雨粒は大気中を落下する際、地表に達するまでに、表面に数十から数百の微細なエアロゾル粒子を引き寄せることがある。液滴とエアロゾルが引き寄せ合うこのプロセスは凝集（coagulation）と呼ばれ、すすや硫酸塩、有機粒子などの汚染物質を大気から除去するように作用しうる自然現象である。
MITの大気化学者たちは、今回、雨が大気の浄化にどれほど効果的であるかを明らかにした。雲の高度、水滴の大きさ、エアロゾルの直径と濃度がわかれば、研究チームは、雨粒が粒子を大気中から掃き出す可能性を予測できる。
研究者らは、同グループの「MIT Collection Efficiency Chamber」（高さ3フィートのガラス製チャンバー）で実験を行った。このチャンバーは、制御された速度と大きさで単一の雨滴を生成する。水滴がチャンバー内を落下する間、研究者らはエアロゾル粒子を送り込み、水滴とエアロゾルが合体する、すなわち凝集する速度を測定した。
測定値から、研究チームは雨の凝集効率、すなわち落下中の水滴が粒子を引き寄せる能力を算出した。一般に、水滴が小さいほど粒子を引き寄せる可能性が高いことがわかった。相対湿度が低い条件も、凝集を促進するように見えた。
MITの大気化学准教授であるDan Cziczo氏は、今月学術誌 Atmospheric Chemistry and Physicsに掲載された新たな結果は、これまでで最も正確な凝集の値を表していると述べている。これらの値は、さまざまな環境条件下で雨がさまざまな粒子を除去する可能性を予測するために外挿できる、と同氏は述べている。
「モデラーだとして、ボストン上空の雲が大気をどのように浄化するか、また、それよりはるかに高度の高いシカゴ上空の雲はどうかを知りたいとしましょう。私たちが作成するこの凝集効率の数値で、それができるようにしたいのです」とCziczo氏は言う。「これは、大気質や人の健康への影響、さらに気候に対する雲の影響といった課題への対応に役立ちうるものです。」
論文の共著者は、ポスドクのKarin Ardon-Dryer氏と元ポスドクのYi-Wen Huang氏である。
降雨の過大評価
Cziczo氏のグループが、実験室で雨とエアロゾルの相互作用をシミュレートしたのは、これが初めてではない。過去10年間に、ほかの研究者らも凝集を追跡するために精巧なチャンバーを作製してきた。しかし、MITの研究者らは、こうした事象は非常にまれで、見分けることが極めて難しいことを突き止めた。科学者たちは、水滴の電荷が粒子を引き寄せる上で大きな役割を果たすことを知っていたため、Cziczo氏と同僚らは、凝集を強制的に起こすために、水滴と粒子の電荷を変え始めた。
「これこそ、私たち科学者が本当に自ら苦境に陥り始めた点です」とCziczo氏は分野について語る。「プロセスを実際に機能させるために、人々は大気中では現実的でない範囲に調整していました。」
その結果、研究者らは凝集事象をはるかに多く観測するようになった。しかし、その結果は、大気中で観測されていたものよりはるかに高い電荷に基づいていた。
「ある場合には、人々は10倍、あるいは100倍の電荷を使っていました。これは、史上最も激しい雷雨の真っただ中でしか見られないかもしれない量です」とCziczo氏は言う。
Cziczo氏によれば、これらの実験は、雨の浄化効果を本質的に過大評価していた。
水滴の電荷を取り除く
凝集をより正確に把握するため、Cziczo氏のグループは新しいチャンバーを構築した。これは、特定のサイズ、頻度、電荷で水滴を生成するように校正できる装置である単一水滴発生器を備えている。一般的に、水滴発生器は水滴に過剰な電荷を与えてしまう。大気中で実際に水滴が帯びている電荷を再現するため、研究チームは小さな放射線源を使い、各水滴から少量の電荷を取り除いた。
次に、研究チームは既知のサイズのエアロゾル粒子をチャンバーの下部に送り込んだ。水滴は床へ落下する間に蒸発し、塩だけが残る。凝集が起きていれば、エアロゾルも残る。残留粒子は単一粒子質量分析計に送られ、そこで塩、ひいては水滴がエアロゾルを引き寄せたかどうかが判定された。
研究者らは、チャンバーの相対湿度に加え、水滴のサイズと頻度を変えて複数の実験を実施した。各試行について凝集効率を算出し、小さい水滴ほどエアロゾルを引き寄せやすく、特に相対湿度が低い条件でその傾向が強いことがわかった。
最終的に、Cziczo氏は、粒子と水滴の相互作用をより深く理解することで、気候変動の軌跡について科学者の見通しが明確になると述べる。地球温暖化予測における主要な不確実性の一つは、温室効果ガスが雲の形成にどう影響するかである。雲は地球の放射収支、すなわちどれだけの熱が閉じ込められ、あるいは逃げるかを維持する上で大きな役割を果たすため、Cziczo氏は、雲の水滴と大気中の粒子との関係を理解することが不可欠だと述べる。
「この種のデータは文献にほとんどなく、雲や霧の水滴がエアロゾル粒子を捕捉する仕組みについて、モデルシミュレーションの改善に役立つはずです」と、本研究には関与していないコロラド大学の化学・生化学教授Margaret Tolbert氏は述べる。「エアロゾルの微物理学の理解が深まれば、最終的に大気質や気候変動の予測に役立ちます。エアロゾルはその両方に中心的に関わっているからです。」
本研究は、米国海洋大気庁（National Oceanic and Atmospheric Administration）から一部助成を受けている。
本記事は、 MIT Newsとの協力により掲載されています。本記事の掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持していることを意味するものではありません。
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執筆者：Jennifer Chuは、MIT Newsのゲスト寄稿者です。
画像：スペイン・バスク地方のドゥランゴ近郊で、発電用の風力タービンの上に虹がかかっている。REUTERS/Vincent West
