対して非線形的に応答するため，従来いると推定される。従来の室内実験で導出されたの反応速度論で議論することは不可能である。た6

大気化学研究 第 47 号 (2022)

図４

大気中で起こる界面反応と今後の研究課題。

反応速度定数や取り込み係数は，これらの微小不接する境界（気液界面）や，水が付着した固体エ

均一性を考慮せずに，空間・時間平均を取った値

アロゾルの境界（固液界面）は，界面特有の現象であるため，実験の系によっては再評価が必要とが起こる反応場であり，大気の物理化学過程に大なる可能性がある。実際に，ドメイン内で起こるきな影響を与えている（図４）。以下，界面の特異反応は，均一な溶媒を仮定したときよりもオーダ

性の起源，界面反応の定量化と界面光反応の重要ーレベルで速く進行する可能性が示唆されてお性について述べる。

り[Kononov, 2015; Qiu et al., 2019a]，その定量化と大気の凝縮相中で起こる化学反応に与える影響

4.1 界面の特異性の起源の解明の評価が今後必要になる。

空気−水界面に存在する化学種の密度分布は，ここで取り上げた液相反応を研究することで，エ深さ方向（z 軸方向）に偏りが生じ，それぞれのアロゾル・雲粒の蒸発や凝集，粒子の吸湿，粒子の存在する層によって反応速度や生成物が変わっ相状態の変化，溶解等の物理過程の理解が進み，てくる。例えば，海洋上の大気で重要となるヨウ大気化学モデルと観測結果への橋渡しが可能にな

化ナトリウム（NaI）水溶液−空気界面では，ヨウると期待される。また，エアロゾル内部で起こる化学化物イオン（I-）は空気側の最表面（深さ約 0.4nm）変化を解明することで，エアロゾル成分中のどの化合に濃度分布の極大を持つため[Jungwirth & Tobias,

物が人体への悪影響を及ぼしているのかが推測でき

2006]，最表面の I-は気体のオゾンと特異的に反応るようになるため，PM の健康影響を解明する上でもすると予想される[Sakamoto et al., 2009]。

重要である。

また，気液界面では液体の密度が液中に比べて低いため，溶媒和が不完全になり，そこで起こる

4. 界面の大気化学

反応が液中とも気相とも異なるケースが数多く

近年の研究によって，エアロゾルと雲粒の発報告されている[Enami et al., 2014; Ruiz-Lopez et al.,

生・成長・変質には，界面反応が深く関与してい2020; Wei et al., 2020]。例えば，酸性エアロゾルにることがわかってきた。空気−液体エアロゾルがイソプレンやテルペンのガスを吹き付ける実験

7

大気化学研究 第 47 号 (2022)

Nagata et al., 2019; Nojima et al., 2020; Sazaki et al.,分子の吸着・脱離2010]。また，水が凍結するときに水−氷界面を介して反応が増幅される可能性が示されている

界面活性な分子[Kim et al., 2016; Takenaka & Bandow, 2007]。しか拡散し，大気条件下に存在する氷とその界面で起こる

界面反応

反応機構と，その特異性の起源はまだよくわかっ
液中反応

ていない。

図５ 大気中のエアロゾル・雲粒の気液界面で起こる
化学反応・物理過程の模式図。Bzdek & Reid [2017]を一部改変。

4.2 界面反応の定量化
上述のように，分子レベルで不均一な気液界面

では，気液界面に存在する(H3O+)(H2O)n≤4 がイソプで起こる物理化学過程は，気相とも液相とも異な

レンやテルペンに H+を渡すことがわかっている

る特殊なものであることがわかってきた。それが[Enami et al., 2012; Ishizuka et al., 2020; Matsuoka et

実際の大気中でどのような働きをしているのか

al., 2017]。水中に存在する(H3O+)(H2O)n=5 は同様のについてはまだよくわかっておらず，界面で起こ

H+移動反応を起こすことができないため，気液界る物理化学過程を定量化する必要がある。従来，面における「不完全な水和」が，界面反応の特異反応速度定数（k）や反応性ガスのエアロゾルや雲性の起源の一つであると言える。

粒への取り込み係数（g）の決定を行う実験においまた，空気−水界面では面方向（x, y 軸方向）にては，溶媒として単一の溶媒（多くは純水）を用おいても分子レベルの不均一性が生じている。界いており，「その中に含まれる成分は均一に混ざ面活性な有機化合物は，ある特定のバルク濃度でっている」という前提で解釈を行ってきた。しかは空気−水界面に島状に不均一に分布し，界面反し，上述のように，自然に存在する溶媒には，常応と吸着・脱離・拡散などの物理過程に影響を与に溶媒と溶質の両方に極微小な不均一性が生じえている（図５）。界面活性なカルボン酸が液滴のており，k とgは界面の不均一性のために変化する

表面に存在する場合，これまで想定されてきたよため，「定数」として扱うことに問題があるかもし

りも容易に雲粒の成長が起きることが示されてれない[Enami et al., 2019]。従来の k, gに代わり，溶いる[Ruehl et al., 2016]。

質・溶媒濃度などの条件に応じて変化する分子レ

このように空気−水界面では深さ方向と面方向

ベルの不均一性の効果を反映する kreal, greal を導出

において，溶媒と溶質（反応物や生成物）の分布する必要があるだろう。理想的には，気液界面のに分子レベルの不均一性が生じており，それが反サブナノメートルの空間分解能においてそれぞ

応メカニズムに劇的な影響を与えていると考えれの反応場における kreal を決定したいが，これはられる。しかし，分子レベルで不均一な気液界面

実験的には非常に困難であるため，理論計算の助の「どこで」界面反応が起こっているのか，など

けが必要であろう。理論計算によって，それぞれの問題が残されている。

の反応場におけるローカルな k, gを導出し，それまた空気−氷界面や水−氷界面も，成層圏・対流らを実験の系における kreal, greal とつなぐ必要があ圏で起こる不均一反応の反応場として重要である。kreal, greal を導出し，大気モデルに組み込むことる。最新の研究によって，空気−氷界面の分子構造で，初めて界面反応が大気に与える影響を定量的と，そこで起こる諸現象の理解が進んできたに評価することができる。

[Nagashima et al., 2016; Nagashima et al., 2018;8

大気化学研究 第 47 号 (2022)

4.3 界面光反応の解明

ロゾルの成分を見るためには熱をかけて気化さ

大気−海洋の境界であるマイクロレイヤーやエせる必要があり，成分の熱分解の恐れがある。今アロゾルの気液界面には，ノナン酸

後，エアロゾル成分を「そのまま」の状態で見る（CH3(CH2)7COOH)などの界面活性な有機分子がためのブレークスルーが必要である。それまでは，

液中よりも濃縮して存在している。気相や液相にフィルター捕集後に抽出・誘導体化などを行っておける光吸収スペクトルのデータからは，これら安定化させて，分析にかける従来法との比較を行の有機分子について太陽光（> 295 nm）による反うことが必要であろう。

応は起こらないとされ，従来，光化学反応は考慮

オンライン質量分析法では，高質量分解能化す

されてこなかった。しかし近年，これらの界面活ることで，組成が異なれば区別して検出すること性な分子が気液界面では活発な光反応を起こすが可能であるが，異性体は区別できないという問ことで，大気の掃除屋と呼ばれる OH が生成し，題点がある。異性体を区別していく方向性として地球大気に影響を与えている可能性が示唆されは，MS×MS（タンデム質量分析）ができるシスている[Rossignol et al., 2016]。しかし，本当にカルテムにする[Sekimoto et al., 2020]，イオン移動度とボン酸の光分解で OH が生成するのか？また，な組み合わせ衝突断面積の違いを求める[Iinuma et

ぜ気液界面ではカルボン酸が光反応を起こすのal., 2021]，などがある。これらの技術は現在は室か？などに関してはわかっていない。また，理論

内実験での使用に限定されるが，可搬型のものが計算によると気液界面に存在するオゾンの光分できてオンサイトで観測等に用いられるように解反応は，気相・液中と比べて早く進む可能性がなれば，大気化学の理解が飛躍的に進むと考えら報告されている[Zhong et al., 2019]。このような界れる。

面光反応が大気中で重要な働きをしている可能性があり，そのメカニズムの解明が急がれる。

5.2 光学技術
気相の化学種の選択的な検出に，化学種の吸5．実験技術の進歩と今後の発展性

収・発光が用いられる。発光は高感度検出が可能

5.1 質量分析技術であるが，発光する化学種は限定的であるという

質量分析技術は気相，液相，界面の三相の物質問題がある。一方，吸収はすべての化学種が持つを対象とする非常に強力な手法である。直接大気ので，高選択性・高感度化を目指していけばよい。

の取り込みが可能なソフトイオン化質量分析法

また，定量的である点もメリットである。高選択の革新的な進歩により，多種多様に存在する有機性の観点から言えば，化学種固有の吸収線が利用

物の高時間分解能での測定が可能になった。そのできれば良いので，線幅の狭いレーザーの普及が成果として HOM の存在が明らかになるなど，新求められる。吸収帯としては，電子励起遷移（紫しい発見に貢献している[Ehn et al., 2014]。さらに，

外～可視領域）や振動-回転線のある中～遠赤外

インレット部にエアロゾルを（捕集＋）気化させ領域（4～10µm）が用いられる。紫外～可視領域

るシステムを組み合わせることで，エアロゾル成では青色発光ダイオードの普及，中～遠赤外領域

分の高時間分解能での測定が可能となっている。

では量子カスケードレーザーの普及により，多く

これまでのエアロゾル質量分析計ではイオン化の新しい計測装置が開発されている[Sakamoto &に電子衝撃法が用いられてきたが，ソフトイオン

Tonokura, 2012]。一方の高感度化の観点から言え化の工夫がされた点に進展がある。しかし，エア

ば，光路長を稼ぐキャビティリングダウン分光法

9大気化学研究 第 47 号 (2022)（Cavity Ringdown Spectroscopy, CRDS）やキャビを系統的に調べられるシステムが必要である

ティ増幅吸収分光法が優れている[Maity et al.,[Deng et al., 2021]。

2021; 川崎, 2007]。従来の物よりもさらに高反射

光化学チャンバーは，大気中で起きる光化学反率のミラーと高感度の光電子増倍管を用いるこ

応を研究するために考案された大型の反応容器とで，これまで不可能であった極微量成分の検出である。大容量が必要とされるのは，分析上の理ができる可能性がある。

由と反応上の理由からである。分析上の理由とし

また，これまで用いられてこなかったテラヘルて，反応物・生成物の分析にチャンバー内の大気

ツ領域の波長域を用いた光学技術が，大気化学のを吸引する必要がある点が挙げられる。また，反室内実験においても有効利用されるかもしれな

応上の理由として，低濃度のガスを用いた実験でい。

は反応容器の壁面での吸着や脱着が無視できず，その影響を減らす必要がある点が挙げられる。そ5.3 反応実験研究技術のため，表面積／体積比が小さくなる大容量の容

気相ラジカル反応の速度定数を決定する実験器が求められた。この要請にこたえるため，光化は，反応させる分子の濃度過剰条件下において，学チャンバーは二つの方向の発展を遂げた。一つラジカルの減衰率から決定する手法が一般的には真空排気型で，実験終了後，容器を高真空にす用いられている。フローチューブ系で行われ，ラることで吸着物質を除去し，前の反応実験の履歴

ジカルは質量分析法もしくは分光学的手法で検をなくし再現性のあるデータ取得を目指すもの出される。例えば，Taatjes らはシンクロトロン光である。国立環境研究所の光化学チャンバー（内イオン化質量分析法を用いた sCI の直接検出によ

容積 6 m3）はこのタイプのものである。もう一つって，気相における多くの sCI の反応速度定数をは屋外型で，光源は自然太陽光を用い，大容量の決定してきた（例えば [Taatjes et al., 2019]）。一方，

チャンバーを可能にし，壁面の影響を極力減らす

ラジカルを検出せずに行う手法として，光化学チものである。代表的なものは，スペインのバレンャンバー等を用いた相対法がある[Illmann et al.,シアに建設された EUPHORE で，内容積は 187 m3

2021; Yajima et al., 2017]。反応速度定数が既知のもに及ぶ[秋元, 2014]。現在稼働中の光化学チャンバのと比較し，速度の相対値を求めるもので，有機ーについては，Hallquist et al.[2009]の表 2 にまと化合物の OH や Cl 反応の速度定数の決定に使わめられている。

れてきた。最近は，フローチューブと前述のオン

雲凝結核のエアロゾルの吸湿性などを調べる

ライン質量分析計を組み合わせて，RO2 ラジカル技術に雲チャンバーがある。エアロゾル内に雲凝等 の 反 応 研 究 に 用 い ら れ て い る [Berndt et al.,

結核を導入し，減圧・低温にしながら雲生成を起2018]。

こすものであり，エアロゾル-雲相互作用の研究

反応生成物や二次生成有機物粒子の収率等をに有益である。国内では，気象研究所の雲チャン求める研究には，光化学チャンバーが用いられる

バーがある[Tajiri et al., 2013]。海外では，European[Ramasamy et al., 2021]。しかし，二次生成粒子のOrganization for Nuclear Research （ CERN ） の生成は十分に定量化されていない様々な要素に

CLOUD（Cosmics Leaving Outdoor Droplets）チ依存するとされている。従来の酸化剤（OH/O3/NO3）

ャンバーや Karlsruhe Institute of Technology のを変えた実験（光照射の有無）だけでなく，温度，

AIDA（Aerosol Interaction and Dynamics in the湿度，シード粒子の量や性状（酸性度）の依存性

Atmosphere）チャンバーなどがあり，低温での10大気化学研究 第 47 号 (2022)

SOA 生成や新粒子生成の研究などに用いられて
い る [Caudillo et al., 2021; Kirkby et al., 2016;
Saathoff et al., 2009]。また，Interuniversity Laboratoryof Atmospheric Systems （ LISA ） で 考 案 さ れ た
CESAM （ Frenchacronymfor

Experimental

Multiphasic Atmospheric Simulation Chamber） チャ
ンバーは，雲発生中や発生後のエアロゾルのエイ
ジングを調べることができるように設計されている点に特徴がある[Wang et al., 2011]。

図６ 界面活性な有機分子は濃度と表面圧に応じて気液界面における構造が異なる。低濃度（moleculararea が大きく surface pressure が低い）では島状に存
在 し ， 高 濃 度 （ molecular area が 小 さ く surfacepressure が高い）になると単分子膜や多層膜が形成される。Ruehl & Wilson [2014]より抜粋。

気液界面で起こる反応の理解は，近年の実験手法の発展により飛躍的に進展した。例えば，マイクロジェットと質量分析法を利用した手法では，
サンプル水溶液をネブライザーでマイクロジェットとしてチャンバーに噴霧し，そこに反応ガスを吹き付ける。反応後，微小液滴の分解により，（LIF-CRDS）。LIF では OH からの蛍光を，CRDS

気液界面のイオンが選択的に気相に放出され，そでは OH の吸収を測定する。水溶液界面で起こる
光反応によって気相に放出される OH を直接測定のイオンを質量分析計で計測する[Enami et al.,することで，光反応速度定数と OH の収率を導出

2014]。ただし，本手法では，反応時間が数十µs 以できる。海洋のマイクロレイヤーやエアロゾルの内に起きる現象しかとらえられないという制限がある。その反応時間を制御できるようになれば，気液界面に存在する界面活性なモデル分子として，ノナン酸などの長鎖のカルボン酸が用いられ

気液界面の反応に関する多くの情報を得られるている。カルボン酸の気液界面の光反応で気相へだろう。また，この手法は，液相内で起こる反応

放出される OH を検出することで，本当にカルボに応用できることも確かめられ[Qiu et al., 2019a;

ン酸の光分解で OH が生成するのか？また，なぜQiu et al., 2019b]，エアロゾル・雲粒内部で起きて気液界面ではカルボン酸が光反応を起こすのいると考えられるヒドロペルオキシドの酸触媒か？という重要な問いに答えることができるか反応やフェントン反応（Fe2+ + H2O2）等の液相反もしれない。

応の理解が今後深まることが期待される。

カルボン酸は，水素結合を形成するか否かでOH 生成効率が大きく異なることが知られている。

5.4 気液界面の光化学研究

また，水溶液界面において界面活性な有機分子の大気−海洋の境界であるマイクロレイヤーや，構造は，分子の被覆率や表面圧によって「島状」，

エアロゾル・雲粒の気液界面で起こる光化学反応「単分子膜」，「多層膜」など不均一な構造をもつを研究するために，気液界面の光反応実験装置の（図６）。気液界面における分子の構造が光反応開発が進められている。水界面に存在する界面活に与える影響を解明することが，対流圏での太陽性な有機分子の光反応を調べるために，レーザー
誘起蛍光法（Laser-induced fluorescence, LIF）と光による光反応効率を定量する上で重要な課題

CRDS を組み合わせ，水溶液界面の有機分子の光である。

反応で生成する OH の LIF, CRDS 同時測定を行う

11大気化学研究 第 47 号 (2022)

界面 （< 1 nm） や微小不均一性（ドメイン）のような分子スケールの局所的な計測は未だに難しく，物
理化学的な情報が得られる手法や系は限られている。
上述の水のマイクロジェットと質量分析法を利用した手法（SIMS: Spray Ionization Mass Spectrometry）では，気液界面約 1 nm で起こる不均一反応によるダイ
ナミックな組成変化を直接調べることができる。この計測手法によって，前述の界面に存在する分子レベルの不均一性と化学反応機構を関連付けることが可能となった[Enami et al., 2019]。また，真空チャンバーに導 入 し た 液 体 ビ ー ム を 光 脱 離 分 光 法 （ photodetachment spectroscopy）で分析することで，液体の表面部分と液中に存在するイオンを別々に調べることができる可能性がある[Hiranuma et al., 2011]。気液
界面の分子の情報を得るために，より一般に用いられ て い る 手 法 と し て ， 和 周 波 発 生 分 光 法 （ SFG:
Sum-Frequency Generation） を始めとした界面選択性を持つ分光法がある[Inoue et al., 2020; Ishiyama etal., 2011; Nojima et al., 2017; Qiao et al., 2013]。SFG

図７ (A) 実験的に生成した Sea Spray Aerosol の AFM像。色の違いは探針がタップする際の位相の変化を表しており，エアロゾルが相分離によって Core-shell 構造を内包していることがわかる。（Bertram et al. [2018]から抜粋） (B) 光酸化反応を経た Fe (III)-Citrate 粒子のSTXM-NEXAFS 像。界面近傍に生じた二価鉄/三価鉄の 比 の 不 均 一 が 可 視 化 さ れ て い る 。 （ Alpert et al.
[2021]から抜粋） (C) 硫酸アンモニウム/有機物の混合からなるエアロゾルのクライオ TEM 観察像。複雑な表面形態を持っていることが分かる。（ Kucinski et al.
[2019]を一部改変）

によって界面の不均一構造を明らかにし，他の手法で測定した不均一構造で起こる化学反応を議論する
ような相補的な活用が期待される。明らかにした反応
機構は，前述の LIF-CRDS によって，化学反応速度
定数や，量子収率が決定できる可能性がある。
エアロゾルが内包するナノからサブマイクロスケー
ルの不均一構造については，原子間力顕微鏡（AFM: Atomic Force Microscopy），走査型透過 X 線

5.5 粒子の不均一性に注目した最新技術

顕微鏡−吸収端近傍 X 線吸収微細構造分光

多くの実験的研究やフィールド観測では，無数のエ（ STXM-NEXAFS: Scanning Transmission X-ray

アロゾルが分散した実験系の平均像として，エアロゾ

Microscopy-Near

ルの化学組成，光学特性などが調べられてきた。し

Edge

X-ray

Absorption

Fine

Structure），クライオ透過型電子顕微鏡 （cryo-TEM:

かし，エアロゾルはサイズや化学組成に幅を持ち，そTransmission Electron Microscopy） によるオフライン

れぞれの粒子が内包する不均一構造やそのサイズ

観察と分析が近年報告されるようになっている。図７

依存性，表面近傍の局所的な現象を議論することはに各観察法を用いたエアロゾル試料の観察例を示す。

難しい。気候変動や環境汚染の主要因である 0.01-

AFM は探針を這わせることで，エアロゾルの構造を 310 µm のエアロゾルの不均一性を計測し，相状態や次元的に調べる手法で，液相のエアロゾルが探針を化学反応性と紐づけ，理解するための手法が，今後引っ張る力から表面張力を求める解析法も考案されのエアロゾルの物理化学的研究の鍵の一つである。
12

大気化学研究 第 47 号 (2022)ている [Lee & Tivanski, 2021]。 STXM-NEXAFS は，のものや，別の光源を用いて様々な計測が行える。

放射光を用いた吸収端近傍 X 線吸収微細構造分光

大気化学的に重要となり得る手法として，可視光の（NEXAFS） によって，他の手法では得られないエア散乱スペクトルから屈折率と粒径をナノメートルレベ

ロゾル内部の化学結合についての情報が調べられる。

ルの精度で求める手法 [David et al., 2016]，左右のTEM はここで取り上げた手法の中で最も時間・空間

レーザー光強度を変化させた際のエアロゾルの調和分解能が高く，形態観察に適している。 TEM は電振動から質量を求める手法[Reich et al., 2020]，光音

子線を試料に照射し，試料を透過させて観察する

響効果を用いて適応係数を求める手法 [Diveky et

顕微鏡法であり，電子線が通る経路には高真空環

al., 2021]，界面張力波の周波数シフトから界面張力−5

境 （10 Pa） が必要となる。そのため，水や有を求める手法[Endo et al., 2018]，2 つの粒子が合体機物を含む揮発性のエアロゾルの観察は困難でするまでの緩和時間から粘性を求める手法あった。近年，液体窒素温度で瞬間凍結することで，[Marshall et al., 2016]などが挙げられる。ラマン分光

揮発性の高い液相や有機物の観察も行えるクライオと組み合わせることで，温度や湿度の変化，ガスの吹電子顕微鏡法が普及し，エアロゾル試料の観察も行

き付けによる化学反応，光との相互作用によって，粒われるようになった。

子のサイズ，化学組成，相が変化する過程を捉える

これらの顕微鏡法は，基板上に粒子を沈着させた

こともできる。現状，光捕捉したエアロゾルの局所的後に観察を行う必要がある。しかし，実際のエアロゾな計測や，それに起因する化学過程を抽出すること

ルは大気中に浮遊している。単一のサブマイクロメーができる実験系は限られているが，顕微鏡法と組みトルスケールのエアロゾルを捕捉，計測する手法とし合わせることで，ナノ・マイクロスケールの不均一性と，て，光ピンセット法 （OPT: Optical Tweezers） がある。

気相，液相，固相の相互作用による分子の分配，そレーザー光の吸収の有無によってエアロゾル捕捉のれに伴って誘起される相転移，化学反応のメカニズ

原理は異なり，そのため様々な光学系が考案されてムなどを議論することができる可能性がある。また，いる。ここでは大気化学研究への応用が容易な，エOPT 以外にも，二つの液滴を空気中で衝突させるこ

アロゾルによる捕捉光の吸収がない場合について紹とで生じる混合液滴を誘導ラマン散乱で分析する実介する。左右両側からレーザー光を集光する対向ビ験によって，液滴内部の不均一性を研究できる可能ーム光学系では，光圧によって直径 0.5-10 µm の液性がある[Negishi & Kohno, 2019; Suzuki & Kohno,

滴を捕捉することができる。対向ビーム光学系は，大2014]。一方，顕微鏡法単独での観察・計測から，物気エアロゾルと同等サイズの粒子を安定に捕捉でき理量を導出することは容易ではない。OPT を始めとしるため，他の光学系よりも大気化学研究における応た単一粒子計測法と組み合わせることで，大気化学用可能性が高い。捕捉したエアロゾルは，捕捉光そモデルに橋渡しが行えるようになる。図８に，本稿で図８ 粒子の不均一性に注目した室内実験技術の例。

13

大気化学研究 第 47 号 (2022)

紹介したエアロゾル不均一性に対するアプローチを
サイズごとに示し，各手法の特徴をまとめた。
表１ 大気化学の室内実験研究の現況と将来展望のまとめ

究極のゴールは何か。

・ 大気中で起こるすべての物理化学過程の理解。
・ 分子レベルの不均一性が与える溶媒効果や界面の特殊性を考慮した反応速
度定数・取り込み係数・光学定数の導出。
・ 上記のデータをもとに，大気中で起こるすべて物理化学過程(エアロゾルに関しては，化学組成・揮発性分布・吸湿性・光学特性)を計算によって再現・予測可能。

この 10 年での世界的な動 ・ 世界的に，エアロゾルの生成につながる気相反応の理解が進んだ。
向や日本での研究の強み

・ 界面を含む多相反応の重要性が認識されるようになった。
・ 界面の性質を明らかにする実験装置や理論計算が発達した。
・ 日本では，物理化学をベースとしたオリジナルの研究成果が出ている。
・ アジアの新興国の台頭と日本の地理的なメリット(共同研究や人材交流)。

現在の重要なギャップ

・ 室内実験（シンプルな系かつ高濃度）と実大気（複雑な系かつ低濃度）のギャップ。
・ 最終生成物の生成メカニズムを確定するための中間体の検出。
・ エアロゾル成分の中で，どれだけの割合のものを分析でき，また正しく定量できているか。
・ エアロゾルと雲の相互作用の理解が不十分。
・ 大気との間で物質移動がある海洋のマイクロレイヤーや氷雪が関与する反応が与える影響評価が不十分。
・ ・界面現象は定性的にしか扱えず，定量化できていない(例えば界面における反応速度定数の非線形的増大)。

それらを踏まえ，今後 10 ・ 計測機器の高感度化・多成分同時高時間分解能計測装置の精度の向上が年の研究をドライブする

できるか？

key question or 作業仮説

・ 酸化過程におけるモノマー・ダイマーの生成機構（特に HOM）や粒子相での化学反応過程を正しく理解できるか？
・ 二次生成エアロゾルの生成収率は，鍵と考えられる要因（酸化剤・気温・湿度・既存粒子の量や性状）でどう（シンプルに）整理できるか？他に見落としている要因はあるか？
・ エアロゾルの化学的変質過程を microscopic に捉えられないか？（具体例：光ピ ン セッ ト で 大気中の エ ア ロ ゾ ル を 捕捉， そ の ま ま 数日キ ープ し て 分光
（Raman, IR）測定。日中の OH 酸化，夜間の NO3 酸化による成分変化の証拠が得られないか？）・ 界面特有の現象の把握
・ 不均一性（複雑さ）・界面現象の定量化に向けたブレークスルーは何か？

主な連携相手IGAC・分子科学会・有機合成化学
14大気化学研究 第 47 号 (2022)

6．まとめ

Production, J. Am. Chem. Soc., 140(34), 10866-10880,

本稿では，室内実験の観点から，気相，液相，界面

doi:10.1021/jacs.8b06010.

の大気化学の現状と今後の課題を紹介した。表１にBarnes, I., J. Hjorth & N. Mihalopoulos (2006), Dimethyl

サマリーを示す。「エアロゾルの動態と放射・雲過程とSulfide and Dimethyl Sulfoxide and Their Oxidation inの相互作用」の章で取り上げられているモデルによる

the Atmosphere, Chem. Rev., 106(3), 940-975,

SOA 生成量の過小評価の問題を解決するためには，

doi:10.1021/cr020529+.

本稿第３章で紹介したオリゴマーなどの不揮発性成Berndt, T. et al. (2018), Accretion Product Formation from

分の生成機構の解明やエアロゾルの微小不均一化

Self- and Cross-Reactions of RO2 Radicals in the

学のモデルへの取り込みが鍵となるだろう。また，エAtmosphere, Angew. Chem. Int. Edt., 57(14), 3820-

アロゾル-雲相互作用の理解には本稿第４章の界面

3824, doi:10.1002/anie.201710989.

反応の定量化や第５章で紹介した雲チャンバーなど

Berndt, T. et al. (2019), Fast Peroxy Radical Isomerizationの技術を用いた研究が重要になる。また，「大気汚染and OH Recycling in the Reaction of OH Radicals with

物質群の排出・化学過程・濃度のリンクと SLCFs 気

Dimethyl Sulfide, J. Phys. Chem. Lett., 10(21), 6478-

候・健康影響解明：大気化学理論と観測の刷新」の6483, doi:10.1021/acs.jpclett.9b02567.

章で取り上げられている PM の健康影響問題の解決

Bianchi, F. et al. (2019), Highly Oxygenated Organicに関しては，第３章で扱ったエアロゾル内部で起こる

Molecules (HOM) from Gas-Phase Autoxidation

化学反応の理解やエアロゾルの変質に伴って生成

Involving Peroxy Radicals: A Key Contributor to

する有害化合物の同定と分析がポイントとなるだろう。

Atmospheric Aerosol, Chem. Rev., 119(6), 3472-3509,

気相と液相といった均一な系で起こる大気化学反

doi:10.1021/acs.chemrev.8b00395.

応にも，まだ解明されていないものが残されているのBrüggemann, M. et al. (2020), Organosulfates in Ambient

が現状である。さらに，多相で起こる物理化学過程はAerosol: State of Knowledge and Future Research

エアロゾルがもたらす気候変動への影響と健康影響

Directions on Formation, Abundance, Fate, andの理解において特に重要であるにもかかわらず，そImportance, Environ. Sci. Technol., 54(7), 3767-3782,の全容解明には遠い状況である。しかし，今後，本稿

doi:10.1021/acs.est.9b06751.

で示した実験技術と，最先端の理論計算の融合によ

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原稿受領日: 2022 年 3 月 28 日
掲載受理日: 2022 年 6 月 13 日

著者所属：
1. 国立環境研究所 地球システム領域
2. 名古屋大学 宇宙地球環境研究所
3. 東京大学 先進科学研究機構* 責任著者:
Shinichi Enami <enami.shinichi@nies.go.jp>20５Contributing Authors:

大気陸域統合陸域生態系と大気化学
Terrestrial Ecosystem and Atmospheric Chemistry

持田陸宏，伊藤昭彦，松田和秀，谷晃総説 ―トピックス： 「大気化学の将来構想 2022-2032: 各論第１集」―

Research Focus

Article No. 047A05

陸域生態系と大気化学
Terrestrial Ecosystem and Atmospheric Chemistry
持田陸宏 1 *，伊藤昭彦 2，松田和秀 3，谷晃 4
陸域生態系は，温室効果ガスである二酸化炭素（CO2）など，大気の化学・放射・微物理過程に関わる多様な微量化学成分の供給源としての役割を有している。また一方で，大気から生態系への物質の供給は，大気化学成分の消失過程であるのみならず，生態系やそれを含む陸域環境に影響を及ぼす側面も持つ。これらはいずれも，大気化学成分の動態と役割に密接に関わる過程であり，大気化学分野における主要な研究対象のひとつに位置付けられる。しかし，時空間的に極めて多様な陸域生態系と大気化学の諸過程の関係は複雑であり，現在までその理解は限られている。本稿では，これらの大気-陸域生態系間の相互作用に関するこれまでの研究を，大気-陸域間の長寿命気体の交換，大気化学成分の沈着，生物起源揮発性有機化合物の放出，生物起源有機エアロゾルの動態・性状と役割の 4 つの側面からレビューする。そして，十分に解明されていない重要問題が何であるのか，また，今後どのようなアプローチの研究が望まれる
かを，学問としての大気化学の視点から，そして温室効果気体を中心に社会実装に向けた取り組みの視点から提示する。

１．はじめに定などは，大気成分の消失過程であるのみならず，

陸域生態系は，温室効果をもたらす二酸化炭素

生態系への物質の供給過程としての側面を持つ。

（CO2）やメタン（CH4）などの長寿命気体，大気

これらは大気化学成分の収支に関わる過程であ

光化学過程やエアロゾル生成に関与するイソプ

ること，また，生態系やそれを含む陸域環境に影レンなどの揮発性有機化合物（VOCs），氷晶核と響を及ぼしうることから，その詳細の解明が望ましての役割が注目されているバイオエアロゾル

れ，さらに理解を深めるための取り組みが求めらなど，多様な物質の供給源としての役割を担ってれる。植生の光合成や呼吸を通して大気と交換がおり，その物質の種類に応じて大気中の化学・放ある CO2 や，植生から放出される VOCs を前駆体

射・微物理過程に様々な形で関わっている。これとする二次有機エアロゾルは，放射収支に関与しらの微量成分の大気への供給の実態とメカニズて気候に影響を及ぼし得ることから，近年，それムを時空間的に把握することは，ローカル～グロが植生に影響をもたらすフィードバック機構のーバルスケールの大気過程を理解する上で重要存在が新たな議論の対象として取り上げられるであるが，様々な環境下における多様な生態系かようになった。しかし，現状では，気候の変化にらの供給過程には，多くの不確かな点が残されて対して大気-陸域生態系間の相互作用がどのよういる。

な応答をもたらすのかを，正確に把握できる知見

また一方で，硝酸塩の沈着や植生による炭素固は得られていない。

1

大気化学研究 第 47 号 (2022)

本稿では，これらの大気-陸域間の相互作用に関する研究について，大気-陸域間の長寿命気体の交換，大気化学成分の沈着，VOCs の放出，生物起源有機エアロゾルの動態・性状と役割の 4 つの視点で振り返り，これまでの到達点を確認する。
そして，残された重要課題が何であるかを整理し，今後十年において重要となる研究のアプローチ
図 1 大気-陸域間の長寿命気体交換に関わる生物地球
化学的過程の概要。実際には，CO2，CH4，N2O のいずれにも工業活動や廃棄物など人為的排出源が加わるため，さらに複雑になる。

を提示する。

2．大気-陸域間の長寿命気体の交換
2.1 研究の目標
大気および地表における長寿命気体，特に温室衛星など複数のプラットフォームによる高精度の大気効果ガス（CO2，CH4，N2O）の動態と交換量をマルチ

観測データや，大気輸送，地上物質循環モデルによスケールで，短期から長期にわたって高精度で把握

る収支推定を提供して大きく貢献してきた。一方で，することを大きな目標とする（図 1）。それには，気候

設備の老朽化，人的リソース不足など観測継続性の変動や土地利用変化に伴う温室効果ガス交換の変問題が顕在化するケースもあった。

化メカニズムを解明し，将来の地球環境変動に伴う2015 年からは Future Earth グローバルリサーチプ

陸域の温室効果ガス収支の変化を定量的に予測すロジェクトの 1 つである iLEAPS が実施され，欧米だる精度の向上が含まれる。これらの研究成果によって，

けでなく日本国内でも大気-陸域間の物質交換に関影響評価，適応・緩和策の立案に貢献することを目する学際的な研究が活性化し，CO2 以外の微量ガス指す。

交 換 に 関 す る 観 測 と モ デ ル 研 究 が 進 展 し た [Ito,2019]。地上での地表フラックス観測（FLUXNET）に

2.2 世界と日本の研究動向

関しては，CO2 だけでなく CH4 でも渦相関法による観パリ協定やゼロエミッション目標など気候変動問題

測が標準的になり，多点データを用いた統合的な解への社会的関心が高まり，大気中の長寿命温室効析が進展した [Jung et al., 2020]。日本は，1990 年代

果ガスに関する観測，モデル，インベントリ研究は世より大気中の温室効果ガス観測と陸域研究の連携が界 的 に 大 き く 進 展 し た [International Panel on

実施されており，1 つの強みとなってきた。それは大Climate Change, 2021]。特に 2009 年以降は人工衛

気輸送モデル（トップダウン）と地表交換モデル（ボト星（GOSAT，OCO シリーズなど）による大気中 CO2，

ムアップ）の共同研究として多くの成果を挙げてきたCH4 カラム平均濃度の全球観測が可能になり，陸域[Patra et al., 2016; Niwa et al., 2021]。

についても地上・衛星による観測データ量は飛躍的に増大した。グローバルな収支の描像を得るため，

2.3 収支の不確実性と残された課題

Global Carbon Project による温室効果ガスの統合解

温室効果ガスの長期的なトレンドだけでなく，新型

析が，CO2 だけでなく CH4，N2O についても実施されコロナウィルス感染症の蔓延や大規模火災など，予[Friedlingstein et al., 2020; Saunois et al., 2020; Tian

測困難なイベントに伴う温室効果ガス排出の変動に

et al., 2020]，グローバルあるいは地域スケールの把注目が集まっている [Le Quéré et al., 2020]。それらを握が格段に進展した。日本の研究も，地上，航空機，

確実に把握するためには継続的に高精度でモニタリ
2

大気化学研究 第 47 号 (2022)

ングを行う体制を拡充する必要がある。

て精度と分解能を高め，さらにグローバルな収支を整グローバルな温室効果ガス収支には，なお大きな合的に説明することが求められる。特に，パリ協定の不確実性が残されており，予測や対策上の問題となグローバルストックテイクに向けた科学的データを提っている。CO2 の吸収放出の地域分布や年々変動の供するため，各国あるいは大都市の温室効果ガス収

メカニスティックな理解が不足している [Kondo et al.,支をインベントリだけでなく観測やモデルに基づく科

2020]。特に陸域では，モデル相互比較の結果も乖学的手法で評価する必要がある。

離が大きく，森林などによる CO2 吸収源の定量的評

陸域と海洋に関する推定を比較すると，現在の CO2

価を困難にしている。CH4 収支の年々変動には，収支に関する陸域の不確実性幅は海洋の約 2 倍

2000 年代の顕著な濃度増加の鈍化やその後の急増[Friedlingstein et al., 2020]，将来の温度上昇に対すなど，現在の科学的理解では説明できない現象が残る応答の不確実性幅に至っては 1 ケタ大きい [Arora

されている [Nisbet et al., 2019]。統合解析の結果も，et al., 2020]。このような状況を解消するための不確実

大気観測に基づくトップダウン評価と地上データを積性低減は最も優先度が高い課題の 1 つであり，観測み上げたボトムアップ評価の間では，特に陸域の河とモデルの両面で精度向上を図る必要がある。長期

川・湖沼からの放出などに大きな不整合がある。

観測データの蓄積により，短期的な観測では検出で人為起源排出の基礎情報となり，大気逆解析の初きなかった陸域の温室効果ガス収支に関する特性が期値にも用いられる排出インベントリにも深刻な不確

明らかとなりつつある。生態系の炭素収支に強い影

実性が残されていることが示された [Saunois et al.,

響を与えてきた CO2 施肥効果に長期的な減衰効果

2020; Chandra et al., 2021]。特に排出源が混在する（順化）が生じるかどうか，将来の森林破壊・火災が都市周辺を中心に，産業等の活動量，排出係数，そ陸域の炭素収支にどの様な影響を与えるか，などがして空間的ダウンスケーリングの各段階で高精度化

key question となりうる。また，大気中での寿命が 10を進める必要がある。森林破壊に代表される土地利

年程度と比較的短く短寿命気候強制因子（SLCF）で用変化は，植生や土壌を撹乱し温室効果ガス収支をもある CH4 に関して，陸域には主要な放出源が分布大きく変化させるが，そのメカニズムの全容は解明さしており，複数手法によるグローバルな収支評価のれてはおらず，年々変動や広域評価には大きな不確高精度化が進むと考えられる。一方で，永久凍土融

実性が残されている [Kondo et al., 2020; Arneth et al.,

解や泥炭火災などに伴う大規模 CH4 放出の可能性

2017]。永久凍土の融解は，現時点では大気中濃度でも注目される [Nisbet et al., 2019]。大気汚染物質に影響するほどの CO2・CH4 排出源とはなっていないが陸域の温室効果ガス交換に与える影響は，未だにが，温度上昇時の排出量変化には不確実性が大き定量的に把握されていない。対流圏オゾン濃度の上い。農地の温室効果ガス放出は，従来は簡易な排出

昇は，植生のガス交換を介して広域的な温室効果ガ

係数や統計モデルで推定されてきたが，より信頼性

スの交換にも影響を与えている可能性があり [Sitchの高い（地理データや複雑なモデルを用いる）方法

et al., 2007]，その把握とモデル化は SLCF の排出抑を確立する必要がある。

制と温暖化対策のコベネフィットの観点でも注目される。

2.4 今後求められる研究

温室効果ガスに関する研究面では，観測衛星

脱炭素社会に向けて温室効果ガス収支の高精度（GOSAT，OCO シリーズなど）の重要性は今後ますま

評価に対する社会的ニーズはさらに高まると予想さす高まると考えられ，それに対応した陸域の排出インれる。従来の観測・モデル手法をそれぞれ高度化しベントリ整備，地表の物質交換モデルの開発が課題

3大気化学研究 第 47 号 (2022)

湿性沈着モニタリングのような広域展開は難しい。そこで，乾性沈着量の推計にはモデルを利用し，化学成分の濃度とその成分の沈着速度の積から求める方法が広く適用されている。沈着速度モデルのフレー
ムは，1970 年代～1990 年代にかけて開発されたが，今世紀に入ってから，各地域で，新しい技術による様々な化学成分，沈着表面に対するフラックス観測が行われ（例：図 2），沈着速度モデルの検証[Matsuda et al., 2006; Matsuda et al., 2015]やモデル間比較[Flechard et al., 2011]などが行われてきた。さ
図 2 大気-森林間交換フラックス観測タワー（FM 多摩丘
陵，東京）。

らには，化学輸送モデル間の窒素や硫黄沈着量の比較も全球スケール[Dentener et al., 2006] や東アジ
アスケール[Itahashi et al., 2020]で行われている。そとなる。生物地球化学的フィードバックを導入した地球システムモデルの開発も進んでおり [Kawamiya etの結果，沈着過程の不確実性が特に大きい成分，表al., 2020]，陸域における炭素・窒素の動態，大気や面などが明らかになり，これらの沈着・交換過程のさらなる理解が求められている。

水域との相互作用を解明してモデルに導入していく
流れが進むと予想される。

3.2 沈着・交換過程の課題
エアロゾルの沈着速度は粒径に大きく依存し，ブラ3．大気化学成分の沈着

ウン拡散と重力沈降の関係で，サブミクロン領域で極3.1 はじめに化学輸送モデルにおいて，地表面への沈着過程小となる。一方で，植生面での沈着速度の理論値とは，化学成分の分布や変動の予測に影響を与える。

観測値との不一致が指摘されており，その不一致は，乾性沈着過程は，湿性沈着過程に比べて未解明な

特にサブミクロン領域で，森林のような空気力学的粗部分が多く，モデルにより算出される沈着速度の不度の高い植生面において顕著である[Pryor et al.,

確実性は未だに大きい。また，硫黄や窒素などの沈2008; Petroff et al., 2008]。この要因として，フラックス

着量分布の把握は，生態系への影響を評価するうえ

観測誤差，化学的性質の影響，モデルの仮定の誤り，で極めて重要であり，特に乾性沈着推計の精緻化が重要な沈着過程の無視などが挙げられているが，こ求められる。湿性沈着の測定は，ウェットオンリーサンの不一致は現在も残っており，明確に解決されていプラーを用いて降水を捕集し，降水試料を化学分析ない[Saylor et al., 2019]。沈着に影響を及ぼす化学する方法がスタンダードであり，WMO GAW（全球），的性質として，サブミクロン領域に存在する NH4NO3

EMEP（欧州），NADP（米国），CAPMoN（カナダ），粒子などの半揮発性が挙げられる[Nemitz, 2015]。日EANET（東アジア）などのモニタリングネットワーク

射の当たるキャノピー表面は気温よりも温度が高くな[Fowler et al., 2020]において採用されている。これにるため，半揮発性粒子の一部は沈着面近傍で揮発対し，乾性沈着の測定は，渦相関法，緩和渦集積法，

してガス化する。NH4NO3 の場合，ガス化した HNO3

濃度勾配法など化学成分の鉛直方向の流れ（フラッや NH3 は沈着速度が大きく，粒子の状態より速やかクス）を直接測定する方法があるが，対象とする成分に沈着・除去されると考えられる。このような現象は，や場所が限定され，特殊な装置や設備を要するため，各地で観測されているが[Nemitz, 2015; Nakahara et4大気化学研究 第 47 号 (2022)

al., 2019; Katata et al., 2020]，現在のモデルでは考が対象になっている[Fowler et al., 2020]。東アジアに慮されておらず，窒素酸化物の大気成分濃度の計

おいては，SO2，NOx の中国の排出量が急増してい算精度に影響を与えている可能性がある。

た 1990 年代に酸性雨への関心が集まり，2001 年に植生表面におけるフラックス観測では，しばしば上東アジア酸性雨モニタリングネットワーク（EANET）が向きの放出現象がみられる。上記の NH4NO3 の揮発本格稼働を開始した。2000 年代には対流圏オゾンのに伴い地表面付近で発生した HNO3 が放出される現越境汚染の問題が話題になるようになり，2013 年 1

象も確認されている[Nemitz, 2015; Xu et al., 2021]。粒

月に出現した北京の PM2.5 の重度汚染以来，越境汚

径別個数測定によるエアロゾルの放出も報告されて染は広く知れ渡ることとなった。注目される成分の推おり，植生キャノピー内の粒子生成による可能性が移は，NH3 を除きヨーロッパの推移と一致している。

示唆されている[Saylor et al., 2019]。モデルでは，上2014 年から大気汚染に関する日中韓三カ国政策対記のようなキャノピー内の物理的，化学的過程が考話が開始され，その後，中国は大気汚染対策を進め，慮されていないため，これらの放出現象は再現でき

SO2 の排出量を大幅に削減し NOx もそれに続いていない。一方，NH3 は，土壌や植物の気孔などから放る。これに伴い，近年，日本の広域において硫黄酸

出されることが分かっており，双方向交換モデルが開化物の沈着量は減少しており，一部地域で窒素酸化発されている[Sutton et al., 1998]。NH3 双方向交換モ

物の沈着量も減少している[Yamaga et al., 2021]。一

デルにおいて重要なパラメータである放出ポテンシャ

方，森林や農作物などの植物へ悪影響を与える対流

ルについて研究がなされているが，その値は広い範

圏オゾンは，未だに減少する傾向は見られていない。

囲にばらついており[Massad et al., 2010]，広範囲で対流圏オゾンの植物への沈着は，将来の気候変動の沈着量予測に適用できる段階にあるとは言えない。

における炭素吸収や食料生産に関係するものであり，

上記のように窒素成分の沈着過程は複雑であり，これらのリスク評価のために植物影響の過程の精緻

さらに沈着した窒素成分は陸域生態系へ影響を与えな理解が望まれる[Izuta et al., 2017; Emberson et al.,る。硝酸イオンに関し，三酸素同位体異常（D17O）を2018]。さらに，NH3 の対策は東アジアではほとんどな

用いて大気沈着と陸域生態系の相互作用を定量化されておらず，その排出量は増加傾向にある

する手法が開発されており[Tsunogai et al., 2010]，水[Kurokawa & Ohara, 2020]。NH3 は主に農業生産活圏生態系との相互作用に対しても応用されている動から大気へ放出され，PM2.5 の成分となるだけでな[Tsunogai et al., 2011]。このようなアプローチは，陸域

く，陸域へ過剰に沈着することにより生態系の富栄養生態系内での大気沈着由来の物質の動態を理解す

化を引き起こし，生物多様性の損失の要因となる

るうえで極めて有益である。

[Sutton et al., 2020]。日本における NH3 の排出量の60%以上は畜産によるものであり，前述した双方向交

3.3 越境大気汚染の動向

換過程の理解とともに，畜産からの排出量推計の精緻化も求められる[Fukui et al., 2014]。

ヨーロッパでは，長距離越境大気汚染条約（1983年発効）のもと，汚染物質の削減対策を進めてきた。

越境大気汚染対策において，化学輸送モデルに削減の規制は，酸性雨問題に対する SO2，NOx から

よる輸送・沈着シミュレーションが有益であり，ヨーロッ

始まり，次いで対流圏オゾンに対する VOCs へと展開

パの上記条約でも対策を検討するためのツールとしされた。当該条約に基づく現在の規制である「酸性て活用されている。東アジアにおける現在の問題で化・富栄養化・地上レベルオゾン低減議定書（ヨーテ

ある PM2.5，将来的に問題となることが予想される NH3

ボリ議定書）」では，これらの成分の他，PM2.5 と NH3について化学輸送モデルの精緻化は必須であり，沈5大気化学研究 第 47 号 (2022)

着・交換過程の研究において，上記したエアロゾル

4．生物起源揮発性有機化合物の放出および NH3 の課題を克服していく必要がある。

4.1 究極的な研究目標
植物が生産し放出するテルペン類に代表される生物起源 VOC の放出機構を，分子レベルから細胞レ

3.4 今後の取り組み
沈着・交換過程の理解を深め，現象をモデル化し，ベル，組織レベル，個体レベル，群落レベルで明ら

化学輸送モデルの予測精度向上へとつなげるためかにする。植物個体や植物群落から大気への生物には，戦略的な観測による高精度のデータセットが起源揮発性有機化合物（BVOC）の放出に影響する必要である。フラックス観測でターゲットとすべきは，

環境要因を，植物生理生態学的手法を用いて明ら

植生，特に森林であり，二酸化炭素等のフラックスモ

かにし，放出推定モデルを精緻化する。BVOC が関

ニタリングを行っている Asia-Flux などと連携した戦略

与する未知の反応を明らかにし，都市を含む陸域生的な観測が望まれる。同時に，フラックス測定の精度

態系やその土地改変が，大気質や気候に及ぼす影向上も望まれる。これまでに述べた大気化学成分の響を明らかにする。

高精度フラックス測定を実現するために，例えば最も直接的にフラックスを測定する渦相関法では，高時

4.2 世界的な研究の動向や日本の研究の強み

間分解能（10 Hz 程度）での濃度計測が求められるた1999 年に開発された陽子移動反応質量分析計

め，この要求を満たすセンサーの開発が望まれる。

（PTR-MS）の性能向上など測定技術の進歩によって，

一方，フィルターや吸着剤などに捕集可能なガス・粒

個体レベル，群落レベルでの BVOC 放出機構や，そ子成分のフラックス測定には，緩和渦集積法

れらの酸化反応物の植物による再吸収など双方向交[Matsuda et al., 2015; Xu et al., 2021]が適用可能であ換の知見が集積しつつある（図 3）[Niinemets et al.,

り，現時点で有益な手法と考えられる。化学輸送モデ

2014]。日本において開発当初から PTR-MS を用い

ルによる東アジアスケールの予測の検証においては，た研究が活発に行われ，その分野を先導している

EANET のデータ（ガス，粒子成分，降水成分等）が[Tani et al., 2010]。

活用できるが，新たな項目が必要な場合は，EANET

情報伝達物質としてテルペン類を対象に，植物間との共同研究として，一部のサイトに測定器を導入し，および植物-動物間コミュニケーションの分子レベル

特定の目的を持ったネットワーク内ネットワークを構築することも一案である。また，「アジアにおける大気質モデル・化学気候モデル間相互比較研究（MICSAsia）」において，当該地域におけるモデル間比較が実施されている[Itahashi et al., 2020]。沈着量計算に起因するモデル間の差も明らかになってきており，沈着・交換過程の研究者との連携を強化することにより，差を生み出す要因を見出すことが期待される。このよ
うに，東アジアの研究者らと連携している活動を基盤とし，モデルと各過程の研究者の協働により，大気質
や気候変動のモデル予測精度を向上させていくこと

図 3 森林生態系-大気間の VOC 交換の模式図（Tani &Mochizuki [2021]の図を改変）。交換には大気中での化学反応と植物体内での代謝反応が介在し，物質が形を変えながら双方向の交換が起こっている。

が望まれる。

6

大気化学研究 第 47 号 (2022)

および生態学レベルでの研究の進展が見られ，外的関しては，オゾン生成等による大気質の悪化や刺激に応答するテルペン類放出機構の解明が進ん

BVOC 由来の二次有機エアロゾルの地球温暖化にでいる。日本において先導的な成果が継続して発表

対する影響（緩和効果など）を総合的に評価できてされている[e.g., Yazaki et al., 2017; Masui et al., 2020]。

おらず，それらの影響の地域依存性も不明である。

また，土地利用変化は温室効果気体だけでなく，
BVOC のフラックスにも変化をもたらし，周辺の大気

4.4 今後 10 年間に取り組むべき課題

質や気候に影響を及ぼす可能性があるため，森林の今後 10 年間に取り組むべき課題として，さらなる装農地転換による生態系変化に伴う BVOC 放出特性

置開発があげられる。BVOC の新規測定・分析手法（種類，強度）の変化の解明とその大気質や気候への開発と，分析装置の低価格化による，新規研究者の影響にアプローチする研究が，東南アジアなどをの参入環境の整備が求められる。精度が従来法と同中心に行われてきた[Hewitt et al., 2009]。また，都市等あるいはそれ以上で，BVOC をリアルタイムあるいの緑地などこれまで無視されてきた BVOC 放出源とは短時間で分析できる手法の開発が望まれる。

それらが都市の大気質に及ぼす影響の検討も行わ

分子生物学，植物生理生態学，大気化学など分れてきた[Chang et al., 2012]。日本においては，モデ野を横断する研究組織の編成とプロジェクトの立ち上ルで精確に説明できない光化学オキシダントの動態

げ，若手研究者の育成と海外研究者の積極的な受を明らかにするため，詳細な植栽データやバイオマ

け入れを行い，研究分野としての活性化をはかる必ス推定法に基づき BVOC 放出量の推定が近年行わ要がある。アジアとの連携も重要であり，AsiaFlux，

れている[Kokubu et al., 2020]。

iLEAPs 等のネットワークを活用し，連携やデータ共有を進める必要がある。
BVOC インベントリはまだ大雑把なものしか公開さ4.3 残存する重要課題
BVOC の放出量や濃度は温室効果気体の植物-れておらず，精緻化へ向けた植生分類データの整備

大気間交換量や濃度と比べ低いため，実測する場

や樹種ごとの放出特性データの地道な取得が必要

合，精確な測定のためには高額機器を必要とする。

である。衛星観測法やプロセスモデル開発の進展と，そのため，若手研究者が容易に取り組める分野でな

それらの検証に必要な継続的な地上観測データ（森く，日本における研究者人口は少ない。国の研究機

林での BVOC フラックス）の取得が重要である。

関に BVOC を専門に扱う部門がなく，国主導の研究

5．生物起源有機エアロゾルの動態・性状と役割が進みにくい。
全球レベルでの放出量推定は重要であるが，衛星観測データ（OMI/TROPOMI 等の HCHO カラム観測

5.1 研究目標など）を用いて放出量を推定する手法の進展が，温陸域植生を起源に持つエアロゾルとして，植生か室効果気体と比べて遅い。また，森林生態系にてら直接放出されるバイオエアロゾル等の一次エアロゾ

BVOC フラックスの経年データの蓄積が，モデル精ルと，BVOC を前駆体として生成する二次エアロゾル度向上のため必須であるが，現状，高額装置の入手である biogenic secondary organic aerosol（BSOA）がが困難であったり，継続測定を自動化できず，手間とある。これらの生物起源エアロゾルに関わる究極的な時間がかかり，長く取り組める研究テーマに設定しづ研究目標のひとつは，大気エアロゾルの収支や環境らいなどの問題がある。

影響に対する陸域生態系の寄与を定量的に把握す反応性が高い BVOC が介在する大気化学反応にることにある。この実現のため，様々な大気条件下に7大気化学研究 第 47 号 (2022)

おける BSOA の生成機構と物理化学特性を明らかに

一次生産量（GPP）の上昇をもたらし，BVOC・BSOA

し，大気モデルにおいてその時空間分布や放射・雲の増加により CCN，雲粒数濃度の増加により冷却をに対する影響を正確に表現可能とすることが求めらもたらす負のフィードバックの機構について指摘してれる。また，主要なバイオエアロゾルについてもそのいる（図 4 の右部分）。近年には，放射における散乱

供給量や性状を把握した上，その動態予測を可能にの増加による GPP の上昇をもたらす正のフィードバッ

することが必要となる。また，その先の目標として，

クがある可能性も指摘した[Kulmala et al., 2014]。陸BSOA やバイオエアロゾルの放射・気候影響を通した域生態系を含む大気-陸域のシステムにおける陸域生態系へのフィードバックを定量的に理解し，温BSOA の役割が取り上げられ，議論が進みつつある

暖化や土地利用変化に伴う植生の変化が及ぼす影（図 4）[Sporre et al., 2019]。

響など，大気エアロゾルの収支に対する陸域生態系

一方，バイオエアロゾルに関しては，有機トレーサの影響をエアロゾルの気候と植生の関係から理解すーの分析に基づく解析が進んだほか，その場測定法

ることが挙げられる。

の開発[Toprak & Schnaiter, 2013]も行われた。バイオ
エアロゾルは，氷晶核としての働きを持つことが指摘

5.2 近年の国内外の研究動向されており[Kanji et al., 2017]，室内実験に基づくその

BSOA 生成の理解に関わる重要な進展として，自氷晶核能や[Pummer et al., 2012]，大気モデル計算

動 酸 化 に よ り 高 次 に 酸 化 さ れ た extremely low-に基づく氷晶形成に対する寄与の検討も行われていvolatility organic compounds（ELVOCs）の生成に関る[Hoose et al., 2010; Sesartic et al., 2012]。

する発見があった[Ehn et al., 2014]。また，CERN の陸域植生起源の有機エアロゾルに関する国内の研

CLOUD 実験において，highly oxygenated molecules

究は大規模なものではないが，分野の主要学術誌へ（HOMs）が，核生成後の粒子の初期成長に寄与しての掲載も含め，BSOA に関わる室内実験・野外観測いること[Tröstl et al., 2016]，また，硫酸による汚染のにおいて貢献がなされている[e.g., Sato et al., 2018;

低い陸域環境下においては，イオン誘発核生成によDeng et al., 2019; Xu et al., 2020]。BSOA 成分も対象

り HOMs が核生成をもたらす可能性があることが指摘となる有機エアロゾルの分子組成解析は，日本が強された[Kirkby et al., 2016]。これらはいずれも，陸域みを持つ取り組みとして挙げることができる[Zhu et al.,

植生から放出される代表的な BVOC であるa-pinene

2016; Xu et al., 2020]。

のオゾン酸化生成物を対象として発見されており，陸域生態系がこれらの高次酸化有機物の生成に寄与
し，核生成後の微小な新粒子の生成成長に寄与している可能性が示された。また，大気有機エアロゾルの質量濃度に対する BSOA 生成の寄与に関して，過去には生成への寄与がないと考えられていたイソプレンを前駆物質とするエアロゾル生成のメカニズムについて理解が進んだ[e.g., Lin et al., 2013]。人為起源物質である SO2, NOx が BVOC からの SOA 生成を促進する働きも明らかになり，人間活動と生物圏の相互作用の証拠も得られている[Xu et al., 2012]。

図 4 BSOA の生成を介した負のフィードバック。この機
構の影響の程度が論じられている。

Kulmala et al.[2004]は，CO2 の濃度上昇が温度・総8大気化学研究 第 47 号 (2022)

5.3 残存する課題

る課題の一つに，他の起源のエアロゾルとの区別が

BSOA に関して，個数・質量ベースでの生成量と特困難であり，BSOA 生成量や分布の観測データの取性の把握が課題として残されている。欧州北方林を得が困難な点が挙げられる。

はじめ，日本の森林域を含めて新粒子生成の現象が観察されている一方で，森林域における新粒子生成

5.4 今後 10 年で取り組むべき研究

現象の有無を支配する要因については，気象的なBSOA に関しては，生成過程の理解を深化させるこ因子も含めて十分に解明されたとは言えない。エアロとで生成量・特性を説明することを可能にすること，まゾルの間接効果に基づく放射影響の理解には，た，BSOA の生成が気候過程にもたらす影響を量的

CCN 数濃度の規程要因を理解することが重要であり，に把握することで植生に対するフィードバック機構の新粒子生成が CCN 数濃度に及ぼす影響を明らかに有無・程度を明らかにすることが望まれる。バイオエ

することが望まれる。CCN の生成に繋がる，新粒子のアロゾルに関しては，そもそもその実態がよく理解さ生成やそれに引き続く成長は，成長の初期段階ではれておらず，従来の測定手法に基づく観測研究に加HOM が ， そ れ 以 降 の 成 長 段 階 で は よ り 多 様 な

えて，新しい手法の開発とそれを用いる観測研究の

BSOA が寄与していると考えられ，それらを説明する実現が望まれる。そして，氷晶核としての働きを通しための分子レベルの反応機構，気相の条件に応じた

た気候影響の有無や程度について知見を深めること

エアロゾル収率・組成のさらなる理解が課題として残が求められる。

されている。バイオエアロゾルに関しては，これまでの検討するべきより具体的な作業仮説としては，森林取り組みが分子トレーサー分析や蛍光測定といった域等における新粒子生成現象に対して BSOA 成分

間接的な検出に頼っている部分も大きく，種類や存が大きく寄与している可能性が挙げられる。これを確在量を含めて，その動態は十分に把握できていない。

かめるためには，HOM の同定と生成経路・生成量のこのような状況のもと，BSOA やバイオエアロゾルの理解，個数粒子濃度を扱う大気モデルにおける適切分布や性状を大気モデルにおいて適切に表現するな表現等を目指す必要がある。また，BSOA 生成がことも重要な課題として残されている。バイオエアロゾ

エアロゾル質量濃度や CCN 数濃度に及ぼす影響を

ルの氷晶核としての役割については，大気モデル計

理解するためには，BSOA を検出・定量する信頼でき算でその寄与の小ささが指摘されている例があるがる手法を確立することが重要であり，エアロゾル質量[Hoose et al., 2010], 限られた知見に基づく評価とい分析など有機エアロゾルの種別の分離が可能な手え，更なる検討が求められる。

法を用いて BSOA の寄与を把握する方法[Hu et al.,

BSOA に関する重要なギャップを埋めるためには，

2015]の更なる開発が望まれる。

それが重要な役割を担いうる森林におけるエアロゾ

また，バイオエアロゾルが氷晶核として重要である

ルを中心に，環境の異なる多地点における動態把握

可能性も今後 10 年の重要な作業仮説となる。バイオが望まれる[Kulmala, 2018]。しかし，世界的に見てもエアロゾルの種別ごとの検出・定量とその氷晶核能

BSOA の研究に適した地上観測サイトは十分に整備の測定を進め，また，バイオエアロゾルを大気モデル

されているとは言い難く，BSOA に関わる研究は，フで適切に扱うために信頼できる放出インベントリの作ィンランドの北方林など，限られた地点の大気観測に成することが重要な課題として挙げられる。

依存している実態がある。日本国内も含めて，エアロ

前項で指摘したように，バイオエアロゾル・BSOA のゾル観測において観測サイトなどの研究リソースが有観測データを参照しつつ，BSOA の生成量を適切に効活用されているとは言い難い。また，BSOA に関す表現できる全球・領域モデルを開発することも必要で

9

大気化学研究 第 47 号 (2022)ある。人工衛星・航空機・地上からのエアロゾルのリ量性の向上につながることが期待される。また，対流

モートセンシングは，BSOA・バイオエアロゾルの選択

圏オゾン等の大気沈着がもたらす生態系影響とその的検出に課題があるが，全球・領域モデルによる解

大気へのフィードバックなどの課題を扱うことが可能と

析と組み合わせることで，それらの動態把握にも役立なる。このような地球システムを対象とする研究の実

つことが期待される。森林キャノピー内外におけるバ

現のためには，大気・陸域生態系の双方に関わる物

イオエアロゾル・BSOA の動態を把握するため，森林

質循環・気候影響を対象とする観測・モデル研究のの微気象場や放射伝達を扱うエアロゾルモデルの開連携を今以上に強化し，地球表層システムを扱うより

発や，大気観測に基づくその検証も望まれる。

広い分野にまたがる議論を深めることが求められる。

また，陸域植生-エアロゾル-気候間のフィードバッ

また，大気・陸域生態系の物質循環とその変化がクに関して，気候の安定化／不安定化に無視できな

人間社会に与える影響について，今後さらに深く知い影響をもたらしている可能性があるととらえ，これらる必要がある。脱炭素社会に向けた温室効果ガス収のフィードバックループを対象とするモデル研究，ま支の高精度評価や，大気汚染物質の越境汚染と沈た，季節変動・年々変動を代替としてこれらのフィー

着の評価は，大気化学の社会実装の取り組みとして，

ドバックに関わる過程の感度に関する観測研究を推

その重要性が一層高まることが考えられる。一方で，進することが望まれる。BSOA だけでなくバイオエアロ

BVOC や BSOA，バイオエアロゾルの環境影響につゾルも対象に含め，温暖化や土地利用変化が，これいては，学術的知見が不足しており，社会実装に結らの生成・放出を介してどのような環境影響をもたらびつく取り組みは乏しい。陸域生態系が関わる全有

すのかを明らかにする必要がある。これを実現するた機物の動態について，人間活動の影響を含めて定めには，陸域生態研究と大気化学研究の，今まで以量予測性を高め，知見の水準を高めることが望まれ上に深い連携に基づく観測・モデル研究の取り組み

る。地球表層システムの統合的理解を目指す大気・が必要だと考えられる。

陸域生態系研究は，人間社会に与える影響の理解
を BVOC・BSOA 等まで拡げ，社会実装に至る新た

6．地球表層システム・人間社会に関わる統合
的理解な問題提起につながる可能性を有している。

本稿で取り上げた大気成分の動態は，大気中の反応過程や陸域生態系の応答，さらには人為的な影

7．陸域生態系・大気化学と関係する研究プロ
ジェクト等

響を通して，相互に影響を及ぼしていることが考えら

陸域生態系と大気化学の関わりを扱う研究に関れる。今後 10 年においては，各節で取り上げた課題

連して，国内外において多くの取り組みが行われへの取り組みを進めつつ，地球表層システムの物質ている。代表的な例をここに挙げる。

循環において重要な役割を担うひとつのサブシステ 国際：International Global Atmospheric Chemistry

ムとして大気・陸域生態系を捉える研究，さらには，（IGAC： Future Earth の Global Research Project

人間活動や海洋を含む地球表層システムの統合的の 1 つであり，大気化学の国際的連携を主導して理解に向けたモデル開発や観測研究の推進が望まいる。）

れる。こうした取り組みにより，CO2 ，GPP，BVOC，

 国際：Global Carbon Project （GCP: Future Earth

BSOA といった分野をまたがる要素間の相互作用の Global Research Project の 1 つであり，温室効（窒素沈着による GPP 促進と CO2 固定など）を網羅

果ガスに関する統合解析結果を定期的に公表し的に把握し，未発見の過程の解明や物質収支の定ている。IPCC 報告書にも貢献している。）

10大気化学研究 第 47 号 (2022)

 国 際 ： integrated Land Ecosystem – Atmosphere 欧州：Copernicus （EU による地球観測プログラム

Processes Study （iLEAPS: Future Earth の Globalであり，衛星による温室効果ガス観測もその中に

Research Project の 1 つであり，大気-陸域間の微含まれる。欧州には ICOS，VERIFY，CoCO2 など

量ガス交換と相互作用に注目。）

多数の課題が進行している。）

 国際：FLUXNET（渦相関法など微気象学的方法

 米国：North American Carbon Program （NACP:

によるフラックス観測ネットワーク。地域ネットワー

NASA, DOE, NSF などが共催する，北アメリカのクとして AsiaFlux，JapanFlux もある。）

炭素収支を観測やモデルによって評価するため

 国 際 ： International Commission on Atmosphericの横断プログラム。）

Chemistry and Global Pollution （iCACGP：国際

 日本：環境研究総合推進費 SII-8 プロジェクト（大気象学・大気科学協会（IAMAS）傘下の委員会

気・海洋・陸域の統合的研究によって温室効果ガであり，IGAC と共同で大気化学の国際会議を主ス収支をマルチスケールで把握する体制を構築

催。）

する。）

表 1 陸域生態系と大気化学の関係を扱う研究の現況と将来展望のまとめ

究極のゴールは何か。

・ 長寿命気体，特に温室効果ガスの動態・交換量をマルチスケールで短期～長期にわたり高精度に把握する。交換の変化のメカニズムを解明し，地球環境変動に伴う収支を定量的に予測することで影響評価，適応・緩和策の立案に貢献する。
・ 大気物質の沈着・交換プロセスの理解を深め，現象をモデル化し，化学輸送モ
デルの予測精度向上へと繋げる。
・ BVOC の放出機構やそれに及ぼす要因を，分子・細胞・組織・個体・群落の各レベルで明らかにし，BVOC が介在する大気質や気候への影響を解明する。
・ 大気エアロゾルの収支に対する陸域生態系の影響を定量的に把握し，その将来予測を可能とする。また，これをエアロゾルの気候影響や気候と植生の関係から理解する。

この 10 年での世界的な動向や日本での研究の・ 地上・衛星による観測データ量の飛躍的な増大や温室効果ガスの統合解析の実施。日本は高精度の大気観測データや，大気輸送・地上物質循環モデルに強みよる収支推定で貢献。iLEAPS が実施され，国内でも大気-陸域間の物質交換に関する学際的な研究が活性化した。
・ 今世紀に入り，新技術による様々な化学成分・沈着表面に対するフラックス観測が行われ，モデルの検証・比較が行われた。沈着速度の不確実性が大きい
成分・表面などが明らかになった。
・ 植物間コミュニケーション，放出の環境応答等の分子～生態学レベルの研究
や，リアルタイム測定装置の開発・普及が進展。日本で土地改変・都市緑地に関する BVOC 研究が進展した。
・ 自動酸化による高次に酸化された有機分子（HOMs）の生成など，生物起源二次有機エアロゾル（BSOA）の生成機構の理解が向上。分子トレーサー分析や蛍光測定に基づくバイオエアロゾル研究に進展。日本では BSOA に関わる室
内実験・野外観測での貢献。
11大気化学研究 第 47 号 (2022)

表 1 (続き)

現在の重要なギャップ

・ 温室効果ガスに関して，モデル相互比較の結果に乖離が大きい。排出インベ
ントリにも深刻な不確実性。予測困難なイベントに伴う変動を把握するためのモニタリング体制の拡充が必要。
・ 沈着速度の理論・観測値との不一致，上向きの放出現象を再現できない点，
越境大気汚染対策のための輸送・沈着シミュレーションの精緻化への貢献。
・ BVOC の放出量・濃度の測定や，それらの推定の手段となる衛星観測手法の進展，安価な分析手法の開発が必要。測定装置が高価であり，若手研究者が容易に取り組める分野でない。
・ BSOA の生成量・特性の把握と大気モデルによる表現に課題。バイオエアロ
ゾルの測定手法が十分に確立されていない。BSOA 観測に利用できるリソースが活用されていない。
・ 大気・陸域生態系の物質循環とその変化が人間社会に与える影響を理解す
る上で，BVOC やエアロゾルに関する学術的知見が不足しており，それらの知見を社会実装に結びつける取り組みが乏しい。

それらを踏まえ，今後 10・ CO2 施肥効果の長期的な減衰の有無，将来の森林破壊・火災の炭素収支へ

年の研究をドライブするの影響，大気汚染物質が温室効果ガス交換に与える影響。観測・モデル手法

key question or 作業仮説を高度化し，全球的な収支の整合的な説明が求められる。パリ協定のグロー

Ba

バル・ストックテイクに向けた科学的データ提供のための取り組みが必要。
・ Asia-Flux などと連携した，特に森林をターゲットとするフラックス観測に基づく戦略的な観測による高精度データセットの取得が，プロセスの理解の深化とモデル予測精度の向上をもたらす。
・ BVOC の新規測定・分析手法の開発と分析装置の低価格化。大気化学・生態学・植物生理生態学など分野横断組織の編成とプロジェクトの立ち上げによる新規研究者の参入環境の整備。
・ BSOA 生成プロセスの理解を深化させ生成量・特性を説明する。BSOA・バイ
オエアロゾルの生成が気候プロセスもたらす影響を量的に把握し，植生に対するフィードバック機構の有無・程度を明らかにする。
・ 分野間（例えば CO2，GPP，BVOC，BSOA）にまたがる相互作用（例えば窒素沈着による GPP 促進と CO2 固定）を網羅的に把握することで，未発見の過程の解明や物質収支の定量性の向上につながる。
・ 陸域生態系が関わる全有機物の動態について，人間活動の影響を含めて定量予測性を高める。
・ 地球表層システムの統合的理解を目指す大気・陸域生態系研究を進め，また，それに基づき同テーマに関する社会実装を推進する。
主な連携相手IGAC, GCP, iLEAPS, FLUXNET, iCACGP など。

 日本：ムーンショット目標 5（持続的な食料供給産

 日本：科学研究費補助金基盤研究（S）「熱帯泥炭業の創出：農地の温室効果ガス排出を大幅に削林のオイルパーム農園への転換による生態系機減するための研究開発，農研機構など。）

能の変化と大気環境への影響」（代表：平野高司）
12

大気化学研究 第 47 号 (2022)

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8．おわりにArora, V. K., et al. (2020), Carbon–concentration and carbon–

本稿では，陸域生態系と大気の相互作用を対象

climate feedbacks in CMIP6 models and their comparisonとし大気化学過程が関わる研究について，大気-陸to CMIP5 models, Biogeosciences, 17, 4173–4222,

域間の長寿命気体の交換，大気化学成分の沈着，

doi:10.5194/bg-17-4173-2020.

BVOCs の放出，生物起源一次・二次有機エアロゾ

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取り組みの課題点を整理した。そして，今後 10 年

Environ.,において取り組むべき研究の方針について論じ

doi:10.1016/j.atmosenv.2012.03.053.

56,

115–123,た。また，各節で取り上げた内容にまたがる今後

Chandra, N., et al. (2021), Emissions form the oil and gas sectors,の取り組みについても指摘した。これらの内容をcoal mining and ruminant farming drive methane growth

表 1 にまとめる。本稿で論じた内容は，陸域生態

over the past three decades, J. Meteor. Soc. Jpn., 99, 309–

系と大気化学にまつわる重要課題を全て網羅し337, doi:10.2151/jmsj.2021-015.

ているとは限らず，読者によっては取り上げるべDeng. Y. et al. (2019), Diurnal variation and size dependence ofき重要課題がほかにもあると思われるかもしれthe hygroscopicity of organic aerosol at a forest site inない。このようなご指摘も含め，本稿で取り上げ

Wakayama, Japan: their relationship to CCN concentrations,

た課題が，大気化学コミュニティ内における更なAtmos. Chem. Phys., 19, 5889–5903, doi:10.5194/acp-19-

る議論のきっかけとなることを期待したい。また，

5889-2019.

陸域生態系を対象とする研究分野と大気化学分

Dentener, F. et al. (2006), Nitrogen and sulfur deposition on

野の連携は，当該テーマの理解を大きく深める上

regional and global scales: A multimodel evaluation,

で欠かせず，新しい連携の模索やこれまでの連携

Globalの更なる展開を行う上において，本稿が議論のた

doi:10.1029/2005GB002672.

たき台となれば幸いである。

Biogeochem.

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16大気化学研究 第 47 号 (2022)

原稿受領日: 2022 年 5 月 9 日
掲載受理日: 2022 年 6 月 13 日

著者所属：
1. 名古屋大学 宇宙地球環境研究所
2. 国立環境研究所 地球システム領域
3. 東京農工大学 農学部附属広域都市圏フィール
ドサイエンス教育研究センター
4. 静岡県立大学 食品栄養科学部* 責任著者:
Michihiro Mochida <mochida@isee.nagoya-u.ac.jp>

17６Contributing Authors:

大気海洋統合人新世における生物地球化学的物質循環と気候への海洋エアロゾルフィードバック
Marine aerosol feedback on biogeochemical cycles and climate in the Anthropocene

伊藤彰記，宮﨑雄三，竹谷文一，岩本洋子，金谷有剛，西岡純

総説 ―トピックス： 「大気化学の将来構想 2022-2032: 各論第１集」―

Research Focus

Article No. 047A06

人新世における生物地球化学的物質循環と気候への海洋エアロゾルフィードバック
Marine aerosol feedback on biogeochemical cycles and climate in the
Anthropocene
伊藤彰記 1 *，宮﨑雄三 2，竹谷文一 1，岩本洋子 3，金谷有剛 1，西岡純 2
地球規模で大気環境や気候が変化する中，人間活動が海洋生態系へ与える影響，およびその海洋
生物活動の変化を介して気候へ与える影響を定量的に評価することは容易ではない。その主な理由
は，大気中の物理化学過程に加えて，生物地球化学的な物質循環と気候変化により引き起こされるフィードバックがエアロゾルを介して働くためである。海洋生物活動の影響を受けて自然起源エアロゾ
ルおよびその前駆体が雲特性をどの程度変化させ，それにより，気候へどのような影響をどの程度与えるのか？さらに，その気候変化が海洋生態系にどのようなフィードバックをもたらすのか？同時に，
大気から海洋への人為起源エアロゾルの供給が，生物地球化学的な物質循環をどの程度変化させ，それにより，海洋生態系や気候へどの程度影響を与えるのか？本稿では，これらの研究課題に関する最新の知見を総括する。将来構想として，観測・実験・数値モデル研究の融合，大気化学会と隣接する研究分野との連携，および新規研究課題の開拓を展望する。

１．はじめにStoermer, 2000]。それらの人為的な地球環境変化が人類は地球規模での大気汚染や温暖化を引き起

大気化学・陸域海洋生態系相互作用へ与える影響

こし，人新世と呼ばれる時代に突入した[Crutzen &およびその影響による気候フィードバックを本質的に理解し，統合的に評価することは重要である（図 1）。
特に高緯度では，アイス・アルベド・フィードバックを伴うため，雪氷面の減少により太陽光を反射する割合は減少し，温暖化の進行が顕著に表れる（正の気候フィードバック）。一方，エアロゾル雲相互作用による気候フィードバックに関しては，その複雑な過程を理解することが温暖化予測の不確実性低減にとって急務とされている[Schmale et al., 2021]。数値モデル
計算では過渡的な気温上昇に伴い，氷雲から水雲

図 1 人新世における大気エアロゾルと海洋生物活動の相互作用と気候影響の模式図。

へと相変化する過程により，雲の光学的厚さが増加
し，温暖化に対して負の気候フィードバックが働く1

大気化学研究 第 47 号 (2022)[Mülmenstädt et al., 2021]。しかし，そのフィードバック

フィードバックの研究は，主に，大気側の研究から導強度は，雲凝結核と氷晶核の混在した混相雲のモデ

かれた仮説を基に，エアロゾル・雲相互作用の解明

ルの取り扱いにより異なり，負のフィードバックが弱くを目指して盛んに行われてきた [Charlson et al.,

働くことは，より急激な気温上昇を予測することにつ1987]。これは，著者の頭文字から CLAW 仮説と呼ばながる[Zelinka et al., 2020]。そのような物理的なフィれ，温暖化に対して自然起源エアロゾルが負の気候

ードバックに加えて，海洋大気での雲凝結核およびフィードバックをもたらすと提案された。一方，主に，氷晶核数濃度は海洋生物起源のエアロゾルおよび海洋側の研究から，「鉄の海洋施肥によって大気中その前駆体により変化する。温暖化に伴い，海水温の二酸化炭素の海洋への吸収が促進される」というの上昇や氷床の融解等，様々な側面から海洋生物仮説が提案された[Martin, 1990a]。これは，Martin の活動が影響を受ける結果，海洋大気における雲特性

鉄仮説と呼ばれ，寒冷化に対して自然起源エアロゾ

は変化し，気候へフィードバックをもたらすと考えられ

ルに含まれる鉄の海洋表層への沈着が正の気候フィる。一方で，栄養塩不足により植物プランクトンの成ードバックをもたらすことを指摘している。さらに，長が阻害される海域では，エアロゾルにより供給されMartin 博士は，人為的鉄散布をジオエンジニアリン

る栄養塩が海洋植物プランクトンの成長を促す。これ

グとして適用することで，自然界の気候フィードバック

により，反応性気体・エアロゾル放出と海洋による二を活用した温暖化対策を提案した。Martin 博士が独

酸化炭素吸収を促進し，負の気候フィードバック

創的な鉄仮説を提唱したことで，大気エアロゾルからが働くと考えられる。さらに，地球温暖化により，大の鉄の沈着評価を含む，鉄研究が飛躍的に発展し規模な森林火災が増加すると，海洋へ長距離輸送さた[Martin, 1990b]。さらに，CLAW 仮説と鉄仮説が融れたエアロゾルによる雲凝結核および栄養塩供給が合された[Zhuang et al., 1992]ことにより，鉱物エアロゾ

増加し，負の気候フィードバックを引き起こすと予測さルの海洋生態系を介した気候フィードバックの重要れる。従って，温暖化の地球システムへの影響を考性が注目された[Jickells et al., 2005]。また，大気から慮する際，このような大気汚染物質や温室効果気体の窒素供給に関して，人為起源の影響の重要性がが陸域・海洋生態系およびその生物活動の変化を介示唆された[Duce et al., 2008]。

して気候へ与える影響に関する理解を深める必要が近年では，硫化ジメチル（DMS）からの硫酸エアロある。

ゾル新粒子生成は観測による裏付けが限定的である

地球温暖化・大気汚染の地球システムへの影響をなど，有機物の重要性も含め CLAW 仮説は見直しを定量的に評価する手法として，生物学的，化学的な迫られている[Quinn & Bates, 2011]。一方，大気から要素を含んだ地球システムモデルが用いられるの栄養塩供給に関しても，より長期・広範囲・多元素[Kawamiya et al., 2020]。しかし，海洋から大気へのにわたる生物地球化学的な物質循環において，物物質供給による気候への影響，および大気から海洋

理化学過程に加えて生物活動による物質循環へのへの物質供給による海洋生態系への影響予測には

負のフィードバックが海洋内で働くため，全球数値モ

多大な不確実性が存在する。従って，観測・実験・数デル計算による栄養塩施肥効果は，レッドフィールド値モデル研究を融合し，人新世において，生物地球比（海洋における炭素，窒素とリンの経験的な比）を化学的な物質循環と気候変化で海洋大気エアロゾ

仮定した試算[Martin, 1990a; Duce et al., 2008]より低ルを介して引き起こされるフィードバックを明らかにすく見積もられた[Krishnamurthy et al., 2009; Somes et

ることが今後 10 年の研究課題となる。

al., 2016]。さらに，現代気候では，海洋生物生産の海洋上の大気エアロゾル・海洋生物を介した気候

大部分は大気由来の鉱物エアロゾルに含まれる鉄供2大気化学研究 第 47 号 (2022)

給過程では説明できないと指摘されたことで [Boyd[Monahan et al., 1986; Gong et al., 2003]。実際，波のet al., 2010]，燃焼起源鉄の重要性も含め大気から海状態を観察することで，風速が強くなるに従い，白洋への鉄の供給過程は見直す必要がある。本稿で波の発生頻度が増加する傾向を観測できる。しかし，は，「有機物・鉄・窒素」を軸に人間活動が海洋生態

白波の割合を算出する関係式を風速のみを変数と系へ与える影響，およびその海洋生物活動の変化をして表現した場合，データごとのバラツキは大きく，

介して気候へ与える影響に関する最新の知見を総括

風速以外に波の状態を変化させる要因を考慮に入する。今後 10 年に大気－海洋間のインターフェース

れる必要性が指摘された[de Leeuw et al., 2011]。そこを対象とする大気化学分野の取り組むべき課題につで，風速の代わりに，波の状態を表現するパラメータ

いて，個別研究を分野横断的研究へと発展させるたとしてレイノルズ数をエアロゾル放出量の数式化に活めの道筋を展望する。

用することで，予測精度の改善が試みられた[Ovadnevaite et al., 2014]。ただし，それらの数式では，

2．海洋から大気への物質供給・気候への影
響

有機物が変数として取り入れられていない。

2.1 海洋から大気への気体・エアロゾル供給

学・物理特性を制御する表層海水中の支配要因（溶北太平洋亜寒帯域は，他外洋域に比べ生物生産の存態・粒子態有機物の組成，微生物の種・数・活動

季節的変動の大きな海域であることが，船舶や衛星度，表面活性など）について理解が不十分である。

観測等で確認されている。その領域内において，東海水飛沫中の有機物含有量は，植物プランクトン現部と西部では栄養塩の供給・消費量や CO2 排出・吸存量の指標として用いられるクロロフィル a 濃度の関収量に違いが見られるなど，植物プランクトンを中心数として表された[O’Dowd et al., 2008]。この場合のクとする微生物のダイナミクスが異なる[Harrison et al.,

ロロフィル a 濃度は，衛星観測データや地球システム

1999]。微生物活動に伴って海洋表層から大気へ供

モデルを用いて推定される[Ito & Kawamiya, 2010;

給される反応性気体やエアロゾルの量や組成，物Gantt & Meskhidze, 2013]。しかし，植物プランクトン

理化学特性は，植物プランクトンの消長や海水中の大増殖（ブルーム）に伴いバイオマスや微生物群の有機物の起源によって異なる[O’Dowd et al.,

集組成が変動するにもかかわらず，ブルーム期間中

2004]。したがって，北太平洋亜寒帯域は大気へのに大気中に放出される微生物や海水中の有機物組

反応性気体・エアロゾルの供給と気候影響を評価す

成と大気エアロゾルの有機物組成とに明瞭な関係性

る上でも重要な海域である。西部北太平洋域ではは見られていない[Quinn & Bates, 2011]。その原因と2000 年代後半の「海洋表層・大気下層間の物質循

して，北太平洋亜寒帯域での船舶観測から，海水飛環リンケージ（W-PASS: Western Pacific Air-Sea

沫が表層海水から大気へ移行する過程で，微生物interaction Study）」プロジェクトが日本における大由来で生物学的に分解されやすい有機物の割合が気海洋相互作用に関する研究（SOLAS: Surface

大気エアロゾル中で顕著に高くなるなど，有機物のOcean–Lower

Study,

著 し い 化 学 的 変 質 が 挙 げ ら れ た [Miyazaki et al.,https://solas.jp/english/）の発展において大きな原動2018]。さらに，その有機物量の制御要因のひとつと力となった[植松, 2013]。

して，植物プランクトン（珪藻類）の細胞老化の度合

海洋表層から大気へのエアロゾル放出量を表現すいが重要であることが示唆されており，海水飛沫中のる際，海水飛沫（Sea spray aerosol）フラックスやその有機物量の指標として植物色素が提案された

粒径分布は，経験的に風速の関数として表される[Miyazaki et al., 2020]。また，太平洋赤道域～中緯Atmosphere

海洋大気エアロゾルの中でも有機物は，その化

3大気化学研究 第 47 号 (2022)

度域での船舶によるオンライン蛍光測定から，大気分子を微生物が栄養塩として利用可能な窒素化合中の生物起源粒子（バイオエアロゾル）数濃度（5−30

物（アンモニウム塩など）に変換する窒素固定プロセ個/L）[Kawana et al., 2021] が黒潮続流域で報告さスが，有機態窒素など反応性窒素の大気放出に及れた大気バクテリア数濃度（10−250 個/L）[Hu et al.,

ぼす影響等の研究も始まっている[Dobashi et al.,2017]と近く，風速を考慮した透明細胞外重合体粒子

2022]。この有機態窒素やアンモニア（もしくはアンモ（TEPs），海中バクテリア濃度との相関から，大気バイニウム塩）の海洋表層から大気への再利用速度は，

オエアロゾル濃度のパラメータ表現も提案された（図大気からの窒素供給に関して，人為起源の影響を推

2，[Kawana et al., 2021]）。

定する際に重要である[Altieri et al., 2021]。海水と大気とのインターフェースにおいて，光化学反応により生成される VOCs を含む反応性気体は，新粒子生成に関与する可能性が指摘されたが，その存在量の不確定性が大きい[e.g., Brüggemann et al., 2018]。有機物については，海水飛沫による一次生成量と二次生成量を炭素換算値で比較し，微小な海塩粒子数の重要性と併せ，放出フラックスとしての相対的な重要性を明らかにしていく必要がある。
海洋上の大気エアロゾル組成と海洋中の生物・物
理化学プロセスをより明確に関連付け，関係を定量

図 2 西太平洋低緯度域における大気バイオエアロゾル
数濃度と海洋表層の TEP 濃度と風速の積との間の相関[Kawana et al., 2021]を一部改変。

化するには，海水中で有機物を生成する生態系の代謝経路や反応経路等の詳細な情報を潜在的に含む

海水飛沫の物理化学特性の理解の上で，このよう分子レベルでの理解も必要となる。これらの理解には，な海水と大気とのインターフェースにおけるエアロゾ

手法の確立も含めた海水中の有機物組成とエアロゾ

ルの生物・物理化学的な変質過程が今後も鍵となる。

ル組成の同時観測による定量的関連付けが今後ま

海洋表層の微生物活動に伴う有機物の気候影響をすます重要となる。

明らかにするため，今後は海水飛沫中の有機物の量

海洋生態系－エアロゾル－雲の相互作用システム

や組成，粒子の混合状態や無機物も含めた反応性に関する今後の重要なテーマの一例として，「地球温[e.g., Yoshizue et al., 2019]，海水から大気へ移行する

暖化に伴う海氷減少によって面積が拡大する開水域

組成の選択性を決める要因とメカニズムを海洋表層（open water）において，あるいは海洋酸性化に伴っの生物プロセスと関連付け，定量的に明らかにしてて，海洋表層微生物の種・数・活動度にどのような変いくことが求められる。

化がもたらされ，それがエアロゾルや前駆体の大気

海水飛沫（一次生成エアロゾル）と併せ，海洋表層

放出とそれに伴う雲凝結核能（2.2 節）や氷晶核能から放出される DMS 以外に揮発性有機化合物（2.3 節）をどう変化させるか？」を明らかにしていくこ（VOCs）[e.g., Tanimoto et al., 2014]や有機態窒素なとが挙げられる。地球システムモデルにより海洋大気

どが，新粒子生成，二次エアロゾル生成や既存のエエアロゾルの気候影響を精度良く評価する上で，生アロゾルの変質に果たす役割も未知の部分が多い。

物・物理過程も含め上に挙げたプロセスを明らかにし，実際，海洋から放出される未知の VOCs の存在も指海洋から大気へのエアロゾル放出フラックスの最適な摘された[Thames et al., 2020]。また，大気中の窒素パラメータ化が必須となる。
4

大気化学研究 第 47 号 (2022)

2.2 海洋大気での雲凝結核に輸送され，新粒子生成につながったと考えられて

CLAW 仮説 [Charlson et al., 1987]は，DMS によおり，生成した新粒子の MBL への取り込みが，MBL

る新粒子生成が雲アルベドの変化を通して地球の温内の雲形成に寄与することが指摘されている。しかし

度調節に関わってきた可能性を提唱した。地球温暖ながら，数値モデルによる検証では，前駆気体として化に寄せられる関心の高さに伴い，CLAW 仮説以降，

DMS のみを考えた場合に実際の粒子数濃度を過小

DMS に関わる生物地球化学的知見が蓄積されてき評価するため，DMS 以外の前駆気体の解明を課題た。その結果，既存粒子として海塩粒子が豊富に存のひとつとして挙げている。

在する大気境界層内において，DMS を前駆体とする

2000 年代以降，海洋大気中の雲粒子の核として，エアロゾル粒子生成は極めて稀であった[e.g., Covert

2.1 節で述べた海洋生物由来の有機物を含む海水et al., 1996]。一方で，海洋生物生産活動の活発な北飛沫の役割が注目された[O’Dowd et al., 2004]。海水

極域では，DMS を前駆体とするエアロゾル粒子生成

中の有機物は，海水飛沫粒子の雲凝結核能を決めが観測された [Park et al., 2021]。従って，DMS の気る吸湿性や表面張力に影響を及ぼすだけでなく，気候調節能は当初に全球規模で予想されたより海域的泡のでき方を変えることで海水飛沫の生成フラックス，に限定されることがわかってきた。総括すると, CLAW

粒径分布を変化させる可能性がある。これまでに室仮説で提案された海洋生物活動と気候フィードバッ

内や現場における海水飛沫の観測や生成実験が実クを支持する観測事実は，これまで確認されなかった

施されており，海水飛沫に含まれる有機物として，吸[Quinn & Bates, 2011]。しかし，CLAW 仮説を構成す

湿性の低い炭化水素やコロイド状物質の寄与が大きる素過程については議論の余地がある。

く，雲凝結核（Cloud Condensation Nuclei; CCN）活性

室内実験から[江波ら, 2022]，清浄な大気では，を抑制することがわかった[Gantt & Meskhidze, 2013]。

DMS の酸化過程で分子内 H 原子移動反応が重要

しかしながら，海洋生態系と海水飛沫に含まれる有になると報告された [Berndt et al., 2019]。その過程で機物およびその CCN 能・後述の氷晶核能との関連

生 成 さ れ る 比 較 的 安 定 な 中 間 体 HPMTFについては未だ不明な点が多い。

（ hydroperoxymethyl thioformate; HOOCH2SCHO ）気候モデルでは，自然起源エアロゾル個数濃度のは海洋上で航空機により観測され，その異性化反応

過小評価を補い，人為起源エアロゾルによるエアロゾの重要性が確認された[Veres et al., 2020]。さらに，そル雲相互作用による冷却効果を抑えるために，エアの異性化反応を考慮に入れた数値モデル研究は，ロゾル個数濃度を雲核数濃度に変換する際に閾値

海洋大気中のエアロゾル生成の制御過程とその変化が用いられている[Takemura et al., 2003]。そのため，に対する 雲応答の理解を 深める 必要性を 示し た

その閾値を下回る範囲で海洋生物起源の有機エア[Novak et al., 2021; Fung et al., 2022]。また, 地球シ

ロゾル濃度を変化させても気候へ影響を与えない

ステムモデルによる DMS 濃度の予測はモデルの取[Ito & Kawamiya, 2010]。人為起源エアロゾルによるり扱いにより異なり[Bock et al., 2021]，海域的な DMS

エアロゾル雲相互作用による冷却効果をより正確にの気候調節能は，さらなる研究が必要となる。

算出するためには，海洋生物起源の有機エアロゾル

最近の大規模な航空機観測では，既存粒子や人に対する理解を深め，その閾値を使用しないモデル

為起源の前駆気体が少ない熱帯の自由対流圏にお開発が必要である。一方，気象研究所の気候モデル

いて，持続的な粒子生成を捉えた[Williamson et al.,では南大洋域での過剰な太陽光の入射を抑えるた

2019]。対流性の雲によって海洋大気境界層（Marine

めに，雲アルベド効果を調整するパラメータとして，

boundary layer; MBL）内の前駆気体が自由対流圏

海水飛沫の雲凝結核数濃度が使用された[Kawai et5大気化学研究 第 47 号 (2022)

al., 2019]。しかし，氷晶核形成能を持つ粒子（Ice

割を果たすため，数濃度および氷晶核形成能の定Nucleating Particle; INP）について，陸域起源の鉱物

量的理解が必要である。しかしながら定性的な知見

エアロゾルより低い，海洋生物起源の INP 特性を考すら限られており，一連のプロセスの理解・定量化や慮することで，氷雲の過大評価を抑えることになり，モデル化には程遠い状況にある。

水 雲 の 過 小 評 価 を 補 う こ と が で き た [Vergara-

表層海水中有機物の大気への供給，氷晶核形成

Temprado et al., 2018]。このように近年，海水飛沫に能，雲降水システムへのインパクトの一連の過程を明含まれる有機物に関しては，氷晶核との関わりにつらかにできる総合的な観測調査とモデル化が必要でいての関心が高まっている（2.3 節）。

ある。総合観測には，船舶による海洋・大気物質・生室内実験と海洋の現場をつなぐ研究として，大型態系を対象とする学際的な計測が望まれる。

水槽を用いたメソコスム実験（環境条件を制御しながバイオエアロゾル[Fröhlich-Nowoisky et al., 2016]

ら海洋生態系を再現する実験）により，人工的に波浪の 計 測 方 法 で は 標 準 法 が 定 ま っ て お ら ず [Šantl-を再現し自然により近い状況で海水飛沫を生成する

Temkiv et al., 2020]，海水中バイオ粒子とバイオエア研究が推進されている[Prather et al., 2013]。また，海ロゾルを統一的に計測できる方法の開発が望まれる。

水飛沫の気候影響を地球規模で理解するために，

エアロゾル自家蛍光計測では，アミノ酸や還元型ニコCCN として機能する海水飛沫の数濃度を，衛星からチンアミドアデニンジヌクレオチド（NADH）, リボフラ

観測できる海洋生物活動の指標である植物プランク

ビンなどを指標物質とした市販機器や研究型機器がトン色素や，気象場と関連づける試みがなされたあり，連続測定可能だが[e.g., Taketani et al., 2013]，[e.g., Sellegri et al., 2021]。

多環芳香族炭化水素（PAH）など，非バイオエアロゾ
ルからの干渉を十分に取り除く必要がある[Miyakawa
et al., 2015; 金谷ら，2019]。より信頼性が高い DNA

2.3 海洋大気での氷晶核
上述のとおり，海水飛沫により海洋表層から大気

染 色 ・ 蛍 光 顕 微 鏡 計 数 ， ゲ ノ ム 解 析 [Maki et al.,

下層へ供給される「エアロゾル粒子」には有機物が含2018]などの生物学的手法による整合性の評価も重まれる。その一部として，「生物起源（バイオ）粒子」，

要となる。INP 計測では，オフライン型の液滴凍結法

すなわち「バクテリア・小型のプランクトン類やそれらで国内開発実績がある[Tobo, 2016; Tobo et al., 2020;の破片，滲出物等」が海洋から大気へ供給される。

Iwata & Matsuki, 2018]。オンライン型の Continuous

バクテリアの供給フラックスは 2−10 Tg/年などとも見積

Flow Diffusion Chamber 方式の INP 計も市販されてられるが[Burrows et al., 2009]，不確かさの幅が大きいるが信頼性向上が必要な段階である。

い。それらのうちには，前述の INP があるとされてい海洋地球研究船「みらい」ではユニークな試みとしる。一般に，過冷却の水滴の凍結には不純物がないて，2012 年以降，数多くの研究航海で，蛍光性粒子

場合には−40℃程度の低温条件が必要だが，INP のの自動連続計測を実施するとともに，いくつかの航海存在により比較的高温（−5～−25℃）での凍結が促さ

では INP 同時計測を行ってきた。また，起源となる海れる。そのような顕著な氷晶核形成を通じ，海洋性バ

洋表層物質とバイオエアロゾルとの対応関係が見出

イオエアロゾルが，海洋性大気中の雲のライフサイク

されてきた。海洋物質との対応関係については，植ルや降水システムのダイナミクス，さらには放射収支

物プランクトンの現存量の指標としての汎用性が高いに大きな影響を与える可能性が指摘されている。INP

クロロフィル a だけでなく，バクテリア数や種，TEP やは総エアロゾルに占める粒子数がごくわずか（例えばCSP（タンパク質性物質）についても評価することが，100 万個に 1 個）であっても，雲の消長に決定的な役

バイオエアロゾル発生プロセス解明のために有効で6大気化学研究 第 47 号 (2022)ある。INP と海洋生態系指標との対応関係は，野外を明らかにすることが望まれる。大規模な植生燃焼起観測だけでなく水槽培養実験の結果からも示された

源のバイオエアロゾル[Moore et al., 2021]や熱変性し[DeMott et al., 2016]。しかし，関連する海洋物質の生た鉱物エアロゾル[Jahn et al., 2020]など各種発生源

成・消失プロセスや粒子サイズなどについては未解の役割や，大気の長距離輸送にともなう湿性除去が明であり，培養実験などを含めた実験室的アプロー

大気中に残存する INP/CCN 比率にどう影響を与えチが有効である。

るか，についても評価が期待される。雲の高度での南大洋や亜寒帯～北極域では，低層雲・混相雲

情報を得るために，無人・有人航空機（ドローンやヘのモデル再現性およびその未熟さに起因する短波・リコプターも含む），係留気球などを船舶と併用する

長波放射のモデル誤差が大きな課題となっており，

観測，氷縁域に到達できる北極域研究船からの観測

重点的にエアロゾル・雲相互作用の研究が行われも有効な手段となる。国内関係者による，沿岸の「波ている[e.g., McFarquhar et al., 2020]。南大洋ではかの花」研究[岩本，2014]や海水中の有機物の三次元

つて−15℃で凍結する INP 数密度（NINP(−15℃)）が蛍光分析[Miyazaki et al., 2020]との連携，静穏な海33−250 個/m にも達するとされ[Bigg et al., 1973]注目

洋表層で有機物が濃縮されているマイクロレイヤーを集めたが，近年の航海調査などでは 0.1−1 個/m3 のの役割の解明や微生物学との連携[Hamasaki et al.,

桁 で あ る と 観 測 さ れ た [McCluskey et al., 2018;2019]，環境 DNA 網羅解析との連携も有望な方向性

Schmale et al., 2019; Miyakawa et al., 2022]。全球的である。

に収集された洋上 INP データでも NINP(−15℃)は地球温暖化とともに海水中バイオ粒子・バイオエア

0.1−100 個/m3 の範囲で，陸域より低かった[Welti et

ロゾル・INP はどう変化し，正または負の気候フィード

al., 2020]。しかし，南大洋上では大気中バクテリア群

バックをどの程度生むのか，豪雨のメカニズムなどに集解析から海洋性種が卓越すること[Uetake et al.,

対しても何らかの役割を果たしているのか，などの気2021]や，蛍光性粒子と INP の相関[Miyakawa et al.,

候・気象研究にも注目すべきである。海洋−大気間2022]などが報告されたが，海水中バイオ粒子，バイ

物質交換・エアロゾル微物理・CCN/INP の挙動・エア

オエアロゾルと INP の関係性の総合的な解明に至っ

ロゾル雲相互作用や雲放射などのうち必要な要素をていない。北半球高緯度～北極域で，INP を海中粒取り入れた数値モデル[e.g., Steinke et al., 2022]により子と結び付けた例はあるが，重要な粒子サイズが微各プロセスを評価し，統合的な知見としてゆくことも，

小粒子か 1 μm 以上の粗大粒子か，見解は分かれて気象・気候システムや海・大気・陸を横断する地球シいる[Wilson et al., 2015; Creamean et al., 2019]。また，

ステムの視点で海洋起源氷晶核の役割を解明する

北極海上で海洋起源の有機物が INP に影響する可ゴールに辿り着くために重要である。

能性も指摘され[Inoue et al., 2021]，評価の継続が重の放射収支には大きな不確実性を伴う。そのため，

3．大気から海洋への物質供給・海洋生態系への影響

バイオエアロゾル供給が氷雲形成に重要な役目を果植物の成長には，必須な栄養素のうちで与えられ要である。中低緯度においても，巻雲など上空の雲

たすかどうか知見の拡充が望まれる。

た量が最も少ない無機栄養素によって支配されると今後の研究では，陸・人間活動起源物質（鉱物エ

いう法則（リービッヒの最小律）が成立する。リービッヒ

アロゾル，燃焼エアロゾル等）が海上でも INP としての最小律が海洋植物の栄養素に適応される海域やどの程度寄与するか[e.g., Kanji et al., 2017]，海洋起

季節では，微量な栄養塩濃度の増加が，植物プラン

源物質と合わせて各々の役割および相対的な寄与

クトンの成長を促進することにつながる[Martin et al.,7

大気化学研究 第 47 号 (2022)

合わせ，西部北太平洋亜熱帯域において，主に東ア
ジア起源の大気を介した気体・エアロゾル・雨水中イ
オンの沈着による無機態窒素化合物の供給により，海洋植物プランクトンの基礎生産が増加すると報告された[Taketani et al., 2018]。また，西部北太平洋亜熱帯域においてエアロゾルの毒性による成長阻害効果は限定的であり，窒素栄養塩供給が植物プランクトンの成長を促進する効果は，東アジアでの大気汚染により排出された微小エアロゾルを用いた植物プランク
トン培養実験により支持された[Zhang et al., 2019]。さ図 3 培養実験で加えられた窒素（横軸）に対するクロロフ
ィル a 変化（縦軸）の応答[Zhang et al., 2019]。記号は（M1,
M2B, A1-b），採水された場所を表す。応答は線形増加（黒塗り）と非線形増加（白抜き）に分類され，赤線と青線
が，それぞれのデータに対するフィッティング直線と曲線を示す。 CC BY 3.0

らに，この培養実験では，窒素栄養塩供給を増加させ続けた結果，植物プランクトンの成長促進が鈍化する状態になることを示した（図 3）。鉄を含んだ海洋
生態系モデルでは窒素が栄養塩として十分に供給さ1990]。従って，大気から海洋への降下物質に含まれれる場合に，リービッヒの最小律に従い，大気からのる窒素，リン，鉄などの微量元素は海洋での基礎生

鉄供給が冬季と春季に植物プランクトンの成長を促

産の増加をもたらし得る。また，海域や季節などによ進し，それに伴い深海への粒子状有機炭素輸送フラって，栄養塩の枯渇要素が異なることは観測から知らックスを増加させた[Xiu & Chai, 2021]。

れている。しかし，表層水における生物に利用な形

数値計算や培養実験などからは，徐々に大気から態での栄養塩の滞留時間がそれぞれの要素間で異の沈着後の窒素化合物の海洋生態系内利用およびなるため，大気物質の沈着後に生物に利用可能な変化を含めた影響評価が進められてきている。西部

栄養成分濃度が時空間ごとにそれぞれ異なって変北太平洋亜熱帯域に限らず，北極海やインド洋など化する。従って，より長期間・広範囲での生物に利用においても窒素化合物が制限栄養要素として知られ可能な栄養塩の動態の理解が不可欠となる。本節でており[e.g., Nishino et al, 2011]，北極海では海氷減は大気から海洋への供給される栄養物質の海洋生衰に伴い海面の増加が今後も見込まれ，大気からの態系への影響に関して記述する。

物質供給の影響が大きくなると考えられる。インド洋
では南アジアの人口増加に伴い，産業活動から発生

3.1 大気から海洋へのマクロ栄養塩供給

し，硝酸の前駆物質である NOx や，堆肥などから発大気から海洋へ供給される気体・エアロゾル・降水

生する NH3 アンモニアの放出が沈着量を増加させる

中の主要な栄養成分として窒素化合物がある。特に，可 能 性 が 示 唆 さ れ た [e.g., Jickells et al., 2017;

大都市域の風下域に位置する海域では，人間活動

Elguindi et al., 2020]。これらの海域においても大気により放出された大気窒素化合物が海洋に多く供給

窒素化合物の沈着量の増加が予想されるため，海洋され[Itahashi et al., 2016; Jickells et al., 2017]，その存生態系への影響評価は継続的に行う必要がある。

在量や海洋生態系への寄与について現場観測，室

これまでの大気現場観測からの海洋生態系への

内実験，数値計算などにより議論がなされてきたがそ影響評価では，取得された沈着データをもとにレッドの効果については，まだ定量性の不確さが大きい

フィールド比を利用し時間的・空間的に独立した状[Altieri et al., 2021]。

況で海洋表層生産力への影響評価が中心に行われ大気化学輸送モデルと海洋生態系モデルを組み
8大気化学研究 第 47 号 (2022)てきた。しかし，大気・海洋中でのそれぞれの輸送な給量は減少傾向になる可能性がある。一方，アンモ

どの変動の時間スケールが大きく異なるため，大気ニアの農業による排出量は増加傾向になると予測さからの影響の総合的かつ定量的な評価が困難になれるが，正味のフラックス測定の困難さから，不確定っていた。特に海洋混合層下部からの表層への栄養性が高い。海洋上からの排出なども含め，これらの排塩輸送，鉛直拡散，表層の水平輸送の寄与などの取出量を正確に見積もり，海洋生態系モデルとの連携り扱いと大気からの乾性・湿性沈着や窒素固定の定が今後の課題としてあげられる。さらに，エアロゾル前量評価が困難になっている。このスケール間の違い

駆体の排出量変化に伴い，大気の酸性度が変化し，をどのように取り扱っていくかは重要な課題であり，エアロゾルの長距離輸送および海洋施肥効果に影

今後，大気・海洋それぞれの研究者との綿密な連携響を与える[Baker et al., 2021]。これまで大気中の存および相互理解が必要である。

在量の多さから無機態窒素を中心に影響評価が行

今後の窒素化合物を含む大気物質の海洋表層へわれてきたが，有機態窒素やリンなどの時空間分布の沈着による海洋生態系への影響を総合的に理解に関してもその組成を含め，情報を蓄積する必要がするために，様々な取り組みが必要と考えられる。現ある[Duce et al., 2008; Ito et al., 2014; Myriokefalitakis

場観測では大気組成/海洋化学の同時総合観測を

et al., 2020]。

推し進め，通年で，船舶を含めた特定の地点の定常的な観測を行うことが必要である。1995 年から 2012

3.2 大気から海洋へのミクロ栄養塩供給

年の間に行われた船舶調査から広範囲（5˚×5˚）で平北太平洋亜寒帯において，長年にわたる観測から，均化されたエアロゾル観測を元に算出された乾性沈

海洋内部の鉄の分布や循環に関する知見が蓄積さ着のデータベースが作成された[Baker et al., 2017]。

れてきた[Nishioka et al., 2021]。微量元素・同位体のしかし，主に人為起源の微小粒子中の硝酸塩やアン

分布およびその循環機構を調査する国際共同プロ

モニウム塩は揮発性が高く，これらの定量の際にはジェクト GEOTRACES（An International Study of theオンラインでの気体・エアロゾル同時測定が重要とな

Marine Biogeochemical Cycles of Trace Elements andる[Guo et al., 2017]。一方で，不均一だが大量の窒素

Their Isotopes）が展開されたことで，海水中の鉄を含化合物を含む大気物質が局所的に供給される湿性

んだ多元素の分布が明らかになりつつある

沈着のデータが少ないため，乾性沈着のようにデー（https://www.geotraces.org/）。これら海洋内部の鉄のタベース化できていない。突発的に起こる現象である

時空間分布や循環に関する知見を基に，大陸棚のが，大量の大気物質が一気に供給される可能性があ堆積物から北太平洋へと輸送される鉄のゆっくりとしるため，現場での沈着効果の影響評価の試みも重要

た除去過程（粒子沈降速度：180–460 m/年）が海洋と考えられる。また，北極海域では，上記の観測に加物 質 循 環 モ デ ル に よ り 示 唆 さ れ た [Misumi et al.,え，海氷上の積雪による物質供給などについて，季2021]。一方，大気エアロゾルを経由した，生物に利節を問わず航行可能な北極研究砕氷船での観測も用可能な鉄供給の定量的な見積もりには課題が多有効である。

い。特に，大気から供給された鉄の海水中での溶解

長期的には大気への窒素化合物の人為的排出量度を制御すると考えられている有機配位子について推定についての精度改善も必要である。近年，中国は，降水と海洋マイクロレイヤーでの存在量，存在形

での NOx の排出量は大気汚染対策の効果により減態，および錯体形成能が双方において未解明である

少傾向にあるため[Kurokawa & Ohara, 2020; Ding et[Meskhidze et al., 2019]。さらに，鉄を海洋表層へ散al., 2017]，今後，西部北太平洋における硝酸塩の供布した数値モデル実験では，海洋内で生物活動が9大気化学研究 第 47 号 (2022)

促進されることにより鉄以外の栄養塩不足が生物生指摘された[Mahowald et al., 2019]。一方，この逆相産活動を抑制することになる。しかし，海洋表層での関関係は，無作為なデータによっても再現できること

栄養塩の滞留時間あるいは再利用速度に，観測によが指摘された[Meskhidze et al., 2019] 。つまり，鉄がる制約が十分に働いていないため，どの栄養塩がど主成分となる濃度データ（横軸）は鉄溶解率（縦軸）の海域で基礎生産を制御するかはモデル間で異なの分母になるため，逆相関関係のみから意味のあるる[Ito et al., 2020a； Hamilton et al., 2022]。そのため，結論を導き出すことはできない。しかし，複数の数値

鉄散布の数値シミュレーション実験による栄養塩濃モデル計算と観測データを組み合わせた国際共同度変化の定量的な評価には，より長期・広範囲・多元研究(GESAMP：Group of Experts on the Scientific

素にわたる生物地球化学的な物質循環の理解を深Aspects化させる必要がある。

http://www.gesamp.org/work/groups/38）では，この逆ofMarineEnvironmental

Protection,

近年では，燃焼起源鉄の海洋表層での生物に利相関関係を説明するためにいくつか提案されていた用可能な鉄物質循環およびその生態系へ与える影

仮説から一つの結論を導き出した[Ito et al., 2019]。

響の重要性に関する研究に関心が集まっている[Ito

複雑なプロセスに基づいた数値モデルでは，鉱物起et al., 2021]。観測データから，エアロゾル中鉄濃度

源鉄に比べて鉄溶出速度の速い燃焼起源鉄を考慮が低いほど，鉄溶解率が高くなる逆相関関係が見らに入れることで，エアロゾル中鉄濃度と鉄溶解率の逆れる[Baker & Jickells, 2006; Sholkovitz et al., 2012]

相関関係に関する観測再現性が向上したことから，（図 4）。この逆相関関係を対数軸で表現した場合，

実環境で重要なメカニズムが明らかとなった[Ito et al.,

単純な 1 次元モデルの解析から，提案されていた仮2019]。同時に，複数の数値モデル間でその仕様が説の中で一つの結論を導き出すことはできないことがそれぞれ異なり，結果として燃焼起源鉄の寄与率の予測は大きく異なった。そのため，同位体[Conway etal., 2019; Kurisu et al., 2021]やマグネタイト[Moteki etal., 2017; Lamb et al., 2021]の観測データが，モデルで予測される人為起源鉄の寄与の制約条件として考慮された。その結果，数値モデルは西部北太平洋に

図 4 エアロゾル中の鉄濃度（横軸）と鉄溶解率（縦軸）の逆相関関係の観測（a）と数値モデル予測（b, c, d, e）の比
較[Ito et al., 2019]。数値モデルによる予測結果の色は，エアロゾル中の全ての溶存鉄に対する人為起源溶存鉄の割合を表す。CC BY-NC

図 5 西部北太平洋における微小粒子中(< 2.5 μm)の鉄
安定同位体比の観測（横軸）と数値モデル予測（縦軸）の比較[Kurisu et al., 2021]。CC BY 4.0

10大気化学研究 第 47 号 (2022)

おいて人為起源の影響を受けた微小粒子中の鉱物の観測結果を過小評価した[Shi et al., 2019]。海洋大

起源より低い鉄の安定同位体比の観測データをよ

気中で，霧が発生した際の観測データを取得するな

く再現できた（図 5，[Kurisu et al., 2021]）。この結果

ど[Iwamoto et al., 2011]，様々な気象条件下での海は，モデルで予測された燃焼起源鉄の寄与率の正洋大気における溶存鉄の動態に関する理解を深め

確さを定量的に裏付けた。それでもなお，過去の観る必要がある。

測では鉱物起源鉄に着目されており，燃焼起源鉄に

4．将来展望関する知見が不十分である。さらに，北大西洋に比べて，北太平洋（極域含む）・インド太平洋・南太洋に本コアテーマについては，表１にまとめたように，大おいて船上観測は少ない状況である。数値モデルの

気科学と海洋科学両方の研究コミュニティの参加に

観測再現性の向上には，より長期間・広範囲での観よる統合的な観測や室内実験，数値モデリングによ測およびその結果に基づく室内実験が不可欠である

る研究が，必要不可欠である[宮﨑, 2020; 岩本ら,

[Myriokefalitakis et al., 2018]。また，海洋には多種多2021]。海洋から大気への物質供給と気候影響評価

様な生物が存在するため，海域の生物生産を制限

については，船舶等による，気体・エアロゾル・雲・降する微量元素は複数からなり，鉄以外の栄養塩の大水（降雪）および表層海水のデータ取得をセットとし

気からの供給に対する効果を調査する観測および数た包括的な同時観測や，海洋微生物を用いたメソコ値モデルによる研究は，発展途上にある[Browning et

スム–大気観測実験が有効な手段と考えられる。メソ

al., 2021]。

コスム実験のように制御された条件下で得られた知近年，異常気象により引き起こされた大規模森林見を数値モデルで活用することにより，船舶観測デ

火災は，海洋へ供給される栄養塩の発生源としてータに対する数値モデル予測精度の改善へとつな関心が集まっている。大気モデルが観測研究と融合がることが期待される。また，より長期の時間スケール

され，森林火災により供給される溶存鉄の重要性がの変動を理解するため，海洋大気境界層内の長期示された[Ito et al., 2020b; Hamilton et al., 2022]。さら観測によるエアロゾルや関連パラメータの時系列デには現代および古気候の観測データから，森林火災

ータの蓄積，人工衛星による海洋表層データとのリンにより供給される溶存鉄と海洋生態系[Tang et al.,クも重要となる。特に気候応答感度が高い北極域や2021]および気候変動[Han et al., 2020]との関連性が北太平洋亜寒帯域などでの観測，プロセス研究の積示された。しかし，数値モデル予測による植生燃焼起

み 重 ね が 今 後 さ ら に 重 要 と 考え ら れ る 。 こ れ ら は

源鉄は観測による制約条件が限定的であり，室内実

SOLAS （ https://www.solas-int.org/ ） の 他 ， CATCH

験では鉄溶出速度が算出されていない。さらに，火（山灰などモデルで考慮されていない鉄発生源が存https://www.catchscience.org/home ） や在する[Duggen et al., 2007; Hamme et al., 2010]。そ（Biogeochemical Exchange Processes at the Sea-Iceのことから，モデルで考慮されていない栄養塩の供Interfaces,

給源やその発生・変質過程を明らかにすることが望ま

https://sites.google.com/site/bepsiiwg140/home ） に もれる。特に，南大洋域では，観測データ数としては少深く関連し，連携の重要性がさらに増していくと考えないながらも，モデルでは再現できないほど，エアロられる[例えば, 飯塚ら, 2021]。

CryosphereandAtmospheric

Chemistry,
BEPSII

ゾル中で高い溶存鉄濃度を示す観測データが得ら研究の一例として，海洋生物活動の影響を受けた

れた[Ito et al., 2019]。一方，中国における観測結果

エアロゾルの発生源からゲノム情報をトレーサー情報によると，霧の気象条件下で数値モデルが鉄溶解率として取得することなどが挙げられる。その結果を基
11

大気化学研究 第 47 号 (2022)に，主な海洋生物由来のエアロゾルの雲凝結核能お法の確立[Zhang et al., 2020; Zhu et al., 2020]を含め，よび氷晶核能を評価する。その上で，海洋から放出

全球分布を把握し，数値モデルにより定量的に気候され，雲凝結核および氷晶核の形成に対するエアロ

へ与える影響を理解するためには，さらなる研究がゾルの役割を数値モデル化することなどは，海洋生必要である。
GESAMP は，海洋環境保護に関して科学的側面

物活動の気候影響をより正確に見積もる上で意義深い。

を専門家が議論し，環境問題解決への具体策を提気体・エアロゾル・雲・降水（降雪）および表層海水

案 す る こ と を 目 的 と し て い る 。 GESAMP の WGの同位体・多元素・鉱物組成などの包括的な同時観（Working Group）38 は 2008 年から様々な大気−海

測データは，海洋表層に沈着する物質の起源を示

洋間の相互作用研究に取り組み，2018 年報告書ですツールとして利用できる可能性が高い。海水中では，大気から海洋への窒素沈着に関して[GESAMP,の人為燃焼起源のトレーサーとして，海水をフィルタ

2018]， 2021 年報告書では，海洋から大気へのーろ過した液体に含まれる DBC（Dissolved BlackDMS 放出と大気から海洋への主に鉄沈着に関してまCarbon）の利用が注目を集めている [e.g., Nakae et

とめられた[GESAMP, 2021]。エアロゾルによる栄養

al., 2017]。複素散乱振幅測定手法[Moteki, 2020,

塩供給は，陸域同様[持田ら, 2022]，海洋生態系へ

2021]は，水中に懸濁する固体粒子を個別粒子で計過剰に沈着することにより生態系の富栄養化を引き数可能ため，海水懸濁粒子の分析に応用可能であり，起こし，生物多様性の損失の要因となることに注目さ

大気海洋間の物質移動を定量的に解析できることがれている。そのため，自然科学の専門家に加えて，期待される。そのため，数値モデルの制約条件として政策科学の専門家が議論に加わり，環境問題解決

有効に働き，観測と数値モデルを組み合わせることへの政策立案に向けて議論される。

で，生物地球化学的な物質循環の理解をより深化さ

本稿で記述した内容は，様々な物質の大気−海洋間の相互作用研究を推進する SOLAS と連携して，せられると考えられる。
SDGs（持続可能な開発目標）では，人間活動の海

有機物・栄養塩の個別に行われてきた観測・実験・モ

洋環境への影響として，海洋プラスチックが大きく取デル研究を融合する必要性を示すものである。さらり上げられている。マイクロプラスチックと呼ばれる大に今後は，海洋内の微量金属元素の循環を明らか

きさ 5 mm から１μm の微小なプラスチック粒子は，生にしている GEOSTRACES と連携して，北極海・北太物に摂取されるなど海洋生態系へ負荷を与えている。

平洋・インド洋・南太洋において船上観測と大気・海

ところが，マイクロプラスチックは大気中でも広範囲で

洋物質循環モデル研究の展開が期待される。また，観測されるようになり[Allen et al., 2019]，その健康被GEOTRACES の後継のフェーズとして，微量元素の害への影響だけでなく，室内実験による研究からは

分布と海盆スケールの広域なゲノム情報を含めた生氷晶核としての気候への影響も示唆された[Ganguly

物情報とのリンクを図る Bio-GeoSCAPES が国際的に& Ariya, 2019]。海洋大気マイクロプラスチックの発生計画されている。北太平洋においても大気からの栄源として，海洋表層起源[Allen et al., 2020]やブレー

養物質沈着が駆動する海洋の生物過程の実態を把キやタイヤなど陸域起源[Evangeliou et al., 2020]など

握するために，日本から Bio-GeoSCAPES に積極的が提案された。しかし，数値モデル結果は観測デーに関与することが期待される。

タにより検証されておらず，発生源インベントリーや謝辞

気候へ与える影響の定量的な評価に至る決定的な証拠は得られていない。マイクロプラスチックの測定

宮川拓真博士，植松光夫博士ならびに匿名の日12大気化学研究 第 47 号 (2022)

表 1. 海洋エアロゾル・生物の気候フィードバックに関する総括。

1.

究極のゴール ・人類は地球規模での大気汚染や温暖化を引き起こし，人新世と呼ばれる時代に突入した。そ ・人類は地球規は何か。
れらの人為的な地球環境変化が大気化学・陸域海洋生態系相互作用へ与える影響およびそ それらの人為的の影響による気候フィードバックを本質的に理解し，統合的に評価・予測することは重要である。 その影響による
従って，観測・実験・数値モデル研究を融合し，人新世における「大気微量成分と海洋生物活 る。従って，観測動の相互作用による気候影響と海洋生態系へ与える影響およびその気候フィードバックを明ら 物活動の相互作
かにすること」が究極のゴールとなる。
を明らかにする2.

この 10 年での ・海洋生物－大気エアロゾルの化学・物理過程－雲凝結核能・氷晶核能への影響に関する統 ・CLAW 仮説で世界的な動向 合的な研究が国内外で進んだ。
・海洋生物学－や日本での研 ・国内では北太平洋を中心として船舶による大気化学観測データが蓄積された。
統合的な研究が究の強み
・有機物・鉄・反応性窒素の大気－海洋間収支に関する分野横断の観測・モデルの統合研究 ・国内では太平体制が構築された。
・有機物・鉄・反・同位体を用いた解析や蛍光法を用いた成分解析など先端的な計測/分析による洋上観測によ された。
り海洋大気エアゾロル組成の新たな情報が蓄積された。
・同位体や蛍光・北太平洋亜寒帯において，海洋内部の鉄の分布や循環に関する知見が蓄積された。
・北太平洋亜寒・鉱物起源鉄に加えて燃焼起源鉄を新たに考慮することで，大気モデルによるエアロゾル中鉄 ・鉱物起源鉄に濃度および鉄溶解率の観測再現性が向上し，燃焼起源鉄は鉱物起源鉄より効率的に栄養塩 濃度および鉄溶施肥効果に働くことが海洋モデルから示唆された。
・大気－海洋モ

3.

現在の重要な ・表層海水から大気への有機物の供給過程・量と，その雲凝結核能・氷晶核形成能，雲降水過 ・表層海水からギャップ
程への影響に関する気象・気候システムとしての総合的な理解が不十分である。
程への影響に関・各海域において海洋生態系に影響を与える大気成分の供給量および起源に関する理解が未 ・各海域においだ不十分である。
未だ不十分であ・北極海・北太平洋・インド太平洋・南太洋において，大気・海洋パラメータを同期させた統合的 ・北極海・北太平
な船上観測やメソコスム等の現場実験による検証データが少ない。
的な船上観測や・海洋-大気境界層での有機物と栄養塩の相互作用の理解が不足している。
・海洋-大気境界

4.

それらを踏ま ・地球温暖化や海洋酸性化および海洋への栄養塩の沈着量の変化に伴って，海洋から大気へ ・地球温暖化やえ，今後 10 年 のエアロゾルや前駆体の放出量・質はどう変化し，雲凝結核・氷晶核を介してどの程度の正また へのエアロゾルの研究をドライ は負の気候フィードバックが生じるのかを明らかにする。
または負の気候
ブする key
・大気から海洋への様々な栄養成分および阻害成分の供給に対する海洋生態系(基礎生産な ・大気からの海洋
question or 作 ど)の応答を定量化する。
など)の応答への業仮説
・北極海・北太平洋・インド洋・南太洋において長期的な大気・海洋統合船上観測と大気・海洋 ・北極海・北太平
Ba
物質循環モデル研究を展開する。
物質循環モデル・大気化学だけでなく，海洋分野も含め，個別に行われてきた有機物・栄養塩の観測・実験・モ ・個別に行われデル研究を融合するとともに，分野横断型研究へと発展させる。
型研究を推進す5.

主な連携相手 ・日本海洋学会，日本気象学会，日本地球化学会，日本エアロゾル学会，SOLAS，CATCH,
BEPSII, GESAMP, GEOTRACES, IMBeR・日本海洋学会
GESAMP, GEO

本大気化学会員の方々から，本稿に対する貴重なAllen, S. et al. (2020), Examination of the ocean as a source for

コメント・ご助言をいただきました。深く感謝申

atmospheric microplastics, PloS one, 15, e0232746,

し上げます。

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condensation nuclei from new particle formation in thetropics, Nature, 574, 399-403, doi.org/10.1038/s41586019-1638-9.
Xiu, P. & F. Chai (2021), Impact of atmospheric deposition on
carbon export to the deep ocean in the subtropicalNorthwest

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Geophys.

Res.

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e2020GL089640, doi.org/10.1029/2020GL089640.
Zelinka, M. D. et al. (2020), Causes of higher climate sensitivity
in

CMIP6

models,Geophys.

Res.

Lett.,

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Zhang, C. et al. (2019), Fertilization of the Northwest Pacific
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Zhuang, G., Z. Yi, R. A. Duce & P. R. Brown (1992), Link
between iron and sulphur cycles suggested by detection of
Fe(II) in remote marine aerosols, Nature, 355, 537-539,
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Zhang, Y. et al. (2020), Atmospheric microplastics: A review oncurrent status and perspectives, Earth-Sci. Rev., 203,
103118, doi.org/10.1016/j.earscirev.2020.103118.
Zhu, C. et al. (2020), Characterization of microplastics on filter
substrates based on hyperspectral imaging: laboratory
assessments,

Environ.

Pollut.,263,

114296,

doi.org/10.1016/j.envpol.2020.114296.

原稿受領日: 2022 年 4 月 4 日
掲載受理日: 2022 年 6 月 13 日

20

学会からのお知らせ

JpSAC news

Article No. 047N01

第 27 回大気化学討論会のお知らせ
関山剛 1 *，石戸谷重之 2，岩本洋子 3，内田里沙 4，坂本陽介 5
第 27 回大気化学討論会を 2022 年 11 月 16 日（水）～18 日（金）につくば国際会議場で開催いたします。3 年ぶりの対面開催です。オンライン参加も可
能なハイブリッド形式を予定しています。
主催： 日本大気化学会, 名古屋大学宇宙地球環境研究所（ISEE）
討論会の会場はつくば国際会議場（エポカルつくば）です。この写真はつくば市内の気象研究所ですが，筑波山麓の広い土地と広い空を表現しています。

会場： つくば国際会議場（つくば駅から徒歩 5 分）
日程： 2022 年 11 月 16 日（水）午後から 18 日（金）午後までの 2 日半（予定）＊5 新型コロナ感染症の状況によっては予定が変更

懇親会は開催しません。宿泊施設の手配は各自でされる可能性があることを予めご了承下さい。

お願い致します。
問合せ先： 〒305-0052 茨城県つくば市長峰 1–1
開催までのスケジュール予定
専用 Web サイトの開設：

7 月下旬

講演・参加申込受付開始：

8 月下旬

講演申込・予稿原稿送付締切：

9 月下旬

講演プログラム発表：

10 月中旬

参加申込最終締切：

10 月下旬気象研究所 全球大気海洋研究部 第 27 回大気化学討論会事務局 <meeting2022＠jpsac.org>
大会実行委員会(LOC)：関山剛(代表)・眞木貴史・太刀川友理・小泉聡・石島健太郎・藤田遼・梶野瑞王・
大島長・出牛真（気象研），亀崎和輝（産総研），竹川
暢之・加藤俊吾・三澤健太郎（都立大）講演および参加の申し込みは第 27 回大気化学討論プログラム委員：岩本洋子(広島大)・内田里沙(日本会専用 Web サイト上で受け付ける予定です。

自動車研究所)・石戸谷重之(産総研)・坂本陽介(京＊1 現地参加およびオンライン参加ともに参加費を都大)徴収させていただく予定です。また，一般料金と学生料金，会員料金と非会員料金を設定する

著者所属：予定です。（講演申込は無料）

1. 気象研究所＊2 講演発表は会員のみ可能です。

2. 産業技術総合研究所＊3 茨城県および会場施設の新型コロナ対策ガイド

3. 広島大学

ライン遵守の都合上ポスター発表は実施せず，

4. 日本自動車研究所

現地口頭発表のみでの開催予定です。

5. 京都大学＊4 現地会場での三密回避，ハイブリッド開催準備* 責任著者:などの都合上，当日参加は受け付けません。

Tsuyoshi Sekiyama <tsekiyam＠mri-jma.go.jp>
1

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JpSAC news

Article No. 047N02

2022 年度日本大気化学会奨励賞 受賞候補者推薦募集

日本大気化学会では下記の通り，日本の大気化学（4）推薦理由（和文または英文。和文の場合

分野の発展を担う若手研究者を奨励するため，第1200字程度，英文の場合600words程度）

18回（2022年度）奨励賞受賞候補者の募集を行い（5）業績リストます。皆様からの推薦（自薦，他薦を問いません）（a）全論文リスト（筆頭論文・責任著者論文とをお願い致します。推薦書類は日本大気化学会事

それ以外に分ける。出版済み・受理済みの務局までEメール（jpsac-post@bunken.co.jp）またはみ。査読の有無を付記。）

郵便でお送り願います。

（b）主な学会発表（国際・国内に分類し，口頭・ポスター・招待講演を付記），著書，外募集要項

部資金獲得状況，その他特記事項（2ペー

１．選考対象は大気化学の分野で優れた研究を行っ

ジ以内）

た本会会員 （学生会員を含む）で，原則として，2022年4月1日現在で満39歳以下または学位取

４．推薦資料提出の締め切り：2022年7月31日

得後10年未満の者。（※応募回数に制限はありま

注）せん。過去の業績ばかりでなく将来性も含めて選・選考の段階で，選考委員会から追加資料の提出考を行いますので，学生を含めた若い世代からを求められた場合には，その指示に従って下さい。

の応募も歓迎致します。）

・提出された資料は返却致しません。
・資料は奨励賞の選考以外には使用致しません。

２．推薦資料は下記の事務局宛にEメールまたは郵便で提出。

過去の受賞者および大気化学会奨励賞に関する細〒162-0801

則については，日本大気化学会HP：

東京都新宿区山吹町358-5 アカデミーセンター

https://jpsac.org/activity/prize/jpsac-incentive-award/

日本大気化学会事務局宛

https://jpsac.org/about/rule/E-mail: jpsac-post@bunken.co.jp

をご参照ください。

３．推薦資料は次の5つの項目を含んだA4用紙とす

日本大気化学会

る（メールの場合，1つのPDFにまとめてパスワー

表彰委員長 宮﨑 雄三

ドをかけたものを添付し，別メールでパスワードを送る）。
（1）会員番号（日本大気化学会 運営委員会）（2）略歴（年齢や推薦対象研究の実施との対応が分かる程度の学歴・職歴など）（3）推薦対象とする研究課題名（和文と英文の両方を記載）

1

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JpSAC news

Article No. 047N03

JpGU 2022 「大気化学」セッション開催報告
内田里沙 1 *，坂本陽介 2, 3, 4，岩本洋子 5，石戸谷重之 6
１． JpGU 2022「大気化学」セッション
日 本 地 球 惑 星 科 学 連 合 （ JpGU ） 2022 年 大 会（JpGU- Meeting 2022）は，2 年ぶりの現地を含むハ
イブリッド形式での開催となりました。2022 年 5月 22 日から 5 月 27 日に現地（幕張メッセ）およびオンラインのハイブリッド形式で開催され，2022 年 5 月 29 日から 6 月 3 日にオンラインポス
ターセッションが開催されました。大気化学セッ
ションには，39 件の投稿があり，5 月 27 日に口頭セッション 4 コマ（1 コマ 90 分）および，現地ポスターセッションの 1 コマ，5 月 29 日にオンラインポスターセッ

図 1 現地での発表の様子

ションを実施しました。
口頭発表セッションの現地会場では 20～30 名，オンライン会場には 60 名以上の参加があり，発表形式に問わず，活発な議論が繰り広げられました。関連
研究分野で精力的に研究を進められている 2 名の研究者による招待講演を実施しました。鈴木健太郎博士（東京大学）には，「Understanding aerosol-cloudclimate interaction with satellite observation and global

図 2 オンラインでの発表の様子（金谷会長のご講演）

modeling」，茶谷聡博士（国立環境研究所）には，「Regional air quality simulation framework to evaluate
effectiveness of emission controls」というタイトルでご著者所属：

講演頂きました。口頭発表セッション終了後には別会

1. 日本自動車研究所 環境研究部

場でポスター発表が行われ，参加者は限られるもの

2. 京都大学 地球環境学堂の活発な議論が繰り広げられました。また，オンライ

3. 京都大学 人間・環境学研究科

ンポスターセッションでは，発表者のフラッシュトーク

4. 国立環境研究所

によるポスター紹介の後，Zoom のブレークアウトルー

5. 広島大学 大学院統合生命科学研究科

ムを利用して，直接質疑応答が行われました。

6. 産業技術総合研究所 環境創生研究部門

当セッションにご参加頂いた皆様，開催にご協力頂いた皆様に深く感謝申し上げます。来年度の* 責任著者:

大気化学セッションにも，投稿頂けますよう，よRisa Uchida <urisa@jari.or.jp>

ろしくお願いいたします。
1

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JpSAC news

Article No. 047N04

日本大気化学会会員集会プログラム
日時：2022 年 5 月 30 日（月）14:00–15:00
場所：Web 会議による開催

冒頭： 金谷会長より挨拶
1) 会員報告
2) JpGU2022 での大気化学セッション3) 男女共同参画・人材育成の活動について
4) 奨励賞の募集について
5) 論文賞 (仮) の新設について
6) 大気化学研究誌について
7)「大気化学の将来構想」について
8) 第 27 回大気化学討論会について
9) iCACGP-IGAC2022 国際会議について
10) その他
塩谷雅人会員の追悼（日本大気化学会 運営委員会）

1

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JpSAC news

Article No. 047N05

第 24-27 回日本大気化学会運営委員会議事録
第 24 回日本大気化学会運営委員会

4）2022 年度奨励賞の募集文面の改定（大気化学研究会より通算 55 回）

表彰担当の宮﨑委員より，奨励賞の募集文面の日時：2022 年 3 月 16 日（水）10:00–12:00

改定について提案があった。既に議論を行ってき

場所：Web 会議による開催た内容の最終確認であったため特段の意見はな

出席者：石戸谷重之，入江仁士，岩本洋子，内田く，賛成多数で承認された。

里沙，加藤俊吾，金谷有剛，齋藤尚子，坂本陽介，

5) 推薦 WG からの報告
推薦 WG の加藤委員より，奨励賞に加えて論文

関山剛，竹川暢之，竹谷文一，宮﨑雄三，山地一代（敬称略，五十音順）

賞（仮称）を新設する案が提起された。応募資格

オブザーバ：岸 里絵子（国際文献社）（敬称略）

は全会員とし，研究論文（原著論文）を対象とする。学会規模に対する表彰の適正数，選考基準，

金谷会長およびオブザーバの岸氏より挨拶があ

推薦方法など様々な観点から意見交換が行われった。引き続き，以下の報告・審議を行った。

た。引き続き議論が必要ではあるものの，論文賞の新設という方向性については賛成多数で承認

1) 第 23 回運営委員会議事録された。

メールで承認済みの議事録が再確認された。

また，加藤委員から外部の賞への推薦について

2) 会員会計に関する報告の規準作りについて問題提起がなされた。規模の会員会計担当幹事の竹谷委員より，会員数の推大きい学会では賞の推薦依頼が来る場合がある

移について報告があった。一定期間の会費の滞納が，本学会ではそのような情報があまり入ってこがあり，かつ催告に応じない会員について，規約ないのが現状である。引き続き情報を収集して審に従い会員資格を失効（除名）とする案が提起さ議を行う旨が確認された。

れ，賛成多数で承認された。また，今年度の会計

6) 学会誌編集委員会からの報告

支出に関して，例年と異なり大気化学研究の編集

学会誌編集担当の山地委員より，第 46 号の編

費と学会 HP の改修費用が計上されている点，お集作業を外部業者に依頼した旨報告があった。第よび会計収支が黒字となっている点について報47 号は将来構想検討（第一弾）を中心とした内容告があった。予算の使途について意見交換が行わを予定しており，その編集過程について意見交換

れ，学会 HP の更新に年間 10 万円程度を定常的にがなされた。

計上する案が賛成多数で承認された。

7) 男女共同参画・人材育成委員会の活動

3) 2022 年度 JpGU 準備状況

男女共同参画・人材育成担当の齋藤委員より，プログラム担当の内田委員より，2022 年 JpGU

男女共同参画学協会連絡会へのオブザーバ加入の準備状況について報告がなされた。緊急事態宣の正式承認について報告があった。オブザーバ加

言下でなければ予定通りハイブリッド開催とな

入は 3 年であり，3 年後に自動的に正会員になる。

る点，および大気化学セッションの口頭枠が 4 コ

正会員になると学会規模に応じて一定の役割をマとなった点などについて報告があった。

分担する必要がある。年会費は現在の 1 万円と変わらない（5 月頃に請求）。なお，連絡会からは多1

大気化学研究 第 47 号（2022)

数のメールが来るが，学会 ML への情報展開は本とになった。

学会の活動に関係があるものに限る。

以上

さらに，若手交流会の発足についても報告があった。今度の JpGU の翌週に研究発表や質疑応答

第 25 回日本大気化学会運営委員会の練習を中心とした交流会を開催する予定であ（大気化学研究会より通算 56 回）

る。JpGU や大気化学討論会が今後現地開催にな

日時：2022 年 4 月 25 日（月）13:00–14:56

る場合を除き，若手交流会は参加しやすいオンラ

場所：Web 会議による開催

イン開催とする予定である旨が報告された。

出席者：石戸谷重之，入江仁士，岩本洋子（最後8) 「大気化学の将来構想 2022-2032」進捗

の 5 分間のみ），加藤俊吾，金谷有剛，齋藤尚子，

金谷会長から進捗に関する説明があった。概念

坂本陽介，関山剛，竹川暢之（敬称略・五十音順）

図について，見栄えの良い形にするために外注を欠席者：内田里沙，竹谷文一，宮﨑雄三，山地一

検討している旨報告があった。

代（敬称略・五十音順）

9) iCACGP-IGAC2022 について
金谷会長より，マンチェスターで開催される

金谷会長より挨拶があった。引き続き，以下の報iCACGP・IGAC2022 国際会議について紹介があっ

告・審議を行った。

た。現時点ではハイブリッドが予定されている。
10) 2022 年度大気化学討論会について

1) 男女共同参画・人材育成委員会からの提案

第 23 回運営委員会に引き続き，現地開催の可

男女共同参画・人材育成担当の齋藤委員から，能性について幹事会より提案がなされた。対面開

休業中の会員への学会参加費等の補助の制度化

催の可否の決定が難しい一方で，オンライン開催について提案があった。休業事由としては産前・のみの状況が続くことは若手研究者のキャリア

産後休業，育児休業，介護休業を想定しており，形成への悪影響も懸念される。日程は 11 月 16-18

復職後の事後申請という仕組みとなっている。補日とした上で，当初想定していた長崎に加えて助金額については引き続き議論があるものの，本KKR 熱海での開催についても調査している。現地制度の新設について参加者内では賛成意見が多開催の場合の LOC 負荷や感染リスク低減のため，数であった。

ポスター無しで口頭発表のみにすること，ハイブ

2) 2022 年度大気化学討論会についてリッドをする場合でもウェビナー形式の簡易型

第 23 回運営委員会に引き続き，現地開催の可とする案が提起された。懇親会は行わない。昨年

能性について幹事会より提案がなされた。事前にの大気化学討論会でのアンケート結果を見ると，メールで収集した意見の中に，長崎，熱海，都心

対面開催希望が僅差ではあるが最も多い点は考に加えてつくばも開催候補地として挙げられた

慮すべきである。5 月頃にアナウンスするとした

旨が紹介された。また，幹事会で都内候補地とし場合，対面かオンラインか検討する時間は限られて日比谷コンベンションホールも調査した結果ている。

が紹介された。これらを踏まえた主な論点として，

運営委員全体としては概ね対面開催を支持す(1) オンライン開催を選択肢から外すかどうかる意見が多かったが，開催場所や開催形式（対面(2) 対面開催の候補地として長崎を先送りとする

のみ，ハイブリッド）については意見が分かれた。

かどうか（今回は熱海，都内，つくば）

メールにて意見を収集した上で再び議論するこ(3) 対面開催の場合にハイブリッドをどうするか

2

大気化学研究 第 47 号（2022)という点に絞ることが確認された。参加者内では(1) オンライン開催を選択肢から外すかどうか(1)と(2)について賛成意見が多数であった。(3)に(2) 対面開催の候補地として長崎を先送りとする

ついて一定の共通認識はできたものの，引き続きかどうか（今回は熱海，都内，つくば）

議論が必要である点が確認された。

(3) 対面開催の場合にハイブリッドをどうするか以上という点に絞ることが確認された。参加者内では(1)と(2)について賛成意見が多数であった。第 25

第 26 回日本大気化学会運営委員会

回運営委員会および欠席者からの委任の意思を（大気化学研究会より通算 57 回）含めて，賛成多数で承認された。(3)について一定

日時：2022 年 4 月 27 日（水）15:00–17:10の共通認識はできたものの，引き続き議論が必要

場所：Web 会議による開催である点が確認された。

出席者：岩本洋子，内田里沙，金谷有剛，齋藤尚以上子（途中退席），関山剛，竹川暢之，山地一代（敬称略，五十音順）

第 27 回日本大気化学会運営委員会

欠席者：石戸谷重之，入江仁士，加藤俊吾，坂本（大気化学研究会より通算 58 回）

陽介，竹谷文一，宮﨑雄三（敬称略，五十音順）

日時：2022 年 5 月 17 日（火）13:00–15:05
場所：Web 会議による開催

金谷会長より挨拶があった。引き続き，以下の報

出席者：入江仁士，内田里沙，金谷有剛，坂本陽

告・審議を行った。

介，関山剛，竹川暢之，宮﨑雄三（敬称略，五十音順）

1) 男女共同参画・人材育成委員会からの提案

欠席者：石戸谷重之，岩本洋子，加藤俊吾，齋藤

男女共同参画・人材育成担当の齋藤委員から，

尚子，竹谷文一，山地一代（敬称略，五十音順）

休業中の会員への学会参加費等の補助の制度化について提案があった。休業事由としては産前・金谷会長より挨拶があった。引き続き，以下の報

産後休業，育児休業，介護休業を想定しており，

告・審議を行った。

復職後の事後申請という仕組みとなっている。補1) 議事録確認

助金額については引き続き議論があるものの，本制度の新設について参加者内では賛成意見が多第 24～26 回運営委員会の議事録を参照しなが数であった。第 25 回運営委員会および欠席者から，大気化学討論会の開催形式に関する議論の経らの委任の意思を含めて，賛成多数で承認された。

緯について再確認がなされた。

2) 2022 年度大気化学討論会について

2) 男女共同参画・人材育成委員会の活動

第 23 回運営委員会に引き続き，現地開催の可

男女共同参画・人材育成担当の坂本委員から，能性について幹事会より提案がなされた。事前に休業中の会員への学会参加費等の補助に関するメールで収集した意見の中に，長崎，熱海，都心検討状況について報告がなされた。制度の詳細はに加えてつくばも開催候補地として挙げられた

引き続き議論が必要であるが，会員への周知のた旨が紹介された。また，幹事会で都内候補地としめに今年度 JpGU 前に学会 ML でアナウンスするて日比谷コンベンションホールも調査した結果旨が確認された。また，3 月 29 日の男女共同参画が紹介された。これらを踏まえた主な論点として，

学協会連絡会定時総会への参加報告，6 月 1 日（予3大気化学研究 第 47 号（2022)

定）の第 2 回若手交流会についての説明がなされ関山委員が LOC 代表となり，幹事会およびつくた。これに関連して，会員の利益となるような情

ば在住の研究者で LOC を組織する方針が提案さ

報（各種支援，表彰等）を学会 HP や ML を通じれた。現況では一定程度のハイブリッド開催を期て周知するための方法や費用について意見交換待する声が多いと考えられるが，LOC への負担をがなされた。

考えると，どの程度のハイブリッドを許容するか

3) 推薦 WG からの報告

は慎重な議論が必要である。その後のメール審

推薦 WG の宮﨑委員から，第 24 回運営委員会

議・投票によってつくば開催および LOC 体制にで新設が承認された論文賞の制度設計の検討状

ついて賛成多数で承認された。ハイブリッドを含況について報告がなされた。自薦・他薦，受賞対めた開催形式については LOC を中心に引き続き

象者の範囲（筆頭，責任著者），審査体制等につい検討を行う。

て様々な角度から意見交換がなされた。まずは今6) JpGU における会員集会について

年度 JpGU の会員集会で論文賞の新設について告今年度 JpGU に付随して行われる会員集会の内知した上で，次回運営委員会で募集要項案を審議

容について相互確認し，各担当者に資料提供の依し，大気化学討論会の場で正式アナウンスを行う

頼がなされた。

旨が確認された。この予定通り進行すれば次年度

以上

JpGU で表彰となる見込みである。
4）学会誌編集委員会からの報告
学会誌編集担当の宮﨑委員から，大気化学研究（日本大気化学会 運営委員会）

第 47 号（2022 年 7 月中旬に発行予定）の編集状
況について報告がなされた。将来構想検討第一弾
を中心とした内容となるため，通常号よりもボリ
ュームが大きい見込みである。本誌の認知度を向上させるための宣伝方法についても意見交換がなされた。
5) 2022 年度大気化学討論会について幹事会から，大気化学討論会の開催場所の検討状況について報告がなされた。
当初案では KKR 熱海，都内（日比谷），つくばを候補地として掲げていたが，熱海と都内については 11 月半ばの予約が困難であること，仮に予約できたとしても当初想定した形での開催が困難であることが判明した。このため，他学会等の開催で実績のあるつくば国際会議場を第一候補とする案が提起された。
出席した委員内では，つくば開催とした場合のメ
リット・デメリットについて様々な意見が出たものの，各種条件を考慮するとつくば開催を支持す
る意見が多数であった。つくば開催の場合には，

4大気化学研究 第 47 号 (2022)

編集後記
今号では今後１０年の大気化学研究のガイドブックとなる「大気化学の将来構想 2022-32」より，全体で７つのテーマ記事のうち５つを第一弾として収録させていただきました。各テーマ記事の著者の皆様の多大なるご尽力に感謝すると共に，査読をお引き受け下さった皆様，パブリックコメントや第２６回大気化学討論会での議論に参加頂いた皆様のご協力に，改めてお礼申し上げます。本記事を起点に多くの研究のアイディアと推進力が生まれ，さらに充実した大気化学研究の 10 年が紡がれることに期待を寄せると共に，私自身も貢献していきたいと決意を新たにするところであります。
5 月に開催されました JpGU Meeting 2022 は，現地参加が可能なハイブリッド形式で行われました。今号にてお知らせにあります第 27 回大気化学討論会についても，つくばを会場としてハイブリッド形式での開催が予定されています。実に 3 年ぶりに対面での熱い議論を交わすことが出来る機会が次第に増え，たいへんうれしく思っております。
本誌が学会員の皆様の情報発信と情報共有の場としてご活用頂けるよう，編集委員一同これからも努めて参ります。引き続き皆様のご支援をお願い申し上げます。（HY）

大気化学研究 第47号 （2022年7月20日 発行）
編集兼発行： 日本大気化学会
編集委員： 山地一代（共同編集長），宮﨑雄三（共同編集長），八代 尚，大畑 祥
連絡先： 〒162-0801 東京都新宿区山吹町358-5 アカデミーセンター 日本大気化学会事務局
電話： 03-5389-6237
FAX： 03-3368-2822
電子メール： jpsac-post@bunken.co.jp
ホームページ： https://jpsac.org/publications/aacr/《本誌掲載著作物の転載を希望される方へ》
本誌に掲載された著作物を転載される場合は，上記までご連絡ください。無断での二次使用や勝手な加工はお控えください。