地平線上の暗雲 – ブラックカーボンのこれまでで最も正確な測定

実験室用粉末サンプルの透過型電子顕微鏡画像。 左上から時計回りに、フラーレンすす、自動車排気ガスからの黒色炭素骨材、ヘマタイト-TD、ヘマタイト-KJ。 クレジット: 2023 Moteki et al.

科学者たちは、大気中の黒色炭素をこれまでで最も正確に測定しました。

私たちの工業化された文明は、環境に広範な汚染物質をもたらしています。 これらの汚染物質の重要な発生源は燃焼であり、黒色炭素を含むエアロゾル粒子の生成につながります。 ブラックカーボンはこれらの粒子のほんのわずかな割合しか構成していませんが、その熱を吸収して保持する能力に加えて、雪などの表面の熱反射特性を乱す可能性があるため、懸念事項となっています。 したがって、ブラックカーボンが太陽光とどのように相互作用するかを理解することが重要です。 重要な進歩として、研究者らは最近、気候モデルに影響を与える可能性があるブラックカーボンの屈折率の最も正確な測定に成功しました。

気候変動の原因は数多くありますが、化石燃料の燃焼からの二酸化炭素の排出、セメント生産からの二酸化硫黄、畜産からのメタンの排出などがよく知られています。 ただし、黒色炭素エアロゾルも燃焼の副産物であり、あまり議論されませんが、非常に重要です。 本質的にすすの一種であるブラックカーボンは、太陽光を吸収して熱を蓄えることに優れており、その結果、大気温暖化に貢献します。

同時に、暗い色は光を反射する効果が低く、したがって熱を反射する効果が低いため、ブラックカーボンが雪などの明るい表面を覆うため、それらの表面が熱を空間に反射する可能性が低くなります。

「ブラックカーボンと太陽光の相互作用を理解することは、気候研究において基本的に重要です」と東京大学地球惑星科学科の茂木伸宏助教は述べた。 「この点でブラックカーボンの最も重要な特性はその屈折率であり、基本的に入射光線の向きを変えて分散させる方法です。 しかし、ブラックカーボンの屈折率の既存の測定は不正確でした。 私のチームと私は、これを改善するために詳細な実験を行いました。 改善された測定結果により、現在の気候モデルはブラックカーボンによる太陽放射の吸収を 16% も大幅に過小評価している可能性があると推定されています。」

研究船新生丸に設置されたエアロゾルインパクターサンプラーによって収集された周囲エアロゾルの透過型電子顕微鏡画像。 赤い矢印は個々の黒い炭素凝集体を示し、そのほとんどは硫酸塩 (緑の矢印) および/または有機材料 (水色の矢印) と混合されています。 クレジット: 2023 Moteki et al.

ブラックカーボンの光学特性のこれまでの測定は、純粋なサンプルの欠如や、異なる複雑な形状の粒子との光の相互作用の測定の難しさなどの要因によって混乱することがよくありました。 茂木氏と彼のチームは、水中の黒色炭素粒子を捕捉し、硫酸塩や他の水溶性化学物質で分離することでこの状況を改善しました。 粒子を分離することで、チームは粒子に光を当て、粒子が散乱する様子を分析することが可能になり、研究者は屈折率の値を計算するためのデータを得ることができました。

「私たちは、水中で分離された黒色炭素サンプルから散乱される光の振幅または強度、および位相またはステップを測定しました」とモテキ氏は述べました。 「これにより、ブラックカーボンの複素屈折率として知られるものを計算することができました。 これは単一の数値ではなく 2 つの部分を含む値であるため複雑ですが、その影響は非常に現実的ですが、そのうちの 1 つは「虚数」(吸収に関係する) です。 このような虚数成分を含む複素数は、実際には光科学やその他の分野で非常に一般的です。」

ブラックカーボンの新しい光学測定は、現在の気候モデルが大気温暖化へのブラックカーボンの寄与を過小評価していることを示唆しているため、研究チームは他の気候研究者や政策立案者がその発見を活用できることを期待している。 粒子の複素屈折率を確認するためにチームが開発した方法は、ブラックカーボン以外の材料にも適用できる。 これにより、現在進行中の気候変動問題に関連するものだけでなく、大気、海洋、または氷床コア内の未知の粒子の光学的識別や、粉末材料の光学的特性の評価が可能になります。

参考文献：「複素前方散乱振幅を使用したブラックカーボン粒子の複素屈折率の制約」茂木伸宏、大畑翔、吉田篤志、安達康二著、2023年5月3日、 エアロゾル科学技術。
DOI: 10.1080/02786826.2023.2202243

この研究は、環境再生保全機構、日本学術振興会（JSPS）、持続可能性のための北極チャレンジArCS IIプロジェクトの資金提供を受けた。