北海道大学・環境科学院 藤原正智 http://wwwoa.ees.hokudai.ac.jp/~fuji/ 基礎地学II オゾンホール 北海道大学・環境科学院 藤原正智 http://wwwoa.ees.hokudai.ac.jp/~fuji/

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1 北海道大学・環境科学院 藤原正智 http://wwwoa.ees.hokudai.ac.jp/~fuji/
基礎地学II オゾンホール 北海道大学・環境科学院 藤原正智

2 オゾンホール オゾン層 オゾン層破壊問題とオゾンホール オゾン層破壊の影響
　　　オゾンとオゾン層、オゾンの測定法、オゾン分布を決める力学・光化学過程 オゾン層破壊問題とオゾンホール 　　　フロン、オゾンホールの発見、オゾンホールの形成メカニズム、 　　　オゾン層保護条約、オゾン量の変遷と将来予測 オゾン層破壊の影響 　　　太陽紫外線、生物・人体への影響 参考図書等： ★北海道大学大学院環境科学院　編、「オゾン層破壊の科学」 北海道大学出版会、408 pp.、2007 ・関口理郎, 2001: 成層圏オゾンが生物を守る, 成山堂書店 ・TOMSの公式web site: （“Multimedia”へ） ・小川利紘, 1991: 大気の物理化学, 東京堂出版 ・ジェイコブ（近藤豊訳）, 2002: 大気化学入門, 東京大学出版会 ・Benedick（小田切訳）, 1999: 環境外交の攻防―オゾン層保護条約の誕生と展開, 工業調査会 ・WMO, “Scientific Assessment of Ozone Depletion 2002” ・環境省（パンフレット）「オゾン層ってどうなってるの？2006」　 ・環境省（パンフレット）「紫外線保健指導マニュアル2006」　

3 オゾン？ O3 （ギリシャ語で“におう”） 酸化力強い。殺菌・脱臭・漂白作用 光と相互作用 ・紫外線（および可視光線）の一部を吸収し分解
　　　・紫外線（および可視光線）の一部を吸収し分解 　　　　 地表生物圏の保護、成層圏・中間圏の形成 　　　・赤外線の一部を吸収・射出 　　　　 温室効果・地球温暖化 大気中における光化学反応 　　　・光化学スモッグ、“オキシダント”の主成分 　　　　 大気汚染、大気の質

4 オゾン層？ ・オゾン濃度の単位（1）： オゾン分圧（～数密度と対応）、オゾン混合比（～分圧÷気圧） ・分圧低緯度ほどオゾン層ピーク高高度、
Ny Aalesund （北極圏）　札幌 （中高緯度）　　　　　Watukosek （熱帯） 成層圏　 対流圏界面　 対流圏　 ・オゾン濃度の単位（1）： 　　オゾン分圧（～数密度と対応）、オゾン混合比（～分圧÷気圧） ・分圧低緯度ほどオゾン層ピーク高高度、 高緯度ほどオゾン層ピーク値大

5 オゾン層？ オゾン濃度の単位（2）： オゾン全量 DU（ドブソン・ユニット）
[ オゾン濃度の単位（2）： オゾン全量 DU（ドブソン・ユニット） 鉛直気柱内の全分子数（オゾン分圧曲線を鉛直積分したもの）紫外線遮蔽能力 気柱内の全オゾンを0℃、1気圧に圧縮した時、300DUは3mmの厚さに対応 　　（ちなみに、大気自体は8kmになる） 熱帯で少なく中高緯度ほど多い。南極の春（ 月）に極小＝オゾンホール

6 大気オゾンの測定法 １ オゾンゾンデ（気球飛揚、電波でデータ送信） オゾンをヨウ化カリウム溶液へ導入するとヨウ素を遊離し、電流を発生する
大気オゾンの測定法　１ オゾンゾンデ（気球飛揚、電波でデータ送信） オゾンをヨウ化カリウム溶液へ導入するとヨウ素を遊離し、電流を発生する 2KI + O3 + H2O  2KOH + I2 + O2 発生した電流量からオゾン量を算出 地上から成層圏中部（～30 km）まで （キリバス共和国・クリスマス島にて）

7 大気オゾンの測定法 ２ オゾンが太陽紫外線を吸収する性質を利用 吸収量から光路中の積算量（オゾン全量）を算出
大気オゾンの測定法　２ オゾンが太陽紫外線を吸収する性質を利用 吸収量から光路中の積算量（オゾン全量）を算出 例えば、人工衛星搭載TOMS（Total Ozone Mapping Spectrometer） 人工衛星“Nimbus 7” （1978～1993） （ 各種大気観測リモートセンシング装置搭載。 （極軌道・太陽同期。）その中の１つがTOMS ブリューワ型分光光度計（インドネシアにて） 太陽自動追尾装置が付いている

8 大気オゾンの測定法 ３ http://smiles.tksc.jaxa.jp/indexj.shtml
大気オゾンの測定法　３ 超伝導サブミリ波リム放射サウンダ (SMILES; Superconducting Submillimeter-Wave Limb Emission Sounder) ：　国際宇宙ステーションの日本実験棟曝露部を利用して、 成層圏大気中の微量分子を高感度で測定し、地球規模でその分布と変化を明らかにします。 H-IIBロケット打ち上げ HTV技術実証機の ISSへの結合が完了 SMILES が、船外実験プラットフォームに設置される SMILESの機械式冷凍機の最低温度が約 4.1 K に達する（観測開始）

9 大気オゾンの測定法 ３ （右写真）SMILESセンサーを、 H-II Taransfer Vehicle (HTV) の中に設置したところ
大気オゾンの測定法　３ （右写真）SMILESセンサーを、 H-II Taransfer Vehicle (HTV) の中に設置したところ

10 オゾン分布を決める力学過程 成層圏極渦と極域大気の孤立性 成層圏～中間圏（中層大気） の平均子午面循環の様子
流体粒子に色をつける（初期位置） 30日後の位置 成層圏～中間圏（中層大気） 　　の平均子午面循環の様子 中層大気の循環には、対流圏から 伝播する大気波動の散逸が重要。 下部成層圏では低緯度から高緯度へ。 中間圏では夏半球から冬半球へ。 ［ながれの事典、“中層大気”］ 成層圏極渦と極域大気の孤立性 冬の南極上空（～17km）の極渦では、ロスビー波活動 （～熱と物質の南北輸送）弱い 極渦内部へは、中緯度大気は侵入しにくい（上図） 熱と物質のやりとりが少ないため、 　　極渦内は、低温、低オゾン濃度（冬極は極夜）の状況 オゾンホール形成の条件整う [Shepherd, 2000]

11 オゾン分布を決める光化学過程 O３ O３ O２ O２ O２ 太陽紫外線 （UV-C） 太陽紫外線 (UV-B) HO NO HO２ NO２
触媒反応サイクル　 HO NO HO２ NO２ Cl Br ClO BrO フロンなど

12 オゾン層破壊問題とフロン ・フロン（freon、フレオン:米国デュポン社の商標）
　　　炭化水素（例：メタンCH4）のHをClやFに置き換えた人工物質群（CFCl3、CF2Cl2など） 　　　正式名称：chlorofluorocarbons (CFCs)：　1930年代、米国で開発される（アンモニアの代替） 　　　冷媒、噴射剤、発泡剤、洗浄剤として多岐にわたり使われる ・フロンは対流圏では不活性・安定、人体に無害。　 産業上大変有用 ・1974： Molina & Rowland、フロンによるオゾン層破壊説（ClOxサイクル）を発表 　　　上部成層圏で紫外線により光解離し、Clを放出、オゾン消失触媒反応サイクルに関わる ・大気中のフロン濃度の増大が観測される（ガイア仮説で有名なラブロック） ・温室効果を持つことも明らかになる [オゾン層ってどうなってるの？2006、環境省]

13 オゾンホールの発見 1/2 Molina & Rowlandの研究以降、国際的なフロン規制へ向けた外交交渉開始
ところが、現実には、理論予測をはるかに超えた事態が南極上空で進行 Farman et al. [1985] イギリスの南極観測データにより、南極オゾン減少とフロン増加との関連を示唆 NASAの人工衛星観測チーム、南極でのオゾン減少を測定の間違いとしていた 南極昭和基地越冬隊（1982～1983）における、忠鉢・梶原隊員（気象庁職員）によるオゾン観測結果。 　　 1984年に国際学会にて発表。 [関口]

14 オゾンホールの発見 2/2 オゾンホールの特徴 １．南極の春の時期に、 オゾン濃度が回復せず、 さらに減少する ２．下部成層圏で濃度が
[ジェイコブ, 2002] オゾンホールの特徴 １．南極の春の時期に、 　　オゾン濃度が回復せず、 　　さらに減少する ２．下部成層圏で濃度が 　　ゼロに近くなる ３．年々、オゾンホールは 　　“深く”なっている 　　（周囲の“堤”（～極渦） 　　は“浅く”なっている） TOMSの観測画像はセンセーショナルだった。“穴”というイメージ。 （当初は観測の誤りとされた。）[

15 オゾンホールの形成メカニズム [力学的背景] 北極に比べ安定した南極上空の「極渦」（波活動弱い）大気は隔離・孤立、冬季に低温・低オゾン
　　北極に比べ安定した南極上空の「極渦」（波活動弱い）大気は隔離・孤立、冬季に低温・低オゾン [特殊な化学過程] 　　低温下（-76℃程度以下）で、下部成層圏に特殊な雲 　　（Polar Stratospheric Clouds, PSCs）が発生。 　　硝酸（HNO3）の水和物等が凝結。 ・低温下・雲粒子表面で、フロンから生成していたHCl、 　　ClONO2（“貯留”分子）から、Cl2、ClOなどが生じる ・同時に、雲粒子の重力落下とともに、ClOを不活性化 　　する役割を持つHNO3が大気中から除去される ・春先の太陽光により、Clによる触媒サイクルが活性化、 　下部成層圏でオゾンが劇的に減少 最近では北極でも オゾン減少が見られる。 写真は、Iceland 上空に出たPSCs。 雲粒子が小さいため プリズムのように働き きれいな色を見せる。 /webinator/printall?/Study/Tango/index.html [ジェイコブ]

16 オゾン層保護とオゾン層科学の歴史 地球環境問題に対する国際的取り組みの最初の成功例
1970：クルッツェン、オゾン層におけるNOx触媒サイクルを提唱 1974：モリナとローランド、フロンによるオゾン層破壊説（ClOxサイクル）を発表 1977：UNEP（国連環境計画）、調査委員会設置。 1985：南極オゾンホールの発見（従来のオゾン層理論に重大な欠陥） 1985：「オゾン層保護のためのウィーン条約」（オゾン層破壊問題を指摘） 1987：「オゾン層を破壊する物質に関するモントリオール議定書」（特定フロンの段階的削減を明記） 1986、1987：PSCsに着目したオゾンホール理論確定（クルッツェン、モリナ） 議定書の改正・規制強化：ロンドン（1990）、コペンハーゲン（1992）、モントリオール（1997）、北京（1999） 1995：ノーベル化学賞「オゾンの形成と分解に関する大気化学研究」クルッツェン、モリナ、ローランド 1996：先進国、ほとんどのオゾン層破壊物質の段階的削減完了 先進国、代替フロンの削減中。途上国、オゾン層破壊物質の削減中

17 オゾン量の変遷 [オゾン層ってどうなってるの？2006、環境省]

18 将来予測 ・大気中（対流圏）のフロン濃度は減少に転じつつある。 ・しかし、“北”の国々では、生産済みのフロンの回収、
[関口] ・大気中（対流圏）のフロン濃度は減少に転じつつある。 ・しかし、“北”の国々では、生産済みのフロンの回収、 廃棄が正しく行われるか、“南”の国々では、産業発展 を考慮しつつ、計画通りの使用量増加で抑えられるか、 など、引き続き注視する必要がある。 ・成層圏オゾン層のバランスに寄与しているのはフロン だけではない。 ・太陽活動の変化、火山活動（大爆発は成層圏に微粒子 を注入し、気温やオゾン濃度を左右する。） ・温室効果気体の増加は、対流圏からの赤外放射量を 減少させ、成層圏からの射出量を増大させ、成層圏の 寒冷化を促す  オゾン層回復を早めると考えられている ・成層圏の水蒸気濃度変化、窒素酸化物濃度変化（化学 肥料等）  成層圏の光化学バランスの変化 … [WMO, 2002]

19 太陽光と紫外線 UV-Bと生物とオゾン DNA（生物の遺伝情報を担う物質）は UV-Bを強く吸収 オゾン全量が1%減ると、UV-Bが2%増加
皮膚ガン、白内障、感染症が3～6%増加 　　　　[紫外線保健指導マニュアル2006、環境省]

20 紫外線の観測 地上紫外線量を決める要素 ・太陽高度 ・オゾンによる吸収 ・大気分子による散乱 ・雲による散乱 ・エアロゾルによる吸収・散乱
・地表面反射 適度な雲による散乱、 地表面（新雪や白い砂浜）での 反射は、紫外線を増加。 （曇った雪山に注意。） [紫外線保健指導マニュアル2006、環境省]

21 生物・人体への影響 人体への影響 DNA損傷、免疫機能低下。皮膚疾患（皮膚癌など）、 眼疾患（角膜疾患（雪目）、白内障）、感染症の増加、など
　　眼疾患（角膜疾患（雪目）、白内障）、感染症の増加、など 　　「日光浴・日焼けは、皮膚や目への紫外線照射の観点からは、有害無益。」 陸上植物への影響 　　UV-Bが葉緑素（光合成）の発達を阻害、分解を促進 　　 生育阻害、発芽阻害、葉面の白化など 水中小型生物（プランクトン）への影響 　　UV-Bにより成長阻害。ものによっては絶滅の可能性あり。 　　海洋生態系の基礎部分に激変の可能性

22 紫外線対策 [紫外線保健指導マニュアル2006、環境省]

23 まとめ ー オゾンホール ー オゾン層 オゾン層破壊問題とオゾンホール オゾン層破壊の影響 オゾンとオゾン層 オゾンの測定法
　　　オゾンとオゾン層 　　　オゾンの測定法 　　　オゾン分布を決める力学・光化学過程 オゾン層破壊問題とオゾンホール 　　　フロン、オゾンホールの発見 　　　オゾンホールの形成メカニズム 　　　オゾン層保護条約 　　　オゾン量の変遷と将来予測 オゾン層破壊の影響 　　　太陽紫外線 　　　生物・人体への影響