研究内容 > 長距離差分吸収分光法
DOAS (Differential Optical Absorption Spectroscopy)
 
   近年、日本の都市域における大気環境は改善されてきてはいますが、沿道など環境基準が未達成の場所もあり、人為的な大気汚染の監視および規制が重要課題となっています。従来の大気汚染物質の観測は、地方自治体が離散的な観測点を設置して行っていますが、それらは「点」での測定であるため、必ずしもその周辺地域の濃度を代表するとは限りません。これに代わる方法として、低層大気中で長光路の平均濃度が測定可能な長光路光学差分吸収(Differential Optical Absorption Spectroscopy, DOAS)法が研究開発されてきました。海外では製品開発も行われていますが、高価であるために、日本における普及は進んでいない状況です。千葉大学環境リモートセンシング研究センターでは、これまで、高層建造物に設置が義務付けられている航空障害灯を光源として利用し、市販の天体望遠鏡と小型CCD分光器を用いる安価なシステムの開発を行ってきました。パルス光源を用いてDOASが可能であることを、世界に先駆けて実証しました。
   千葉大学からの観測では、距離5.5kmにある焼却施設の煙突(高さ130m)に取り 付けられた航空障害灯(パルスキセノンランプの白色発光)を利用して長期間の 観測を実施してきました。同様の観測を京都、東京、長野、ソウルなどにおいて も実施しました。可視光でのDOAS手法では、波長450nm付近の微細な吸収パター ンから大気中の二酸化窒素気体の濃度を導出することができます。光路付近の地 上測定局の結果と比較すると、二酸化窒素の分布が上空に向かって減少するため にDOASの値はやや低めになりますが、時間的変化はよく一致します。さらに、 DOASで観測される光強度の減衰の大部分が大気中のエアロゾルによることに着目 すると、受光強度変化からエアロゾルの光学的厚さを導出することも可能です。 日本での都市域の大気汚染では二酸化窒素とエアロゾル(SPM)がその主要な成 分を成しており、その意味から、簡易な手法でこの両者が測定できる利点は大き いものといえるでしょう。

   The method of differential optical absorption spectroscopy (DOAS) provides a useful tool for monitoring atmospheric pollutants through the measurement of optical extinction (i.e., the sum of absorption and scattering) over a light path length of a few kilometers. The DOAS method in the visible spectral region is quite suitable for urban air pollution studies, since both nitrogen dioxide (NO2) and aerosol, the most important pollutants originated from human activities, can directly be measured using a near horizontal light path in the lower troposphere. Although conventional approach in the DOAS measurement is to install a light source, our group at the Centre for Environmental Remote Sensing (CEReS), Chiba University, has established a unique DOAS approach based on aviation obstruction lights (white flashlights) equipped at tall constructions such as smokestacks (Yoshii et al., 2003, Si et al., 2005; Kuriyama et al., 2011). Since those xenon lamps produce flash pulses every 1.5 s during the daytime, they can easily be recognized with the coverage of the whole visible spectral range. Thus, a simple setup consisting of an astronomical telescope and a compact spectroradiometer can be employed for the measurement of NO2. Also, the stable intensity of the light source makes it possible to retrieve aerosol, or suspended particulate matter (SPM) concentration in the lower troposphere, since the intensity variation of the detected light is mostly ascribable to the aerosol extinction over the light path.

References
Yoshii, Y., Kuze, H., Takeuchi, N., Long-path measurement of atmospheric NO2 with an obstruction flashlight and a charge-coupled-device spectrometer. Applied Optics, Vol. 42, (2003), pp. 4362-4368, ISSN 0003-6935
Si, F., Kuze, H., Yoshii, Y., Nemoto, M., Takeuchi, N., Kimura, T., Umekawa, T., Yoshida, T., Hioki, T., Tsutsui, T., Kawasaki, M., Measurement of regional distribution of atmospheric NO2 and aerosol particles with flashlight long-path optical monitoring. Atmospheric Environment, Vol. 39, (2005), pp. 4959-4968, ISSN 1352-2310
Kuriyama, K., Kaba, Y., Yoshii, Y., Miyazawa, S., Manago, N., Harada, I., Kuze, H., Pulsed differential optical absorption spectroscopy applied to air pollution measurement in urban troposphere. J. Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, Vol. 112, (2010), pp. 277-284, ISSN 0022-4073



Observation setup for DOAS measurement of atmospheric NO2 and aerosol



Temporal variation of NO2 concentration observed in Chiba, in comparison with ground-based in-situ sampling data.

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