エアロゾル

霧と靄はエアロゾルである

エアロゾルとは、空気または他の気体中に微細な固体粒子または液滴が懸濁したものである。^{[ 1 ]}エアロゾルは自然発生的にも人為的にも発生する。科学用語の「エアロゾル」は、気体中の微粒子の混合物を指し、微粒子物質そのものを指すものではない。^{[ 2 ]}エアロゾル中の液体または固体粒子の直径は通常1μm未満である。沈降速度が速い大きな粒子は混合物を懸濁液にするが、その区別は明確ではない。

自然エアロゾルの例としては、霧、ミスト、地質学的または生物学的発生源からの塵埃などが挙げられます。特定の感染症は、呼吸中の小さな液滴によって広がり、バイオエアロゾルと呼ばれることもあります。^{[ 3 ]}大気エアロゾルには、火山性、砂漠性、海塩性など、生物起源および人為起源のものがあり、地球の気候に大きな影響を与えます。火山性エアロゾルは、噴火後に成層圏で硫酸の液滴として形成され、最大2年間浮遊し、太陽光を反射して気温を下げます。砂漠性エアロゾルは、高高度に吹き飛ばされた鉱物粒子であり、熱を吸収し、嵐雲の形成を阻害する役割を果たしている可能性があります。

日常会話において、エアロゾルとは、スプレー缶から消費者向け製品を供給するディスペンシングシステムを指すことが多い。人為的に発生するエアロゾルの他の例としては、噴霧器から発生する香水、呼吸器疾患の治療薬、材料や産業起源の粉塵、煙、灌漑用ミスト、散布された農薬、粒子状大気汚染物質、水力発電ダムからの排出物ミストなどがあげられる。^{[ 4 ]}

人為的に生成される硫酸エアロゾルは、主に石油や石炭の燃焼によって発生し、雲の挙動に影響を与えます。^{[ 5 ]}エアロゾルが汚染物質を吸収すると、地表や水域への汚染物質の沈着を促進します。^{[ 6 ]}これは環境と人間の健康の両方に悪影響を及ぼす可能性があります。

船跡雲は、船舶が静かな海中に排出する排気ガスの周囲に形成される雲です。排気ガス中の微粒子（エアロゾル）の周りに水分子が集まり、雲の種を形成します。この種の上に水がどんどん蓄積され、目に見える雲が形成されます。船跡雲の場合、雲の種は風に運ばれた船舶の排気ガスが通った細長い経路に沿って伸びるため、結果として生じる雲は海上に長い糸のように見えます。

人為的に発生する温室効果ガスによる温暖化は、人為的に発生するエアロゾルによる冷却効果によってある程度相殺されている。2020年には、燃料規制により国際海運からの二酸化硫黄排出量が約80%削減され、地球工学の予期せぬ終焉という世界的なショックをもたらした。^{[ 7 ]}

定義

走査型電子顕微鏡（SEM）で撮影した写真：2,000倍の倍率で撮影したフライアッシュ粒子。このエアロゾル中の粒子の大部分はほぼ球形です。

エアゾールスプレー缶

エアロゾルは、気体中の固体または液体の粒子の懸濁系と定義されます。エアロゾルには、粒子と、通常は空気である懸濁ガスの両方が含まれます。^{[ 1 ]}気象学者や気候学者は、エアロゾルを粒子状物質と呼ぶことがよくありますが、PM2.5やPM10などの大きさの範囲による分類は、^{[ 8 ] [ 9 ]}大気汚染の分野では、これらの大きさの範囲が人体への有害な影響を突き止める上で重要な役割を果たすため有用です。^{[ 10 ]}フレデリック・G・ドナンは、第一次世界大戦中に、空気中の微粒子の雲であるエアロゾルを説明するために、エアロゾルという用語を初めて使用したと考えられます。この用語は、水を分散媒とするコロイド系であるハイドロゾルという用語に類似して発展しました。^{[ 11 ]}一次エアロゾルには、ガス中に直接導入された粒子が含まれます。二次エアロゾルは、ガスから粒子への変換によって形成されます。^{[ 12 ]}

主要なエアロゾルグループには、硫酸塩、有機炭素、黒色炭素、硝酸塩、鉱物粉塵、海塩などがあり、通常は凝集して複雑な混合物を形成します。^{[ 9 ]}エアロゾルの種類は、物理的形状と発生方法によって分類され、粉塵、煙、ミスト、煙、霧などがあります。^{[ 13 ]}

エアロゾル濃度の測定法はいくつかあります。環境科学や環境保健の分野では、質量濃度（M ）がよく用いられます。これは単位体積あたりの粒子状物質の質量として定義され、μg/m ³などの単位で表されます。また、単位体積あたりの粒子数を表す数濃度（N ）もよく用いられます。これは単位体積あたりの粒子数で、単位はm ^{3あたり数、cm 3}あたり数などです。^{[ 14 ]}

粒子サイズは粒子の特性に大きな影響を与え、エアロゾル粒子の半径または直径 ( d _p ) はエアロゾルの特性を評価するために使用される重要な特性です。

エアロゾルの分散度は様々である。実験室で生成可能な単分散エアロゾルは均一な大きさの粒子を含んでいる。しかし、多分散コロイド系であるほとんどのエアロゾルは様々な粒径を示す。^{[ 12 ]}液滴はほぼ常に球形に近いが、科学者は様々な形状の固体粒子（非常に不規則な形状のものも含む）の特性を特徴付けるために等価直径を使用する。等価直径とは、ある物理的特性値が不規則な粒子と同じ球形粒子の直径である。^{[ 15 ]}等価体積直径（d _e）は、不規則な粒子と同じ体積の球の直径として定義される。^{[ 16 ]}また、空気力学的直径d _aも  よく使用される。

生成と応用

人々は、次のようなさまざまな目的でエアロゾルを生成します。

• 機器の校正、研究、サンプリング装置や空気フィルターの試験のための試験用エアロゾルとして^{[ 17 ]}
• 消臭剤、塗料、その他の消費財をスプレーで提供する。 ^{[ 18 ]}
• 散布および農業用途
• 呼吸器疾患の治療のため^{[ 19 ]}および
• 燃料噴射システムやその他の燃焼技術において^{[ 20 ]}

エアロゾルを発生させる装置には以下のようなものがある：^{[ 4 ]}

• エアゾールスプレー
• アトマイザーノズルまたはネブライザー
• エレクトロスプレー
• 電子タバコ
• 振動オリフィスエアロゾル発生器（VOAG）

大気中

インド北部とバングラデシュのエアロゾル汚染

地球の周りの大規模なエアロゾル雲の概要（緑：煙、青：塩、黄色：塵、白：硫黄）

大気エアロゾルには、火山性エアロゾル、砂漠の塵、海塩エアロゾルなど、地球の気候に大きな影響を与える種類があります。火山性エアロゾルは、噴火後に成層圏で硫酸の液滴として形成され、最大2年間にわたって大気中に浮遊し、太陽光を反射して気温を下げます。砂漠の塵、つまり高高度に吹き飛ばされた鉱物粒子は熱を吸収し、嵐の雲の形成を阻害する要因となる可能性があります。人為的に生成される硫酸エアロゾルは、主に石油や石炭の燃焼によって生成され、雲の挙動に影響を与えます。^{[ 5 ]}

固体、液体を問わず、すべての水文気体はエアロゾルとして説明できますが、活性液滴や結晶を含む分散物（つまり雲）とエアロゾル粒子は区別されるのが一般的です。^{[ 21 ]}地球の大気には、さまざまな種類と濃度のエアロゾルが含まれており、その量は次のとおりです。

• 天然無機物：微粒子、海塩、水滴
• 天然有機物：煙、花粉、胞子、細菌
• 煙、灰、塵などの人為的燃焼生成物

エアロゾルは都市生態系において、次のようなさまざまな形で存在します。

• ほこり
• タバコの煙
• エアゾールスプレー缶のミスト
• 車の排気ガス中の煤や煙

地球の大気中に存在するエアロゾルは、気候だけでなく人間の健康にも影響を及ぼす可能性があります。

効果

エアロゾルは、温室効果ガスの放射強制力（温暖化効果）と比較すると小さい冷却効果を持っています。^{[ 22 ]}

ハンセンら（  2025）は、IPCCがエアロゾルの冷却効果を過小評価していたため、気候感度（温室効果ガス濃度の上昇に対する地球の反応性）も過小評価していたと書いている。^{[ 23 ]}ハンセンがファウスト的取引と呼んだように、エアロゾルの規制は空気の質を改善したが、エアロゾルの冷却効果は温室効果ガスの増大する温暖化効果を和らげるのに不十分になり、2023年から2024年にかけて予想外に大きな地球温暖化が起こることを説明する。^{[ 23 ]}

火山噴火は、大量の硫酸、硫化水素、塩酸を大気中に放出します。これらのガスはエアロゾルとなり、最終的には酸性雨として地球に戻り、環境と人間の生活に様々な悪影響を及ぼします。 ^{[ 24 ]}

エアロゾルが汚染物質を吸収すると、地表や水域への汚染物質の沈着を促進します。^{[ 6 ]}これは環境と人間の健康の両方に損害を与える可能性があります。

エアロゾルは、直接的および間接的に、2 つの方法で地球のエネルギー予算と相互作用します。

• 例えば、直接的な影響としては、エアロゾルが入射する太陽放射を散乱・吸収することが挙げられます。^{[ 25 ]}これは主に地表の冷却（太陽放射が宇宙空間に散乱される）につながりますが、地表の温暖化（入射する太陽エネルギーの吸収による）にも寄与する可能性があります。^{[ 26 ]}これは温室効果の追加要素となり、地球規模の気候変動に寄与することになります。^{[ 6 ]}
• 間接的な影響とは、エアロゾルが放射線と直接相互作用する地層に干渉することを指します。例えば、エアロゾルは下層大気中の雲粒子の大きさを変化させ、雲が光を反射・吸収する方法を変え、ひいては地球のエネルギー収支を変化させます。^{[ 24 ]}
• 人為起源のエアロゾルが一部の地域では温室効果ガスの影響を実際に相殺していることを示唆する証拠があり、これが北半球の地表温暖化が南半球よりも遅い理由である。ただし、これは単に北半球が南半球から暖かい海水を運ぶ海流によって後で熱を吸収することを意味するだけである。^{[ 27 ]}しかし、地球規模で見ると、エアロゾル冷却は温室効果ガスによる加熱を完全に相殺することなく、減少させる。^{[ 28 ]}

船舶航跡雲は、船舶が静かな海中に排出する排気ガスの周囲に形成される雲です。排気ガス中の微粒子（エアロゾル）の周りに水分子が集まり、雲の種を形成します。この種の上に水がどんどん蓄積され、目に見える雲が形成されます。船舶航跡雲の場合、雲の種は風によって吹き飛ばされた船舶の排気ガスの細長い経路に沿って引き伸ばされるため、結果として生じる雲は海上に長い糸のように見えます。^{[ 29 ]}

人為的に発生する温室効果ガスによる温暖化は、人為的に発生するエアロゾルによる冷却効果によってある程度相殺されている。2020年には、燃料規制により国際海運からの二酸化硫黄排出量が約80%削減され、地球工学の予期せぬ終焉という世界的なショックをもたらした。^{[ 7 ]}

20μmサイズのエアロゾルは、「ジェットライダー」挙動（空気のジェットとともに移動し、ゆっくりと移動する空気の中で重力によって落下する）により、空調の効いた部屋で特に長い残留時間を示します。^{[ 30 ]}このエアロゾルサイズは、 COVID-19の原始的な感染部位である人間の鼻に最も効果的に吸着されるため、^{[ 31 ]}このようなエアロゾルがパンデミックに寄与している可能性があります。^{[ 32 ]}

有効径が10μm未満のエアロゾル粒子は気管支に入り込み、有効径が2.5μm未満の粒子は肺のガス交換領域まで入り込み、^{[ 33 ]}人体の健康に有害となる可能性がある。

サイズ分布

同じ仮想対数正規分布（二峰性）エアロゾル分布を、上から下へ、個数対直径分布、表面積対直径分布、体積対直径分布としてプロットした。代表的なモード名を上部に示している。各分布は、総面積が1000になるように正規化されている。

単分散エアロゾルの場合、粒子のサイズを表すには粒子直径という単一の数字で十分です。しかし、多分散エアロゾルの粒子のサイズは、より複雑な粒度分布で表されます。この分布は、サイズ順に分類された粒子の相対量を定義します。 ^{[ 34 ]}粒度分布を定義する 1 つのアプローチでは、サンプル内のすべての粒子のサイズのリストを使用します。しかし、このアプローチは、何百万もの粒子を含むエアロゾルを確認するのが面倒で、使いにくいことがわかっています。別のアプローチでは、サイズの範囲を区間に分割し、各区間内の粒子の数 (または割合) を見つけます。これらのデータはヒストグラムで表すことができ、各バーの面積はそのサイズの範囲にある粒子の割合を表し、通常は区間内の粒子数を区間の幅で割って正規化されるため、各バーの面積は、それが表すサイズ範囲の粒子数に比例します。^{[ 35 ]}ビンの幅がゼロに近づく場合、頻度関数は次のようになる: ^{[ 36 ]}

${\displaystyle \mathrm {d} f=f(d_{p})\,\mathrm {d} d_{p}}$

どこ

${\displaystyle d_{p}}$ 粒子の直径

${\displaystyle \,\mathrm {d} f}$ は、直径が～の粒子の割合です。${\displaystyle d_{p}}$ ${\displaystyle d_{p}}$ ${\displaystyle \mathrm {d} d_{p}}$

${\displaystyle f(d_{p})}$ 頻度関数である

したがって、2つのサイズaとbの間の頻度曲線の下の面積は、そのサイズ範囲内の粒子の総割合を表します。^{[ 36 ]}

${\displaystyle f_{ab}=\int _{a}^{b}f(d_{p})\,\mathrm {d} d_{p}}$

これは総数密度Nの観点からも定式化できる: ^{[ 37 ]}

${\displaystyle dN=N(d_{p})\,\mathrm {d} d_{p}}$

球状のエアロゾル粒子を仮定すると、単位体積あたりのエアロゾル表面積（S）は2次モーメントで与えられる：^{[ 37 ]}

${\displaystyle S=\pi /2\int _{0}^{\infty }N(d_{p})d_{p}^{2}\,\mathrm {d} d_{p}}$

そして第3モーメントは粒子の全体積濃度（V ）を与える： ^{[ 37 ]}

${\displaystyle V=\pi /6\int _{0}^{\infty }N(d_{p})d_{p}^{3}\,\mathrm {d} d_{p}}$

粒子径分布は近似値で表すことができます。正規分布は、大きな粒子が長い裾を引くことに伴う歪度のため、通常、エアロゾル中の粒子径分布を適切に記述できません。また、多くのエアロゾル粒子径のように、粒子径が広い範囲で変化する量の場合、分布の幅は負の粒子径を意味し、これは物理的に現実的ではありません。しかし、試験用エアロゾル、特定の花粉粒子、胞子など、一部のエアロゾルには正規分布が適している場合があります。^{[ 38 ]}

より広く選択された対数正規分布では、数値頻度は次のようになります。^{[ 38 ]}

${\displaystyle \mathrm {d} f={\frac {1}{d_{p}\sigma {\sqrt {2\pi }}}}e^{-{\frac {(ln(d_{p})-{\bar {d_{p}}})^{2}}{2\sigma ^{2}}}}\mathrm {d} d_{p}}$

どこ：

${\displaystyle \sigma }$ はサイズ分布の標準偏差であり、

${\displaystyle {\bar {d_{p}}}}$ 算術平均直径です。

対数正規分布は負の値を持たず、広い範囲の値をカバーでき、多くの観測されたサイズ分布にかなりよく適合する。^{[ 39 ] [ 40 ]}

粒子サイズを特徴付けるために時々使用される他の分布には、粗く分散した塵や飛沫に適用されるロジン・ラムラー分布、非常に広いサイズ範囲の飛沫に適用される抜山・棚沢分布、大気エアロゾルに時々適用されるべき乗関数分布、粉末物質に適用される指数分布、そして雲滴にはクルギアン・マジン分布がある。^{[ 41 ]}

物理

流体中の粒子の終端速度

レイノルズ数が低い場合（<1）、ほとんどのエアロゾルの運動に当てはまりますが、ストークスの法則は流体中の固体球状粒子にかかる抵抗力を記述します。しかし、ストークスの法則は粒子表面における気体の速度がゼロの場合にのみ有効です。しかし、エアロゾルを特徴付ける小さな粒子（< 1 μm）の場合、この仮定は成り立ちません。この仮定の不成立を考慮するために、常に1より大きいカニンガム補正係数を導入することができます。この係数を考慮すると、粒子にかかる抵抗力とその速度の関係は次のようになります。^{[ 42 ]}

${\displaystyle F_{D}={\frac {3\pi \eta Vd}{C_{c}}}}$

どこ

${\displaystyle F_{D}}$ 球状粒子に働く抵抗力である

${\displaystyle \eta }$ 気体の動粘性である

${\displaystyle V}$ 粒子の速度は

${\displaystyle C_{c}}$ カニンガム補正係数です。

これにより、静止空気中で重力沈降する粒子の終端速度を計算することができる。浮力の影響を無視すると、次の式が得られる。^{[ 43 ]}

${\displaystyle V_{TS}={\frac {\rho _{p}d^{2}gC_{c}}{18\eta }}}$

どこ

${\displaystyle V_{TS}}$ 粒子の終端沈降速度です。

終端速度は他の種類の力に対しても導出できる。ストークスの法則が成り立つ場合、運動抵抗は速度に正比例する。比例定数は粒子の機械的移動度（ B ）である。 ^{[ 44 ]}

${\displaystyle B={\frac {V}{F_{D}}}={\frac {C_{c}}{3\pi \eta d}}}$

任意の適切な初期速度で移動する粒子は、緩和時間に等しいe倍時間で指数関数的に終端速度に近づく： ^{[ 45 ]}

${\displaystyle V(t)=V_{f}-(V_{f}-V_{0})e^{-{\frac {t}{\tau }}}}$

どこ：

${\displaystyle V(t)}$ 時刻tにおける粒子の速度

${\displaystyle V_{f}}$ 最終的な粒子速度は

${\displaystyle V_{0}}$ 粒子の初期速度

非球形粒子の形状の影響を考慮するために、ストークスの法則には動的形状係数と呼ばれる補正係数が適用されます。これは、不規則な粒子の抵抗力と、同じ体積と速度を持つ球形粒子の抵抗力の比として定義されます。^{[ 16 ]}

${\displaystyle \chi ={\frac {F_{D}}{3\pi \eta Vd_{e}}}}$

どこ：

${\displaystyle \chi }$ 動的形状係数

空気力学的直径

^{不規則粒子の空気力学的直径は、密度が1000 kg/m 3}で、不規則粒子と同じ沈降速度を持つ球形粒子の直径として定義されます。 ^{[ 46 ]}

滑り補正を無視すると、粒子は空気力学的直径d _aの2乗に比例する終端速度で沈降する。^{[ 46 ]}

${\displaystyle V_{TS}={\frac {\rho _{0}d_{a}^{2}g}{18\eta }}}$

どこ

${\displaystyle \ \rho _{0}}$ =標準粒子密度（1000 kg/m ³）。

この式は空気力学的直径を与える：^{[ 47 ]}

${\displaystyle d_{a}=d_{e}\left({\frac {\rho _{p}}{\rho _{0}\chi }}\right)^{\frac {1}{2}}}$

空気力学的直径は、粒子状汚染物質や吸入薬に適用することで、それらの粒子が呼吸器系のどこに沈着するかを予測することができます。製薬会社は通常、吸入薬中の粒子の特性評価に幾何学的直径ではなく空気力学的直径を使用しています。^{[ 48 ]}

ダイナミクス

これまでの議論は単一のエアロゾル粒子に焦点を当てていました。これに対し、エアロゾルダイナミクスは、エアロゾル集団全体の進化を説明します。粒子濃度は、多くのプロセスの結果として時間とともに変化します。研究対象のガス体積の外部に粒子を移動させる外部プロセスには、拡散、重力沈降、粒子の移動を引き起こす電荷やその他の外力などがあります。また、特定のガス体積の内部プロセスには、粒子形成（核形成）、蒸発、化学反応、凝集などがあります。^{[ 49 ]}

エアロゾル一般動力学方程式（GDE）と呼ばれる微分方程式は、これらのプロセスによるエアロゾル中の粒子の数密度の変化を特徴付けます。^{[ 49 ]}

${\displaystyle {\frac {\partial {n_{i}}}{\partial {t}}}=-\nabla \cdot n_{i}\mathbf {q} +\nabla \cdot D_{p}\nabla _{i}n_{i}+\left({\frac {\partial {n_{i}}}{\partial {t}}}\right)_{\mathrm {growth} }+\left({\frac {\partial {n_{i}}}{\partial {t}}}\right)_{\mathrm {coag} }-\nabla \cdot \mathbf {q} _{F}n_{i}}$

時間の変化 = 対流輸送 +ブラウン運動+ ガス粒子相互作用 + 凝集 + 外力による移動

どこ：

${\displaystyle n_{i}}$ サイズカテゴリの粒子の数密度は${\displaystyle i}$

${\displaystyle \mathbf {q} }$ 粒子の速度は

${\displaystyle D_{p}}$ 粒子のストークス・アインシュタイン拡散係数

${\displaystyle \mathbf {q} _{F}}$ 外力に関連する粒子の速度である

凝固

エアロゾル中の粒子や液滴は互いに衝突すると、合体または凝集を起こすことがあります。このプロセスによりエアロゾルの粒子径分布が変化し、粒子の総数が減少するにつれて、モード径が増加します。^{[ 50 ]}粒子が多数の小さな粒子に粉砕されることもありますが、このプロセスは通常、エアロゾルとして扱うには大きすぎる粒子で主に発生します。

ダイナミクス領域

粒子のクヌーセン数は、エアロゾルの挙動を支配する 3 つの異なる動的領域を定義します。

${\displaystyle K_{n}={\frac {2\lambda }{d}}}$

ここで、 は懸濁ガスの平均自由行程、は粒子の直径である。^{[ 51 ]}自由分子状態における粒子の場合、K _n >> 1 であり、粒子は懸濁ガスの平均自由行程に比べて小さい。^{[ 52 ]}この状態において、粒子はガス分子との一連の「弾道的」衝突を通じて懸濁ガスと相互作用する。そのため、粒子はガス分子と同様に振る舞い、流線に沿って動き、ブラウン運動によって急速に拡散する傾向がある。自由分子状態における質量流束方程式は以下の通りである。 ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle d}$

${\displaystyle I={\frac {\pi a^{2}}{k_{b}}}\left({\frac {P_{\infty }}{T_{\infty }}}-{\frac {P_{A}}{T_{A}}}\right)\cdot C_{A}\alpha }$

ここで、 aは粒子半径、P _∞とP _Aはそれぞれ液滴から離れた位置での圧力と液滴表面での圧力、k _bはボルツマン定数、Tは温度、C _Aは平均熱速度、αは質量適応係数である。この式の導出は、圧力と拡散係数が一定であると仮定している。

_Kn << 1のとき、粒子は連続体状態にあります。 ^{[ 52 ]}この状態では、粒子は懸濁ガスの平均自由行程に比べて大きく、懸濁ガスは粒子の周りを流れる連続流体として作用します。^{[ 52 ]}この状態での分子流束は、

${\displaystyle I_{cont}\sim {\frac {4\pi aM_{A}D_{AB}}{RT}}\left(P_{A\infty }-P_{AS}\right)}$

ここで、 aは粒子Aの半径、M _Aは粒子Aの分子量、D _ABは粒子AとB間の拡散係数、Rは理想気体定数、Tは温度（ケルビンなどの絶対単位）、P _A∞とP _{AS は}それぞれ無限遠と表面の圧力です。

遷移状態には、自由分子状態と連続状態の間に位置するすべての粒子、すなわちK _n ≈ 1が含まれます。粒子が受ける力は、個々の気体分子との相互作用とマクロな相互作用の複雑な組み合わせです。質量流束を記述する半経験式は次のとおりです。

${\displaystyle I=I_{cont}\cdot {\frac {1+K_{n}}{1+1.71K_{n}+1.33{K_{n}}^{2}}}}$

ここで、I _contは連続体領域における質量流束である。この式はフックス・ストゥギン補間式と呼ばれる。これらの式は熱放出効果を考慮していない。

パーティショニング

凝縮と蒸発

エアロゾル分配理論は、エアロゾル表面での凝縮とエアロゾル表面からの蒸発をそれぞれ支配します。質量の凝縮はエアロゾルの粒度分布のモードを増加させ、逆に蒸発はモードを減少させます。核生成とは、気体前駆体、具体的には蒸気の凝縮からエアロゾル質量を形成するプロセスです。蒸気の正味凝縮には、過飽和、つまり蒸気圧よりも高い分圧が必要です。これは以下の3つの理由で発生します。

1. システムの温度を下げると蒸気圧も下がります。
2. 化学反応により、気体の分圧が増加したり、蒸気圧が低下したりすることがあります。
3. システムに蒸気を追加すると、ラウールの法則に従って平衡蒸気圧が低下する可能性があります。

核形成プロセスには2種類あります。ガスは、既存のエアロゾル粒子の表面に優先的に凝縮します。これは不均一核形成と呼ばれます。このプロセスにより、粒子径分布のモードにおける直径は、一定の数濃度で増加します。^{[ 53 ]}十分に高い過飽和度と適切な表面がない場合、粒子は既存の表面がない状態で凝縮する可能性があり、これは均質核形成と呼ばれます。その結果、非常に小さく、急速に成長する粒子が粒子径分布に追加されます。^{[ 53 ]}

アクティベーション

水はエアロゾル中の粒子を覆い、活性化させます。これは通常、雲粒の形成（森林の樹木からのエアロゾルによる自然の雲形成など）において起こります。^{[ 54 ]}ケルビンの式（液滴の曲率に基づく）に従うと、小さな粒子は大きな粒子よりも高い相対湿度で平衡状態を維持する必要があります。平衡時の 相対湿度は次の式で表されます。

${\displaystyle RH={\frac {p_{s}}{p_{0}}}\times 100\%=S\times 100\%}$

ここで、 は平衡状態にある粒子上の飽和蒸気圧（曲がった液滴の周囲）、p ₀は飽和蒸気圧（同じ液体の平らな表面）、Sは飽和比です。 ${\displaystyle p_{s}}$

曲面上の飽和蒸気圧に関する ケルビンの式は次のとおりです。

${\displaystyle \ln {p_{s} \over p_{0}}={\frac {2\sigma M}{RT\rho \cdot r_{p}}}}$

ここで、r _{p は}液滴の半径、σ は液滴の表面張力、ρ は液体の密度、M はモル質量、T は温度、R はモル気体定数です。

一般的な動力学方程式の解

一般動力学方程式（GDE）には一般解は存在しない。 ^{[ 55 ]}一般動力学方程式を解くためによく使われる方法には以下のものがある。^{[ 56 ]}

• モーメント法^{[ 57 ]}
• モーダル/セクショナル法^{[ 58 ]}および
• モーメントの求積法^{[ 59 ] [ 60 ]} / モーメントのテイラー級数展開法^{[ 61 ] [ 62 ]}および
• モンテカルロ法。^{[ 63 ]}

検出

エアロゾルは、その場で測定することも、地上ベースまたは空中ベースの リモートセンシング技術を使用して測定することもできます。

現場観察

利用可能な現場測定技術には次のようなものがあります。

• エアロゾル質量分析計（AMS）
• 差動移動度分析装置（DMA）
• 電気エアロゾル分光計（EAS）
• 空気力学的粒子サイズ測定装置（APS）
• 空気力学的エアロゾル分類器（AAC）
• 広範囲粒子分光計（WPS）
• マイクロオリフィス均一堆積インパクター（MOUDI）
• 凝縮粒子カウンター（CPC）
• エピファニオメーター
• 電気式低圧インパクター（ELPI）
• エアロゾル粒子質量分析装置（APM）
• 遠心粒子質量分析装置（CPMA）

リモートセンシングアプローチ

リモートセンシングのアプローチには次のようなものがあります。

• 太陽光計
• ライダー
• イメージング分光法

サイズ選択サンプリング

粒子は、鼻、口、咽頭、喉頭（頭部気道領域）、呼吸器の深部（気管から終末細気管支まで）、または肺胞領域に沈着する可能性がある。^{[ 64 ]}呼吸器系内のエアロゾル粒子の沈着場所によって、そのようなエアロゾルへの曝露による健康影響が大きく左右される。^{[ 64 ]}この現象から、呼吸器系の特定の部分に到達するエアロゾル粒子のサブセットを選択するエアロゾルサンプラーが発明された。^{[ 65 ]}

職業衛生上重要なエアロゾルの粒径分布のこれらのサブセットの例には、吸入可能、胸部、呼吸可能の画分が含まれます。呼吸器系の各部分に入ることができる画分は、気道の上部における粒子の沈着に依存します。^{[ 66 ]}吸入可能な粒子画分は、もともと空気中に存在し鼻や口に入ることができる粒子の割合として定義され、外部の風速と風向、および空気力学的直径による粒子サイズ分布に依存します。^{[ 67 ]}胸部画分は、胸部または胸部領域に到達できる周囲のエアロゾル内の粒子の割合です。^{[ 68 ]}呼吸可能画分は、肺胞領域に到達できる空気中の粒子の割合です。^{[ 69 ]}空気中の呼吸可能粒子画分を測定するために、サンプリングフィルターを備えたプレコレクターが使用されます。プレコレクターは、気道が吸入された空気から粒子を除去するときに粒子を除外します。サンプリングフィルターは測定のために粒子を捕集します。プレコレクターにはサイクロン分離法が一般的に用いられますが、他にインパクター、水平エルトリエーター、大孔径メンブレンフィルターなどの技術も用いられます。^{[ 70 ]}

大気モニタリングでよく使用される2つの代替サイズ選択基準は、PM ₁₀と PM _2.5です。PM _10は、 ISOによって、空気力学的直径 10 μm で 50% の効率カットオフを備えたサイズ選択入口を通過する粒子として定義され、PM _2.5は、空気力学的直径 2.5 μm で 50% の効率カットオフを備えたサイズ選択入口を通過する粒子として定義されています。PM 10_は、ISO 7708:1995 の第 6 項で定義されている「胸部コンベンション」に相当し、PM _{2.5 は}、 ISO 7708:1995 の 7.1 で定義されている「高リスク呼吸性コンベンション」に相当します。^{[ 71 ]}米国環境保護庁は、 1987年に総浮遊粒子状物質に基づく粒子状物質の古い基準をPM10に基づく別の基準に置き換え_[ ^{72 ] 、}その後1997年にPM2.5（微小粒子状物質としても知られる）の基準を導入し_た[ ^{73 ] 。}

参照

• エアロゲル
• エアロプランクトン
• エアロゾル伝播
• バイオエアロゾル
• 沈着（エアロゾル物理学）
• 地球規模の暗化
• ネブライザー
• モノテルペン
• サハラ砂漠の空気層- アフリカから吹き飛ばされる塵のエアロゾルが大西洋のハリケーンの発生を緩和する
• 成層圏エアロゾル注入
• スプレーペイント

参考文献

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出典

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外部リンク

• 国際エアロゾル研究会議（International Aerosol Research Assembly）は、 2020年1月21日にWayback Machineにアーカイブされました。
• アメリカエアロゾル研究協会
• NIOSH分析方法マニュアル（エアロゾルサンプリングに関する章を参照）