雲凝結核

雲凝結核（CCN ）は雲の種とも呼ばれ、通常0.2μm  、つまり雲粒の100分の1の大きさの小さな粒子です。^[1] CCNは大気中のエアロゾルのユニークなサブセットで、その上で水蒸気が凝結します。これは雲と大気全体の放射特性に影響を及ぼす可能性があります。^[2]水蒸気が液体に変化するには非気体表面が必要です。このプロセスは凝結と呼ばれます。

地球の大気圏では、この表面はCCNと呼ばれる小さな固体または液体の粒子として現れます。CCNが存在しない場合は、水蒸気は5～6時間にわたって約-13℃（9℉）で過冷却され、その後自然に液滴が形成されます。これが亜原子粒子を検出するための霧箱の基礎です。^[3]

CCNの概念は、空気中に凝結核を撒いて降雨を促そうとする人工降雨に利用されている。さらに、このような核を作り出すことは、気候工学技術である海洋雲の増光にも利用できるのではないかと示唆されている。 [ 4 ] CLAW^仮説で提案されているような自然環境現象も、自然に生成されるCCNと雲の形成との相互作用から生じる。

典型的な雨滴の直径は約2mm、典型的な雲粒の直径は約0.02mm、典型的な雲凝結核（エアロゾル）の直径は約0.0001mmまたは0.1μm以上である。^[1]空気中の雲凝結核の数は、1cm3あたり約100～1000個の範囲で測定できる^。 [ ^1]大気中に注入されるCCNの総質量は、¹ 年間で2 × 1012kg ^[1]

CCN として作用する大気粒子には、さまざまな種類があります。粒子は、ほこりや粘土、草原や森林火災による煤や黒色炭素、波しぶきによる海塩、工場の煙突や内燃機関による煤、火山活動による硫酸塩、植物プランクトン、二酸化硫黄の酸化、揮発性有機化合物の酸化によって形成された二次有機物などから構成されます。^[1]これらの異なる種類の粒子が雲粒を形成する能力は、粒子のサイズと正確な組成によって異なります。これは、これらの異なる成分の吸湿性が非常に異なるためです。たとえば、硫酸塩と海塩は水を容易に吸収しますが、煤、有機炭素、鉱物粒子は吸収しません。多くの化学種が粒子内に混ざっている可能性があるという事実によって、これはさらに複雑になります (特に硫酸塩と有機炭素)。さらに、一部の粒子 (煤や鉱物など) は CCN としてはあまり役立ちませんが、大気のより冷たい部分では氷核として機能します。 ^[2]

CCNの数と種類は、降水量、^[5]、寿命、雲の放射特性とその寿命に影響を与える可能性があります。最終的には、これが気候変動に影響を及ぼします。^[4]マーシャ・ベイカーが主導したモデリング研究では、凝集と合体によって発生源と吸収源がバランスをとっており、大気中のCCNのレベルが安定していることが明らかになりました。^{[6] [7]}また、太陽の変動がCCNを介して雲の特性に影響を与え、気候に影響を与える可能性があるという推測もあります。^[8]

SGP サイトで CCN を形成する可能性のあるこれらの個々の混合エアロゾルの空中測定は、研究用航空機を使用して実施されました。Kulkarni らによる 2023 年の CCN 研究では、CCN 濃度のモデル化の複雑さについて説明しています。

クラウドシーディングは、大気中に小さな粒子を追加して雲の形成と降水を誘発するプロセスです。これは、空中または地上ベースの方法を使用して塩を散布することによって行われてきました。^[9] レーザーパルスを使用して大気中の分子を励起するなど、他の方法も研究されてきました。 ^[10]さらに最近では、2021年にドローンを使用した電荷放出です。^[11]これらの方法の有効性は一貫していません。多くの研究では、降水量に統計的に有意な差が見られませんでしたが、他の研究では見られました。^[要出典]クラウドシーディングは、核として機能する可能性のある小さな粒子を大気中に放出する森林火災などの自然プロセスによっても発生する可能性があります。^[12]

海洋雲の増光は、雲に微粒子を注入して反射率、つまりアルベドを高める気候工学技術である。^[13]この技術の背後にある動機は、放射強制力によって表面温度を下げることを期待して、海面に到達する太陽​​光の量を制御することである。^[14]多くの方法では、海水の小さな液滴を作り出して、その上にある雲に海塩粒子を送達する。^{[15] [16]}

海塩に含まれる反応性塩素や臭素が大気中の既存の分子と反応すると、合併症が発生する可能性があります。これらは大気中のオゾンを減少させることが示されており、同じ効果で水酸化物も減少し、温室効果ガスであるメタンの寿命が延びることが分かっています^[17]。

1987年にネイチャー誌に掲載された記事によると、CCN、雲の温度調節作用、海洋植物プランクトンの関係により、地球の気候はフィードバックループで発生する可能性があるという。^[18]この現象は、元の研究の著者にちなんで、それ以来CLAW仮説と呼ばれている。海洋上の一般的なCCNは硫酸エアロゾルである。これらのエアロゾルは、海水中の藻類によって生成されるジメチルスルフィド（DMS）から形成される。 ^[18]南シナ海などの地域で増加していることが観測されている大規模な藻類ブルームは、周囲の大気中に大量のDMSを放出し、雲の形成を増加させる可能性がある。 ^{[19] [18]}植物プランクトンの活動は温度に依存するため、この負のフィードバックループは気候調節の一形態として機能する可能性がある。 1987年の研究の著者であるジェームズ・ラブロックが書いた『ガイアの復讐』では、海水温と植物プランクトンの個体数との間に別の関係が提唱されている。これは反CLAW仮説と呼ばれている。このシナリオでは、海洋の成層化により栄養分に富んだ冷水が暖かい水の下に閉じ込められ、光合成に必要な太陽光が最も豊富になる。^[20]これにより植物プランクトンの成長が抑制され、気温上昇とともに植物プランクトンとそれらが生成する硫酸CCNの個体数が減少する。この相互作用により、CCN誘発性の雲形成が減少することで雲のアルベドが低下し、海面に到達する太陽​​放射が増加し、正のフィードバックループが生じる。^[20]

火山は噴火時に大量の微小なガスや灰の粒子を大気中に放出し、これが大気エアロゾルとなる。^[21]ガスから粒子への変換プロセスによってエアロゾル粒子の数が増えると、噴火の内容が潜在的な雲凝結核（CCN）と氷核粒子（INP）の濃度に影響を与え、それが雲の性質に影響を与え、地域や地方の気候の変化につながる可能性がある。^[22]

これらのガスのうち、二酸化硫黄、二酸化炭素、水蒸気は火山の噴火で最も一般的に見られます。^[23]水蒸気と二酸化炭素のCCNは大気中に自然に豊富に存在しますが、二酸化硫黄のCCNの増加は地球寒冷化を引き起こし、気候に影響を及ぼす可能性があります_。 [ 24 ^]火山からは毎年約9.2 Tgの二酸化硫黄（SO2 ）が排出されています。 ^{[22]この二酸化硫黄は}硫酸に変換され、成層圏で急速に凝縮して微細な硫酸エアロゾルを生成します。^[24]地球の下層大気、つまり対流圏は、エアロゾルが太陽放射を宇宙に反射する能力が増加する結果として冷却されます。

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