JP2007047104A - 通気法による１４ｃｏ２フラックスの測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】通気法による環境媒体境界面における^１４ＣＯ_２フラックスの測定方法及び装置を提供する。
【解決手段】流入口、流出口及び開口部を有する通気チェンバーを、一定面積の環境媒体境界面と接する大気空間を規定するように設置し、流入口及び流出口における¹⁴ＣＯ_２濃度を測定し、次式により評価する。

【選択図】なし

Description

本発明は、通気法による^１４ＣＯ_２フラックスの測定方法及び装置に関する。より詳しくは、本発明は、地表面、海表面、川表面、又は湖表面などの環境媒体境界面における^１４ＣＯ_２フラックスを通気法により測定するための方法及び装置に関する。

空気中に存在している微量元素濃度を測定するためには大量の空気試料が必要である。大量の空気サンプリングは大きな環境擾乱を引き起こすために、地圏と大気圏を隔てる地表面等の環境媒体境界面での微量元素フラックスを測定することは困難であった。ここで、「フラックス」とは大気中ガスの環境媒体境界面への移動量をいい、環境媒体境界面の単位面積、単位時間当たりの量として定義されるパラメータである。

一般に微量元素のフラックス測定においては、特に地表面フラックスに関してこのような困難を克服すべく、これまで比較的地表面環境の擾乱が少なく、比較的多量の空気をサンプリングできる長所を持った通気法が用いられてきた。しかしながら、従来の通気法の実験方法・解析モデルには欠点があった。従来技術の微量元素フラックス評価のための通気法解析モデルの概念図を図３に示す。従来法は、具体的には、地表面に通気チェンバーを配置し、チェンバー内が平衡に達したあとに、次式：

のモデルを用いて、平衡状態でのチェンバーへの微量元素の流入濃度と流出濃度からフラックスを評価する方法である。従来法は、通気チェンバー内の微量元素濃度の変動が、その通気チェンバー中を通過する空気から土壌への移動のみから生ずるとするものであり、通気チェンバーの流入口及び流出口における空気中の濃度からそのフラックスを求めるものである。このようなモデルでは、通気チェンバー内に微量元素が蓄積することにより平衡濃度が確立するまでに充分な時間が必要であるため、フラックスが過小評価されるという欠点があった。また、初期のチェンバー内への微量元素蓄積の影響を無視するために、長期間にわたってサンプリングを行う必要があるという欠点もあった（例えば、非特許文献１参照）。

そのうえ、微量元素の一つであるＣ−１４、特に二酸化炭素形Ｃ−１４（^１４ＣＯ_２）の地表面フラックスの測定はこれまで行われていない。
したがって、地表面における^１４ＣＯ_２フラックスを通気法によって過小評価せずに、短時間で測定することができる方法及び装置を提供することが望ましい。

更に、地表面フラックスだけではなく、海表面、川表面、湖表面等の環境媒体境界面における^１４ＣＯ_２フラックスの測定に適用できる方法及び装置を提供することが望ましい。
P. A. MATSON and R. C. Harriss，「Biogenic Trace Gases: Measuring Emissions from Soil and Water」，Blackwell Science Ltd.，p. 32-35 (1995)

本発明の目的は、通気法による^１４ＣＯ_２フラックスの測定方法及び装置を提供することにある。また、本発明の目的は、地表面フラックスだけではなく、海表面、川表面、湖表面等の環境媒体境界面における^１４ＣＯ_２フラックスの測定に適用できる方法及び装置を提供することにある。

上記従来技術の課題を解決するため、本発明者らは鋭意研究を行った結果、（１）フラックス解析モデルの改良と、（２）フラックス測定に用いる高流量^１４ＣＯ_２サンプリング装置の開発を行うことにより、^１４ＣＯ_２フラックスを過小評価せずに短時間で定量するという課題を解決し本発明を完成させた。

本発明は、環境媒体境界面における^１４ＣＯ_２フラックスを測定するための方法及び装置を提供する。
本発明の環境媒体境界面における^１４ＣＯ_２フラックスを測定するための方法は、流入口、流出口及び開口部を有する通気チェンバーを、一定面積の環境媒体境界面と接する大気空間を規定するように設置し、前記流入口及び流出口における¹⁴ＣＯ_２濃度を測定し、そして、次式：

を用いて^１４ＣＯ_２フラックスを評価することを特徴とする。前記方法において、環境媒体境界面は、好ましくは、地表面、海表面、川表面、又は湖表面である。
また、本発明の環境媒体境界面における^１４ＣＯ_２フラックスを測定するための装置は、流入口、流出口及び開口部を有し、該開口部が環境媒体境界面に対して開口するように設置される通気チェンバーと、前記通気チェンバーの流入口付近のＣＯ_２を回収するためのＣＯ_２サンプラーと、前記通気チェンバーの流出口から流出する流体中のＣＯ_２を回収するＣＯ_２サンプラーとを含むことを特徴とする。前記装置において、環境媒体境界面は、好ましくは、地表面、海表面、川表面、又は湖表面である。

本発明によれば、通気法による^１４ＣＯ_２フラックスの測定方法及び装置が提供される。また、本発明によれば、地表面フラックスだけではなく、海表面、川表面、湖表面等の環境媒体境界面における^１４ＣＯ_２フラックスの測定に適用できる方法及び装置が提供される。
本発明の方法によれば、別にＣ−１４の供給源を用いることなく、^１４ＣＯ_２フラックスを測定することができる。また、大規模なフィールド実験を行う必要がなく、チャンバーとサンプリング系のみを用いることにより^１４ＣＯ_２フラックスを測定することが可能となる。

以下、本発明の通気法による^１４ＣＯ_２フラックスの測定方法及び装置の好適な実施形態について説明する。
まず、本発明の通気法による^１４ＣＯ_２フラックスの測定方法の好適な実施形態について説明する。

本明細書中において「フラックス」とは大気中ガスの環境媒体境界面への移動量をいい、環境媒体境界面の単位面積、単位時間当たりの量として定義されるパラメータである。
本発明の環境媒体境界面における^１４ＣＯ_２フラックスを測定するための方法は、流入口、流出口及び開口部を有する通気チェンバーを、一定面積の環境媒体境界面と接する大気空間を規定するように設置し、前記流入口及び流出口における¹⁴ＣＯ_２濃度を測定し、そして、次式：

を用いて^１４ＣＯ_２フラックスを評価することを特徴とする。
従来の通気法では、フラックスの過小評価やサンプリングが長期にわたる点が問題であったところ、本発明においては、チェンバー内の^１４ＣＯ_２濃度が平衡に達する以前の濃度変化を解析モデルに取り入れることにより、フラックスの過小評価が克服され、短時間測定が可能となる。

本発明の測定方法において、¹⁴ＣＯ_２濃度の測定手法は、特に限定されないが、ＣＯ_２サンプラーにより空気中の^１４ＣＯ_２を含むＣＯ_２を回収して、モレキュラーシーブ４Ａ等のＣＯ_２吸収剤の重量増分よりＣＯ_２の捕集効率や捕集量、その濃度を低バックグラウンド液体シンチレーションカウンターや加速器質量分析装置（ＡＭＳ）で定量することが好ましい。

また、本発明の測定方法において、環境媒体境界面は特に限定されないが、好ましくは地表面、海表面、川表面、又は湖表面である。
次に、本発明の通気法による^１４ＣＯ_２フラックスの測定装置の好適な実施形態について説明する。

本発明の環境媒体境界面における^１４ＣＯ_２フラックスを測定するための装置は、流入口、流出口及び開口部を有し、該開口部が環境媒体境界面に対して開口するように設置される通気チェンバーと、前記通気チェンバーの流入口付近のＣＯ_２を回収するためのＣＯ_２サンプラーと、前記通気チェンバーの流出口から流出する流体中のＣＯ_２を回収するＣＯ_２サンプラーとを含むことを特徴とする。

図１に、本発明の^１４ＣＯ_２フラックス測定装置の一態様として地表面に設置した場合の概略図を示す。図１の測定装置は、地表面に設置した通気チェンバー中を空気が通過する際の、通気チェンバーの流入口付近における^１４ＣＯ_２濃度（チェンバー外部の周辺空気中の^１４ＣＯ_２濃度）と、流出口における^１４ＣＯ_２濃度（チェンバー内^１４ＣＯ_２濃度）を測定するためのものである。図１に示すように、本発明の測定装置は、通気チェンバー（１）及びＣＯ_２サンプラー（２，３）から構成される。通気チェンバーは、空気がその内部を通過できるようにその一端に流入口（４）、反対側に位置する他端に流出口（５）を有する。更に、通気チェンバーを地表面に設置した際、内部を通過する空気がチェンバー内で地表面と接するようにその底面に開口部（６）を有し、流入口、流出口及び開口部を除いては密閉空間を与える。

本発明の^１４ＣＯ_２フラックス測定装置を使用することができる環境媒体境界面は、特に限定されないが、好ましくは地表面、海表面、川表面、又は湖表面である。
チェンバーを設置することによる環境媒体境界面の表層空気の擾乱を避けるためには、チェンバー内への着目核種の蓄積を抑える必要があり、そのためにはチェンバー内のＣＯ_２を高流量でサンプリングすることを要する。そこで、本発明において使用するＣＯ_２サンプラーは、高流量でＣＯ_２を捕集できるものであるとする。ＣＯ_２サンプラーの流量は、特に限定されず、測定対象とするガスのフラックス強度、使用するチェンバーの寸法、ポンプ能力、カラム抵抗等に依存するが、当業者であれば適宜決定することができる。

図２に、本発明において使用することができる代表的なＣＯ_２サンプラーの概略図を示す。ＣＯ_２サンプラーは、フィルター、流量計・積算流量計、電子冷却式除湿器、水分除去カラム（ドライアライト）、ＣＯ_２捕集カラム（モレキュラーシーブ４Ａ）、ダイアフラムポンプから構成される。まず、ダイアフラムポンプを用いて空気を吸引し、フィルターを通して空気中のダストやエーロゾルを除去した後、流量計・積算流量計により吸引空気量を測定する。次いで、電子冷却除湿器、更に化学吸着剤ドライアライト（無水硫酸カルシウム）を充填した水分除去カラムを通すことにより、空気中の水蒸気を吸着除去する。続いて、水分除去された空気を、モレキュラーシーブ４Ａを充填したＣＯ_２捕集カラムを通すことにより、空気中のＣＯ_２を吸着採取する。

以下、本発明を、実施例を参照しながら更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

土壌に底面積が０．３ｍ×０．３ｍ、高さが０．３ｍのアクリル製通気チェンバーを設置し、チェンバーの流入口、流出口の空気を流量１４Ｌ・ｍｉｎ^−１で約４時間にわたって、高流量ＣＯ_２サンプラーによって空気のサンプリングを行った。サンプラーによって集められた空気中の^１４ＣＯ_２を含むＣＯ_２を回収して、その濃度を低バックグラウンド液体シンチレーションカウンターで定量し、本発明にしたがった解析モデルによって^１４ＣＯ_２フラックスを見積もった。定量結果を表１に示す。

上記定量結果から、本発明の解析モデルに従って見積もられたフラックスは、１．９６〜２．７１×１０^−５Ｂｑ．ｍ^−２．ｓ^−１であり、その平均値は２．３３×１０^−５Ｂｑ．ｍ^−２．ｓ^−１であった。

本発明にしたがえば、環境中に存在する二酸化炭素形Ｃ−１４の環境媒体境界面フラックスを見積もることができ、環境中での人工起源Ｃ−１４や有機物の循環挙動の解明のための基礎的なデータを提供することができる。

国連科学委員会報告書（UNSCEAR 1993）において、「核燃料サイクルからの放出される放射性核種による公衆への被曝線量」は^１４Ｃによるものが最大であると評価されている。さらに^１４Ｃは将来の原子力平和利用の持続や核融合研究の進展により放出量が増大し、生体構成元素との関連と半減期の点から生態圏を広く汚染しうる重要核種であり、本発明は環境中における^１４Ｃ循環動態解明の一助となる。

また、本発明にしたがえば、これまで困難であった微量元素の地表面フラックス測定について、地表面だけでなく海表面、川表面、湖表面等の環境媒体境界面フラックスの測定に大きく貢献することができる。

図１は、本発明の^１４ＣＯ_２フラックス測定装置の一態様として地表面に設置した場合の概略図を示す図である。 図２は、本発明において使用することができる代表的なＣＯ_２サンプラーを示す概略図である。 図３は、従来技術の^１４ＣＯ_２フラックス評価のための通気法解析モデルの概念図である。

符号の説明

１ 通気チェンバー
２ 流入口側ＣＯ_２サンプラー
３ 流出口側ＣＯ_２サンプラー
４ 流入口
５ 流出口
６ 開口部

Claims (5)

1. 環境媒体境界面における^１４ＣＯ_２フラックスを測定するための方法。
2. 環境媒体境界面における^１４ＣＯ_２フラックスを測定するための方法であって、流入口、流出口及び開口部を有する通気チェンバーを、一定面積の環境媒体境界面と接する大気空間を規定するように設置し、前記流入口及び流出口における¹⁴ＣＯ_２濃度を測定し、そして、次式：
   を用いて^１４ＣＯ_２フラックスを評価することを特徴とする前記方法。
3. 前記環境媒体境界面が、地表面、海表面、川表面、又は湖表面であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 環境媒体境界面における^１４ＣＯ_２フラックスを測定するための装置であって、流入口、流出口及び開口部を有し、該開口部が環境媒体境界面に対して開口するように設置される通気チェンバーと、前記通気チェンバーの流入口付近のＣＯ_２を回収するためのＣＯ_２サンプラーと、前記通気チェンバーの流出口から流出する流体中のＣＯ_２を回収するＣＯ_２サンプラーとを含むことを特徴とする前記装置。
5. 前記環境媒体境界面が、地表面、海表面、川表面、又は湖表面であることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
   

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