Атмосферная химия — это раздел атмосферной науки , в котором изучается химия атмосферы Земли и других планет. [1] Это междисциплинарный подход к исследованиям, который опирается на химию окружающей среды , физику , метеорологию , компьютерное моделирование , океанографию , геологию и вулканологию и другие дисциплины. Исследования все больше связаны с другими областями изучения, такими как климатология .
Состав и химия атмосферы Земли важны по нескольким причинам, но в первую очередь из-за взаимодействия между атмосферой и живыми организмами . Состав атмосферы Земли изменяется в результате естественных процессов, таких как выбросы вулканов , молнии и бомбардировка солнечными частицами из короны . Он также был изменен деятельностью человека, и некоторые из этих изменений вредны для здоровья человека, сельскохозяйственных культур и экосистем. Примерами проблем, которые решаются с помощью химии атмосферы, являются кислотные дожди , истощение озонового слоя , фотохимический смог , парниковые газы и глобальное потепление . Химики атмосферы стремятся понять причины этих проблем и, получив их теоретическое понимание, позволяют проверить возможные решения и оценить последствия изменений в политике правительства.
Помимо основных компонентов, перечисленных выше, атмосфера Земли также имеет много видов газовых примесей, которые значительно различаются в зависимости от близлежащих источников и поглотителей. Эти газовые примеси могут включать такие соединения, как CFC/HCFC, которые особенно вредны для озонового слоя, и H2S , который имеет характерный неприятный запах тухлых яиц и может ощущаться при концентрации всего 0,47 ppb. Ниже приведены некоторые приблизительные количества вблизи поверхности некоторых дополнительных газов. Помимо газов, атмосфера содержит твердые частицы в виде аэрозоля , в том числе, например, капли, ледяные кристаллы, бактерии и пыль.
Первые научные исследования состава атмосферы начались в XVIII веке, когда такие химики, как Джозеф Пристли , Антуан Лавуазье и Генри Кавендиш, провели первые измерения состава атмосферы. [ необходима цитата ]
В конце 19-го и начале 20-го веков интерес сместился в сторону следовых компонентов с очень малыми концентрациями. Одним из особенно важных открытий для атмосферной химии было открытие озона Кристианом Фридрихом Шёнбейном в 1840 году. [6]
В 20 веке наука об атмосфере перешла от изучения состава воздуха к рассмотрению того, как концентрации газовых примесей в атмосфере менялись с течением времени, и химических процессов, которые создают и разрушают соединения в воздухе. Два особенно важных примера этого — объяснение Сидни Чепмена и Гордона Добсона того, как создается и поддерживается озоновый слой , и объяснение фотохимического смога Ари Яном Хааген-Смитом . Дальнейшие исследования проблем озона привели к присуждению Нобелевской премии по химии в 1995 году, разделенной между Полом Крутценом , Марио Молиной и Фрэнком Шервудом Роулендом . [7]
В 21 веке фокус снова смещается. Атмосферная химия все чаще изучается как часть системы Земли . Вместо того, чтобы концентрироваться на атмосферной химии изолированно, теперь основное внимание уделяется ее рассмотрению как части единой системы с остальной частью атмосферы , биосферой и геосферой . Особенно важным фактором для этого являются связи между химией и климатом , такие как влияние изменения климата на восстановление озоновой дыры и наоборот, а также взаимодействие состава атмосферы с океанами и наземными экосистемами . [ требуется ссылка ]
Наблюдения, лабораторные измерения и моделирование являются тремя центральными элементами в атмосферной химии. Прогресс в атмосферной химии часто обусловлен взаимодействиями между этими компонентами, и они образуют единое целое. Например, наблюдения могут сказать нам, что существует больше химического соединения, чем считалось возможным ранее. Это будет стимулировать новое моделирование и лабораторные исследования, которые увеличат наше научное понимание до точки, где наблюдения могут быть объяснены. [ необходима цитата ]
Наблюдения за химией атмосферы имеют важное значение для нашего понимания. Регулярные наблюдения за химическим составом говорят нам об изменениях в составе атмосферы с течением времени. Одним из важных примеров этого является кривая Килинга — серия измерений с 1958 года по настоящее время, которая показывает устойчивый рост концентрации углекислого газа (см. также текущие измерения атмосферного CO 2 ). Наблюдения за химией атмосферы проводятся в обсерваториях, таких как обсерватория на Мауна-Лоа , и на мобильных платформах, таких как самолеты (например, британский Центр по воздушным атмосферным измерениям ), корабли и воздушные шары. Наблюдения за составом атмосферы все чаще проводятся спутниками с такими важными приборами, как GOME и MOPITT, дающими глобальную картину загрязнения воздуха и химии. Наблюдения на поверхности имеют то преимущество, что они предоставляют долгосрочные записи с высоким временным разрешением, но ограничены в вертикальном и горизонтальном пространстве, из которого они обеспечивают наблюдения. Некоторые наземные приборы, например LIDAR, могут предоставлять профили концентрации химических соединений и аэрозоля, но все еще ограничены в горизонтальной области, которую они могут охватывать. Многие наблюдения доступны в онлайн- базах данных наблюдений за химией атмосферы . [ необходима ссылка ]
Измерения, проводимые в лаборатории, необходимы для понимания источников и стоков загрязняющих веществ и природных соединений. Эти эксперименты проводятся в контролируемых условиях, что позволяет проводить индивидуальную оценку конкретных химических реакций или оценку свойств конкретного компонента атмосферы. [11] Типы анализа, которые представляют интерес, включают как анализ реакций в газовой фазе, так и гетерогенных реакций, которые имеют отношение к образованию и росту аэрозолей . Также большое значение имеет изучение атмосферной фотохимии , которая количественно определяет, как скорость, с которой молекулы расщепляются солнечным светом, и каковы полученные продукты. Кроме того, также могут быть получены термодинамические данные, такие как коэффициенты закона Генри . [ необходима цитата ]
Для синтеза и проверки теоретического понимания химии атмосферы используются компьютерные модели (например, модели химического переноса ). Численные модели решают дифференциальные уравнения, регулирующие концентрации химических веществ в атмосфере. Они могут быть очень простыми или очень сложными. Одним из распространенных компромиссов в численных моделях является компромисс между количеством моделируемых химических соединений и химических реакций и представлением переноса и смешивания в атмосфере. Например, блочная модель может включать сотни или даже тысячи химических реакций, но будет иметь только очень грубое представление смешивания в атмосфере. Напротив, 3D-модели представляют многие физические процессы атмосферы, но из-за ограничений на компьютерные ресурсы будут иметь гораздо меньше химических реакций и соединений. Модели можно использовать для интерпретации наблюдений, проверки понимания химических реакций и прогнозирования будущих концентраций химических соединений в атмосфере. Эти модели могут быть глобальными (моделирующими всю Землю) или региональными (фокусированными только на определенном регионе). Компромисс между двумя подходами заключается в их разрешении, а также в количестве деталей, которые они могут предоставить; Глобальные модели обычно имеют более низкое горизонтальное разрешение и представляют менее сложные химические механизмы, но они моделируют большую область, в то время как региональные модели не моделируют весь земной шар, а фокусируются на одной области с более высоким разрешением и большей детализацией. Одной из важных современных тенденций является то, что модули химии атмосферы становятся частью моделей земной системы, в которых можно изучать связи между климатом, составом атмосферы и биосферой. Эти типы моделей позволяют связывать различные отсеки Земли, такие как атмосфера, биосфера и гидросфера, что позволяет пользователям анализировать сложные взаимодействия между ними.
Некоторые модели строятся с помощью автоматических генераторов кода (например, Autochem или Kinetic PreProcessor ). При таком подходе выбирается набор компонентов, а затем автоматический генератор кода выбирает реакции, включающие эти компоненты, из набора баз данных реакций. После выбора реакций можно автоматически построить обыкновенные дифференциальные уравнения , описывающие их эволюцию во времени.