エーロゾルの光学的厚さの観測
観測の意義
エーロゾルとは、大気中に浮遊する微粒子のことで、地表や海面から舞い上がるものや、工業活動によって排出される煤煙、気体（前駆物質）から生成される二次生成粒子などがあります。 エーロゾルは、太陽光の吸収・散乱や凝結核として雲の生成などに寄与し、地上に到達する太陽放射に影響をあたえます。 そのため、エーロゾルが増加すると太陽からの直接の放射が減少し、気候変動への影響があると考えられています。
観測の原理と理論
地上に到達する太陽放射は、大気中を通過する間に、空気分子・エーロゾルによる散乱や、水蒸気、二酸化炭素、オゾン等の気体の吸収により減衰されます。
波長λの太陽放射強度 I（λ）は、Lambert-Beerの法則により
I（λ)＝I0（λ）exp（-m(θ)・τ(λ))
で表されます。
このτ(λ)を光学的厚さといい、大気路程が１のときに地上における直達日射量が大気外日射量の１／ｅ(1/2.72）に減衰する状態を「光学的厚さ＝１」と定義します。
それぞれの変数の意味は次の通りです。
I0(λ) ： 波長λにおける大気外放射強度
τ(λ) ： 大気路程が１であるときの大気の光学的厚さ
m(θ）： 天頂方向の気柱の長さを１としたとき、太陽天頂角θの気柱の相対的長さ(大気路程)
また、ある波長におけるτは
τ＝τ(air)＋τ(aro)＋τ(gas)
となります。
τ(air) ：空気分子の光学的厚さ
τ(aro) ：エーロゾルの光学的厚さ
τ(gas) ：水蒸気、二酸化炭素、オゾン等の吸収気体の光学的厚さ
従って、エーロゾルの光学的厚さは
τ(aro)＝（１／ｍ）・ln（I0／I）－（τ(air)＋τ(gas)）
で求められます。
ここで、τ(air)は現地気圧（観測測器を設置してある場所の気圧）から理論的に計算することができ、τ(gas)は観測する波長を水蒸気、二酸化炭素等の吸収のない波長を選ぶことで無視できます。
またオゾンは観測波長におけるオゾン吸収係数を用いることにより計算できます。
つくばでは、世界気候研究計画(WCRP)の技術書(WCRP(1986))で推奨している波長のうち、368nm、412nm、500nm、862nmを観測しています。
観測機器の種類
- フィルター型サンフォトメータ
- 特定の波長だけを通過する干渉フィルターを用いて分光する方式で、分光した光はシリコン・ピンフォトダイオードで電気信号に変えられ、 波長毎に設けられたアンプで増幅され電圧信号として出力している。
- 回折格子型サンフォトメータ
- 回折格子を用いて分光し、シリコンフォトダイオードにより各波長の放射強度を相対的なcount値で出力する。
測定方法
測器は太陽追尾装置に取り付けられ感部が常に太陽方向を向くように設置され、フィルタ式は1秒毎に、回折格子型は1分毎に観測データを取得します。
フィルター型サンフォトメータ
観測の結果
つくばにおける観測結果の例を以下に紹介します。 つくばでは、春季にエーロゾルの光学的厚さが大きくなります。 これは、大陸から飛来する黄砂（詳しくは、気象庁ホームページを参照ください。）や大気汚染物質の影響で、エーロゾルが多くなるためと考えられます。 また、冬季は、大気が澄んでいるため、エーロゾルの光学的厚さが小さくなります。2013年3月9日は、黄砂が西日本から東日本にかけて30地点で観測されました。
エーロゾルの光学的厚さ（春）
エーロゾルの光学的厚さ（冬）