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
2003320 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


ミー散乱


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)
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)
νi
νi ± R
エアロゾルの光学的性質

消散係数(単位:m-1)


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(≒0.368)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-1sr-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
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
距離zからの光受信信号強度P(z)は
z
P( z )  C ( z )  Y ( z )  exp[   ( z)dz] / z  PB
2
0
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
PB:背景光強度
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。
z
X ( z )  C{1 ( z )   2 ( z )}exp[2 {1 ( z)   2 ( z)}dz]
0
ここで
X(z):(P(z) – PB)z2
α1:エアロゾルによる消散係数
α2:大気分子による消散係数
β1:エアロゾルによる後方散乱係数
β2:大気分子による後方散乱係数
1 ( z)  S11 ( z)
 2 ( z )  S2  2 ( z )
S1:エアロゾルの消散係数と後方散乱係数の比(ライダー比)
S2: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

 zc
X ( z ) exp2 1  1   2 ( z)dz
S1
 S2  z


1 ( z )    2 ( z ) 
S2
  S1  zc

zc
X ( zc )
 2 X ( z) exp2  1   2 ( z)dzdz
z
z
S
  S2 

1 ( z c )  1 S  2 ( z c )
2
S1: 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
繰り返し周波数
望遠鏡口径
視野角
干渉フィルター
Mie-Rayleigh
N2-Raman
H2O-Raman
100mJ
10Hz
355mm
2mrad
中心波長
354.8nm
387.0nm
407.6nm
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
半値幅
0.8nm
3.3nm
0.9nm
ラマンライダー方程式
P0 ( z ) 
K 0
P ( z ) 
2

z
K N2
N2
PH2O ( z ) 

 m ( z )   a ( z )exp  2z   ( z)dz
 
( z ) exp   
0
0
z
 
 N ( z ) exp     ( z)    ( z) dz
2
z
K H O
2
z
z
2
2
H O
2
λ0:レーザー光の波長
λN2:窒素分子によりラマンシフトした波長
λH2O :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
0
z0
N2
z
z0
0
 
( z)   H2O ( z) dz
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、N2が窒素分子、H2Oが水
蒸気分子からの寄与を表している。
消散係数
 a ( z ) 
0
d   N R ( z )  
m
m
ln


(
z
)


  0
 
N2 ( z )
dz   X N 2 ( z )  
 0
1 
 N
 2




k
Ref. Ansman, A, et al., Appl. Phys., B55, 18-28, 1992.
NR (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)
XN2(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
αm(z): 空気分子の消散係数
k : オングストローム指数(粒径に関係したパラメータ)
λ0 : レーザーの波長
λN2: ラマンシフトした波長(387 nm)
下限高度: 600m
後方散乱係数、水蒸気混合比
R( z ) 
 m ( z)   a ( z)
 m ( z)
R( z )  Rq ( z, z0 ) 
X ( z)
 R( z0 )
X N2 ( z)
 a ( z)  R( z)  m ( z) 1
w( z )  C w  ( z0 , z )
w
q
X H 2O ( z )
X N2 ( z)
Ref. Whiteman, D. N., et al, Appl. Opt., 31, 3068-3082, 1992.
Cw: 装置定数
R(z): 散乱比
βm (z) : 分子の後方散乱係数
βa (z) : エアロゾルの後方散乱係数
Rq ( z, z0 ) : 大気分子と、エアロゾ
ルによる
355nmと387nmでの大気透過率の補正 項
wq ( z, z0 ) : 大気分子と、エアロゾ
ルによる
387nmと408nmでの大気透過率の補正 項
z
 ( z , z0 ) 
R
q
exp(   N ( z)dz)
z0
z
2
exp(  0 ( z)dz)
z0
z
 ( z , z0 ) 
w
q
exp(  N ( z)dz)
z0
z
2
exp(  H2O ( z)dz)
z0
下限高度: ~100m
解析結果(例)
解析結果(黄砂飛来時)
光学的厚さ
Ref. 斎藤泰治、平成16年度東京商船大学修士論文
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。
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
ライダー
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。
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
単散乱アルベド
散乱係数

消散係数(散乱係数  吸収係数)
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
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
黄砂(2004年4月9日)
時系列データ
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
S1= 50.5 ± 4.65 sr (5-7 km)
B.A.E = 0.23 ± 0.05
D.R = 14.3~20.6 %
  z 
 532
B. A.E.  ln  355  ln




z
355


 532 
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
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マイクロソフト・パワーポイント