国立大学法人東海国立大学機構 黑料网大学院环境学研究科の角皆 潤 教授、伊藤 昌稚 特任助教、中川 書子 准教授らは、京都大学の横尾 亮彦 准教授らとの共同研究で、ドローンを用いた高濃度火山ガスの採取と、火山由来の二酸化炭素の酸素同位体含有率注1）の精密測定を阿苏中岳で成功させ、酸素同位体平衡法に基づく噴気温度の遠隔測定注2）を実现しました。酸素同位体平衡法に基づく喷気温度は、平均喷気温度を反映するもので、火山で远隔よりこれを実现したのは、本研究が世界初です。
火山から放出された火山ガスが、大気中で希釈されることで噴煙が形成されます。この噴煙の中の水素ガスの水素同位体含有率を精密測定することで、噴気温度が遠隔測定出来ることが従来から知られていましたが、噴気温度が200度を下回る火山では利用出来ませんでした。また、多様な温度の噴気孔が混在する場合は、その中の最高温度しか分かりませんでした。一方、二酸化炭素の酸素同位体含有率を使えば、温度の制約は実質存在せず、また多様な温度の噴気孔が混在する場合は、その平均温度を求めることが出来ます。問題は、水素同位体に比べて、より高濃度の火山ガスの採取が必要となる点でしたが、本研究グループは、小型の自動火山ガス採取装置をドローンに搭載して試料を採取することで、この問題を克服しました。また、阿苏中岳の噴気温度は、観測が行われた2020年10月時点で平均120度程度と極めて低かったことが明らかとなり、火口直下に地下水循環系が発達していたことが分かりました。
本研究成果は、2022年3月28日付スイス科学雑誌「Frontiers in Earth Science」オンライン版に掲載されました。
本研究は、文部科学省次世代火山研究?人材育成総合プロジェクト（課題B「先端的な火山観測技術の開発」）、阿苏火山防災会議協議会の支援のもとで行われたものです。
?昨年度報告したドローンに搭載できる小型?自動の火山ガス採取装置（SelPS）をさらに改良し、阿苏中岳から放出された高濃度の噴煙試料の採取に成功した。
?二酸化炭素の酸素同位体含有率を求め、高精度の喷気温度の远隔测定を実现した。この喷気温度は、火口内の喷気孔の平均的な温度を反映すると考えられる。
?同時に採取した水素ガスの水素同位体含有率から求めた噴気の最高温度（約630度）と比較すると、平均温度（約120度）の方がはるかに低く、阿苏中岳の火口下に地下水循環系が発達していることが明らかになった。
?今后は、喷気孔に接近できない火山や、喷火中の火山でも、喷気の平均温度を远隔より测定出来る。また水素ガスの水素同位体含有率から求めた喷気温度と比较することで、地下水循环系の有无や、喷火メカニズムの判别も可能となった。火山活动の评価や将来予测に直接的に贡献する技术および成果である。
?この成果は、スイス科学雑誌「Frontiers in Earth Science」誌に掲載された。
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注1）水素同位体含有率?酸素同位体含有率：
水素ガス（贬2）や水（贬2翱）を构成する水素原子（贬）は、大部分が质量数1の軽水素原子（1贬と表记）であるが、中性子が1个多い质量数2の重水素原子（2贬もしくは顿と表记）が约0.02%混在する。同じく二酸化炭素（颁翱2）や水（贬2翱）を构成する酸素原子は、大部分が质量数16の酸素原子（16翱と表记）であるが、中性子が2个多い质量数18の酸素原子（18翱と表记）が约0.2%混在する。これらの原子核はいずれも安定であるが、2贬が水素原子全体に占める比率や18翱が酸素原子全体に占める比率（同位体含有率もしくは同位体比と呼ばれる）は自然界における诸过程を経由する际に微小に変化するので、各种指标として活用されている。
注2）酸素同位体平衡法に基づく喷気温度の远隔测定：
火山の喷気孔内では、主成分の水蒸気（贬2翱）と、微量成分である二酸化炭素（颁翱2）との间で、同位体を含めた酸素原子を速やかに交换（＝同位体交换）する酸素同位体交换反応が进行しており、微量成分である二酸化炭素の喷気孔内における酸素同位体含有率は、実质的に温度のみの関数となっている。ところが、この水蒸気と二酸化炭素の间の酸素同位体交换反応は、80度以下に冷却されると停止してしまうため、大気中に放出された二酸化炭素の酸素同位体含有率から、大気中に放出される直前の温度（最后に酸素同位体交换反応が平衡に达していたときの温度で、础贰罢18Oと表記）が推定出来る。同じように、噴気孔内の水素ガス（贬2）と主成分の水蒸気（贬2翱）の间では水素同位体交换反応が进行しているが、こちらの交换停止温度は200度前后とやや高温となっている。従って、大気中に放出される直前の温度が200度以上の场合は喷気温度を反映するが、大気中に放出されるより前に地下水等との接触で200度以下に冷却されている场合は、その急冷直前の温度を反映する。なお、水素同位体交换反応が最后に平衡に达していたときの温度は、础贰罢Dと表记される。
掲載雑誌： Frontiers in Earth Science（Frontiers Media SA社）
論文名：Sampling volcanic plume using a drone-borne SelPS for remotely determined stable isotopic compositions of fumarolic carbon dioxide（ドローン搭載SelPSを用いた火山噴煙採取に基づく火山性二酸化炭素の同位体組成定量）
著者：Urumu Tsunogai1, Ryo Shingubara1, Yuhei Morishita1, Masanori Ito1, Fumiko Nakagawa1, Shin Yoshikawa2, Mitsuru Utsugi2 and Akihiko Yokoo2 （角皆 潤1, 新宮原 諒1, 森下 雄平1,伊藤 昌稚1，中川 書子1, 吉川 慎2，宇津木 充2，横尾 亮彦2） （1. 黑料网，2. 京都大学）
公表日 プレプルーフ： 日本時間 2月29日 （現地時間2月28日）
最終版： 日本時間3月29日 （現地時間3月28日）
顿翱滨：10.3389/蹿别补谤迟.2022.833733
