雲の寿命は？国家として、英国は天気への関心が高いことで有名です。したがって、ここで育った科学者として、空に目を向け、これを専門的な関心事にするだけでなく、雑談の機会にすることはごく自然なことのように思えました.
この強迫観念の結果として私は偏見を持っているかもしれませんが、雲の形成はエキサイティングなプロセスです.主成分が水蒸気であると聞いても驚かないでしょう。ただし、大気中のほとんどの場所では、雲は水だけから自然に形成されるわけではありません。ここでエアロゾルが問題になります。
エアロゾルは、水蒸気が凝縮して液滴を形成するための表面を提供する小さな粒子です。それらは、この雲の凝縮を可能にするだけでなく、太陽光を直接散乱および吸収することにより、気候において重要な役割を果たします。これは、大気汚染関連の死亡率の最も重要な要因として、地球の表面で人間の健康に大きな役割を果たしていることは言うまでもありません.
エアロゾルと雲はまた、大気化学にとって魅力的で重要な空間を提供します。最近の研究では、そのようなプロセスの 1 つである、雲の液滴におけるヒドロキシルラジカル (OH) の形成を調べました。ヒドロキシルラジカルは、空気や水中の多数の大気種と反応する能力があるため、「自然の洗剤」として知られています。これらの反応は、汚染物質や温室効果ガスを変化させ、エアロゾルの量を変化させる可能性があります。したがって、OH 化学は大気中で重要な役割を果たします。
OH は雲の水滴のどこから来るのですか?以前の研究では、周囲の気相からの移動 (太陽光でのオゾンの分解による) がおそらく最も重要な既知の発生源であることが示唆されていました [1]。他の研究では、実際の雲から水を収集し、過酸化水素や硝酸塩などの液滴に溶解している種も日光で分解して適度な量の OH を形成することを発見しました [2]。多くの場合、この生成は鉄 (Fe) などの微量の遷移金属イオンによって促進されます。
私たちの最近の研究 [3] では、雲の小滴に OH の新たな、潜在的に支配的なソースが見つかりました。 UCLA の Suzanne Paulson 教授が率いるこの研究は、以前の研究とは異なるアプローチを採用し、エアロゾル粒子が雲滴に変換される際の OH 生成を探しました。そして、雲滴の形成中に、OH の実質的な光駆動の「バースト」が観察されることが判明しました。このバーストは、雲水を直接収集したグループが見たより穏やかな OH 生成率に落ち着くまで、せいぜい数分 (私たちの測定の時間分解能) 続きます。
私たちの研究のサンプルは、エアロゾル発生源の点で明確な特徴を持つカリフォルニアの 3 つの都市サイト (クレアモント、フレズノ、ウェスト ロサンゼルス) から収集されました。エアロゾルのサンプルはフィルターに集められ、分析のために UCLA 研究所に運ばれました。雲の形成は、UV 光の存在下で (大気中の雲の液滴に関連する希釈で) エアロゾル フィルター サンプルに水を追加することによってシミュレートされました。水には、OH との反応後に蛍光を発する少量のプローブ分子が含まれていました。これにより、溶液からの OH 生成を経時的に監視することができました。
驚くべきことに、私たちがテストしたすべてのエアロゾル サンプルは、場所、季節 (夏/冬)、または時間帯 (朝/午後/夕方) に関係なく、何らかの形の OH バーストを示しました。これまでの結果から、これは雲滴の形成中に潜在的に広範囲に及ぶ現象であると思われます。
これらの結果を見たとき、いくつかのフォローアップの質問が生じました:OH をこれほど迅速に生成するものは何ですか? また、それらを収集する前にエアロゾルで発生しなかったのはなぜですか?
不可解なことに、過酸化水素や硝酸塩など、私が上で言及した既知の OH ソースは、分解が遅すぎて、私たちが見た OH の急速なバーストを生成しません。代替案を調査した結果、実験室では、有機過酸化物（過酸化水素に似ていますが、より反応性が高い）と鉄イオン（Fe）を含むシミュレートされた雲水でバーストを再現できることがわかりました。これは奇妙に聞こえるかもしれませんが、有機過酸化物は、植物や車両の排出物と (ご想像のとおり) OH ラジカルとの反応によって大気中に生成されます。私たちのテストから、それらは十分に豊富であり、周囲のサンプルでOHのもっともらしいソースになるのに十分な速さで分解すると予想されます.光の役割は、過酸化物の分解を触媒する Fe を再生することだと考えています。
2 番目の質問 (エアロゾルで OH が形成されなかったのはなぜですか?) は、雲の液滴とエアロゾルの違いに戻ります。雲の小滴は非常に希薄ですが、エアロゾルには比較的少量の水が含まれており、大気中では粘性が高く、固体でさえあることがしばしば観察されます。したがって、エアロゾルにはバーストのすべての成分が含まれている可能性がありますが、雲の形成中に水によって溶解されるまで、エアロゾルは非反応状態に固定されていると仮定しています.私たちの以前の研究 [4] では、人間が吸入したエアロゾルにも同様の「溜まった」反応性分子が存在する可能性があり、高湿度の肺環境が「迅速な放出」として作用し、有害な反応が発生する可能性があると推測しました.
記事の冒頭で、「雲はどのくらい生きますか?」という質問をしました。まだ答えていませんが、ほぼ最後に、測定した「バースト」を文脈に入れるための鍵です.単一の答えを出すことは不可能ですが、雲のしずくは驚くほど短命に見えるかもしれません。通常、それらは約 15 分間持続してから再び蒸発し、エアロゾルと水蒸気に戻ります。そして、15 分間の寿命で、私たちが測定したバーストのサイズは、多くの場合、液滴中の OH の最大の発生源であると解釈されます。
この大規模な新しい発生源の観測は、雲とエアロゾルの化学的性質と、その結果として生じる気候、可視性、健康への影響についての理解を深める可能性を秘めています。次回、最新の天気予報について近所の人とおしゃべりしているときに、それについて言及するかもしれません!
参考文献:
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