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人工衛星から見た地球環境 - 成層圏エアロゾル・オゾンを中心に− Global Environment Observed fiom Satellite 　　-On Stratospheric Aerosol and Ozone − 　林田佐智子 Sachiko HAYASHIDA 奈良女子大学理学部 Faculty of Science, Nara Women's university

要旨：　成層圏エアロゾル層は硫酸を主成分としたサブミクロン粒子の層であり、火山噴火によって増大する。一方、極域では極成層圏エアロゾルが発生し、その表面上で起こる不均一反応によって塩素化合物が活性化され、オゾンホールが引き起こされる。本講演ではSAGEII/SAMIIのデータを示しながら、成層圏エアロゾルの空間分布とその時間変動について解説する。 ABSTRACT: Stratospheric aerosol layer consists of sulfuric acid sub-micron particles.The stratospheric aerosol layer is signincantly perturbed by the large volcanic eruptions. 0n the other hand， POlar Stratospheric Clouds (PSCs)are generated over polar regions. The heterogeneous reactions which occur on the PSCs activate chlorine species，resulting ‘Ozone Hole'. SAGE�U/SAMH extinction data will be presented and the spatial and time variation of stratospheric aerosols will be reviewed. KEYWORDS: Stratospheric Aerosols， Satemte observation， Stratospheric ozone， SAGEII,SAMII，ILAS,ADEOS

1.はじめに 　成層圏オゾンの破壊が地球規模で進行していることが指摘されて久しいが、特に近年、成層圏オゾンの破壊にエアロゾルが深く関与していることが注目されている。南極ではPSCs（POlar Stratospheric Clouds）と呼ばれる極域特有の成層圏エアロゾルが存在し、その表面上で起こる不均一反応によって活性化される塩素化合物がオゾンを破壊し、「南極オゾンホール」をもたらしている。極域にとどまらず、中緯度に普遍的に存在している硫酸エアロゾル上でも同様の反応が引き起こされ、全球的なオゾン破壊が進行していると考えられている。 　全球的な地球環境変動の観測に人工衛星の果たす役割が重要であることは言を待たないが、衛星から大気組成の観測を行うことはなかなか容易ではない。しかし、最近、地球環境への関心の高まりを背景に、多くの衛星観測が行われており、日本でも衛星ADEOS（Advanced Earth Observing Satellite）が1996年８月に打ち上げられ、多くの貴重な成果を得ている。 　これらの背景をふまえ、本講演では、 １）成層圏エアロゾルの全球分布・粒径分布とその時間変動・火山噴火との関わり、極域成層圏エアロゾルなどについて概説し、 ２）衛星データの解析結果からみられる成層圏エアロゾルの全球分布についての最近の研究成果を述べ 3）ADEOS搭載のL4S（lmproved Limb Atmospheric Spectrometer）から観測されたPSCsの観測結果など、最新の知見を交えて、1996/97に観測された北極域のオゾン減少について紹介する。また、時間があれば併せて ４）成層圏・対流圏エアロゾルの気候影響についても言及したい。 2.成層圏エアロゾルの概要 　人為起源の影響を受けないリモートな地域や上部対流圏・成層圏では、エアロゾルはほとんど硫酸を主成分とした二次粒子である。大気中で気体から生成された二次粒子は、粒径が小さく大気中での滞留時間が長いので地球規模スケールで輸送される。 　成層圏エアロゾル層は圏界面から高度20km付近に浮遊する0.01μmから数μｍのエアロゾルの層であり、発見者にちなんでユンゲ層と呼ばれることも多い。成層圏エアロゾルは、太陽光を散乱して対流圏にふりそそぐ太陽光を減少させ、地上気温を低下させる働きをすると考えられている。一方、成層圏はエアロゾルによる太陽光および赤外吸収によって暖まる。 　また、南極上空のように特に寒冷な領域では、硝酸を主成分とする極域成層圏エアロゾルが発達し、その表面で起こる反応（不均一反応）が塩素化合物を活性化することによって成層圏オゾンを破壊し、南極オゾンホールを引き起こす。類似の反応が、中・低緯度の硫酸液滴のエアロゾル表面でも起こっているのではないかと考えられており、いまや成層圏エアロゾルは、オゾン破壊の問題と切っても切れない関係にあるとみなされるようになっている。 火山噴火とエアロゾル層の変動 　大規模な火山噴火が起こると大量の二酸化硫黄が成層圏に運びこまれ、エアロゾル量が急激に増加する。過去の大規模な火山噴火、例えばエルチチョン火山やピナツボ火山噴火の後には１年以上にわたって高濃度のエアロゾルが観測されている。成層圏に発生した硫酸の量はエルチチョン（1982年4月）の場合で10−20メガトン、ピナツボ（1991年6月）では約30メガトンと推定されている。 　衛星センサーTOMSはピナツボ火山から全球的に二酸化硫黄の雲が拡がってゆく様子をとらえている。発生したエアロゾルが地球規模に広がってゆく様子は、これまで人工衛星やライダーなどのリモートセンシングによって数多く観測されている。衛星の観測結果については講演で詳しく述べる予定である。 2.SAGEII ・ SAMIIの解析による成層圏エアロゾル全球分布とその時間変動 　SAGEIIは米国NASAラングレー研究所の間発した成層圏エアロゾルおよび微量気体観測用センサーで、1984年に打ち上げられたERBS(Earth Radiation Budget Satellite)に搭載され、エアロゾルの他、二酸化窒素、オゾン、水蒸気を観測している[MCCormick,1993]。SAGEIIは太陽掩蔽法(SOlar occultation)で観測を行うセンサーで、地球を周回しながら大気を通して太陽を観測する。大気を通さないで見た太陽強度と大気を通して見たときの太陽光強度とを比較すると、大気による減衰分を評価できる。 　太陽掩薮法はゼロ吸収の太陽放射を常時観測するため精度が高く、測器の劣化に依存しないので、長期間の継続観測に向いている。しかし、観測が日の出・日の人に限られるので衛星の軌道によって観測域が限られる。 SAGEIIでは衛星軌道の軌道傾斜角を小さくしており、観測領域は中・低緯度を包括して南北７９度までとなっているが高緯度付近では観測頻度が少ない。観測緯度は時間とともにずれてゆくので全球を網羅するのに数カ月かかる。一方、SAGEIIに先だって打ち上げられたNIMBUS-7搭載のSAMHでは衛星が極軌道であるため観測が極域に限られるが、観測頻度が高く、PSCの詳細な観測が長期間にわたって行われた。講演ではSAMH/SAGEHデータ解析の結果を中心に報告する（林田他、1997）。 成層層エアロゾル分布の時間的変動 　エアロゾル量の時間変化を概観するために、1.02μm消散係数の時系列の解析例を図１に示す。図1（a）は北緯65-70度、（b）北緯30-35度、（c）赤道〜北緯5度、（d）南緯30-35度、（e）南緯65-70度の1.02μm消散係数の時間変化である。高度は21.5kmから25.5kmまででlkmごとに５本の線で示した。グラフの横軸は1985年1月から1995年12月までの時間変化が示されている。縦軸は消散係数（／ｋｍ）である。　この図から１１年間の経年変化の特徴が見てとれる。まず顕著であるのは1991年6月12日に噴火したピナツボ火山（フィリッピン）の影響である。 1991年後半から熱帯、続いてすべての緯度帯で、エアロゾルが大幅に増加しているのがわかる。ピナツボの噴火以前の状況をみると、1982年4月に噴火したエルチチョン火山噴火の影響は1985年にはほぽ無くなり、1986年のネバドデルルイツ火山噴火の影響がわずかに見てとれる程度である（図1（c））。1989−1990年頃はいわゆるバックグラウンド状態（静穏時）の時期である。また、ピナツボ火山噴火直後には火山灰なども含む火山性エアロゾルが熱帯上空に集中しており、透過率が著しく減少して欠測になっている領域がある。 　ピナツボ火山で発生したエアロゾルは次第に全球的に拡散し、主として極域で沈降するなどして成層圏から徐々に除去されたと考えられるが、1995年末であってもまだ噴火直前のレベルには達していないことが図1からわかる。 ４　波長散乱係数の波長依存性について 　SAGEIIでは４波長（1.02、0.525、0.453、0.385μm）での消散係数を観測している。一般に、消散係数の波長依存性にはおよそ の関係があると考えられている。ここでαはオングストローム係数と呼ばれる。λは波長で、αは4〜Oの値を取り、レィリー散乱のときは、αの値は４に近づき、雲粒子のよ うな大粒径粒子による散乱のときは、αはＯに近づく。大気エアロゾルの典型的な値はおよそ1.3であるとこれまでの研究から推定されている。　粒径分布関数を 　　　dn/dr＝Nr-p と仮定すると、 　　　α=p-3 の関係があり、αは粒径分布を反映しているパラメータである。すなわち、αが大きいほど小粒径の粒子が多い。 　SAGEIIの消散係数の波長依存性を調べるために、４波長の消散係数を図2に示した。図.2(a)は1989年1月のものでバックグラウンド時期の典型例と考えてよい。一方、図2(b) は1992年1月のものでピナツボ火山によるエアロゾルが大量発生している時期である。αが著しく小さくなっているが、このような波長依存性が成層圏で観測されることはきわめて異例である。 　バックグラウンドの時期においても高度・緯度で波長依存性が異なる、即ち、粒径分布が場所によって異なるということは、粒子の消長を考える上で貴重な情報である。解析結果では熱帯上空のエアロゾル濃度が高いところで粒径が大きい傾向が顕著であった。また、バックグラウンド時期と火山噴火後を比較すると、明らかに火山噴火直後に粒径が大きくなっていることが示されている。 4.ADEOS搭載ILASによる成層圏エアロゾル観測結果と1996/97北極オゾンホール 　ADEOSは、地球温暖化・オゾン層破壊・異常気象などの地球規模の環境変動を観測・監視することを目的に計画された衛星で、陸域・海洋・大気を観測する８センサーが搭載 された。 1987年から計画が進められ、1996年８月に打ち上げられたが、残念ながらソーラーパネルの異常により1997年６月末で運用を中止した。 　搭載センサーの一つであるILASは、環境庁国立環境研究所が供給したオゾン等成層圏微量成分観測用のセンサーである。これまで演者はILASのサイエンスチームメンバーと して主としてエアロゾルデータの検証に間わってきている。 　ILASは太陽掩蔽法で観測を行うセンサーであるが、SAGEIIとは異なり赤外のスペクトル観測を行っている。観測対象となっているのはオゾンの他、硝酸、二酸化窒素、亜酸化窒素ヽ水蒸気ヽメタンヽフロンー11ヽフロンー12でヽエアロゾルにいてはヽ0.78μmと赤外領域の7.12μm,8.27μm，10.6μm，11.27μmの４波長で消散係数の情報が得 られる.0.78μmではJIアロゾルの量的な情報が得られ、赤外領域ではエアロゾルによる吸収スペクトルのパターンから組成情報が得られると考えて良い。 　現在、データはver.2まで処理されているが、データ処理方法を改善する努力が続けられており、検証実験との比較解析（検証解析）作業の最中である。 ADEOSの運用中止に 伴い、観測は1996年11月から1997年6月までの８ヵ月間であったが、その間に相当量のデータが取得された。特に観測期間中の1996/97年の冬には北極域でオゾンが激減する現象が観測され、北極にも「オゾンホール」が出現したのではないかと注目されている。 PSCの発生はオゾン破壊の条件であるだけに、PSCの発生状況とオゾン・N02などの比較解析が今後期待されている。講演では、0.78μmのデータからPSCと判断できるデータについて極渦との関係を示す予定である。 参考文献 MCCormick,M.P.and P.-H.XVang: Satellite occultation measujrements ofthe Earth's atmosphere using SAMH, SAGE and SAGEH, in Diagnostic tools in Atmos. Physics，Proceedings of the international school of physics, 6/22-7/2/93， varenna, ltaly,Edited by G. Fiocco and G. visconti， IOS Press: Wash･， DC･p.183-202.1993. 林田、西村、斉藤：　ＳＡＧＥＨで観測された成層圏エアロゾル消散係数の波長依存性の時間・空間変動について、日本リモートセンシング学会誌（投稿中）、1 9 9 7． 謝辞 SAGEHデータの提供に当たって、NASA/Langley研究所のMCCormick博士、Thomason博士に感謝致します。また、ILASのデータは国立環境研究所の笹野泰弘氏を始めとするILASプロジェクトチームから提供頂きました。ここに謝意を表します。