放射線化学,86, 29-35 (2008) -...
Transcript of 放射線化学,86, 29-35 (2008) -...
Roles of ions in the formation of cloud condensa-tion nuclei have attracted interests of aerosol scien-tists since the correlation between cosmic rays andcloud cover has been reported by Svensmark andFriis-Christensen in 1997. In this report, the theoryof ion-induced nucleation is described and previousstudies are reviewed. Two experimental methodsof the small ionization chamber method and thedi#erential mobility analyzer method, proposed byauthor, are presented.
Key words: atmospheric aerosol, air pollutants, ion,nanoparticle, nucleation
1. ����
Svensmark� Firiis-Christensen�� 1997���������������� 1)������������ ������������ (CCN: Cloud Con-
densation Nuclei)���� !"����#$�%�& ������� CCN��� �'�()�*+�$�%�& ,���-.��/0�1�234�5�#�#$�%��� ��234�5�,��67������8 ����)9:�;�<=�>1?@�& ,��6�A234�5�� ,�BC�D���EC����������7�& �����F�G0�%�AH� BC����I�J�KLMN� �O�PQRSTUV�W��J XYZ� PQ�J[ ���7�&��PQ�J�� #��\]C����� CCN���
���^�& ��()�����A��_�`�a%������b.5�cdef� Cg�h1�i�hg`�a%����j�kd� Cg�lm��n7������ ,go;����p�q <=��+�&��AH� ,go;�r�l��s��������(� CCN�t����;�A%uv�� wx� d� y1� !"z{"|}a(~�.�r���$�%�&#����� ��� ���������$�p%��%�� !�(d�&�� '�������������7�|} X !� z{� �.�r[ �����#�����z{�'���(x �p%�*��� ���)�Ai�*�7�����������%�r'������p%���7�&
2. ������ ��
��������� Wilson�+,z{��-#$�()�� �1�������.�$�ad� �%�� !���1*�� #$�%�& Thomson������d���I�J����� /O rp��0��7�:��Gibbs��1 ¡U¢S�'£�-��%�2)&
DG¤¥ 43
p rp3 kT
vl
ln S¦4p rp2s
¦q2
2
����
1¥ 1e
����
����
1
rp¥ 1
r0
����
(1)
���� k�§U¨©��ª� T�g�� vl��«�J�¬H�«� s�-�23� S�®45�� q�����F�� e��«�6��7� r0����/O���&¯8°±²���;�a@� ¡U¢S²� °9²�-� ¡U¢S²� °³²��F�(� ¡U¢S²���&´ 1� DG��0/O rp�µ7��1 ¡U¢S��;��7& z5�������� X(1)£�°³²
Nanoparticle Generation from Atmospheric Air Pollutantsby Ion-Induced NucleationMotoaki A968=> (Department of Chemical Engineering,
Division of Materials Science and Engineering, Graduate of
Engineering, Osaka Prefecture University)�5998531 ¶·�¸¹º: 11TEL/FAX: 0722549815E-mail: [email protected]
° 86» (2008) 29
��������� ����� ���������������������������� !"� #$�%����&�� '�(��� � )*+����,-.� �/0123�4�5�67 �1(a)�8��� S91��(� *+�����:��;rp��<=���7 DG�>��6?@� ���:�� rpA0�BCD '�EF� ���' +������ ����G�/0123������; r0
�H���IJ6?@� ���:������ (<�K!' � 1(b)� SL1�"M�� *+����H �NJ�O���@� H ���; rp� )#P�;�7�Q1R��;�,-.� S@ (7:���$�� �<7:����' +�� ���� �����/0123��4� r0� rp��� T.U.H��H �NVO��� �; r0�����S@ (=�$'�W��� X�H ��%Y�Z.-�[�7��%Y\(G�/0123�&�*+����"MS@]'�(7 '�EF��������^_����$�*+����)\*`�aXX��b+�67� 1(c)� SLL1��� ���� ����*+����c7�S@,d�� *+������ SL1�"M�-eSD�H ��NV�� ���� �����:�� (=���7G�/0123�./>�''�EF� �8���f0��'\6������$'X��5�67
3. �����
���� ����g'hi�� (=� 12hi�jkhi� lmn3hi��V�opqr3�4.���85�126hi�� Nadykto & Yu3), Lovejoy
[4)�s7���12�t8���hi�9�V=5��� X.�:�� uvS=wE.67126xyz3{�� n3���|;'�W�}31��6�~���3~����1�� ��5)�7) XF[�� v<�lmn3hi=��>B�?�Y� �hi�wE
.67 jkhi�@7AB�S@� (1) Di#usion
Cloud ChamberC� (2) Mass SpectrometerC� (3)
Chemical Reaction ChamberC��V��C.��X.[�7".I 1980<DE��dF<.�GC�� uv�hi�� (2)?S� (3)�@7[.X��H7 EI�� Froyd & Lovejoy8), Wilhelm[9)�hi�� �I�� Joutsensaari[10) , Nagato[11)���hi�� J�� �I�V76�Di#erential Mobil-
ity Analyzer� K�S@� ������Z��=���I3!�(SD��J��W� Flow reactorL�����C[^_�����$85�MN6��3<.67 X.[GC�V76��O�|P' f0�12?S�jkhi����� 7".I� ���� ���Q����� ��gR�DX��5��+�� lmn3hi��� ST6�U���VCJ67�7 n3���EV�~���3~����1��J6|;����C[� ���� ����gR�W3�67����� Harrisonto� Carslaw12)
�� GXY����Z��S@��<.���� �/xz�1��� ��g��V76�R�3�w7� �Z��S��� ����J���� V��@��@�[\�6����]767��2�Z67 X�[\�6����6���� ������� \�¡¢67 Lee[13)�� 0^:_£�¤^�`£��%a�� (4�1,000 nm)�n3���|;�� ���� ����]767��2�Z� Laskso[14)�� bcde��n3���|;�� �f����� ���12��P,�(�7�� g¥���hi6������%��YX��S@� P,�(��j¦�67
4. �����
���C[^_�����$85�n§'�W�<�¨���C�©&[.��� ����?Z�����$k��l��ªJ67�7 � � ���� ����jkhi�@7[.67AB�� m� (1)
Di#usion Cloud Chamber, (2) Mass Spectrometer,
(3) Chemical Reaction Chamber��V��Di#usion Cloud Chamber�� «��¬� 2n�op��.����q�x1®31������r�<.� ¯«sC[(«s�BCJ6���°t�±[.67 X����Y���u��������'X������ ����²(aX�� ��<.����³´vC�µw' )xY-Rabeony�Mirabel 15)�X��C�� ³´vC�µw�(�¶�·z������$�������C3!�(�7�7Dyz6�¸
� 1 ���� ����*+����?ZG�/0123��4¹ (a) S91, (b) SL1, (c)SLL1�"M
{Fº,
Y � � 4 »30
����� ��� �� ������������������������� Mass Spectrometer�� !��"#���$�%&'()*�+��� �,-./'0�1�234566789#:;<;'()=�������� �>� ?�@ACastleman16)B� ����� C����DE������������C �����FGC���HI������ J� Chemical Reaction Chamber
��� K�+ILM N6��� �OP'��LM N6� SOx$NOx�Q�� RSN6�TU. ������ �OP���LM C�V����'�*���%&C. ���+ �� ��*����W'OHLXYZ��[���\]^�*���� �1�\]^� SOx$NOx��O+H2SO4�(_��` !�F�a�+ b*��c�d�� ?�@AVohra
�17)B� ��e��LM '()*�f1��� $\]^���C��� �g����OWh�� �+!i�����O!P�jkl��@��� ����OP�� �*+��� $����C�Wh"#��h' !P$%'&'+I+J� �� ����������C�������_()����
5. Small Ionization Chamber�
Chemical Reaction Chamber��mn�(_�o*���C Di#usion Cloud Chamber�$Mass Spec-
trometer�'�p � RS'�g�q�rs ?tut! ����� vwN6B ��� +�b*��xy�����_z�'���,*���� { 2� ���%&C SO2/H2O/N2|aN6 ?SO2/H2O/air|aN6�}�[B '~%f1���'d����@�1I��b*����-+I��� J� ���%&�����N6�>�N2��'�.+ N2
��� ����*���� �����/''()���0]�,����J���1����a+ f�'H2O���c���8L6<� �'()M�(H2O)n�Q?M�O2, H2O,
n�2�4B�2�� ���� J� N2��� ���
�3�8L6<� �'()H3O�(H2O)n (n�2�4)�(_���� ���� �1��� ��4� f�'����'J������ J� ���%&��� ��W'OHLXYZ�(_�\]^�*���� ��\]^� SO2����O+ �()}` !���H2SO4���*�+ f�'H2SO4��������}' 2����b*� ?�� $���Q�b����FC.h'5��� N6����]����C5���������*���b*����C ��/a���]��CH2SO4������� 2���>����� 2����b*���A1�B '()��'6���� �J) ���%&~%'(�b*��� �� +�b*�� 2����b*�C�a+Id� I����>�� ��(_'+I*�+����=�*���'()¡��7��8���� �� C��+�����J��2�����¢ 2����b*�'()*�+������������ +�+ �1�����*9£��!P�'5����0(¤2�� '(�����0����¥¦���'�) ���7��8�§��8��¨1I+J_� ����� �*9£����7��8������C��1A ���*���C:�������©;���ª«�(_���*��������' <¬��f��� �!P (Small Ionization Chamber)18)
�®���@�� �� �a�f1�������P'���¯¦°=(±����'� �O!P��"#Wh�f±���� ��k¢�O!P�!i�f±�����>¦I?1��� �@ "#Wh�A���OWh�A��©;+ ²B�����LM N6��� K'���@��� �*���� �\]^��C��� H2SO4���*�C³�± b*�C´�d����µC]C>�� ��D¶�+I EF a
&K�>� 241 Am (5.48 MeV)������'+��241Am()�·f1� a&� ¸¹Zº;C,��
� 2 ���%&'(����*���
�� +�b*�'(�� vwN6��������*
G 86» (2008) 31
���������� ������ ���������������� !� OH "#$%& '()*+ , 3 �-.�� Small Ionization Chamber /�0 61130120 mm& 2)+ a 34��5 241Am
(3.03 MBq) 67�+ 89�:;�<=�>�?@5�ABC?DE�F G*H�IJ�*+ H�BC?�K=89L���� MAN�� ���O.P'(J'(��Q������*R�S� TU+ DE�F OFF ������VW9�E�)*Q=� ���O.P'(� 2 (�XYP'(�Z[�\]��A'(��QJ^A� ON ����E�)*Q= 2 (�XYP'(��*_`�QJ^*+ Ha��� 89�bJcd)*H���A� '(��Q�`�e f
fg�hi*H�IJ�*+
fj1k n0
nt(2)
HHJ� nt =lm�>�G*�4 OFF ���������n89�E�)*Q�o��� n0 =�4 ON ������Q��)?pq_`�Q���J^*+, 4 � SO2/H2O/N2 rs�� tu�����.'
��Q��vwx��y�Y� 2)18)+ cd=���n89��b� Di#erential Mobility Analyzer
(Vienna-type DMA) z{�� 89��>�G*�F |}��5~@�+ SO2 �� 0.3, 1.7, 3.3 ppm
���5� ��������`�Q cd��+ ��a��y=�vwx� 2110�4 m2 V�1 s�1 � 0.18�0.08110�4 m2 V�1 s�1 ������� ��+ ��=�v �������cd0a*������vwx��Y��57*+ ��= a 3����A'(��Q����J^A� Q� 3�4 nm ���)*+ SO2 ��I��)*��7Q������I 0.18110�4 m2
V�1 s�1 � 0.08110�4 m2 V�1 s�1 ��wx�� ������0����57*+ SO2 ��I��)*��
��'()*Q��vwx�I�0� )?pq� Q���I/��& ?@57*H� 2�5�A�Small Ionization Chamber LJ�����Q��( ¡¢I Vienna-type DMA ��A£¤J�*H� 2�57*+
, 5 � 6 = SO2/H2O/N2 rs�� tu�����.'��Q����`�eJ^*18)+ Ha�¥¦Q���=� ���n89��b� Condensational Nu-
cleus Counter (CNC; TSI model 3025) z{�5cd��+ , 5 �Q��= SO2 ��I��?*��7���� §�� E�I¨�?*©ª� )?pq«¬®I �?*©ª���57*+ H�Q���«¬®¯°�=� ±�«¬®I 7� E� 0.5 l min�1 «¬®= 4.39 s& ��75�§²P'(I³~�57*H� 2´�57*+ , 6 J= SO2 ��I|}����=`�eI 1 J^A� )µ5�QI`��57*+
� 3 Small Ionization Chamber
� 4 SO2/H2O/N2 rs��� a 3����A'(������¥¦Q��vwx��y
� 5 SO2/H2O/N2 rs��� a 3����As(0a�¥¦Q���
¶·¸¹
º � 3 n »32
������ SO2�0 ppm������� ������������������� ���SO2��������� ���� ! "�� 2�#$����������%���&���'(� )*� SO2��� +�,��������-���.�� ����,�/0� 1)���23���/0���4�� ������ ��������� 2�#$������ ����5��6��7�8������! ���9:;��� 2������<�=>��! SO2?@�� NH3�NO2�ABCD� NH3��SO2(CE�FDH2SO4��G!� HI�J�K(NH4)2SO4�E���(C� 2������LM�J�! � $�� NO2� SO2�NE! OHOPQR�S���(C� 2�������T�J�! UV�W'D �� NH3/SO2/H2O/air"�XNO2/SO2/H2O/airYE=>�"Z����[\���]����W^*��_� � ���`&a�b�cd�!CD �19), 20)�
6. Di#erential Mobility Analyzer�
Small Ionization Chamber��� ���(Cef��g��"5��#hi$�j%�!*�� ���kef��� Small Ionization Chamber(CDMA�&'3����()*l� [\����������9:;(Cmn*D*4�� o0.1pq ppmr� SO2
�+,� �9:;� +st oSO2�� 0.01p0.1
ppb, u� 30p100v� w�x10p40y� z- 0.1p1
atmr ����������{|�,}!�[\]��~��.)D �� ���� /�C�i$�0��"��$I�F�� ����ef���()��&n�����"����i$�,}!�[\]���
�!*������� DMA�����������"��21)� � 7��[\�1�Di#erential Mobility
Analyzer / Faraday Cup Electrometer oDMA / FCE:
����a� Model DMA�r �� � 8��]���2��� DMA� �3��4�����FD� �DC��3���>��� o���9r ��D �� i$�5��&���k��ef���� @�����6 o��>�������r (C78FD� ��>�����^ � � 2�� ���k��ef�����3�(ZCD*�¡���� 9����¢(^ ��>����£¤�¥:� 9���� 6 o��>���� ��r ��¦�§¨�©>¨ª«�~ZCD "�� ��>¨ª«6�&'!*;$��9¥:��¬1���k��ef���®¯ o�UV��FCEr �°±D� ��DMA���9¥:�<i$��� �09���k������¦�²�=�!&����³>�&� /��� ��³>�?!� ��
� 6 SO2/H2O/N2YE=>� a´µ¶�����!*ef�����
� 7 Di#erential Mobility Analyzer/FaradayCup Electrometer�>·¸
� 8 DMA������"��i$]�
�����������9¹º=>(C�ef����
@ 86» (2008) 33
������������ �� �������������������������� ����� ���!�"#$� �������%� &����'�(�)����*%�+ �,-��./�0�123 9�H2O45����6�78�9(22)2 DMA/
FCE��(:;���<� H2O/air=>?��@AB��C���DE��FGD�F12 DMA� ����������< 28H62I���12 ��28.4H48.4I.<� J�K��� ��< 1.1 cm2 V�1
s�1�LL�MFNO�� �� 57.8I.<J�K< 0.9
P10�4 m2 V �1 s�1�QRS.<T��� ���U�OVW� XL�Y�Z��/OVW[�\]FG^�� DMA�.������F1��QS2� W��_`.����� ��<� �������.��F1a�����b��� ��.<Nc�d� �eU�N��NfGO2 �1-:;������ ���g��.6�F1�� ��S��h������%��,-�<./R� !�"#$�����N2 �i�<� �������0�F1DMA
��^j����k���lmn��o�F� ������%��,-#$p��qF122)2 �#$���OGH2O4���^ rH2SO4/H2O4����6�78S�,-1��%��� 1�9(2 ��<stu-1)S��vw.T�� � 1�9(��%��XOG<� xayN_`�z{|}� ~����.T�� �Nc�e� ��%��6��_�./1�0
�GO2
7. ����
�����D���������D�� ���/#�F1a� �!������D�_`��Q�GO�"��#�$%&�XOG��� ���i���L.�fG/1_`�'X�p��d�78�XOG#�F12 �X<� a��������(U����M�������O1p�.T�� ���X<� st�fGODi$rentical Mobility Analyzer (DMA)���������FG� DMA����� ��������1�/�������� ���M �� ������%�^ r*%��,-p�.T2 ai�XOG<� xa���_`�z{|}�6��"��(�)��.T�� �����*���� ��� +� ��¡¢?�,�.�_`��-.T�� £¤./FGO_`vw�¥n�K�¦��Ne��;0FGO2
� � �vw��1<� 21§¨©§¨vw34�13H175�6�7ªvw «8�¬��^j��A¦�������®K]¯ �9°� ��Q�12 �� ±²�³��(2
� �
1) H. Svensmark and H. Friis-Christensen, J.
Atm. Sol. Terr. Phys., 59, 1225 (1997).2) J. J. Thomson, “Conduction of Electricity
through Gases” (Cambrigde University Press,London, 1906)
3) A. B. Nadykto and F. Yu, Atm. Chem. Phys., 4,385 (2004).
4) E. R. Lovejoy, J. Curtius, and K. D. Froyd, J.
Geophys. Res.-Atm., 109(D8), Art. No. D08204(2004).
5) L. Laakso, J. M. Makela, L. Pirjola, and M.Kulmala, J. Geophys. Res.-Atm., 107(D20), Art.No.4427 (2002).
6) J. Kazil, and E. R. Lovejoy, J. Geophys. Res.-
Atm., 109(D19), Art. No. D19206 (2004)7) S. M. Kathmann, G. K. Schenetr, and B. C.
Garrett, Phys. Review Lett., 94 (11), Art. No.
� 9 DMA����� H2O45���� ��:;��M
� 1 DMA�� ����1������%�
�����< ����´µ
:;�����¶ [nm]
DMA���� [I]
��%�[nm/s]
H2O��� · 1.36 48H57 0.65H2SO4/ H2O��� ¸ 2.49 37H45 5.5H2SO4/ H2O��� · 2.00 37H45 5.0
¹=º>
� » � M ¨34
116104 (2005).8) K. D. Froyd, and E. R. Lovejoy, J. Phys. Chem.
A, 107(46), 9812 (2003).9) S. Wilhelm, S. Eichkorn, D. Wiendner, L.
Pirjola, and F. Arnolf, Atm. Environ., 38(12)1735 (2004).
10) J. Joutsensaari, M. Loivamak, Vuorinen, P.Miettinen, A. M. Nerg, J. K. Holopainen, andA. Laaksonen, Atm. Chem. Phys., 5, 1489(2005).
11) K. Nagato, C. S. Kim, M. Adachi, and K.Okuyama, J. Aerosol Sci., 36, 1036 (2005).
12) R. G. Harrison, and K. S. Carslaw, Rev.
Geophys., 41, 3/1012 (2003).13) S.-H. Lee, J. Reeves, J. C. Wilson, D. E.
Hunton, A. A. Viggiano, M. Miller, J. O.Ballenthin, and L. R. Lait, Science, 301, 1886(2003).
14) L. Laakso, T. Anttila, K. E. J. Lethtinen, P. P.Alto, M. Kulmala, U. Horrak, J. Paatero, M.Hanke, and F. Arnold, Atm. Chem. Phys., 4,2353 (2004).
15) H. Rabeony and P. Mirabel, J. Phys. Chem., 91,1815 (1987).
16) A. W. Castleman, Jr., J. Aerosol Sci., 13, 73(1982).
17) K. G. Vohra, M. C. Subba Ramu, and T. S.Muraleedharan, Atm. Environ., 18, 1653(1984).
18) T. O. Kim, M. Adachi, K. Okuyama, and J. H.Seinfeld, Aerosol Sci. Technol., 26, 527 (1997).
19) T. O. Kim, T. Ishida, M. Adachi, K. Okuyama,and J. H. Seinfeld, Aerosol Sci. Technol., 29,111 (1998).
20) C. S. Kim, M. Adachi, K. Okuyama, and J. H.Seionfeld, Aerosol Sci. Technol., 36, 941(2002).
21) N. Yokoyama and M. Adachi, 7th Internation-al Aerosol Conference, St. Paul, Minnesota,2006, p. 161.
22) ������ ���� �� �� � 24���������������� !"� 2007,pp. 31�32.
#$%&'()*+,-./0123456789�')
� 86: (2008) 35