石油和煤等燃烧时产生的袅袅黑烟——碳粒子，作为大气中新的环境污染物质而引人注目，进入20世纪以来，伴随人类活动，急剧增加。当吸入人体肺部，有致癌作用。如果碳粒子增加，还会改变阳光的反射率，因而对气候产生影响。

燃烧方式和碳粒子形状

碳粒子（黑烟）是化石燃料和树木等不完全燃烧时产生的黑烟的主要成分，其化学组成中60%左右为碳及氢、氧、氮、硫等元素。

作为发生源来说，有森林火灾这类自然发生源和燃烧石油、煤的人为发生源。钻探沉积于湖沼和海底的堆积物，取出和分析其柱状试样可调查从史前到现代碳粒子的踪迹，从其分析中，可断定自然发生源和人为发生源的提供率。

碳粒子是煤、石油和植物等燃烧过程所产生的。但燃烧天然气时，几乎不产生碳粒子。另外，在汽车的废气中（尤其是柴油车）含有大量碳粒子。其表面状态和形状，随发生过程而异。粒径20微米以上的碳粒子，可分为9个大类。

对此，粒径0.02 ~ 0.03微米的微碳粒子，是乙炔气体等气体状碳氢化合物燃烧过程产生的，形成像“葡萄串”一样的形状。这种形状的碳粒子，据认为是乙炔气体燃烧过程，通常在1000 ~ 2000°C高温下产生的。其粒子的表面，集合数百万个碳原子。

—般说来，碳粒子的粒径，随大气中滞留时间延长而增大。还由于它能远距离飘送，在遥远的南极圈也能检测出微粒径的碳粒子，但其60%以上为粒径0.1微米以下的，可以断定，是北半球产生的碳粒子在冬季飘去的。

碳粒子的表面状态和结构，其形态可明显反映不同的燃烧过程。喷雾燃烧石油时，产生球状的碳粒子；在石油不完全燃烧过程，产生多孔性球状碳粒子和球的断片一类的多种碳粒子。但是，燃烧石油产生的大量碳粒子，一般都形成球状或者球的断片这类形状。

燃煤过程，也有球状碳粒子，但与燃烧石油相比，它的碳粒子长而细。树木等燃烧过程，在所产生的碳粒子之中，可观察到反映其细胞的结构。

在高温燃烧过程产生的碳粒子中，有与铁成分混合，有表面具有磁性的粒子，还有和锰和硅混合的粒子。对于这类形态的考察，虽说是探知其来源的一种方法，但应充分注意，形态易受各种条件的影响。

碳粒子吸入人体有致癌作用

据推测，碳粒子在地球上是可以分解的。这是因为，地球上的碳粒子，年发生量为1亿吨左右。如果没有分解过程，那么，可以想象在10万年以内，地球表面将被煤所覆盖。

作为分解过程来说，据认为是光化学氧化及生物分解，但引起这一分解过程尚无证据。或许，氧分子在碳粒子表面发生反应，分解生成二氧化碳了吧！目前，还没有很好阐明这个问题。

碳粒子在地球上广泛存在，在火成岩、变质岩、沉积岩中也可以发现。随燃烧产生的逸入大气中的碳粒子，成为雨滴的凝结核，随着降水，降注地球表面。湖底和海底，而且，在极地地区冰粒中的碳粒子，可以说是历史的降雨化石。

大气中的碳粒子，成为亚硫酸气和氮氧化物的氧化催化剂。另外，作为漂浮粒子状物质，伴随呼吸进入人体肺部，具有致癌作用。如果测定大气中的碳粒子浓度，那么，在产业活动发展的城市浓度高。

碳粒子在大气中的滞留时间，与其粒径分布、浓度、降雨等的消除频度、消除效率相关，据各种模型计算，降雨多时，其滞留时间大约是40天；无降雨时，在大气中滞留一周以上。因此，可以断定，持续长时间高气压这样的气象条件，将引起远距离输送。

城市大气中的碳粒子，基本上是微米水平以下的微细粒子，其浓度远比从喷雾器喷出的有机气溶胶浓度更高。美国城市大气中的碳粒子的全碳粒子（有机气溶胶+碳粒子）所占比例，纽约为97%，伯克利为73%，科罗拉多59%。

森林火灾——碳粒子自然发生源

海底泥的柱状试样，是历史的沉积物堆积为层状，从此层的深度，可推测年代，因此，是勘查碳粒子从过去到现在变迁的重要资料。如，太平洋海底的柱状试样分布结果，可以按纬度加以分类。由此表明，碳粒子量与非热带地区的针叶林的分布能很好对应。寒带地区的针叶林带状地区（北纬60 ~ 70度），从斯堪的纳维亚半岛经苏联西伯利亚，一直延伸到加拿大北部。此针叶林带是由等被、松树、枞树、榛树、喜马拉雅杉等构成的。另外，再往南的地区（北纬50 ~ 60度）形成针叶树和阔叶树的混交林地区，从美国东部经过英国、欧洲中部延伸至东亚。

在这一森林地区因湿度低，枯树不易腐败、分解，大多仍旧残存在那里，经过落地雷电等的引发，往往引起大规模的森林火灾。因此，从北纬50度到70度地区的森林火灾，可以说是碳粒子的自然发生源。

从亚马孙河流域到西非、非洲中部、东南亚的热带地区的森林，因湿度高，降雨多，枯树易于腐败分解，另一方面，同纬度地区的热带深草原和沙漠，几乎没有树木，因此，不可能成为碳粒子的发生源。但是，在这一地区，如果发生烧荒这类人为的高温燃烧，也会引起碳粒子的发生。由于森林火灾等在大陆产生的碳粒子，乘风飘向海洋。在热带地区，乘东风；温带、寒带地区，乘偏西风；在极地地区，大致是乘东风，分别引起碳粒子的远距离输送。

20世纪碳粒子急剧增加

从美国密执安湖湖底柱状试样中的碳粒子浓度分布，明显揭示出美国中西部自然火灾和人为产业活动化石燃料的燃烧量的历史。为了测定柱状试样中的各层堆积物的年代，应用了铅2/0法。碳粒子的浓度，从1830年到1900年间较低，而进入20世纪以来，急剧增加。1960年前后，为其峰值，以后有一些减少。

1900年以前的碳粒子，从其形态分析结果，可以断定是树木的燃烧过程产生的，森林火灾或者人们燃烧薪材是其发生源。1900年以前的碳粒子，粒径在1微米以下的居多，从此结果，也可推断是树木等燃烧过程产生的。

进入20世纪以来，石油和煤燃烧结果发生的和观测到的大粒径的碳粒子，急剧增加。据估计，这是位子湖边的发电厂产生的碳粒子。1900年以前的碳粒子，因其粒径小，向更广阔的地区扩散了。这样，从柱状试样中的碳粒子的分析结果，我们可以揭示过去产业活动的变迁。1960年以后，碳粒子浓度有所降低，大概是安装了防尘装置的缘故。由此，可以认为，从烟囱放出的烟尘量大大降低了。

从柱状试样中的锡、铭、镇、铅、铜、镉、钴、锌、铁的浓度分布，也可以得到相同的结果。但是，这些金属的峰值，比碳粒子晚一些，为1968年前后。上述9个元素，无疑是火力发电厂等化石燃料的燃烧过程产生的。

增加了第三纪植物茂盛的证据

从海底泥的柱状试样中碳粒子最近的分析结果，现在已经可获到从白垩纪后期（约6500万年前）至现在的有关地球规模燃烧的历史知识 · 如据电子显微镜照片，这些碳粒子，是植物燃烧过程发生的和观测到的形状，其粒径经过新生代（从约6500万年前到现代）也没有变化。如果要是有分解过程，比表面积就大，粒径小的碳粒子应有所减少。但至少在新生代，是不会发生这种变化的。

在陆地上发生的碳粒子，乘偏西风输送至海洋上，跟过去记载的一样，每平方米碳粒子的年堆积量从5微克到0.001微克，表明减少了。这个倾向，即使在太平洋的其他地点，也相同。

这种碳粒子的增加，可以认为是森林燃烧增加，或者由于向北太平洋的偏西风输送量加大的结果。这与新生代第三纪（从6500万年前到200万年前）植物增加这一生物学和古气候学的见解并不矛盾。

如果碳粒子增加气候有可能变暖

果真如此，大气中及地球表面的碳粒子的蓄积量增加，对气候和大气中的气体成分的氧化反应的影响，大概是充分的。

对气候的影响来说，据说，大气中的碳粒子，吸收或者散射阳光，大气中的热平衡有受到破坏的可能。关于热平衡破坏的可能性，根据碳粒子的光反射率，变冷或变暖是不同的。大气中大量的气溶胶（浮游粒子状物质），其反射率为0.9左右，而碳粒子却为0.5左右。另外，就热平衡而言，碳粒子的浓度，也是重要因素。在含有大量碳粒子的城市大气，可以断定，气温将升高。

关于地球规模的气候变化，综合评价大气及地球表面的碳粒子，必须探讨其热平衡。

就对流层的气溶胶来说，如果其平均反射率大体在0.85以上，可以预料，地球表面变冷，如在其以下，则变暖。虽然尝试进行各种观测和模拟计算，大气中的气溶胶有相当复杂的组成，因此，就变冷或变暖而言，至今尚无结论。可以推测，如果大气中的气溶胶中，含有20 ~ 25%的碳粒子，不是变暖了吗！

冰河地区的变化，也有可能影响气候。雪和冰的融化量，随着其表面的光反射率而异。洁净雪的考面反射率为0.8左右；不洁净的雪，其反射率为0.5 ~ 0.6，可以充分认为，含碳粒子的雪，其反射率降低，易于融化。（编者注：可认为，极地地区的冰，如融化，则地球更易于吸收太阳的热，变暖）据各种模型计算，雪中的破粒子，远比在大气中更易吸收阳光。

作为碳粒子的影响来说，除气候变化以外，由于其表面活性，有促进大气中的化学反应这一可能性。对此，虽开展了许多研究，仍未获得确凿的证据。也有大理石含有的碳粒子逸入大气，致使其表面变质这类报告，但据推测，这不正是碳粒子表面吸收硫成分，变成硫酸，造成危害的吗！

[科学朝日（日），1987年1月]