Химия атмосферы — раздел науки об атмосфере , изучающий химию атмосферы Земли и других планет. [1] Это междисциплинарный подход к исследованиям, основанный на химии окружающей среды , физике , метеорологии , компьютерном моделировании , океанографии , геологии , вулканологии и других дисциплинах. 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 меняется в результате природных процессов, таких как выбросы вулканов , молнии и бомбардировка солнечными частицами короны . Он также изменился в результате деятельности человека, и некоторые из этих изменений вредны для здоровья человека, сельскохозяйственных культур и экосистем. Примеры проблем, которые решаются с помощью атмосферной химии, включают кислотные дожди , разрушение озонового слоя , фотохимический смог , парниковые газы и глобальное потепление . Химики атмосферы стремятся понять причины этих проблем и, получив теоретическое понимание их, позволяют проверить возможные решения и оценить последствия изменений в государственной политике.
Помимо более важных компонентов, перечисленных выше, атмосфера Земли также содержит множество видов газовых примесей, которые значительно различаются в зависимости от близлежащих источников и поглотителей. Эти следовые газы могут включать такие соединения, как CFC/HCFC , которые особенно вредны для озонового слоя, и H.2S , который имеет характерный неприятный запах тухлых яиц и может чувствоваться при концентрации всего 0,47 частей на миллиард.некоторые приблизительные количества некоторых дополнительных газов у поверхности. Помимо газов, атмосфера содержит частицы в виде аэрозолей , к которым относятся, например, капли, кристаллы льда, бактерии и пыль.
Древние греки считали воздух одним из четырех элементов . Первые научные исследования состава атмосферы начались в 18 веке, когда такие химики, как Джозеф Пристли , Антуан Лавуазье и Генри Кавендиш, провели первые измерения состава атмосферы. [ нужна цитата ]
В конце 19 - начале 20 веков интерес сместился в сторону микроэлементов с очень небольшими концентрациями. Одним из особенно важных открытий для химии атмосферы было открытие озона Кристианом Фридрихом Шёнбейном в 1840 году. [6]
В XX веке наука об атмосфере перешла от изучения состава воздуха к рассмотрению того, как концентрации малых газов в атмосфере менялись с течением времени, а также химических процессов, которые создают и разрушают соединения в воздухе. Двумя особенно важными примерами этого были объяснения Сиднея Чепмена и Гордона Добсона того, как создается и поддерживается озоновый слой , а также объяснение фотохимического смога Ари Яна Хааген-Смита . Дальнейшие исследования по проблемам озона привели к Нобелевской премии по химии в 1995 году, которую разделили Пол Крутцен , Марио Молина и Фрэнк Шервуд Роуленд . [7]
В 21 веке фокус снова смещается. Химию атмосферы все чаще изучают как часть земной системы . Вместо того, чтобы концентрироваться на химии атмосферы изолированно, сейчас основное внимание уделяется рассмотрению ее как части единой системы с остальной атмосферой , биосферой и геосферой . Особенно важным фактором 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 . [ нужна цитата ]
Наблюдения, лабораторные измерения и моделирование — три центральных элемента химии атмосферы. Прогресс в химии атмосферы часто обусловлен взаимодействием между этими компонентами, и они образуют единое целое. Например, наблюдения могут сказать нам, что существует больше химических соединений, чем считалось ранее. Это будет стимулировать новое моделирование и лабораторные исследования, которые расширят наше научное понимание до такой степени, что наблюдения можно будет объяснить. [ нужна цитата ]
Наблюдения за химией атмосферы необходимы для нашего понимания. Регулярные наблюдения за химическим составом говорят нам об изменениях состава атмосферы с течением времени. Одним из важных примеров этого является кривая Килинга – серия измерений с 1958 года по сегодняшний день, которые показывают устойчивый рост концентрации углекислого газа (см. также текущие измерения содержания CO 2 в атмосфере ). Наблюдения за химическим составом атмосферы проводятся в обсерваториях, например, на Мауна-Лоа , а также на мобильных платформах, таких как самолеты (например, Британская установка для воздушных измерений атмосферы ), корабли и воздушные шары. Наблюдения за составом атмосферы все чаще проводятся с помощью спутников с такими важными приборами, как GOME и MOPITT , которые дают глобальную картину загрязнения и химического состава воздуха. Преимущество наземных наблюдений заключается в том, что они обеспечивают долгосрочные записи с высоким временным разрешением, но ограничены в вертикальном и горизонтальном пространстве, из которого они обеспечивают наблюдения. Некоторые наземные инструменты, например, лидар , могут предоставлять профили концентрации химических соединений и аэрозолей, но их возможности по-прежнему ограничены горизонтальной областью, которую они могут охватить. Многие наблюдения доступны в режиме онлайн в базах данных наблюдений за химией атмосферы . [ нужна цитата ]
Измерения, проводимые в лаборатории, важны для нашего понимания источников и поглотителей загрязняющих веществ и соединений природного происхождения. Эти эксперименты проводятся в контролируемых средах, что позволяет индивидуально оценить конкретные химические реакции или оценить свойства конкретного компонента атмосферы. [11] Типы анализа, представляющие интерес, включают как анализы газофазных реакций, так и гетерогенных реакций, которые имеют отношение к образованию и росту аэрозолей . Также большое значение имеет изучение фотохимии атмосферы , которое позволяет количественно определить скорость расщепления молекул под действием солнечного света и какие продукты получаются в результате. Кроме того, также можно получить термодинамические данные, такие как коэффициенты закона Генри . [ нужна цитата ]
Чтобы синтезировать и проверить теоретическое понимание химии атмосферы, используются компьютерные модели (например, модели химического переноса ). Численные модели решают дифференциальные уравнения, определяющие концентрацию химических веществ в атмосфере. Они могут быть очень простыми или очень сложными. Одним из распространенных компромиссов в численных моделях является соотношение количества моделируемых химических соединений и химических реакций по сравнению с представлением переноса и смешивания в атмосфере. Например, блочная модель может включать сотни или даже тысячи химических реакций, но будет иметь лишь очень грубое представление о смешивании в атмосфере. Напротив, 3D-модели отражают многие физические процессы в атмосфере, но из-за ограничений компьютерных ресурсов в них будет 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 (имитирующими всю Землю) или региональными (ориентированными только на конкретный регион). Компромиссом между этими двумя подходами является их разрешающая способность, а также количество деталей, которые они могут предоставить; глобальные модели обычно имеют более низкое горизонтальное разрешение и представляют менее сложные химические механизмы, но моделируют большую территорию, 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 текущих тенденций является то, что модули химии атмосферы станут частью моделей земной системы, в которых можно изучать связи между климатом, составом атмосферы и биосферой. Эти типы моделей позволяют объединить различные части Земли, такие как атмосфера, биосфера и гидросфера; позволяя пользователям анализировать сложные взаимодействия между ними.
Некоторые модели создаются автоматическими генераторами кода (например, Autochem или Kinetic PreProcessor ). В этом подходе выбирается набор компонентов, а затем автоматический генератор кода выбирает реакции с участием этих компонентов из набора баз данных реакций. После выбора реакций можно автоматически построить обыкновенные дифференциальные уравнения , описывающие их эволюцию во времени.