Atmosférická chemie [1] je odvětví atmosférické vědy, které studuje chemii atmosféry Země a dalších planet. Jedná se o interdisciplinární studijní obor čerpající z chemie životního prostředí , fyziky , meteorologie , počítačového modelování , oceánografie , geologie , vulkanologie a dalších disciplín. Výzkum je stále více propojen s jinými oblastmi vědy, jako je klimatologie .
Složení a chemické složení atmosféry je důležité z několika důvodů, ale především kvůli interakci atmosféry s živými organismy. Složení zemské atmosféry se mění v důsledku přírodních procesů, jako jsou sopečné erupce , blesky a ostřelování částicemi ze sluneční koróny . Je také modifikován lidskou činností a některé z těchto změn jsou škodlivé pro lidské zdraví, plodiny a ekosystémy. Příklady problémů zkoumaných atmosférickou chemií jsou kyselé deště , poškozování ozónové vrstvy , fotochemický smog , skleníkové plyny a globální oteplování . Atmosféričtí chemici se snaží porozumět příčinám těchto problémů a po teoretickém pochopení zkoušejí možné způsoby jejich řešení a také zhodnocují důsledky změn ve vládní politice.
| Průměrné složení suchého vzduchu ( molární zlomek ) | ||
|---|---|---|
| Plyn | podle NASA | |
| Dusík , N2 | 78,084 % | |
| Kyslík , O2 | 20,946 % | |
| Argon , Ar | 0,934 % | |
| Minoritní složky (molární zlomek v ppm ) | ||
| Oxid uhličitý , CO2 | 383 | |
| Neon , Ne | 18.18 | |
| Helium , He | 5.24 | |
| Metan , CH 4 | 1.7 | |
| Krypton , Kr | 1.14 | |
| vodík , H2 | 0,55 | |
| Voda | ||
| vodní pára | Velmi se liší; obvykle kolem 1% | |
Poznámka: Koncentrace oxidu uhličitého a metanu se liší podle ročního období a lokality. Průměrná molekulová hmotnost vzduchu je 28,97 g/mol.
Dokonce i staří Řekové považovali vzduch za čtyři hlavní prvky, ale první vědecké studie složení atmosféry začaly v 18. století. Chemici jako Joseph Priestley , Antoine Lavoisier a Henry Cavendish provedli první měření složení atmosféry.
Na konci 19. a na začátku 20. století se zájem přesunul směrem ke stopám složek obsažených ve velmi malých koncentracích. Zejména důležitým objevem v chemii atmosféry byl objev ozónu Christianem Friedrichem Schönbeinem v roce 1840.
Ve 20. století se atmosférická chemie posunula od studia složení atmosféry k úvahám o změně koncentrace malých plynů (méně než 1 % objemu vzduchu) v průběhu času a chemických procesů, které vytvářejí a ničí složky vzduchu. Dva zvláště důležité příklady takového výzkumu byly vysvětlení Sidneyho Chapmana a Gordona Dobsona o tom, jak se tvoří a udržuje ozónová vrstva , a vysvětlení fotochemického smogu od Arye Jean Hagen-Smitha . Další výzkum otázek ozonu vedl k Nobelově ceně za chemii v roce 1995 pro Paula Crutzena , Maria Molina a Franka Sherwooda Rowlanda za jejich práci na úloze plynných haloalkanů při poškozování ozónové vrstvy Země [2] .
V 21. století se pozornost opět přesouvá. Atmosférická chemie je stále více studována jako jedna z věd o Zemi. Místo toho, abychom se soustředili na samostatnou chemii atmosféry, pozornost se nyní soustředí na to, abychom ji považovali za součást jediného systému sestávajícího z atmosféry , biosféry a geosféry . Nejdůležitější hnací silou v tomto směru je vztah mezi chemií a klimatem, jako je vliv klimatu na obnovu ozónových děr a naopak. Kromě toho se studuje interakce složení atmosféry s oceánskými a suchozemskými ekosystémy.
Pozorování, laboratorní měření a modelování jsou tři ústřední prvky v chemii atmosféry. Pokrok v této oblasti chemie je často poháněn interakcí mezi těmito složkami a tvoří jeden celek. Pozorování nám například mohou říci, že existuje více chemikálií, než se dříve myslelo, že je možné. To povede k novým laboratorním měřením a simulacím, které rozšíří naše vědecké chápání do bodu, kdy lze pozorování vysvětlit.
Pozorování chemie atmosféry jsou nedílnou součástí našeho chápání. Rutinní pozorování chemického složení nám říká o změnách složení vzduchu v průběhu času. Jedním z důležitých příkladů je Keelingův graf , série měření od roku 1958 do současnosti, která ukazuje stálý nárůst koncentrace oxidu uhličitého. Pozorování chemie atmosféry se provádějí na observatořích, jako je Mauna Loa , stejně jako na mobilních platformách, jako jsou letadla (např. Airborne Atmospheric Measurement Institute ve Spojeném království ), lodě a balóny. Pozorování složení atmosféry se stále častěji provádějí družicemi s vyhrazenými přístroji, jako jsou GOME a MOPITT , které poskytují obraz o světovém znečištění a chemii ovzduší. Pozemní pozorování mají tu výhodu, že poskytují dlouhodobé výsledky s vysokým časovým rozlišením, ale prostor, ve kterém je lze provádět, je omezen vertikálně i horizontálně. Některé pozemní přístroje, jako je Lidar , mohou poskytovat informace o koncentraci chemických sloučenin a aerosolů, ale přesto je oblast jejich pokrytí horizontálně omezena. Mnoho pozorování je dostupných online v Atmospheric Chemistry Observational Databases .
Měření prováděná v laboratoři jsou důležitá pro naše pochopení zdrojů znečišťujících látek a přírodních sloučenin. Laboratorní studie nám říkají, které plyny spolu reagují a jak rychle. Měření zahrnují reakce v plynné formě, na povrchu a ve vodě. Mimořádně důležitá je také fotochemie , která zvažuje, jak často jsou molekuly rozkládány slunečním zářením a jaké produkty v důsledku toho vznikají. Kromě toho jsou důležitá termodynamická data, jako jsou koeficienty Henryho zákona .
K vytvoření a testování teoretického porozumění chemické chemii atmosféry se používají počítačové simulace . Numerické modely řeší diferenciální rovnice popisující koncentraci chemických látek v atmosféře. Mohou být velmi jednoduché nebo velmi složité. Jedním z běžných kompromisů v numerických modelech je kompromis mezi simulovaným počtem chemikálií a reakcemi, které s nimi proběhly, na jedné straně a myšlenkou pohybu a míchání látek v atmosféře. , na druhé straně. Například 2D simulace mohou zahrnovat stovky nebo dokonce tisíce chemických reakcí, ale poskytují velmi malý náhled na míšení látek v atmosféře. Naopak trojrozměrné modely poskytují náhled na mnoho fyzikálních procesů v atmosféře, ale kvůli omezeným počítačovým zdrojům budou zahrnovat mnohem menší počet chemických reakcí a látek. Modely lze použít k interpretaci pozorování, testování porozumění chemickým reakcím a předpovídání budoucích atmosférických koncentrací chemikálií. Důležitým trendem současnosti je vývoj modulů atmosférické chemie jako součásti modelů zemského systému, ve kterých lze zkoumat vztahy mezi klimatem , složením atmosféry a biosférou. Některé modely jsou sestaveny s automatickými generátory kódu (např . Autochem a KPP ). S tímto přístupem je vybrána sada složek a poté automatický generátor kódu vybírá reakce s těmito složkami ze sady databází reakcí. Po výběru reakcí lze automaticky sestavit obyčejné diferenciální rovnice, které popisují dobu jejich vývoje.
| vědy o atmosféře | |
|---|---|