神戸大学 大学院 平成27年度集中講義

特別講義
流体地球物理学特論 Ⅱ

Y. IWASAKA
Prof. emeritus Nagoya University
Trustee The University of Shiga Prefecture

第１講
大気エアロゾルへの関心

エアロゾルに科学的な関心が寄せられるようになってきた時代（1980年代）
粉体と言うものへの関心の高まり（食、火薬、工業化学：燃焼・窯業・金属加工・・、・・）

雲や降水現象への関心の高まり（安全航法、着氷、水力発電、利水：農工業、・・、・・）

航空機の発達（高高度飛行、・・）
戦争で進んだ技術の転用（高層大気への関心の高まり：成層圏オゾン層、宇宙塵が雨を降らせる、・・）

粉体を定義する条件（粉体工学）(粉を扱う技術はきわめて古くからあった。粉の性質に対する知見の蓄積）
１．固体が細分化され、かつその各部分が相互に拘束され合わ
ない存在形態
２．確率統計的特性(集団として見た場合の特性が定義可能）
３．表面特性が全体の挙動に対して支配的

１．の定義に対して液体の気中分散系や駅中分散系はどうなのか？
Powder Technologyでは、このようなケースも取り扱い始める（1980年代）
３．のなかで言われる特性と言う言葉を粒子を取り巻く気体や液体に対する影響も含めて考える（機能）ことの重要性（1980年代）

分散している粒子

分散相（ゾル）組み合わせによっていろいろなものが出来る

連続した媒質

分散媒（ゲル）Aerosol
気相に分散している粒子
大気と言う気相を強調
Atmospheric Aerosol
大気エアロゾル

分散媒

気体

液体

固体

伝統的な粒子の分類
今日の大気エアロゾルのサイエンスでは単一組成の粒子を想定することは次例
第に少なくなっている。
(古くからの物は名前ある）

分散相

名称

液体

気体ゾル

霧

固体

気体ゾル

煙

気体

気泡

ビールの泡、ソフトクリームの泡沫

液体

エマルジョン

ミルク

固体

ゾル

金ゾル、銀ゾル

気体

気泡

固体

固体ゾル

着色ガラス

液体

気泡

水を含んだシリカゲル

黒色炭素
さわぎ

地球のアルベード

放射伝達光に対する応答
周辺環境との関係

個々の
大気エアロゾル

大気中の
個数濃度

大気中の
分布状態を規定
するものは？

大気組成に対す
る応答

個々の粒子の生成・消滅・
成長・変質

水の循環
窒素、炭素、硫
黄、リン、その他の循環

水に対する応答雲・降水粒子集団全体の観察と個々の粒子の観察
成層圏に対する関心（オゾン層、エアロゾル層、・・）

軍事技術からの転用・派生（レーダ、ロケット、・・）

雲と降水

Nucleation(核生成） に対する科学的関心

過冷却水蒸気の凝縮

何らかの原因で微小水滴が生まれる
ー＞短時間で消滅
ー＞消滅せずに成長
過冷却水蒸気の凝縮
丹念に清浄な空気にして過冷却の度合いを増やしてゆくー＞多数の核が一斉に生成［Homogenous nucleation、均一核生成]

大枠の考え方としては粒子が小さくなるー＞表面積と体積の比がほぼ等しくなる
ー＞表面プロセスが目立ってくる
核生成自由エネルギー ∆G （分解＞０、成長＜０）半径aの微小水滴の場合∆G＝（(¾)πa3)(μl-μv)(1/v)+4πa2 γ0Μlとμvは液体と水蒸気の化学ポテンシャル（erg molecule-1)
Vは液中の分子容（cm3）Γ0は気液界面自由エネルギー（erg cm-2）
沸点以下では、 μl＜μv
aが小さい間は第1項の寄与が小さい
aが大きくなると第1項が効いてくる
核生成自由エネルギー ∆G は極大を経て負の値を取るようになる（成長＜０）

∆G＝（(¾)πa3)(μl-μv)(1/v)+4πa2 γ0の極大値を取る場合の半径an
an = (2v γ0)/(kT) ln(p/p0)
温度Tのときの蒸気圧をp
飽和蒸気圧をp0
p/p0は過飽和度と関係づけられる！

室内実験（空気を出来る限りきれいにし水蒸気は含んでいる状態）では、霧が発生する温度がおおよそ2.2℃（ p/p0～４．２）
上記の計算では極大値付近のp/p0は４．１６
さらにその時のan は６．５X１０－８ｃｍ（水分子を集めるとおおよそ40個程度）

多くのいい加減さがあることが判っておりながらもほとんどの場合、以下の数式（もしくは、これに経験的な係数を付加した式）を使って議論している。

∆G＝（(¾)πa3)(μl-μv)(1/v)+4πa2 γ0の極大値をanを使って整理し∆Gｎ＝（１６ π γ0３ v2)/(3(μl-μv)2)
このような議論の良き実験場所として（これらは現実にもいろいろな社会的影響があった）(実験室での観察の困難性が次第に明らかになってきた）

生まれつつある雲(エネルギー、水利用、気象災害、・・）
成層圏のエアロゾル（大気圏外核実験、火山噴火、・・）

このような議論の良き実験場所として（これらは現実にもいろいろな社会的影響があった）(実験室での観察の困難性が次第に明らかになってきた）

生まれつつある雲(エネルギー、水利用、気象災害、・・）
成層圏のエアロゾル（大気圏外核実験、火山噴火、・・）

成層圏まで到達する飛翔体の登場
V2ロケットの利用
気球技術の向上
航空技術の向上
流星塵が振り込んだ日の数日後は世界的に雨の日が多くなる！！
火山灰が成層圏まで吹き上げられる
オゾン濃度の高い領域が上空にある

第２講
時代と技術
理想化された大気への疑問と環境問題への関心このような状況の時に良き観測手法が作られる
19５0年代にレーザの原理が提案され1960年代の中過ぎには使い物になりそうな試作品が作られる
1970年代にはレーザ技術の応用が始まる
殺人光線 －＞ 金属加工、プラスチック加工
レーダ －＞ レーザレーダ（後にライダー）、測量
日本では、1970年早々に東北大学の稲葉文雄が中心になって
レーザーレーダー研究会が組織されレーザー応用が組織的に始まった成層圏の探査は当然大きな関心事となった
愉快なことに日本はたちまちレーザーレーダー王国になったBasic Concept of Lidar Measurements(Observation
range ~30km)

Aerosols（KOSA、particles in theair）

2Telescope1

Detector
Wave memory4

Detector

Laser

Polarizer

31974 Fuego
1980 St Helens
1982 El Chichon
1991 Pinatubo
Those large eruption seems toaffect global environment such as•Surface temperature decrease•Stratospheric ozone loss

連続した長期間のライダー観測

偏光解消度のライダー観測

並行して人工衛星による観測（この衛星がPSC発見に貢献する）

Why peak concentration of
volcanic cloud appears after a few
months of severe eruption date?
Why decay trend differ s
forecasting based on hypothesis ofgravitation of ash particle?

?

This is made on the basis ofLong Term Mie Lidar Observation
and Nagoya Univ firstly used Dep. Ratio

濃度は時間とともに増加

高度

エアロゾル層の偏光解消度は一方的に減少濃度時間

Scattering ratio
散乱比

Depolarization ratio
偏光解消度Particle type
(Dust, sulfuric acid droplet,…..)
This is now used as standard way大きい偏光解消
度が観測される
成
層
圏
に
現
れ
た
火
山
性
エ
ア
ロ
ゾ
ル
量

噴火

数週間後ピ
ーク

偏光解消度は限りなく0に近い10カ月～1
年後 １/e

火山噴火後の時間

数年後
元のレベル

長期グループ
大気放射へ影響

短期グループ
成層圏オゾン破壊

エアロゾル表面反応を通して窒素酸化物
NOx収支に影響

二酸化炭素（CO2）
放出

塩素反応を
通して影響
塩酸（HCl）
放出

火山噴火

太陽放射へ影響

気温や大気循
環への影響
成層圏昇温
北極振動変調海水面温度低下など

二酸化硫黄（SO2）のエアロゾル化

二酸化硫黄（SO2）
放出

火山灰

SO2

大きい粒子が重力落下

火山灰が硫酸液で重くなり落下

火山灰表面
で硫酸液化
硫酸液滴の
新粒子が生成新粒子同士が衝突して大きくなったものから順に対流圏に落下

噴火直後は新粒子生成が活発に行われている火山灰と硫酸液滴の混合状態

A

B

C

名古屋上空、１９７６年４月７日―９日のライダーエコーを積算して作ったプロファイル（Iwasaka, １９７７）

硫黄のグローバルな循環に関心が寄せられるようになった
また、粒子生成に関しては、成層圏といえども均一核生成は起きていないのではないかと考えられるようになった
地球規模の気温の低下やオゾン破壊は火山噴火によって生じることが確かめられたこのことに関連して、小池らはピナツボ火山噴火直後から成層圏
窒素酸化物（NOｘ）濃度が顕著に減少したことを観測した。

この大筋は硫酸エアロゾルの増加
硫酸エアロゾルによる窒素酸化物(特にN2O5）の取り込み
ノックス濃度の低下
窒素酸化物による塩素酸化物との反応の低下
塩素酸化物によるオゾン破壊の機会の増大
成層圏オゾン濃度低下

火山噴火影響が関心を集めている中火山噴煙監視用に打ち上げられた人工衛星がPSCを検出し、つづいてライダーによるPSCの検出がなされた

第３講
圧倒的な関心を呼んだ
オゾンホール
エアロゾルの表面反応

どのようにして粒子が生まれるか？
と並んでどのような表面反応が進行し環境に影響が出るか？
にも多くの人の関心が寄せられるようになった。

話しは飛ぶが、1960年当時、雲形成や降水課程などの研究に携わっていた者の多くは、「火山灰が有力な氷晶核であろう」と考えていた。
この話はまた後で触れる。
1960年代は、世界的に人工降雨が盛んに研究実験されていた時代である。
しかし、巨大火山噴火の噴煙が成層圏に吹き込まれることが気象研
究者の興味の持ち方を買えたかもしれない。いずれにせよ、雨や雪と関係づけて考える人はいなかった。

PSC
The Lidar measurement
stronglysuggested thatvery cold temperature
was important factor
to form
Polar Stratospheric Cloud(PSC)

Iwasaka et al., GJR, 1986

南極昭和基地での結果
当時南極でライダーを運用していたのは日本だけでした。低温の冬に大発生するということが判ってから北極でドイツ、アメリカが始めました。

In winter Antarctic
stratosphere lots ofparticles（PSCs）appeared
J Geomag Geoel, J Met Soc
Japan, Geophy Lett, Iwasaka
et al.

Descending PSCs transport
stratospheric water, N, andothers to the troposphereOzone Hole
Polar Stratospheric Cloud
activates inert ClONO2 andmakes lots of CLOx
destroying rapidly
stratospheric ozone.

Cl2 --＞ Cl + Cl

PSC particle has been recognized as important chemical
reaction site forming ozone hole and transporter ofatmospheric constituents

Long-term observation of totalozone shows large decay trend
in Antarctic springClOｘはオゾン破壊連鎖
反応によって、オゾンを急速に破壊する
南極の冬はPSCと呼ばれる
エアロゾルが大発生する

PSC表面では
フロン起源の塩素化合物を活性化する反応が急速に進行する

フロン起源

土壌バクテリア・肥料起源フロンやN2Oは丈夫な化学物質なので簡単には分解せず、いつまでも大気中に漂っている。
成層圏にまで拡散すると紫外線によって光化学反応を起こしCLOｘやNOｘが出来る。

火山噴火の影響に関する観測で「オゾン濃度低下」があった。

このオゾンとフロンの関係の中で果たしている
窒素酸化物の役目を見てほしい！
フロンのオゾン破壊が急速に進行しないわけは
フロン起源の塩素酸化物の反応相手として窒素酸化物が多量にあった（反応の結果できる組成は極めて不活性な物質である）ためであったが、ここに多量の硫酸液滴が混じると
N2O5 + H2O -> 2HNO3（硫酸液滴のなかに溶け込む）（結果として塩素酸化物の反応相手がなくなり
オゾン破壊の連鎖反応系を維持させることになる）

PSCの役割とよく似てますフロンと言う物質

アメリカでは車社会の到来とともに爆発的に利用が広まった（GMの戦略）
日本では潜水艦の空調に使用された

第2次大戦後、冷媒のほかに精密機械の洗浄（先進国ではこの比率も高かった）
ただし、今日の日本の高齢化社会を見ていると家庭レベルで使える
空調や食品の冷蔵・冷凍庫は必需品であろう

業界は、代替品を作ることへ一気に傾く
曰く、「これはオゾン層を壊さない」と。

フロンはオゾンを壊す

CFCは2009年で廃止

CFCの時代

オゾン壊しのない
フロンを作ろうHCFC生産許可等の規制

HCFCが登場

HCFCはとんでもない
温暖化原因物質
HFCが登場

市場に出回っているものの主流はこれ

環境省や経産省と一緒になってフロン・代替フロン削減を進めている団体など
極めて広い業界に及んでいる（＝生活にしっかり入り込んでいる）ことが判る

この傾向は世界の平均的な傾向とほぼ一致している一方で、使用済みのフロンの回収はなかなか進まず。
業界任せではダメと言う声は昔から強かった。
そして、最近の統計においても、回収率は大幅に改善されたとは言えない状態である。

多くの予測モデルは（一定の条件のもとでは）、今世紀末には1960年
代レベルにまで戻るであろうと予測している。

CFC HCFC
規制
使用料抑制

CFC
規制
回収率低迷
CFC
規制
使用時漏えい

HFC
へ転換
使用量急増

フロン類の発明がもたらした
便利さを「我々はどのように考えればよいのか？」
対する答えが求められている

例えば、紫外線による健康被害のうち「長期間浴び続けることによって生じる障害」が多い

超高齢化社会＝紫外線を浴びている期間が長い人が多い社会

医療体制の改造

若い時からのケアー

医療費負担増年とってもケアー「オゾン層が破壊されて紫外線が強くなる」とさかんに皮膚の紫外線ダメージをあげてサンスクリーン剤を宣伝する当時の新聞広告

当時（1990年代）から20～30年経ってこのようなメッセージを見返してみるとどのような問題点が出てくるのだろうか？

従来見られなかったタイプの火災が起きるようになってきた

いたるところにある化学工場

都市部で増える
高層複合ビル例えば、最近の火災では「天津火災」

何でたくさんの消防士が死んだのか？

フロン類の一つであるハロン１３０１は、きわめてすぐれた消火剤である。

消火作業は、都市域や工場地域を中心に複雑化する一方。

建造物の材料、屋内におかれる物質の種類、屋内におかれる設備品の種類、・・・

産業の在り方の変化（コンビナー
ト化など）、居住地域との接近、人の集合する施設の増大、・・・

2050年には、我々の身の回りにあるフロン(代替品も含め）
一切なくなると見込まれているオゾンホール現象は人間活動による地球規模の環境破壊の大きさを想像させたエアロゾルの表面反応への関心を高めた均一核生成は起こりそうになく改めて粒子の生成・成長の意味
一方で、きわめて長い期間における水や窒素の循環に関する見方に大きな暗示を与えた

第４講
グローバルな物質循環との関係
地球温暖化（エアロゾルの放射影響へのかかわり方）

「水は循環している」と小学校の教科書などにも記載されている
その時に強調されているのは「大気中へ蒸発してゆく水」と「雨や雪になって空から落ちてくる水」である。
雲や降水は、近年、エアロゾルのサイエンスと切り離せないものになってきている。

Air mass
motion

ClONO2

CFCs
N2O

H2O

From view of atmospheric
dynamics there is large
difference of atmospheric
dynamical feature between in
the free atmosphere and in theboundary layer atmosphere

In winter very cold air
appears over the polar
region

PSCs are made fromwater
transported from thetropospherePolar stratospheric clouds (PSC) particle ismade from water globally transported
from troposphere

General Circulation(global scale air motion in the stratosphere and thetroposphere)

This suggests the importance of combinationof air motion and chemical processes including
particulate matter
There are many air motions having spatial and temporal scales
in the atmosphere水の循環は
様々な空間スケールで見られまた様々な時間スケールで見られそれらが全体となって地球の水の循環系を作っている

1970年代から
人工降雨研究から野外観測へ研究が大きく流れを変える
雲粒子の形成と雲形成を改めて野外でしっかり観測しよう
その後は雲や降水の科学は沈滞ムードの時代
しかし、今やたいへん活発な分野になりつつある雲粒と雨粒（サイズ、半径で）雲粒の大きさ ０．００１ｍｍ～０・１ｍｍ（０．１ｍｍの雲粒は極めてまれ：代表値は０．０１ｍｍ）

雨粒の大きさ ０．１ｍｍ～３ｍｍ（代表値は１ｍｍ）

水滴が上昇流に抗して落下できる大きさを基準にして、雨粒と雲粒に分ける
デカさで100倍ボリュームで1万倍！！
雲から雨が降ってくるというのは「小さい水滴の中に目立ってデカいのがいる」

雲粒と雨粒（空間個数濃度）

雲粒の濃度 １ｃｍ３中数100個（1㎝3中 10～数1000個）

雨粒の濃度 １リットル中1個程度（１ｍ３：1000リットルに10～1000個）

100万個の雲粒の中に1個の雨粒がある
雲から雨が降ってくるというのは「小さい水滴の中で1個だけ大きくなって落下する現象」とも言える

雨の降り易さ降りにくさは水蒸気から適当な濃度の（雲）粒子を作りそれらをもとに落下するほど大きい（雨）粒子を「作れるかどうかなのです」

この図は気温０℃の状態にある水面上の飽和水蒸気密度
水滴の半径が１０－７cm以下になると急速に「水滴として保持してやるための蒸気圧が高くなってゆく」「こんなことが雲の中で起きているとはとても思えない」

多くの気象学者の研究動向を左右した研究に、
1935 ベルシェロン（T. Bergeron）が雲の中の過冷却水滴に氷晶がぶつかることで雨粒が生れるのであって肝心なことはどうやって氷の微結晶が生れるかだ！！
戦後の気象学の発展の中で、このことがきっかけでとにもかくにも氷晶の生成プロセスに多くの研究者の関心が向かった。
ここにおいても過冷却水滴の生成はある意味で取り残されていた氷晶の研究は水滴の研究よりある意味ではとっつきやすい
いろいろな産業の中で、固体の物性に関する知見が蓄えられていたし戦後復興のなかで様々な金属や結晶物が作られ利用されていた。

地球上（特に陸上）に降っている雨のほとんどは氷晶(氷の結晶粒子、公設粒子）が落下途中に溶けて水滴になったものが降っている11

Cold rain (ice crystal rain)

ニューステージ 新訂 地学図表 浜島書店

氷晶の成長、あるいは氷晶核の研究で中谷の雪の研究は世界的にもよく知られた研究である。
純粋の１０－４ｃｍ程度の水滴は―４０℃まで凍らない
・凍るには種(氷晶核）が必要
・水滴が過冷却になるのはよく見られる
やがて、氷晶核として
黄砂や火山灰粒子が能力が高いことも実験的に確かめられるようになった。
水分子が構造をもってくっつきやすい構造があるからであろうと考えられている。粘土や雲母系のケイ酸塩鉱物。
しかし、天然の氷晶核濃度は相当低い
氷晶が過冷却水滴を食べて成長し雨粒サイズに成長する

このような見方に一石を投じる観測結果がアメリカや日本の研究者から出され始めた「暖かい雨(warm rain） 」に関する研究だった（１９７０年前後）。

「暖かい雨(warm rain）」と呼ばれるものは、ベルシェロンらの指摘したような「氷晶が出来て、それが過冷却水滴を補足したり水滴から水分を奪って成長しながら落下・・」でなく、何らかの原因で比較的大きな水滴が出来てそれが落下しつつ小さな水滴を補足(衝突して合体する）して雨粒サイズに至るというもので、改めて雲粒子(微水滴）はどうして出来るのかを問うことになった。

そして日本ではこのタイプの雲や降水がしばしば観測される。
(ちなみに、ベルシェロンらの指摘した降水過程は冷たい雨（cold rain）と呼ばれる）

日本列島には頻繁に海からの空気が入り込む
このような空気塊は・あまり汚れてない（エアロゾル粒子が少ない）
・そのくせ水蒸気濃度は高い
・海塩粒子が含まれている

このような空気塊が上空に持ち上げられ冷やされ海塩粒子が水蒸気を集めて(凝結して）成長を始めたとすると・・・・。

雲粒子の種になるエアロゾル（吸湿性エアロゾル）の研究が急速に広がる海塩（NaCl）粒子、硫酸アンモニウム（（NH4）2SO4）粒子、硫酸（H2SO4）粒子などがその代表例とされるが、大気中に見られるこれらの化学組成や構造などはなかなか複雑で、水がどのように取りつくのかを知るにはまだまだ道が遠い。

水滴の衝突併合成長
collision growth of water droplets• 大きな水滴は落下速度が大き
いため、小さな水滴に追いつき
衝突して併合し成長する。
• 衝突併合プロセスが暖かい雨の主な過程。

雨の科学（武田喬男）より

雲と雨の気象学（水野）より

蒸気圧降下
現象的には硫酸液滴などは
良い凝結核
溶液の濃度があまり高くなければ溶液と並行にある水蒸気の圧力ρはρ= (1 – x) ρ0

は、その温度での純水の水蒸気圧、xはモル分率で表した個体の溶質の濃度。

溶液の状態（液滴の中のことではないか！）がなぜ表面過程に関係するのだ
ろうか？

今でも
解らん

凝結核(condensation nuclei)
雲粒の生成のためには凝結核が必要• 大気中にはエーロゾルがある。
＊エイトケン粒子（0.001～0.1μm)＊大粒子（0.1～１μm）＊巨大粒子（1～１00μm）• 土壌粒子、煙、海塩、硫酸アン
モニウム など• エーロゾルは大陸上で多い。
雲と雨の気象学（水野）より

第５講
ふたたび、凝結核や氷晶核
黄砂がしばしば登場

代表的な凝結核粒子(エアロゾル）の電子顕微鏡写真（気象研究所のホームページより）（微生物由来のものが出ており、面白いが、ここでスギ花粉を出すのはいかがなものか？）（電子顕微鏡写真が実態を表していると考えると大違い！！）日本上空でつかまった
黄砂の電子顕微鏡写真
同じ黄砂の写真でも前のと大違い(こちらのほうは相当に弱い電子戦で観察している）

This picture is an important trigger toconsider the effect of long range transportof Asian pollutants

黄砂
黄砂表面の
溶液が
染み出した カルシウムの膜と反応する硫酸！？

Iwasaka et al. (Tellus, 1988)

黄砂の電子顕微鏡写真．エネ
ルギーの高い電子線を当てると表面の物が蒸発する．

黄砂の表面に何物かが載っていることもあるのでは、と思われたが当時は注目されなかったIwasaka et al. (Tellus, 1988)

エアロゾル粒子の物理化学的性質・大気中での振舞などを理解するのに
粒子表面の状態や機能を知ることの重要性

黄砂粒子はそもそも氷晶核として注目を浴びた（おそらく鉱物が持つ結晶性）がやがて、凝結核として注目を浴びるようになる(１９８０年代以降）。

氷晶核として検討するなら、水分子が取り付きやすい構造を持った（氷と似た構造を持った）鉱物を見つけるなどの作業になる。
凝結核として検討するなら、水溶性物質に近い物質の有無が着目点になる。

一方で、中国の急速な発展は日本やアメリカなどでアジ
ア大陸起源の大気汚染物質の長距離輸送に対する強い関心を引き起こした(現在も続いている）

Scattering
Ratio

Depolarization
Ratio

Those measurements were made by Dr. Kwon et al.
(Kwon et al., Atmos. Environ.,1997, Matsuki et al., JGR, 2003)

左の矢印は、黄砂が来て偏光解消度
が大きくなったこと、
右の矢印は夏になると高度の低いところに光化学反応による粒子ができるが偏光解消度は小さいことを示しているLidar measurements clearly show that Kosa clouds are
frequently transported in the free atmosphere bywesterly(Sakai et al., 2000, Atm. Env.)

黄砂に大きな関心

Asian dust attracts large interest of investigators
2000-2001（2004） International project of ACE-Asia was
made, and many investigators operated their particle collector
at many observational sites.

この国際共同観測時期には韓国やアメリカが済州島で黄砂のライダー
観測をしました。名古屋大学が敦煌でやっていたためやや影が薄かった。

2005年～関係国は観測研究体制を整備、得意分野中心に観測施設の充実

Balloon and Air-craft borne measurements showed
Large effect of westerly wind on global diffusion of KOSA
(%)

0

25

Spring mean
>4km

5Summer mean
>4km

5 6

50

11

75

100

84

80

-9%
etc
Sea Salt
Soil

Spring mean
<4km

11

Summer mean
<4km

35 6

9

80

- 86 %

Observed seasonal change in the vertical structure of coarse(D＞1µm) aerosols over Japan. Relative seasonal change in the
total number of coarse particles is shown as 100% being themean value for spring. Fractions by different particle types aresuperimposed. (Matsuki et al., JGR 2003)

Taklimakan desert is important sourceof Asian dust (KOSA)

Westerly becomes
clear
above about 5km

Particle concentration measured with aballoon borne OPC at Dunhuang
27August,2002>0.3μ m>0.5μ m10000

>0.8μ m>1.2μ m>3.6μ m(Y.S.Kim et al., JGR,2004)

Altitude, m

Coarse modeparticles well mixed
innear surface ~ 6km

8000

6000

4000

2000

0
0.0001

0.001

0.01

0.1

1

Number Conc. cm

-3

10

100

Vertical Profiles of Aerosols Measured by Lidar at
Dunhuang (Iwasaka et al., JGR, 2003)

Those data clearlyshow dust particle
diffusion up to
about 5-6km heightat arid areas of
Asian continentRelative Weight Ratio of Al, S and Ca

Trosikine et al., JGR, 2004

Taklimakan
desert seems tobe dust poolWesterly wind in the free atmosphere

Easterly wind near the surface

This causes
Background KOSAHigh mountains (-4000km)are surrounding
the Taklimakan desert,
and mountain-valley breeze are always
diffuse up dust into the free atmosphereParticle sampling technology

Field observations→ Microscopic observation of modification of dusts
Scattering

Long range
transport

Ice
nuclei
Dust
particles

SO42- PAH
NO3- のニト
NH4+ ロ化

Dust particle
modification

Deposition ofpollutants on dust

Desert regions

SO2 PAH
O3 ，NH3
NOｘ ，HNO3

火山・都市・工業地域

Dust source

Chemicalmodificationof dustparticles

Condensation
nuclei

Modificationof dustMaterials
originatedin marine

暖かい海水面

Moisturesource

H2O
HCl

こういうことになってくるとあれやこれや気になることが出てくる

異常多雨現象の広域性
１９９３年６～７月 ちなみにその次の夏は大変な猛暑
日本でも中国でも・・・。
ピナツボ火山噴火の影響じゃないの？

大都市域では週末の土曜日や週初めの月曜日は降水量が少ない

改めて凝結核に注目が集まるとともに雲の放射への影響もエアロゾルの放射影響から眺め直す動きが加速

第６講
微生物が空を飛んでいるバイオエアロゾルの対流圏広域拡散による影響
微生物生態系への影響、動植物に対する病原性(e.g., Griffin et al., 2001; Prospero, 2005; Kellogg and Griffin, 2006)

氷晶核として雲形成や間接放射に影響(e.g., Maki and Wiloughby, 1978; IPCC, 2001; Möhler et al., 2007)

氷晶核としての能力
鉱物粒子

バイオエアロゾル－７～－１１℃（Möhler et al., 2007）－１３～－２０℃－２～－４℃(Isono et al., 1959)（Shenell and Vali, 1972）

スノーマックス（凍結剤）！

IPCC2001の解説資料には将来の問題として
こんな風に紹介されている

Most recently various kind of
bioaerosols were identified and massof bioaerosols largely increased
during dust event:
２０００年前後からこのような報告が急増しており、空飛ぶ微生物に対する関心は大気科学、生命科学、医科学の世界で極めて高い（新しいジャーナルの登場、国際規模の会議開催の活発化、これらの動きに合わせた
従来からの学術界の変化）Sampling in Dunhuang and Kanazawa
Noto Peninsula (Arrival)
Aicraft 3000m
50 o

Gobi Desert
40 oTakla Makan Desert
Beijing

Seoul
Tokyo
Osak
a

N

70o

80o

90 o

100 o

Hongkon
g
110 o
120 o

130 o

30 o

140 o

Baloon
1000m

20 o
150 o

Dunhuang (Source)
Baloon
1000m

GroundGround10m

10m

バイオエアロゾルに関する研究は急速に広がっているとはいえ、技術的には極めて初歩的な段階にとどまっている。
最大のネックは、今のところその採集方法にある(何しろ手に入らなければ話にならない）
今のところ、圧倒的に行われているのは「地上で長時間採集を行う」
いくつかのグループが試みているのが高山を利用した採集
日本だけ、気球や航空機を使った採集

採集した後の生物科学的な分類などは次世代DNAシーケンサーなどの登場で比較的楽に行える
しかし、黄砂との混合状態などを調べることは難しい

法的な規制の下での取り扱いをせねばならない(国内、国際）中国敦煌市にも観測サイトを経営
能登スーパーサイトと連携し黄砂発生源地との系統的な比較を目指す

2006年サンプリング

2007年サンプリング

KOSA

Aircraft

Air sampling at 2000m 〜 3000m
Collection on
0.2µm pore size
polycarbonate
filter at rates of

700 L/h using
air pump.
Sampling cource

Air sample collected at 800m 〜 1000m

Baloon sampling (Dunhuang City, Suzu City)
80˚E
50˚N

40˚N

30˚N

Taklamakan
Des.

100˚E

Gobi Des.

140˚E

Dunhuang
Meteorological station

Loess
Plateau

Dunhuang(40.0˚N, 94.5˚E)

Atmosphere

120˚ELong-lange transportof KOSA

Suzu
Aerosol sample wascollected at heights of
800 m using an air
pump with 0.2 µm
membrane filter(200 m
３)
Dunhuang 800 m
2007 August 17
13:15~14:15
Suzu 800m
2008 May 7
11:00~12:00

KOSA-Bioaerosol collected at
黄砂粒子のDunhuang: DAPI Treatment

１０～２０％
がこのような
混合物

Fluorescence lightspots show DNA

5 μm

Strong Fluorescence Light is observed on Dsut Particle
Surface (Mixture of Kosa and microorganisms)
2007年敦煌（地上700 m：海抜1900 m）

Maki et al.，２００８,
Iwasaka et al., 2009

Snow cover sampling (Mt. Tateyama, Murododaira)Snow surface 660

Snow cover wall

654-A
560-B
550-C

250-control

Murododaira, 2450m
The snow cover at depth
of 6m60cm from Fall to
Spring.
Sampling dates
2008 April 162010 April 16

Ground surface

0

(cm)

Layers B and C contained Ca
at high concentrations of 3.3
mg/L and 1.2 mg/L,
respectively, while Ca were
not detected from the snow
samples of control layer andLayer A.

Microscopic observation
Yellow particles

10 um
Bacteria

Aggregates

White particles

Particle concentrations (particle/m3)

Changes in particle in concentrations
108
Asian dustBacterial particles
107

White particles
106

105

Yellow
particles （fungi）

104
4:00 16:00
8:00 5/1

5:00
20:00
5/2

8:00
5/3

19:00

8:00
5/4

20:00

8:00
5/5

W

W

W

W

8:00
5/6

20:00
5/7

NON dust event

Dust event
W

20:00

W

W

N

N

N

N

N

N

Vertical distribution of aerosol densities
800

3000

(m)

(m)

10
104

Altitude over Noto Peninsula

Altitude over Dunhuang

白色粒子

106

108

2000

黄色粒子

1000

微生物

10

104
105
3)
106
Particle concentrations (particle/mRelative abundance of 16S rDNA sequences (%)

Bacterial structures in atmosphere over Dunhuang and Suzu

100

43,69725,407

12,143

12,375

14,087 (read)Class:
Marine bacteria

Synecococcus sp. Alphaproteobacteria

80>400species

Deinococci

Deinococci

Cyanobacteria

Cyanobacteria

Actinobacteria

Actinobacteria

Genus Bacillus dominate

60

Bacilli

Bacilli

Clostridia

Clostridia

Flavobacteriia

Flavobacteriia

40

Sphingobacteriia

Fall

Sphingobacteriia

α-proteobacteria

Alphaproteobacteria

20β-proteobacteria

MixtureBetaproteobacteria

γ-proteobacteria

Gammaproteobacteria

Chloroplast

Chloroplast

0
800

10

3000

1000

Taklamakan des. Noto Peninsula(Dunhuang)(Suzu)

10 (m)

othersothersBacterial species dynamics during Asian dust event
Cold
environmental
species

Transported bacteria
B. subtilis
Staphylococcus sp.

Marinecyanobacteria

Local origin> 30 clones for each sample
EukaryoteRatio of clone numbers (％)

Synechococcus sp.
Cyanobacteria others
Propionibacterium sp.
Actinobacteria others
Bacillus subtilis
Bacillus megaterium
Bacillus sp.
Staphylococcus sp.
Clostridium sp.
Firmicutes others

Bacteroidetes
SARclade
Sphingomonas sp.
4:00
8:00

16:00

5:00

20:00

8:00
5/3

5/2

5/1

19:00

8:00

20:00

5/4

8:00

20:00

5/5

8:00
5/6

20:00

Stenoxybacter sp.

5/7

Stenotrophomonas sp.
Neisseria sp.

Non dust event

Dust event

Proteobacteria others
W

W

W

W

W

W

W

N

N

N

N

N

N

OthersNatto producing with Kinjo Natto
吉田さん

Bacillus
showerKino

Boil soybean

Mix with
Bacillus

Finish！

Incubation for
2 days(40℃)

PackageJapanese traditional health food “Natto”

Location ：Restaurant in Kanzawa Univ., Store in
Ishikawa Prefecture in Japan, et al.
Start Date：From 10 July, 2012 (Natto day)Price
：50 yen/1 piece, 100 yen/2 piece
Products ：5000 piece/monthなぜ納豆菌が空を飛ぶのか？
増殖する時
0.01mm

栄養細胞

乾燥に強く，
熱(80℃)にも耐える。
芽胞（胞子）

第四の納豆菌株へ
N 45

高橋株
（山形）

宮城野株
(仙台）

N 40

E145

金城株？
（石川）

Tokyo

N 35

Osaka

E140
E135
E130

0

200km

成瀬株
（東京）

納豆トライアングル
トウシ
キネマ
納豆
トゥアナオ

テンペ

Mushroom

Bjerkandera adusta

10 um

Induction of allergy
Dust particles

Dust particles+ Bjerkandera

Goblet細胞染色

10 times
induction
マウスの気道上皮細胞

中国研究者もこのようなスライドを使うようにはなっている

美味刺身

From Chai Fei

Diversion of
micro biota

Human
HealthN CycleBiogeochemical
Cycle

Putrefaction

Sedimentation
Food

EnergyCycle
Cloud
Activities

Longrangetransport

Bioaerosol

Precipitation

Vegetation

Water
Cycle

Snow
Cover
Surface
Water

GroundWater

C cycleSmall scale air mass exchange is frequently
observed between free atmosphere and boundary
layer atmosphere during long range transport

Free
AtmosphereLong range transport

Boundary
Layer

Various scale air motion
Mixingtransport

Long range transport
Scale of100km ~ 1000km

Chemical species

Biological species

Human Society

Atmosphere
Fluid

Long range
Transport ofMicroorganisms

Motion of air massLong range
Transport ofAtmosphericconstituents

Dynamics of biologicalstructure(Death/Alive,
multiplication,
modification,)

Reaction

Product and Loss
In the atmosphereLong-range
Transport

Free Atmosphere
Active Cloud
Formation

SevereConvection

Boundary Mixing
Layer Atmosphere

Ground Surface

ActiveConvection

Small
Scale
MixingDirect Effect ofGroundSurface

Height of Layer Top Strongly
Depends on
Surface Conditions