微細粉塵は肺の奥深くまで侵入する可能性があるため、多くの大都市圏で健康上の問題となっています。現在、CERN研究センターでの実験により、微細粉塵の一部がこれまで認識されていなかったメカニズムによって生成されることが示された。低温では、窒素酸化物から形成されるアンモニアと硝酸から副次的に粉塵が形成される。どちらも大気汚染物質であり、主に大都市の道路交通によって放出されます。この形成メカニズムは、冬のスモッグで実際よりも多くの微細塵が測定されることが多い理由を説明しています。
微細粉塵は世界的な問題です。サイズが数マイクロメートル未満の小さな粒子は健康に有害であり、世界中で数百万人の死亡の原因となる可能性があります。ヨーロッパだけでも、小児の喘息症例の約 3 分の 1 は微粉塵汚染が原因である可能性があります。同時に、超微細な塵粒子は雲の凝結核として機能します。微細塵は自然過程によっても発生しますが、現在では大部分が人為起源のものです。 2.5 マイクロメートルより小さい微粉塵は、主に自動車やヒーターなどの燃焼プロセスを通じて直接放出されます。これは一次微粉塵と呼ばれます。この小さな粒子は、既に空気中に浮遊しているナノ粒子に大気汚染物質が付着することによって二次的に生成されることもあります。この二次粒子状物質は、特に大都市圏の冬のスモッグにおいて、汚染のかなりの部分を占めています。
霧箱内での粒子の急速な成長
しかし、既知の形成メカニズムは、大都市で測定された微細粉塵汚染の一部しか説明できません。特にアジアの大都市では、冬のスモッグにより、実際に予想されるよりも高レベルの超微細粉塵が発生することがよくあります。一般的な見解は、粒子状物質の最小部分は長くは続かないということです。10 ナノメートル未満のナノ粒子は短時間後に大きな浮遊物質に付着し、粒子密度を低下させる必要があるとピッツバーグのカーネギーメロン大学の Mingyi Wang 氏は説明します。彼女の同僚。したがって、彼らは、これらの微細な塵のサイズについては「死の谷」についても語っています。ジュネーブ近郊のCERN研究センターでの実験で、研究者らは現在、追加の超微細粉塵がどこから来たのかを調査した。これを行うために、彼らは大都市の路上で冬のスモッグが蔓延する状況を、CLOUD 実験の霧箱で再現しました。このような気象条件では、暖かい空気の層が毛布のように寒くて深い空気団の上にあり、空気の上昇と混合を防ぎます。その結果、交通、家庭、その他の排出源からの排気ガスが道路の峡谷に閉じ込められたままになり、そこに集中します。
実験では、予想に反して、空気中に浮遊するナノ粒子は、より大きな粒子に「飲み込まれる」のではなく、特定の条件下で保存され、その後、超微粒子塵の細菌となることが示されました。これは、車の排気ガスから生成される 2 つの大気汚染物質であるアンモニアと硝酸が街路空気中に一時的に蓄積すると常に起こります。これまで、これら 2 つの汚染物質は粒子形成において受動的な役割しか果たしていないと考えられていました」と CERN の CLOUD 実験責任者である Jasper Kirkby 氏は言います。しかし、研究チームが発見したように、これらの汚染物質はナノ粒子に付着し、硝酸アンモニウムを形成し、粒子が超微細粉塵に成長する原因となります。 「これらのナノ粒子が数分以内に非常に急速に成長することが観察されました」とフランクフルト・ゲーテ大学のヨアヒム・クルティウス氏は言う。成長率は、これまでに知られているよりも数百倍も高くなる場合があります。このプロセスの結果、微細な塵と超微細な塵で構成される濃密なスモッグが発生し、特にアジアの大都市で冬に「厚い空気」を引き起こします。
冬のスモッグと雲の形成
「都市中心部では、私たちが観察したプロセスが、冬のスモッグにおける細かい粉塵の形成に重要な役割を果たしています」とクルティウス氏は言う。たとえ 2 つの大気汚染物質の局所的な蓄積が多くの場合数分しか続かないとしても、粒子が急速に成長するため、これはスモッグを増大させるのに十分です。この新しく発見されたメカニズムには、特に冬に好条件が広がります。 「このプロセスは摂氏プラス 5 度未満の温度でのみ行われます」とクルティウス氏は説明します。空気が暖かい場合、粒子は揮発性が高すぎるため、安定した状態が長く保たれず、細かい粉塵に成長します。冬季スモッグと効果的に闘うためには、特に依然として深刻な影響を受けているアジアの大都市において、硝酸の前駆体である窒素酸化物とアンモニアの排出をさらに大幅に削減する必要がある。 「窒素酸化物の排出はすでに規制されていますが、アンモニアには当てはまりません」とカークビー氏は言う。 「ガソリン車やディーゼル車の最新の触媒コンバーターにより、この汚染物質の排出量がさらに増加する可能性があります。」
しかし、研究者らの説明によれば、このアンモニアと硝酸からのエアロゾル粒子の形成は、おそらく都市や大都市圏だけで起こるのではなく、大気の上層空気層でも起こる可能性があるという。その原動力となるのは主に農業で生成されるアンモニアです。地上近くの大気から上昇気流に乗って対流圏上層部に到達し、そこで空気中の窒素から雷によって生成された硝酸と混合します。 「そこに広がる低温では、新しい硝酸アンモニウム粒子が形成され、雲形成の凝縮核としての役割を果たします」とインスブルック大学のアーミン・ハンセル氏は説明する。したがって、新たに特定されたメカニズムは気候変動にも関連しています。
出典: Mingyi Wang (カーネギーメロン大学、ピッツバーグ) 他、Nature、 doi: 10.1038/s41586-020-2270-4
