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Development of a balloon-borne instrument for CO2 vertical profile observations in the troposphere

Ouchi, Mai 大内, 麻衣 名古屋大学

2020.04.02

概要

産業革命以降、人類による化石燃料や天然ガスの消費により、大気中の二酸化炭素(CO2)の濃度は急激に増大している。地球温暖化問題の主要な原因は、この大気中のCO2の濃度の増大であると考えられている。従って、大気中のCO2濃度の増大を抑制し、削減していく対策を取るためには、さまざまな場所でのCO2濃度を計測することが必要である。しかしながら、現状ではCO2濃度の計測サイトは充分でなく、とくに高度方向の情報が少ないので、CO2の排出や消失過程に関する不確かさが大きい。CO2濃度の計測データは、インバースモデルを用いたCO2の吸収・排出の見積もりを算出する際に、より正確な値を出すために必要なデータである。

そこで、大気中CO2混合比を高度約10kmまで計測できる気球搭載型CO2計測装置(CO2ゾンデ)を開発した。CO2ゾンデは、持ち運びができ低電力でCO2高度分布の計測を行うことができ、同時に気象条件(気温,湿度,高度,場所)を観測することができる。低コストでの観測を実現させるため、非分散型赤外分光法(NDIR)を用いたセンサーを独自開発し、また、測定の確度を保つため、2種類の既知濃度の標準ガスをアルミバッグに入れて併載し、外気と交互に測定することにより、飛揚中に校正を行うシステムを作成した。

CO2ゾンデの精度を確かめるため、室内実験を行った結果、圧力の変化が、精度に大きな影響を与えることが判明した。地上(1010hPa)での精度は0.6ppm,高度10km(250hPa)では1.2ppmであった。

2種類の航空機観測で得られたCO2高度分布データを用いて、CO2ゾンデで得られたCO2高度分布との比較を行った。1つは、民間航空機を使用して空港上空での離着陸時にCO2高度分布を計測しているCONTRAIL(Comprehensive Observation Network for Trace gases by AIrLiner)プロジェクトで、もう1つは、チャーター機を使用して行われた NIES(National Institute for Environmental Studies)JAXA(Japan Aerospace eXploration Agency)による共同観測である。NIES/JAXA航空機観測では、GOSATのオーバーパスに合わせ、2011年1月31日と、2011年2月3日の観測を行った結果を使用した。2011年1月31日と2月3日につくば市に近い守谷市で放球した2つの気球計測の結果と航空機観測の比較から、開発したCO2ゾンデの測定精度が、地上から高度7kmまでの範囲でバイアスが+0.6ppm、精度が1.2ppmであることがわかった。

CO2ゾンデを用いた森林地帯及び市街地での観測を、2009年8月26日に北海道母子里と2011年2月3日に茨城県守谷で行った結果、CO2の高度分布を得ることができた。森林地帯の母子里では、CO2の高度分布に、昼間の光合成によるCO2の減少している様子が地表から高度3kmの大気境界層内で明瞭に現れた。首都圏の守谷では地表の交通などの化石燃料燃焼の放出による増大の様子が、地表から高度2kmの大気境界層内で明瞭に現れた。

開発した気球CO2ゾンデは、様々な場所で測定できる、高度分布が測定できる、雲が存在しても測定できる。という特徴があり、時間や場所を選ばずに高い高度分解能で測定ができる。という利点がある。今回開発したコストの低い気球搭載CO2ゾンデで高度分布が各地で観測できるようになり、地球温暖化の最も重要な原因物質である二酸化炭素についても綿密な観測が可能になると、将来の気候変化の予測の精度を飛躍的に高めることが期待される。

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