有機エアロゾルは大気エアロゾルの主要な質量割合を占める（Jimenezら2009）。構成する有機化合物（炭素原子を構造の基本骨格に持つ化合物）は数百種類かそれ以上にも達すると考えられており（Nozièreら2015）、これらすべてを網羅する化学分析は現状では困難である。有機エアロゾルは（1）粒子として大気中へ直接放出されるもの（一次有機エアロゾル：Primary Organic Aerosol, POA）、（2）気体として放出された有機化合物が大気中で反応することで、粒子として二次的に生成されるもの（二次有機エアロゾル：Secondary Organic Aerosol, SOA）に大きく分けられる。一般的にSOAは微小粒子（例えば粒径が1 μm以下）質量の大部分を占める。

（1）一次有機エアロゾル（POA）

POAは化石燃料の燃焼、森林火災などのバイオマス燃焼、植物の花粉などの陸上植生、海洋表層水中の有機物など、様々な放出源から大気中へ直接放出される。特に全球規模ではバイオマス燃焼が重要な発生源であり、POA全放出量の多くを占めると見積もられている（Stockerら2013）。POAとして同定されている化合物は多環芳香族炭化水素（Polycyclic Aromatic Hydrocarbon, PAH）、芳香族ポリカルボン酸、アルカン、脂肪酸、ジテルペン酸、レボグルコサンなどである。人為起源のPOAは大気質や人体、視程にも大きな影響を与える一方、自然起源のPOAは雲凝結核や氷晶核の形成にも寄与する（Andreaeら2008, Smithら2013, Knopfら2018）。

（2）二次有機エアロゾル（SOA）

　SOAは大気中に放出された揮発性有機化合物（Volatile Organic Compounds, VOCs）などの気体がOHラジカル、オゾン、NO₃ ラジカルなどとの反応により揮発性の低い物質へと変質し、核生成や既存の粒子に凝結するなどのプロセスを通して生成される（Hallquistら2009）。さらにエアロゾル粒子（もしくは雲粒）中の液相における生成プロセスの重要性の理解が進んでいる。また、元々大気中に存在したPOAに対し、光化学的に生成される有機成分が加わり粒子濃度が変化していくことで生成されるエアロゾルもSOAに分類される。二次生成される有機エアロゾルは極性の官能基を含むため水に溶けやすい性質をもつものが多い。したがってその組成や硫酸塩に対する相対的な存在量、粒径に応じてエアロゾルの雲凝結核能の重要な因子となる。さらに自然起源のSOAはPOAと同様、氷晶核として巻雲など雲の生成に寄与している（Wolfら2020）。

　SOAの生成に関わる一部のVOCsの気相反応や、主要な不均一反応（多相反応）に関し、これまで解明されてきている生成メカニズムの例として、（I）気相におけるテルペン類、芳香族化合物などの酸化反応、（II）カルボキシル基を含む有機化合物の生成に関わる液相反応、（III）オリゴマーなど比較的分子量の大きい有機物の生成に関わるエアロゾル粒子中の液相反応、（IV）気相のOHラジカル、オゾンなどとのエアロゾル表面における不均一反応、（V）有機エアロゾルの揮発性と相平衡分配、などが挙げられる（Robinson ら2007, Jimenezら2009, Riipinenら2012, Ehnら2014, Shrivastavaら2017）。

　上記のPOAやSOAの大気中における化学的変質の度合いは粒子の相状態（固体、半固体、液体）によって大きく異なり（Shiraiwa et al., 2011）、その違いはその後の放射・雲を介した気候影響や人体影響などに深く関わる。このように有機エアロゾルの生成プロセスの解明およびその定量的理解は、気候影響やPM_2.5 問題などの大気質・健康影響に対する対応・解決策の提言へとつなげる上で重要である。

参考文献

Andreae, M. O. and D. Rosenfeld, Aerosol–cloud–precipitation interactions. Part 1. The nature and sources of cloud-active aerosols, Earth-Science Reviews, 89, 13–41, 2008.

Ehn, M., et al., A large source of low-volatility secondary organic aerosol, Nature, 506, 476–479, 2014.

Ervens, B., B. J., Turpin, and R. J. Weber, Secondary organic aerosol formation in cloud droplets and aqueous particles (aqSOA): a review of laboratory, field and model studies, Atmos. Chem. Phys.,11, 11069–11102, 2011.

Hallquist, M., et al., The formation, properties and impact of secondary organic aerosol: current and emerging issues, Atmos. Chem. Phys., 9, 5155–5236, 2009.

Jimenez, J. L., et al., Evolution of organic aerosols in the atmosphere, Science, 326, 1525-1529, 2009.

Knopf, D. A., et al., The role of organic aerosol in atmospheric ice nucleation: a review, ACS Earth Space Chem., 2, 168−202, 2018.

Nozière, B., et al., The molecular identification of organic compounds in the atmosphere: state of the art and challenges, Chem. Rev., 115, 3919−3983, 2015.

Riipinen, I., et al., The contribution of organics to atmospheric nanoparticle growth, Nature Geoscience, 5, 453–458, 2012.

Robinson, A. L., Rethinking organic aerosols: semivolatile emissions and photochemical aging, Science, 315, 5816,1259-1262., 2007.

Shiraiwa, M. et al., Gas uptake and chemical aging of semisolid organic aerosol particles, Proc. Nat. Acad. Sci., 108, 27, 11003–11008, 2011.

Shrivastava, M., et al., Recent advances in understanding secondary organic aerosol: Implications for global climate forcing, Rev. Geophys., 55, 509–559, 2017.

Smith, K. R., et al., Energy and human health, Annu. Rev. Public Health, 34, 159-188, 2013.

Stocker, T. F., et al. Eds. IPCC, Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY., 2013.

Wolf, M. J., et al., A biogenic secondary organic aerosol source of cirrus ice nucleating particles, Nature Comm., 11, 4834, 2020.

（北海道大学低温科学研究所・宮﨑雄三） 2022年4月1日　　★