Az atmoszférikus kémia [1] a légkörtudomány egyik ága, amely a Föld és más bolygók légkörének kémiáját vizsgálja. Ez egy interdiszciplináris tanulmányi terület, amely a környezetkémiára , fizikára , meteorológiára , számítógépes modellezésre , oceanográfiára , geológiára , vulkanológiára és más tudományágakra épül. A kutatás egyre inkább kapcsolódik más tudományterületekhez, például a klimatológiához .
A légkör összetétele és kémiája több okból is fontos, de elsősorban a légkör élő szervezetekkel való kölcsönhatása miatt. A Föld légkörének összetétele megváltozik olyan természetes folyamatok következtében, mint a vulkánkitörések , villámcsapások és a napkoronából érkező részecskebombázások . Az emberi tevékenységek is módosítják, és e változások egy része káros az emberi egészségre, a növényekre és az ökoszisztémákra. Példák a légköri kémia által vizsgált problémákra: a savas eső , az ózonréteg csökkenése , a fotokémiai szmog , az üvegházhatású gázok és a globális felmelegedés. Az atmoszférakémikusok megpróbálják megérteni e problémák okait, és elméleti megértést követően megpróbálják megoldani a lehetséges megoldásokat, valamint értékelni a kormányzati politika változásainak következményeit.
| A száraz levegő átlagos összetétele ( móltört ) | ||
|---|---|---|
| Gáz | a NASA szerint | |
| Nitrogén , N2 | 78,084% | |
| Oxigén , O2 | 20,946% | |
| Argon , Ar | 0,934% | |
| Kisebb összetevők (móltört ppm -ben ) | ||
| Szén - dioxid , CO2 | 383 | |
| Neon , Ne | 18.18 | |
| Hélium , Ő | 5.24 | |
| Metán , CH 4 | 1.7 | |
| Krypton , Kr | 1.14 | |
| Hidrogén , H2 | 0,55 | |
| Víz | ||
| vízpára | Nagyon változó; általában 1% körül | |
Megjegyzés: A szén-dioxid és a metán koncentrációja évszakonként és helyenként változik. A levegő átlagos molekulatömege 28,97 g/mol.
Már az ókori görögök is a levegőt tekintették a négy fő elem közé, de a légkör összetételének első tudományos vizsgálatai a 18. században kezdődtek. Vegyészek, mint Joseph Priestley , Antoine Lavoisier és Henry Cavendish végezték el a légkör összetételének első méréseit.
A 19. század végén és a 20. század elején az érdeklődés a nagyon kis koncentrációban található összetevők nyomai felé terelődött. Különösen fontos felfedezés volt a légkörkémiában, hogy Christian Friedrich Schönbein 1840-ben fedezte fel az ózont .
A 20. században a légköri kémia a légkör összetételének tanulmányozása helyett a kisméretű (a levegő térfogatának kevesebb, mint 1%-át kitevő) gázok koncentrációjának időbeli változásának, valamint a levegő összetevőit létrehozó és elpusztító kémiai folyamatoknak a figyelembevétele felé mozdult el. Az ilyen kutatások két különösen fontos példája volt Sidney Chapman és Gordon Dobson magyarázata az ózonréteg kialakulásáról és fenntartásáról, valamint Arye Jean Hagen-Smith magyarázata a fotokémiai szmogról . Az ózonproblémákkal kapcsolatos további kutatások 1995 -ben kémiai Nobel-díjhoz vezettek Paul Crutzennek , Mario Molinnak és Frank Sherwood Rowlandnek a gáz halogénalkánoknak a Föld ózonrétegét lebontó szerepével kapcsolatos munkájukért [2] .
A 21. században a figyelem ismét eltolódik. A légköri kémiát egyre inkább a Földtudományok egyikeként tanulmányozzák. Ahelyett, hogy az atmoszféra különálló kémiájára koncentrálnánk, a figyelem most arra irányul, hogy azt egyetlen légkörből , bioszférából és geoszférából álló rendszer részének tekintsük . Ebben az irányban a legfontosabb mozgatórugó a kémia és az éghajlat közötti kapcsolat, például az éghajlat hatása az ózonlyukak helyreállítására és fordítva. Emellett tanulmányozzák a légkör összetételének kölcsönhatásait az óceáni és szárazföldi ökoszisztémákkal.
A megfigyelés, a laboratóriumi mérések és a modellezés a légkörkémia három központi eleme. A kémia ezen területén elért előrehaladást gyakran az ezen összetevők közötti kölcsönhatás hajtja, és ezek egy egészet alkotnak. Például a megfigyelések elmondhatják nekünk, hogy több vegyi anyag van, mint azt korábban lehetségesnek hittük. Ez új laboratóriumi mérésekhez és szimulációkhoz fog vezetni, amelyek tudományos ismereteinket addig a pontig növelik, ahol a megfigyelések megmagyarázhatók.
A légköri kémiai megfigyelések megértéseink szerves részét képezik. A kémiai összetétel rutinszerű megfigyelései a levegő összetételének időbeli változásairól árulkodnak. Az egyik fontos példa a Keeling-diagram , egy olyan méréssorozat 1958-tól napjainkig, amely a szén-dioxid-koncentráció folyamatos növekedését mutatja. Légkörkémiai megfigyeléseket végeznek olyan obszervatóriumokban, mint a Mauna Loa , valamint mobil platformokon, például repülőgépeken (pl. az Airborne Atmospheric Measurement Institute az Egyesült Királyságban ), hajókon és léggömbökön. A légkör összetételének megfigyeléseit egyre gyakrabban végzik műholdak olyan dedikált műszerekkel, mint a GOME és a MOPITT , amelyek képet adnak a világ szennyezettségéről és levegőkémiájáról. A földi megfigyeléseknek megvan az az előnye, hogy hosszú távú eredményeket biztosítanak nagy időbeli felbontással, de a felvételek helye vertikálisan és vízszintesen korlátozott. Egyes földi műszerek, mint például a Lidar , információt szolgáltathatnak a kémiai vegyületek és az aeroszolok koncentrációjáról, de ennek ellenére lefedettségük horizontálisan korlátozott. A megfigyelések közül sok elérhető online az Atmospheric Chemistry Observational Databases .
A laboratóriumban végzett mérések fontosak ahhoz, hogy megértsük a szennyező anyagok és természetes vegyületek forrásait. A laboratóriumi vizsgálatok megmondják, mely gázok és milyen gyorsan reagálnak egymással. A mérések gázhalmazállapotú, felszíni és vízi reakciókat foglalnak magukban. Szintén rendkívül fontos a fotokémia , amely figyelembe veszi, hogy a molekulák milyen gyakran bomlanak le a napfény hatására, és milyen termékek keletkeznek ennek eredményeként. Ezenkívül fontosak a termodinamikai adatok, például a Henry-törvény együtthatók .
A légköri kémia elméleti megértésének megteremtése és tesztelése érdekében számítógépes szimulációkat alkalmaznak . A numerikus modellek a légkörben lévő vegyi anyagok koncentrációját leíró differenciálegyenleteket oldanak meg. Lehetnek nagyon egyszerűek vagy nagyon összetettek. A numerikus modellekben az egyik gyakori kompromisszum a vegyszerek szimulált száma és a velük lezajlott reakciók, valamint az anyagok légkörben való mozgásának és keveredésének gondolata közötti kompromisszum. , a másikon. Például a 2D szimulációk több száz vagy akár több ezer kémiai reakciót is tartalmazhatnak, de nagyon kevés betekintést engednek a légkörben lévő anyagok keveredésére. Éppen ellenkezőleg, a háromdimenziós modellek betekintést nyújtanak a légkör számos fizikai folyamatába, de a korlátozott számítógépes erőforrások miatt sokkal kevesebb kémiai reakciót és anyagot fognak tartalmazni. A modellek a megfigyelések értelmezésére, a kémiai reakciók megértésének tesztelésére és a vegyi anyagok jövőbeni légköri koncentrációinak előrejelzésére használhatók. Napjaink fontos trendje a légkörkémiai modulok fejlesztése a földi rendszermodellek részeként, amelyekben az éghajlat , a légkör összetétele és a bioszféra közötti összefüggéseket lehet feltárni. Egyes modellek automatikus kódgenerátorral készülnek (pl . Autochem és KPP ). Ezzel a megközelítéssel az összetevők egy halmazát választják ki, majd egy automatikus kódgenerátor választja ki a reakciókat ezekkel az összetevőkkel a reakcióadatbázisok halmazából. A reakciók kiválasztása után automatikusan összeállíthatók a közönséges differenciálegyenletek, amelyek leírják azok kialakulásának idejét.
| légköri tudományok | |
|---|---|