名古屋大学太陽地球環境研究所

松見 豊

第4章 対流圏の大気化学

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1 10000 1 100

100 200 3000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

気圧

温度

圧力

熱圏

中間圏界面

中間圏

成層圏界面

オゾン層がないときの温度分布

成層圏

対流圏

対流圏界面

温 度 (ﾟK)

圧 力

高度

(km

)

1

今回の話

0

15km

km温度T

高度

対流圏界面

高温空気軽い

低温空気重い

対流少ない

よく対流する

混合少ない

典型的な大気混合時間典型的な大気混合時間

0 km

2 km1 日

接地境界層

対流圏界面

5 km

(10 km)

1 週間

1 ヶ月

10 年

大気中に排出される気体

気体 放出量(Tg year-1) 放出源

一酸化炭素CO 2000 化石燃料の燃焼、バイオマス燃焼、メタンの酸化

メタンCH4 400 湿地、天然ガス、家畜、水田

エタンC2H6 10 天然ガス、バイオマス燃焼、海洋

エチレンC2H4 30 化石燃料の燃焼、バイオマス燃焼

プロパンC3H8 15 天然ガス、バイオマス燃焼、海洋、植物放出

イソプレンC5H8 500 森林・植物放出

モノテルペン類 125 森林・植物放出

窒素酸化物NOx 150 化石燃料の燃焼、バイオマス燃焼、雷放電

硫黄酸化物SO2 200 化石燃料の燃焼、火山

CH3SCH3 16 海洋プランクトン

N2O 20 畑、土壌、海洋

アンモニアNH3 50 家畜、肥料

有機物（メタン、イソプレン炭化水素など）NOx, N2O, CO

OHの大気中の平均濃度 1×106 個 cm-3

大気中の分子の寿命 1 / k[OH]

分子種 寿命

Methane (CH4) 10 years

Methylchloroform (CH3CCl3) 5 years

Hydrogen (H2) 2 years

Carbon monoxide (CO) 2 monthsPropane (C3H8) 2 weeks

Nitrogen dioxide (NO2) 2 days

Dimethyl sulfide (CH3SCH3) 0.5 day

Isoprene (C5H8) 1 hourOHは大気の掃除屋

OHの濃度を1×106 個 cm-3とした

プロセスに対する理解の必要性

プロセス大気への排出

前駆体

大気中存在量大気組成

特性/プロセス

気候環境

このプロセスを理解することが重要

化学反応過程、物理化学特性

大気力学過程

長寿命 τゆっくりした回復

短寿命 τ速い回復

放出停止

時間

消失なし, 回復なし

無限の超寿命

大気寿命 τ の重要性

大気寿命 τ は大気中の濃度を決めている

大気寿命 τ は大気浄化の速度を決めている

大気汚染物質の濃度・影響：大気寿命が重要なファクターである

大気

中の

濃度

Junge relationship

南北半球大気混合時間

半球内大気混合時間

時間

スケール

マイクロスケール

局域スケール

メソスケール

地球的スケール

• CFC’s• N2O

• CH4

• CH3CCl3• CH3Br

• CO• Aerosols

• Trop O3• SO2

• NOx• H2O2

• DMS• C3H6

• C5H8

比較的長寿命な成分

短寿命成分

• CH3O2• HO2

• NO3

• OH

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10,000

空間スケール, km

大気境界層混合時間

大気中の長寿命成分

1s

100s

1

hr

1d

ay

1y

r 1

0yrs

100y

rs

メタンの大気中の濃度の歴史的変化メタンの大気中の濃度の歴史的変化

長いスケールでの変化

最近の変化

2000年1000年 2000年1985年

メタンの世界的な分布と経年変化メタンの世界的な分布と経年変化

1991年

2000年南半球

北半球

緯度

メタン濃度

NOAA/CMDL surface air measurementsNOAA/CMDL surface air measurements

南北半球の濃度さはなぜ？

季節変化はなぜ？

0

5

400 500 600 700

光吸収

断面

積 σ

/ 10

-19

cm2

波長 / nm

A

BNO2分子の光吸収スペクトル

光分解

NO2 + hν → NO + O

あるいは水に溶けて沈着する

大気中にNOが

沢山あるとき

オゾンが生成

大気中にNOが

ほとんどないとき

オゾンが生成しない

メタンの酸化過程のサイクル オゾン生成

オゾン生成

NOが無いとき NOがあるとき

OH + R-CH2-R' R-CH-R'•

+H2O

OO+O2

R-CH-R'

NONO NO2NO2

O •

R-C-R'O

HO2

O2

R-CH-R'

炭化水素類の大気中での酸化過程

対流圏の大気化学と環境問題

対流圏オゾンの光化学生成

成層圏オゾン → 生物を太陽紫外線から守る対流圏オゾン → 非常に有害

生物にとって直接的に有害農作物の減収、森林後退地球温暖化の温室効果ガスでもある

大都市における局所的な多量のオゾン発生→ 光化学スモッグ

光化学オキシダント（オゾンが主）1970年代

WFM （World Food Model）：国連食糧農業機関（FAO） の世界食料モデル

奥日光 白根山 対流圏オゾンによる被害と考えられる

（国立環境研 畠山ら）

対流圏オゾンの増大

北半球中緯度における前世紀以来の春季地表付近のオゾン濃度の変化

オゾンの生成過程オゾンの生成反応（共通）

O + O2 + M → O3 + M成層圏での酸素原子Oの生成

O2 + 太陽光(λ < 240 nm) → O + O対流圏での酸素原子Oの生成

NO2 + 太陽光(λ < 400 nm) → O + NONO2は大気の微量成分

オゾン発生にはNOをNO2に戻す反応が必要

NO2 NO

+太陽光→ O3生成

?

サイクル反応

× 2 NO + O2 → NO2 は非常に遅い

対流圏オゾンの光化学生成

NO2 NO

(λ< 400nm)+太陽光

O O3+O2, M

炭化水素の酸化過程

対流圏オゾン生成に必要なもの

NOx (= NO + NO2)炭化水素類

太陽光

1970年代

ロサンジェルス近郊

12:006:00 18:00 24:00一日の時刻

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

オキシダント (O3)

NO2

NO

PsadenaJuly, 25, 1973

濃度

(ppm

)

0.0

光化学スモッグ

炭化水素 3 ppm程度

オゾン生成量 － NOxによる律速、炭化水素による律速

炭化水素律速領域

NOx律速領域

数字：オゾン生成量(ppb)

OH + NO2 +M → HNO3 + M

対流圏の大気化学と環境問題

対流圏オゾンの光化学生成

成層圏オゾン → 生物を太陽紫外線から守る対流圏オゾン → 非常に有害

生物にとって直接的に有害農作物の減収、森林後退地球温暖化の温室効果ガスでもある

大都市における局所的な多量のオゾン発生→ 光化学スモッグ

光化学オキシダント（オゾンが主）1970年代

以上は講義４章の一部です。

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さい。

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