ラマンライダーによる対流圏エアロゾルの光学的性質の系統的解析

ラマンライダーによる対流圏エアロゾルの光学的性質の系統的解析ラマンライダーによる対流圏エアロゾルの光学的性質の系統的解析交通電子機械工学専攻 2003320　和田勝也

研究背景 • ライダーによる対流圏エアロゾルの長期動態観測（モニタリング）の重要性（鉛直分布、季節変化） • ラマンライダーでは定量的に消散係数σ、後方散乱係数β、水蒸気混合比を求めることが可能である（本研究により本学では開始） • ライダー比S（=σ/β)はライダーの解析上及びエアロゾルの光学特性上、重要なパラメーターである

研究目的 • 大気エアロゾルの定量的な光学的性質の季節変化などの動態把握 • ライダー比の観測値（気候値）と数値シミュレーションの比較検討 • ラマンライダーの性能評価（他の測器との比較など） • 本研究では解析上の簡便さ等から紫外光(355nm)を使ったラマンライダーの解析のみを行った

自然起源の エアロゾル人為起源のエアロゾルエアロゾル • 大気中に浮遊している液体や固体などの微小な粒子状物質 • 大きさは数nm～10μm • 人為起源のエアロゾル • 自動車の排ガス、工場排出物 • 自然起源のエアロゾル • 土壌粒子、海塩粒子粒径 (μm)

ライダー（LIDAR） • LIght Detection And Rangingの略 • レーザー光を大気に向けて送出し、観測対象の散乱光を受光することで、その距離、密度等を遠隔計測できるリモートセンシング手法及び装置を呼ぶ

大気中の分子と微粒子による光散乱 • レイリー散乱 • 光の波長に対して粒子の半径が十分小さい場合に起こる（∝λ-4） • ミー散乱 • 光の波長に対して粒子の半径が同程度以上の場合に起こる（∝λ-0~-2） • ラマン散乱 • 分子の振動、回転状態を変化させることにより生じる散乱。散乱光の波長が変化。（ミー、レイリーより３桁以上効率が低い） νi νi±νR

エアロゾルの光学的性質 • 消散係数（単位:m-1） • 光が物質によって吸収、散乱することによって単位長さ当たりに消えて無くなる割合を表す係数 • 光学的厚さ（無次元） • 太陽光の立場からエアロゾルの層が厚いかどうかを示す量(光学的厚さが1のとき太陽光は1/e（≒0.368）倍になる)。消散係数を高度積分することで求められる • 後方散乱係数（m-1sr-1) • 物質に対して入射した光が180°逆向きに散乱される効率 • ライダー比(sr) • ミー散乱ライダーの解析で仮定して用いられる量で、消散係数と後方散乱係数の比で与えられる

ライダー方程式 距離zからの光受信信号強度P（z）はここで、 C：装置定数 β(z )：後方散乱係数 Y (z )：幾何学的効率 α(z’)：消散係数 PB：背景光強度

Fernald の方法による ライダー方程式の解大気分子とエアロゾルの2成分を考慮し距離2乗補正したライダー方程式は次式のように表わせる。ここで X(z):(P(z) – PB)z2 α１：エアロゾルによる消散係数 α２：大気分子による消散係数 β１：エアロゾルによる後方散乱係数 β２：大気分子による後方散乱係数

S1:エアロゾルの消散係数と後方散乱係数の比（ライダー比）S1:エアロゾルの消散係数と後方散乱係数の比（ライダー比） S2:大気分子の消散係数と後方散乱係数の比　　　　（＝8π/３；レイリー散乱理論より）が成り立つと仮定し方程式を解けば次式が得られる S1: 観測波長、粒径分布、複素屈折率、形状に依存

本学多波長ラマンライダーシステム 2号館８-９階

UV－ラマンライダーシステム レーザーパワー　100mJ 繰り返し周波数 10Hz 望遠鏡口径　　　　355mm 視野角　　　　　　　2mrad 干渉フィルター中心波長　　　半値幅 Mie-Rayleigh 354.8nm 0.8nm N2-Raman 387.0nm 3.3nm H2O-Raman 407.6nm 0.9nm • 3000ショット毎に積算して収集 • 観測は、雲がほとんど無い日没後に2～3時間

ラマンライダー方程式 λ0:レーザー光の波長 λN2:窒素分子によりラマンシフトした波長 λH2O :水蒸気分子によりラマンシフトした波長 P: 受信光強度 K: ライダーの光学的効率 β(z),α(z)は後方散乱係数、消散係数を表し、後方散乱係数の添え字はそれぞれmが大気分子、aがエアロゾル、N2が窒素分子、H2Oが水蒸気分子からの寄与を表している。

消散係数 Ref. Ansman, A, et al., Appl. Phys., B55, 18-28, 1992. NR (z): 空気分子の密度　(舘野　21:00JSTのラジオゾンデのデータを利用) XN2(z): 窒素分子によるラマン散乱信号強度の距離二乗補正値 αm(z): 空気分子の消散係数 k : オングストローム指数(粒径に関係したパラメータ) λ0: レーザーの波長 λN2: ラマンシフトした波長(387 nm) 下限高度: 600m

R(z):　散乱比 βm (z) :　分子の後方散乱係数 βa (z) :　エアロゾルの後方散乱係数後方散乱係数、水蒸気混合比 Ref. Whiteman, D. N., et al, Appl. Opt.,31, 3068-3082, 1992. Cw: 装置定数下限高度: ~100m

解析結果（例）

解析結果（黄砂飛来時）

光学的厚さ Ref. 斎藤泰治、平成16年度東京商船大学修士論文スカイラジオメータライダーライダー、スカイラジオメータの両方で夏季に高く、冬に低い値を示している。また、11月付近でも高い値を示した。

水蒸気混合比 Ref. 川上、橋本、平成14年度東京商船大学卒業論文地上気象データライダー地上気象データとライダーから得た水蒸気混合比の季節変化は、共に冬季に小さい値、夏季に大きい値をとり、変化の傾向がほぼ同じである。

ライダー比 高度: ～2.5 km 平均値：51.9 ± 10.4 sr 最頻値：40～50 sr

複素屈折率に対するライダー比の変化

スカイラジオメータによる単散乱アルベド 秋と冬は吸収が大きい Ref. 斎藤泰治、平成16年度東京商船大学修士論文

秋はライダー比が大きい 光吸収が大きい（単散乱アルベド）冬はライダー比が小さい乾燥しているエアロゾルが多い（水蒸気混合比）

ライダー比と相対湿度、消散係数の相関図 OPACによるシミュレーション結果（大陸型のエアロゾル）とライダーから得られたライダー比(～1.5 km)の傾向比較 OPAC: ミー散乱理論を利用し、波長などのパラメータを入力することでエアロゾルや雲の光学特性を求めることができるソフトウェア。粒径分布や複素屈折率がデータベース化されている

黄砂（2004年4月9日） 時系列データ偏光解消度：　粒径が大きいときや、非球形の粒子のときに大きい値を示す

S1= 50.5 ± 4.65 sr （5－7 km） B.A.E = 0.23 ± 0.05 D.R = 14.3～20.6 %

まとめ • 光学的厚さは、夏に大きい値、冬に小さい値になり、11月頃には、秋の他の月に比べて大きい値を示した。 • 水蒸気混合比は、1月が最も低く、夏に大きくなった。 • ライダーで得られたデータが、本学の放射計や地上気象観測と同様の結果が得られている • ライダー比の平均値は51.9 ± 10.4 srで、頻度分布による最頻値は40～50 srとなった • ライダー比は秋に大きい値をとり、冬に小さい値をとる

ライダー観測によるライダー比と相対湿度、消散係数の関係が数値シミュレーションと同様の傾向を示したライダー観測によるライダー比と相対湿度、消散係数の関係が数値シミュレーションと同様の傾向を示した • 黄砂観測でのライダー比は過去の532nmでのデータと同程度の値を示していた

今後の展望 • 355 nm、532 nm、1064nmで観測したデータを解析すれば、消散係数、後方散乱係数、ライダー比の波長依存性が得られる（黄砂や森林火災によるエアロゾルなど） • 355 nm、532 nmの二つの波長による消散係数、後方散乱係数からオングストローム指数の鉛直分布を求めれば、粒径の大小の季節変化が得られる • オプティカルパーティクルカウンターを使用して得られる粒径分布や、ミー散乱理論と他の測定器によって推定される複素屈折率の季節変化などを得ることで、ライダー比についてより正確な議論が期待できる

ラマンライダーによる対流圏エアロゾルの光学的性質の系統的解析