エサロメーター

エサロメーターは、ガスコロイド流中の 光学的に吸収する（「黒い」）浮遊粒子の濃度を測定するための機器です。一般に煙やもやとして視覚化され、汚染された環境下では周囲の空気中によく見られます。エサロメーターという言葉は、古代ギリシャ語の動詞aethalounに由来しており、「すすで黒くなる」という意味です。大気エアロゾル中の黒色炭素を測定するために使用されるエサロメーターは、1980 年に初めて導入され、Magee Scientific によって初めて商品化されました。

ガス流（多くの場合、周囲の空気）は、浮遊粒子を捕捉するフィルター材料を通過し、密度が増加する堆積物を形成します。堆積物を通して投射された光線は、散乱（「白」）する粒子ではなく吸収（「 黒」）する粒子によって減衰します。測定は、一定の時間間隔で連続して行われます。1 回の測定から次の測定までの減衰の増加は、フィルター上の光吸収材料の密度の増加に比例します。これは、サンプルを採取した空気流内の材料の濃度に比例します。サンプルは、ロール状のフィルター テープ上のスポットとして収集されます。堆積スポットの密度が事前に設定された限界に達すると、テープは新しいスポットに進み、測定が続行されます。サンプル ガスの流量を測定し、機器の光学的および機械的特性を把握することで、サンプリング期間中のガス流内の吸収粒子の平均濃度を計算できます。エサロメーターは、 1 秒という高速な時間ベース期間で動作し、準リアルタイム データを提供します。エサロメーターのデータを他の物理的および化学的分析と比較することで、出力をブラックカーボンの濃度として表現することができます。

エサロメーターの原理は、1950 年代にヘイズ係数の測定用に開発された連続フィルター テープ サンプラーに基づいています。この機器は、サンプルの空気流をフィルター テープ スポットに一定時間 (通常 1 時間または 2 時間) 通して採取します。テープが進められ、その灰色の色調が透過率または反射率のいずれかによって光学的に測定されます。ただし、データ単位は任意であり、遡及的研究^{[1] [2] で}「COH 単位」が大気微量成分の定量分析に関連付けられるまで、空気流中の特定の物質の質量濃度として解釈されていませんでした。

1970年代、ローレンス・バークレー国立研究所のティホミール・ノバコフの研究室で、繊維フィルター上の粒子堆積物の光学的減衰と、その堆積物の炭素含有量との間の定量的な関係が確立されました。^[3] 光学技術と電子技術の進歩により、5分または10分のタイムベースでフィルターを通過する一般的な周囲の空気中に発生するような、減衰の非常に小さな増加を測定できるようになりました。パーソナルコンピューターとアナログデジタルインターフェースの開発により、リアルタイムでのデータ計算と、空気1立方メートルあたりのブラックカーボンのナノグラムまたはマイクログラム単位で表されるブラックカーボンの濃度への信号の数学的変換が可能になりました。

史上初のエタロメーターは、ローレンス・バークレー国立研究所で、アンソニー・D・A・ハンセン（後にマギー・サイエンティフィックを設立）、ハル・ローゼン、ティホミール・ノバコフによって開発され、 1980年9月にヒューストンで行われたEPAの視程調査^{[4]で使用され、 [5]} 1981年には大気中のブラックカーボン濃度の初のリアルタイムデータチャートが発表されました。^{[6]この機器は1984年に}NOAAの研究用航空機 に搭載されて初めて北極圏に運ばれ、それ以前の地上での作業と合わせて、北極圏の煙霧には煤の成分が強く含まれていることが示されました。^[7]

エサロメーターは1986年に商品化され、改良版が1988年に特許を取得しました。^[8]最も初期の使用は遠隔地での地球物理学的研究で、ブラックカーボンを工業化された発生源から遠隔地の受容地域への大気汚染の長距離輸送のトレーサーとして使用しました。1990年代には、ディーゼル排気微粒子の健康への影響に対する懸念が高まり、 ^[9]炭素含有量の黒さを指標とする測定の必要性が高まりました。2000年代には、光吸収粒子が 気候変動に果たす役割への関心が高まり、先進国と発展途上国の両方で測定プログラムが拡大しました。これらの粒子の影響は、北極の急速な融解^[10]とヒマラヤの氷河の融解に寄与していると考えられています。

ブラックカーボンに関する包括的な概要（エタロメーターデータのレビューを含む）は、2012年に米国環境保護庁によって米国議会に提出されました。 ^[11]

エサロメーターは、固定式の空気質監視設備で使用するためのラックマウント型機器、遠隔地での測定を行うためにバッテリーまたは太陽光発電パネルで稼働し、オフグリッドの場所でよく使用される可搬型機器、および燃焼排出物への個人の曝露を測定するための手持ち式のポータブル バージョンとして開発されました。

エサロメーターの主な用途は、大気質の測定に関連しており、そのデータは大気汚染が公衆衛生に与える影響、^[12] 気候変動、および視程の研究に使用されています。その他の用途には、車両、産業プロセス、および山火事や家庭や産業の環境でのバイオマス燃焼などの燃焼源からの黒色炭素の排出量の測定が含まれます。

エサロメーターモデルAE-31は、米国環境保護庁が管理する環境技術検証プログラムによってテストされ、2001年に検証レポートが発行されました。^[13] エサロメーターモデルAE-33は、2013年に同じプログラムでテストされ、レポートは保留中です。

汚染物質であるブラックカーボンは、ブラックカーボン粒子のグラファイト微細構造内の部分的に可動な電子による電磁エネルギーの吸収により、灰色または黒色に見えます。この吸収は純粋に「抵抗性」であり、共鳴バンドを示さないため、物質は色付きではなく灰色に見えます。これらの粒子の堆積物を透過する光の減衰は、電磁放射の周波数とともに直線的に、すなわち波長に対して反比例して増加します。フィルター堆積物上の光減衰のエサロメーター測定では、波長が短いほど λ ^(-α)に比例して増加します。ここで、パラメーター α (オングストローム指数) は、「灰色」または「黒色」の物質に対して α = 1 の値を持ちます。ただし、ブラックカーボン粒子には他の種が混ざっている場合があります。 タバコの煙や薪を燃やしたバイオマスの煙に含まれる芳香族有機化合物は、スペクトルの黄色、青、近紫外線部分で、波長が短いほど光吸収が増加することが知られています。

エサロメーターは現在、複数の波長で同時に光学分析を実行するように構築されており、通常は 370 nm (近紫外線) から 950 nm (近赤外線) の範囲に及びます。芳香族成分がない場合、抵抗性灰色材料の標準 λ ⁻¹応答を考慮に入れると、ブラック カーボン濃度のエサロメーター データはすべての波長で同一になります。これらの材料の減衰のオングストローム指数は 1 です。芳香族成分が存在する場合、より短い波長での吸収が増加します。エサロメーター データはより短い波長で増加し、見かけのオングストローム指数が増加します。純粋なバイオマス煙の測定では、最大 2 のオングストローム指数で表されるデータが表示される場合があります。さまざまなアーティファクトのため、エサロメーターで測定されたオングストローム指数は偏っている可能性がありますが、他の技術と比較すると、エサロメーターモデル AE-31 は適切な吸収オングストローム指数の結果を提供することがわかりました。^[14]世界の多くの地域は、灰色または黒色でオングストローム指数が 1 であることを特徴とするディーゼル排気ガスなどの高温化石燃料の燃焼による排出物と、より大きなオングストローム指数の値を特徴とする木材煙などのバイオマス燃焼による排出物の影響を受けています。これらの 2 つの汚染源は、地理的起源と時間的パターンが異なる場合がありますが、測定時点では混ざり合っている可能性があります。複数の波長でのリアルタイムのエサロメーター測定は、これらの異なる寄与を分離し、全体的な影響をさまざまなカテゴリのソースに割り当てることができると言われています。この分析は、効果的で受け入れ可能な公共政策と規制の設計に不可欠な情報です。

エサロメーターが煙の発生源を区別する精度、さらには能力さえも議論の的となっている。^[15]

エサロメーターの測定原理は、空気濾過、光学、電子工学に基づいています。高真空、高温、特殊な試薬やガスなどの物理的または化学的なサポート インフラストラクチャは必要ありません。唯一の消耗品は、ポータブル モデルでは 1 日か 2 日ごとに交換する必要があるフィルターですが、大型のユニットには、通常数か月から数年持続するロール状の濾過テープが付いています。そのため、この機器は頑丈で小型化が可能であり、遠隔地の研究プロジェクトや、現地でのサポートが最小限の場所で展開できます。例:

• 南極点基地^[16]での測定では、最も清浄な空気がエサロメーターで測定された場所であり、冬季には1立方メートルあたり30ピコグラムのブラックカーボン濃度が示されている。
• ^中国[17]とバングラデシュ^[18]の都市部での測定値では、黒色炭素の濃度は1立方メートルあたり100マイクログラムを超えることが多い。
• アフリカの農村部での測定では、太陽光発電パネルで稼働している施設で、農業用の焼却による高濃度の黒色炭素が記録されています。
• ^{インドヒマラヤ[19]}とチベット^[20]の標高5,000メートル（3.1マイル）を超える高所施設での測定。太陽光発電パネルで稼働し、隣接する人口密集低地からの燃焼排出物の影響を記録している。
• 民間航空機の飛行中に手持ち式のエアロメーターを使用して測定を行い、成層圏の外部濃度から機内のブラックカーボンの存在を算出します。この方法により、非常に高価な専用の研究用航空機を必要とせずに、高度 10 km (6.2 マイル) でのブラックカーボンの拡散を地球規模でマッピングすることができます。
• 自動車、電車、軽飛行機^[21]、係留気球^[22]から測定されたデータ。これらのデータはリアルタイムで水平・垂直のマッピングに変換される。
• 中央アジアのタクラマカン砂漠の真ん中にある観測所で測定が行われましたが、 ^[23]そこは南極と同じくらい遠く、過酷な場所です。
• インド、バンガロールの交通量の多い道路で自転車に乗っているときにマイクロエタロメーターで測定した値。^[24]
• 心拍数と分時換気量センサーを組み合わせた測定により吸入曝露を研究した。^[25]

いくつかの測定値はオープンデータとして利用可能です:

• ベルギーのマイクロエタロメーターによる個人曝露測定^[26]