JP2003270119A - 低過飽和雲粒核測定方法およびその装置 - Google Patents

低過飽和雲粒核測定方法およびその装置

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JP2003270119A
JP2003270119A JP2002071464A JP2002071464A JP2003270119A JP 2003270119 A JP2003270119 A JP 2003270119A JP 2002071464 A JP2002071464 A JP 2002071464A JP 2002071464 A JP2002071464 A JP 2002071464A JP 2003270119 A JP2003270119 A JP 2003270119A
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particle
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water
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Takashi Ishizaka
隆 石坂
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/06Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N15/065Investigating concentration of particle suspensions using condensation nuclei counters

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 過飽和度の異なる3台のクラウドチェンバー
を用いて平衡水滴の粒度と数濃度を直接測定し、精度の
高い雲粒核の過飽和スペクトルを導出することができる
低過飽和雲粒核測定方法およびその装置を提供する。 【解決手段】 低過飽和雲粒核測定にあたり、過飽和度
の異なる3台のクラウドチェンバー1,11,21と、
この3台のクラウドチェンバー1,11,21のそれぞ
れの水滴散乱強度検出器2,12,22と、前記3台の
クラウチェンバー1,11,21の両壁の温度測定・制
御器3,13,23と、前記3台のそれぞれの水滴散乱
強度検出器2,12,22からの情報に基づいて水滴の
粒度と数濃度を測定するパルス波高分析器4,14,2
4と、エアロゾルカウンター31と、前記パルス波高分
析器4,14,24とエアロゾルカウンター31からの
情報を連続的に収録するコンピュータ41とを具備す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、大気中における微
水滴の形成過程、さらに雲の形成、雲の微細構造、降水
の形成などを予測する上で重要な物理量である低過飽和
スペクトル(低過飽和領域における雲粒核数濃度と過飽
和度の関係)の測定方法およびその装置に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】従来、大気中の低過飽和雲粒核の数濃度
と過飽和スペクトルは、相対湿度100.0%のチェン
バー内で平衡に達した水滴の粒径分布を測定し、これら
を経験式に基づいて解析することで、推定されてきた
(参考論文:Hudson,J.G.,1980:Re
lationship between fog co
ndensation nuclei and fog
microstructure.Journal o
f the Atmospheric Science
s,37.1854−1867)。
【0003】図5はかかる従来の大気中の低過飽和雲粒
核の数濃度とスペクトルの測定原理を示すフローチャー
トである。
【0004】(1)まず、試料空気の取り込みを行う
(ステップS1)。
【0005】(2)次に、水蒸気の相対湿度100.0
%下における平衡水滴の粒径分布(各種水滴の半径はr
100 とする)の測定を行う(ステップS2)。なお、こ
こで、水蒸気の相対湿度100.0%は、熱と水蒸気の
分子拡散を利用して作成する。
【0006】(3)次に、代表的な溶質を含む液滴の粒
径と相対湿度の関係〔大気中におけるNaClと(NH
4 2 SO4 粒子の例は図6参照〕に基づき各種液滴の
臨界過飽和度(SC )を導出する(ステップS3)。
【0007】なお、ここで、SC (%)=4.1(%)
×10-6/r100 (cm)である。
【0008】(4)そして、大気中の低過飽和雲粒核の
数濃度とスペクトルの導出を行う(ステップS4)。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たように、相対湿度100.0%のチェンバー内で平衡
に達した水滴の粒径分布を測定し、これらを経験式に基
づいて解析し、推定する従来の方式では、その測定精度
において難があった。
【0010】本発明は、上記状況に鑑み、過飽和度の異
なる3台のクラウドチェンバーを用いて平衡水滴の粒度
と数濃度を直接測定し、精度の高い雲粒核の過飽和スペ
クトルを導出することができる低過飽和雲粒核測定方法
およびその装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 〔1〕低過飽和雲粒核測定方法において、過飽和度の異
なる3台のクラウドチェンバーを用いて平衡水滴の粒度
と数濃度を直接測定し、精度の高い雲粒核(雲核ともい
う)の過飽和スペクトルを導出することを特徴とする。
【0012】〔2〕上記〔1〕記載の低過飽和雲粒核測
定方法において、前記過飽和度は、水蒸気の相対湿度1
00.0%(過飽和度0.0%)と同100.1%(過
飽和度0.1%)と同100.3%(過飽和度0.3
%)であることを特徴とする。
【0013】〔3〕上記〔1〕記載の低過飽和雲粒核測
定方法において、前記3台のクラウドチェンバーの相対
湿度は水に濡らしたクラウドチェンバー両壁の温度を制
御することによって変えることが可能であることを特徴
とする。
【0014】〔4〕低過飽和雲粒核測定装置において、
過飽和度の異なる3台のクラウドチェンバーと、この3
台のクラウドチェンバーにおける平衡水滴の粒度と数濃
度の測定を行うための3台の水滴散乱強度検出器と、前
記3台のクラウドチェンバーの両壁の温度測定・制御器
と、前記3台のそれぞれの水滴散乱強度検出器からの情
報に基づいて水滴の粒度と濃度を測定する3台のパルス
波高分析器と、1台のエアロゾルカウンターと、前記3
台のパルス波高分析器からの水滴粒度分布の情報と前記
エアロゾルカウンターからの情報を連続的に収録すると
共に、これらのデータを解析する1台のコンピュータと
を具備することを特徴とする。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て詳細に説明する。
【0016】図1は本発明の実施例を示す低過飽和雲粒
核測定装置のブロック図、図2はその低過飽和雲粒核測
定のフローチャートである。
【0017】この図において、1は第1のクラウドチェ
ンバー、2はそのクラウドチェンバー1の下端に取り付
け、クラウドチェンバー1内で形成・成長した水滴の散
乱強度を測定する水滴散乱強度検出器、3はクラウドチ
ェンバーの両壁の温度測定・制御器、4はパルス波高分
析器であり、水蒸気の相対湿度100.0%(熱と水蒸
気の分子拡散を利用して作成)下における平衡水滴の粒
径分布の測定を行うためのものである。
【0018】11は第2のクラウドチェンバー、12は
そのクラウドチェンバー11の下端に取付け、クラウド
チェンバー11内で形成・成長した水滴の散乱強度を測
定する水滴散乱強度検出器、13はクラウドチェンバー
の両壁の温度測定・制御器、14はパルス波高分析器で
あり、水蒸気の相対湿度100.1%(熱と水蒸気の分
子拡散を利用して作成)下における平衡水滴の粒径分布
の測定を行うためのものである。
【0019】21は第3のクラウドチェンバー、22は
そのクラウドチェンバー21の下端に取付け、クラウド
チェンバー21内で形成・成長した水滴の散乱強度を測
定する水滴散乱強度検出器、23はクラウドチェンバー
の両壁の温度測定・制御器であり、水蒸気の相対湿度1
00.3%(熱と水蒸気の分子拡散を利用して作成)下
における平衡水滴の粒径分布の測定を行うためのもので
ある。24は第3のパルス波高分析器である。なお、3
台のクラウドチェンバー1,11,21の相対湿度は水
に濡らしたクラウドチェンバーの両壁の温度を制御する
ことによって変えることが可能である。
【0020】次に、上記したパルス波高分析器4,1
4,24からの水滴の粒度と数濃度のデータを用いて代
表的な溶質を含む液滴の粒径と相対湿度との関係(図6
参照)に基づき、各種過飽和度で活性化する雲粒核数濃
度の導出を行う。
【0021】そして、低過飽和雲粒核数濃度と過飽和度
との関係を表す雲粒核スペクトルの導出を行う。
【0022】一方、31はエアロゾルカウンターであ
り、これを用いて、試料空気中微粒子の粒度と数濃度の
測定に基づいて大気中微粒子の粒径分布を測定する。
【0023】次に、パルス波高分析器4,14,24か
らの水滴の粒度と数濃度とエアロゾルカウンター31か
らの大気微粒子の粒径分布の情報を連続的にコンピュー
タ41に収録する。
【0024】上記した低過飽和雲粒核の測定は、上述で
も明らかなように、図2に示される通りである。すなわ
ち、 (1)試料空気の取り込みを行う(ステップS11)。
【0025】(2)次いで、水蒸気の相対湿度100.
0%(熱と水蒸気の分子拡散を利用して作成)下におけ
る平衡水滴の粒径分布の測定を行う(ステップS1
2)。
【0026】(3)次いで、水蒸気の相対湿度100.
1%(熱と水蒸気の分子拡散を利用して作成)下におけ
る平衡水滴の粒径分布の測定を行う(ステップS1
3)。
【0027】(4)次いで、水蒸気の相対湿度100.
3%(熱と水蒸気の分子拡散を利用して作成)下におけ
る平衡水滴の粒径分布の測定を行う(ステップS1
4)。
【0028】(5)次に、上記(2)、(3)、(4)
からのデータを用いて水滴の粒度と濃度測定用パルス波
高分析器4,14,24により各種過飽和度で活性化し
た液滴の粒度と数濃度の導出を行う(ステップS1
5)。
【0029】(6)次に、各種過飽和度で活性化した液
滴の粒度と数濃度から、代表的な溶質を含む液滴の粒度
と相対湿度との関係(図6)に基づき、低過飽和雲粒核
スペクトルの導出を行う(ステップS16)。
【0030】(7)一方、光散乱法による試料空気中の
微粒子の粒度と数濃度の測定を行う(ステップS1
7)。
【0031】(8)次に、上記(7)の微粒子の粒度と
数濃度の測定に基づいて大気中微粒子の粒径分布を導出
する(ステップS18)。
【0032】(9)そして、その低過飽和雲粒核スペク
トルと上記した大気中微粒子の粒径分布との比較を行う
(ステップS19)。
【0033】図3は従来の測定法(Hudson’s
法)と本発明の測定法との比較を行った結果を示す図で
あり、この図において、横軸は過飽和度(%)、縦軸は
累積数濃度(cm-3)を表しており、aは従来の測定法
(Hudson’s法)による結果、bは本発明の測定
法による結果を示している。
【0034】この図3から分かることは、本発明の測定
法によって得られた大気中の低過飽和雲粒核数濃度は、
過飽和度の状態が約0.2%以下では、従来の測定法に
よって導出される値より1桁以上高くなるということで
ある。これは、大気汚染物質が雲の微細構造、降水生
成、寿命や放射特性に及ぼす影響を究明する上で重要な
意味を持ち、今後の関連する研究の発展に大きく貢献す
る知見である。
【0035】図4は航空機観測による低過飽和雲粒核数
濃度の鉛直分布の測定例を示す図であり、この図におい
て、横軸は数濃度(cm-3)、縦軸は高度(m)を表し
ており、aは水蒸気の相対湿度100.0%下における
雲粒核数濃度測定、bは水蒸気の相対湿度100.1%
下における雲粒核数濃度測定、cは水蒸気の相対湿度1
00.3%下における雲粒核数濃度測定、dはエアゾル
(d>0.1μm)数濃度測定のそれぞれの結果を示し
ている。
【0036】この図4から、冬季北西風下における南西
諸島海域上空では、大気微粒子さらに低過飽和雲粒核が
しばしば大気境界層内に高濃度分布することが分かる。
また、この図から、大気境界層内の微粒子と雲粒核の高
濃度は、東アジア地域からの大気汚染物質の流入により
生じ、これらの雲粒核はこの地域における雲の物理学的
特性に深く関わっている可能性が推察される。
【0037】低過飽和雲粒核測定装置は、近年大気汚染
物質の雲の微細構造や降水効率への影響、さらにこれら
の雲の変化に伴う大気熱収支への影響を究明する観点な
どから、開発が強く望まれていた装置の1つである。ま
た、本発明の装置の原理は、単に低過飽和雲粒核を測定
するために用いられるだけでなく、蒸気圧の低い各種ガ
ス中における微粒子の形成機構を調査する装置の開発な
どにも応用できる。
【0038】つまり、本発明は、蒸気圧の低い各種ガス
中における微粒子形成機構の調査や、微水滴の形成・成
長過程の調査、惑星大気における微粒子形成機構の調査
などに応用可能である。
【0039】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
【0040】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、大気中における微水滴の形成過程、さらに雲の
形成、雲の微細構造、降水の形成などを予測する上で重
要な物理量である低過飽和雲粒核スペクトル(低過飽和
領域における雲粒核数濃度と過飽和度の関係)を大気中
微粒子の汚染状態と同時に、直接、かつ高精度に測定す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す低過飽和雲粒核測定装置
のブロック図である。
【図2】本発明の実施例を示す低過飽和雲粒核測定のフ
ローチャートである。
【図3】従来の測定法(Hudson’s法)と本発明
の測定法との比較を行った結果を示す図である。
【図4】航空機観測による低過飽和雲粒核数濃度の鉛直
分布の測定例を示す図である。
【図5】従来の大気中の低過飽和雲粒核の数濃度とスペ
クトルの測定原理を示すフローチャートである。
【図6】溶質を含む液滴の粒径と相対湿度の関係を示す
図である。
【符号の説明】
1 第1のクラウドチェンバー 2,12,22 水滴散乱強度検出器 3,13,23 クラウドチェンバーの両壁の温度測
定・制御器 4,14,24 パルス波高分析器 11 第2のクラウドチェンバー 21 第3のクラウドチェンバー 23 第3のクラウドチェンバーの両壁の温度測定・
制御器 31 エアロゾルカウンター 41 コンピュータ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 過飽和度の異なる3台のクラウドチェン
    バーを用いて平衡水滴の粒度と数濃度を直接測定し、精
    度の高い雲粒核の過飽和スペクトルを導出することを特
    徴とする低過飽和雲粒核測定方法。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の低過飽和雲粒核測定方法
    において、前記過飽和度は、水蒸気の相対湿度100.
    0%と同100.1%と同100.3%であることを特
    徴とする低過飽和雲粒核測定方法。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の低過飽和雲粒核測定方法
    において、前記3台のクラウドチェンバーの相対湿度は
    水に濡らしたクラウドチェンバー両壁の温度を制御する
    ことによって変えることが可能であることを特徴とする
    低過飽和雲粒核測定方法。
  4. 【請求項4】(a)過飽和度の異なる3台のクラウドチ
    ェンバーと、(b)該3台のクラウドチェンバーにおけ
    る平衡水滴の粒度と数濃度の測定を行うための3台の水
    滴散乱強度検出器と、(c)前記3台のクラウドチェン
    バーの両壁の温度測定・制御器と、(d)前記3台のそ
    れぞれの水滴散乱強度検出器からの情報に基づいて水滴
    の粒度と濃度を測定する3台のパルス波高分析器と、
    (e)1台のエアロゾルカウンターと、(f)前記3台
    のパルス波高分析器からの水滴粒度分布の情報と前記エ
    アロゾルカウンターからの情報を連続的に収録すると共
    に、これらのデータを解析する1台のコンピュータとを
    具備することを特徴とする低過飽和雲粒核測定装置。
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