ラマンライダーによる 対流圏エアロゾルの 光学的性質の系統的解析 交通電子機械工学専攻 和田 勝也

研究背景 ライダーによる対流圏エアロゾルの長期 動態観測（モニタリング）の重要性（鉛 直分布、季節変化） ラマンライダーでは定量的に消散係数 σ 、 後方散乱係数 β 、水蒸気混合比を求める ことが可能である（本研究により本学で は開始） ライダー比 S （ =σ/β) はライダーの解析上 及びエアロゾルの光学特性上、重要なパ ラメーターである

研究目的 大気エアロゾルの定量的な光学的性質の季節 変化などの動態把握 ライダー比の観測値（気候値）と数値シミュ レーションの比較検討 ラマンライダーの性能評価（他の測器との比 較など） 本研究では解析上の簡便さ等から紫外光 (355nm) を使ったラマンライダーの解析のみを 行った

エアロゾル 大気中に浮遊している液体や固体などの微小 な粒子状物質 大きさは数 nm ～ 10μm 人為起源のエアロゾル – 自動車の排ガス、工場排出物 自然起源のエアロゾル – 土壌粒子、海塩粒子 人為起源の エアロゾル 自然起源の エアロゾル 粒径 (μm)

ライダー（ LIDAR ） LIght Detection And Ranging の略 レーザー光を大気に 向けて送出し、観測 対象の散乱光を受光 することで、その距 離、密度等を遠隔計 測できるリモートセ ンシング手法及び装 置を呼ぶ

大気中の分子と微粒子による光散 乱 レイリー散乱  光の波長に対して粒子 の半径が十分小さい場 合に起こる（∝ λ -4 ） ミー散乱  光の波長に対して粒子 の半径が同程度以上の 場合に起こる（∝ λ -0~- 2 ） ラマン散乱  分子の振動、回転状態 を変化させることによ り生じる散乱。散乱光 の波長が変化。（ミー、 レイリーより３桁以上 効率が低い） νiνi νi Rνi R

エアロゾルの光学的性質 消散係数（単位 :m -1 ）  光が物質によって吸収、散乱することによって単 位長さ当たりに消えて無くなる割合を表す係数 光学的厚さ（無次元）  太陽光の立場からエアロゾルの層が厚いかどうか を示す量 ( 光学的厚さが 1 のとき太陽光は 1/e （≒ ）倍になる ) 。消散係数を高度積分するこ とで求められる 後方散乱係数（ m -1 sr -1 )  物質に対して入射した光が 180° 逆向きに散乱され る効率 ライダー比 (sr)  ミー散乱ライダーの解析で仮定して用いられる量 で、消散係数と後方散乱係数の比で与えられる

ライダー方程式 ここで、 C ：装置定数 β(z ) ：後方散乱係数 Y (z ) ：幾何学的効率 α(z ’ ) ：消散係数 P B ：背景光強度 距離 z からの光受信信号強度 P （ z ）は

Fernald の方法による ライダー方程式の解 大気分子とエアロゾルの 2 成分を考慮し距離 2 乗補正した ライダー方程式は次式のように表わせる。 ここで X(z):(P(z) – P B )z 2 α １ ：エアロゾルによる消散係数 α ２ ：大気分子による消散係数 β １ ：エアロゾルによる後方散乱係 数 β ２ ：大気分子による後方散乱係数

S 1 : エアロゾルの消散係数と後方散乱係数の比（ライダー比） S 2 : 大気分子の消散係数と後方散乱係数の比 （＝ 8π/ ３；レイリー散乱理論より） が成り立つと仮定し方程式を解けば次式が得られる S 1 : 観測波長、粒径分布、複素屈折率、形状に依存

本学多波長ラマンライダーシステム 2 号館８ - ９階

UV －ラマンライダーシステム レーザーパワー 100mJ 繰り返し周波数 10Hz 望遠鏡口径 355mm 視野角 2mrad 干渉フィルター 中心波長 半値幅 Mie-Rayleigh 354.8nm 0.8nm N 2 -Raman 387.0nm 3.3nm H 2 O-Raman 407.6nm 0.9nm 3000 ショット毎に積算して収集 観測は、雲がほとんど無い日没後に 2 ～ 3 時間

ラマンライダー方程式 λ 0 : レーザー光の波長 λ N 2 : 窒素分子によりラマンシフトした 波長 λ H 2 O : 水蒸気分子によりラマンシフト した 波長 P: 受信光強度 K: ライダーの光学的効率 β(z),α(z) は後方散乱係数、消散係 数を表し、後方散乱係数の添え 字はそれぞれ m が大気分子、 a が エアロゾル、 N 2 が窒素分子、 H 2 O が水蒸気分子からの寄与を表し ている。

消散係数 Ref. Ansman, A, et al., Appl. Phys., B55, 18-28, N R (z): 空気分子の密度 ( 舘野 21:00JST のラジオゾンデのデータを利用 ) X N 2 (z): 窒素分子によるラマン散乱信号強度の距離二乗補正値 k : オングストローム指数 ( 粒径に関係したパラメータ ) α m (z): 空気分子の消散係数 λ 0 : レーザーの波長 λ N 2 : ラマンシフトした波長 (387 nm) 下限高度 : 600m

Ref. Whiteman, D. N., et al, Appl. Opt., 31, , 後方散乱係数、水蒸気混合比 R(z): 散乱比 β m (z) : 分子の後方散乱係数 β a (z) : エアロゾルの後方散乱係数 下限高度 : ~100m C w : 装置定数

解析結果（例）

解析結果（黄砂飛来時）

光学的厚さ スカイラジオメータライダー ライダー、スカイラジオメータの両方で夏季に高く、冬に低い値を示している。 また、 11 月付近でも高い値を示した。 Ref. 斎藤泰治、平成 16 年度東京商船大学修士論文

水蒸気混合比 Ref. 川上、橋本、平成 14 年度東京商船大学卒業論文 地上気象データとライダーから得た水蒸気混合比の季節変化は、共に冬季 に小さい値、夏季に大きい値をとり、変化の傾向がほぼ同じである。 地上気象データ ライダー

ライダー比 高度 : ～ 2.5 km 平均値： 51.9  10.4 sr 最頻値： 40 ～ 50 sr

複素屈折率に対するライダー比の変化

スカイラジオメータによる単散乱アルベド 秋と冬は吸収が大きい Ref. 斎藤泰治、平成 16 年度東京商船大学修士論文

秋はライダー比が大きい  光吸収が大きい（単散乱アルベド） 冬はライダー比が小さい  乾燥しているエアロゾルが多い（水蒸気混合 比）

ライダー比と相対湿度、消散係数の相関図 OPAC: ミー散乱理論を利用し、波長などのパラメータを入力することでエ アロゾルや雲の光学特性を求めることができるソフトウェア。粒径分布や 複素屈折率がデータベース化されている OPAC によるシミュレーション結果（大陸型のエアロゾル）とライダーから得 られたライダー比 ( ～ 1.5 km) の傾向比較

黄砂（ 2004 年 4 月 9 日） 偏光解消度： 粒径が大きいときや、非球形の粒子のときに大きい値を示す 時系列データ

S 1 = 50.5 ± 4.65 sr （ 5 － 7 km ） B.A.E = 0.23 ± 0.05 D.R = 14.3 ～ 20.6 %

まとめ 光学的厚さは、夏に大きい値、冬に小さい値 になり、 11 月頃には、秋の他の月に比べて大 きい値を示した。 水蒸気混合比は、 1 月が最も低く、夏に大き くなった。 ライダーで得られたデータが、本学の放射計 や地上気象観測と同様の結果が得られている ライダー比の平均値は 51.9 ± 10.4 sr で、頻度 分布による最頻値は 40 ～ 50 sr となった ライダー比は秋に大きい値をとり、冬に小さ い値をとる

ライダー観測によるライダー比と相対 湿度、消散係数の関係が数値シミュ レーションと同様の傾向を示した 黄砂観測でのライダー比は過去の 532nm でのデータと同程度の値を示していた

今後の展望 355 nm 、 532 nm 、 1064nm で観測したデータを 解析すれば、消散係数、後方散乱係数、ライ ダー比の波長依存性が得られる（黄砂や森林 火災によるエアロゾルなど） 355 nm 、 532 nm の二つの波長による消散係数、 後方散乱係数からオングストローム指数の鉛 直分布を求めれば、粒径の大小の季節変化が 得られる オプティカルパーティクルカウンターを使用 して得られる粒径分布や、ミー散乱理論と他 の測定器によって推定される複素屈折率の季 節変化などを得ることで、ライダー比につい てより正確な議論が期待できる