Atmospheric Chemistry and Physics: From Air Pollution to Climate Change（大気化学と大気物理学：大気汚染から気候変動まで）

引用

Seinfeld, J. H., & Pandis, S. N. (2016). Atmospheric Chemistry and Physics: From Air Pollution to Climate Change (3rd ed.). Wiley.

章の要約

第3版は約1,150ページ、7部26章からなり、単位と定数、大気反応の速度定数、略語の付録がつく。多くの章の末尾に問題がある。出版社の説明では、各テーマは基礎科学から出発して実際の問題への応用まで展開され、この版では地球規模の気候の章、大気有機エアロゾルの章、正値行列因子分解（positive matrix factorization）の扱いが加わった。

第I部、第1–2章：大気／大気中の微量成分

第1章は導入で、地球大気の歴史、気候、大気の層構造、気圧と気温の鉛直分布、物質量の表し方、大気中の粒子、大気過程の空間・時間スケールを扱う。第2章は大気中の寿命を導入したうえで、硫黄・窒素・炭素・ハロゲンを含む化合物、オゾン、粒子状物質、水銀、排出インベントリーを概観する。章末の2つの付録は、米国の大気汚染関連法規と有害大気汚染物質をまとめている。

第II部、第3–7章：化学反応速度論／大気の放射と光化学／成層圏の化学／対流圏の化学／大気水相の化学

第3章は後の章で必要な反応速度論を用意する。反応次数、衝突理論と遷移状態理論、擬定常状態近似、励起種、三分子反応、化学種族、気体–表面反応である。第4章は放射、ランベルト–ベールの法則、アクティニックフラックス、光分解速度、O3とNO2の光解離を扱う。第5章は成層圏化学で、チャップマン機構から出発し、NOx・HOx・ハロゲンの各サイクルを経て、オゾンホール、極成層圏雲、不均一反応化学、オゾン破壊係数に至る。第6章は本部で最も長く、対流圏のヒドロキシルラジカル、NO2–NO–O3サイクル、COとメタンの酸化、オゾン生成におけるVOCとNOxの役割、アルカン・アルケン・芳香族およびイソプレンやピネンなど生物起源炭化水素の化学、さらに硫黄・窒素・ハロゲン・水銀の化学種を扱う。第7章は大気中の液体の水に移り、ヘンリーの法則、水相平衡、S(IV)からS(VI)への酸化経路を論じる。

第III部、第8–15章：エアロゾル

第8章と第9章は、エアロゾルの粒径分布（対数正規分布を含む）、環境ごとの実測エアロゾル、化学組成、単一粒子の力学（平均自由行程、ストークスの法則、沈降、ブラウン運動）を述べる。第10章は熱力学をエアロゾルに適用し、含水量、潮解、ケルビン効果、無機エアロゾル系を扱う。第11章は核生成で、古典的均一核生成理論からイオン誘起核生成、大気中の新粒子生成までを扱う。第12章は物質移動と、それが水相化学に課す制約を論じる。第13章は凝縮、凝集、エアロゾル集団の一般動力学方程式を扱う。第14章はこの版の新章で、二次有機エアロゾルの生成、揮発性、気体–粒子分配、モデル、有機エアロゾルの全球収支を扱う。第15章は粒子による光の散乱と吸収、視程を扱う。

第IV部、第16–18章：物理気象学・力学気象学／雲物理／大気拡散

第16章は後の章に必要な気象学を提供する。下層大気の気温、安定度、湿潤大気、接地層の保存方程式、風速の高度変化である。第17章は液滴の平衡、雲・霧の形成、液滴の成長、雲凝結核、エアロゾルの雲内処理を扱う。第18章は乱流拡散のオイラー的・ラグランジュ的記述、統計理論、ガウスプルーム解、拡散パラメータ、プルーム上昇を展開する。

第V部、第19–20章：乾性沈着／湿性沈着

第19章は乾性沈着の抵抗モデル（空気力学的抵抗、準層流抵抗、表面抵抗）を構築し、測定について論じる。第20章は湿性除去を扱い、雲底下でのガスの除去、降水による粒子の除去、雲内除去、酸性沈着を取り上げる。

第VI部、第21–24章：大気の大循環／全球循環：硫黄と炭素／全球気候／エアロゾルと気候

第21章はハドレー循環、フェレル循環、極循環、コリオリ力、地衡風、水循環を紹介する。第22章は大気中の硫黄循環と全球の炭素循環を扱う。第23章はこの版の新章で、地球のエネルギー収支、放射強制力、温室効果、気候強制因子、気候感度、フィードバックを扱う。第24章はエアロゾル層が放射をどう散乱・吸収するか、また気候への直接効果と間接効果を分析する。

第VII部、第25–26章：大気化学輸送モデル／統計モデル

第25章はボックスモデル、3次元化学輸送モデル、1次元ラグランジュモデル、数値解法、モデル評価を扱う。第26章は受容体モデル（化学質量収支、因子分析、風の情報を用いる方法）と、確率分布、基準超過、大気質基準を含む大気質データの統計的扱いを論じる。

主要概念

第I部・第II部

• 大気中の寿命：微量種が大気中にとどまる特徴的な時間で、排出と濃度を結びつける。
• 光分解とヒドロキシルラジカル：太陽光がラジカル化学を駆動し、大半の微量気体を酸化する。
• オゾン化学：成層圏でオゾンを破壊する触媒サイクルと、対流圏のオゾン生成のVOC/NOx比への依存。

第III部

• 粒径分布：粒子直径に対する個数・表面積・体積・質量の分布でエアロゾル集団を表す。
• 核生成・凝縮・凝集：粒子を生成し成長させる過程。
• 二次有機エアロゾル：有機蒸気の酸化生成物から生じる粒子。

第IV–VII部

• 沈着：乾性沈着の抵抗経路と降水による、気体と粒子の除去。
• 放射強制力と気候感度：組成の変化が地球のエネルギー収支をどう変えるかの尺度。
• 化学輸送モデル：排出、化学、輸送を組み合わせた数値モデル。

批判的分析

長所

• 化学から政策に関わる結果までの一貫した流れ。 7部は、微量気体と気相化学から、エアロゾル、雲、気象、沈着、気候を経てモデルへと進むため、1冊の中で汚染物質を排出から除去、さらに気候影響まで追うことができる。
• エアロゾルの掘り下げ。 第III部だけで8章あり、粒径分布、粒子力学、熱力学、核生成、物質移動、集団動力学、有機エアロゾル、光学を扱う。
• 第3版での更新。 出版社は、新設の全球気候の章（気候強制、フィードバック、気候感度を自己完結的に扱うとされる）、新設の有機エアロゾルの章、正値行列因子分解、物理気象学・核生成・エアロゾルと雲の関係・生物起源炭化水素の化学の更新を挙げている。
• 演習と参照価値。 各章末に問題があり（出版社によれば入門レベルの問題が新たに加わった）、付録には定数と速度定数の表がまとめられている。

短所

• 規模と進度。 約1,150ページあり、1つの講義では扱いきれないため、部や章を選ぶ必要がある。核生成、物質移動、統計モデルの各章は専門性が高い。
• 数学と物理化学の要求水準。 反応速度論、熱力学、輸送方程式、数値解法が全体にわたって現れるため、その素養がないと読み進めるのは難しい。

コースにおける位置づけ

この環境化学・グリーンケミストリーのコースでは、本書は大気を最も専門的に扱う1冊である。『Chemistry in Context』は大気質や気候のような社会的課題を通して化学を導入し、Raff と Hites の『Elements of Environmental Chemistry』は濃度・寿命・フラックスの見積もりを軸にした短い定量的入門書で、Manahan の『Environmental Chemistry』は化学の原理を大気・水・土壌・生物系に応用する幅広い教科書である。Seinfeld と Pandis に進む前の最初の一歩として、いずれも妥当な選択である。Lancaster の『Green Chemistry』は、より安全な化学製品とプロセスの設計を扱っており、大気科学とは別の問いに取り組んでいる。

最も近い併読書は、Schwarzenbach、Gschwend、Imboden の『Environmental Organic Chemistry』である。有機化学物質が大気・水・土壌・生物の間でどう分配され、どう変換されるかを論じる大学院レベルの教科書で、化学物質をあらゆる環境区分にわたって追う。これに対して Seinfeld と Pandis は大気、その気体と粒子、そして気候における役割に焦点を絞る。大気質に関心のある読者には、たとえば半揮発性有機化合物やエアロゾル–大気分配を学ぶときに、両者が補い合うことが分かるだろう。

本書の使い方

本書は、大気科学・環境工学・化学の大学院生や研究者、そして準備のできた学部上級生に向く。物理化学（反応速度論と熱力学）、微積分、微分方程式が実際に必要な前提である。

実践的な進め方は次のとおり。

• 最初の講義の核： 導入として第1–2章、反応速度論として第3章、光化学として第4章、成層圏・対流圏の化学として第5–6章、気候の枠組みとして第23章。
• エアロゾルの道筋： 第8、9、10、13章、続いて関心に応じて第11、14、15章。第17章がエアロゾルと雲を結びつける。
• 除去と輸送： 気象、拡散、沈着を扱う第16、18、19、20章。
• モデル化とデータ解析： 前の化学に慣れてから第25、26章。

章末問題、特に計算が議論を担う第3–6章と第8–10章の問題を解くこと。反応機構を検討するときは、速度定数の付録を手元に置いておくとよい。