Химия атмосферы

Химия атмосферы — раздел науки об атмосфере, который исследует химию атмосферы Земли и других планет. Это междисциплинарная область исследований, опирающаяся на химию окружающей среды, физику, метеорологию, компьютерное моделирование, океанографию, геологию, вулканологию и на другие дисциплины. Исследования всё больше связаны с другими областями науки, такими, как климатология.

Состав и химия атмосферы важны по нескольким причинам, но в первую очередь из-за взаимодействия атмосферы с живыми организмами. Состав земной атмосферы изменяется в результате естественных процессов, таких, как вулканические выбросы, молнии и бомбардирование частицами с солнечной короны. Она также изменяется под воздействием человеческой деятельности, и некоторые из этих изменений вредны для человеческого здоровья, растительных культур и экосистем. Примерами проблем, исследуемых химией атмосферы, являются кислотные дожди, разрушение озонового слоя, фотохимический смог, парниковые газы и глобальное потепление. Химики, изучающие атмосферу, пытаются понять причины этих проблем, и, получив о них теоретическое представление, пробуют возможные средства их решения, а также оценивают последствия изменений в правительственной политике.

Состав атмосферы

Примечание: концентрации углекислого газа и метана варьируются в зависимости времени года и местонахождения. Средняя молекулярная масса воздуха равна 28,97 г/моль.

История

Ещё древние греки рассматривали воздух в числе четырёх основных элементов, однако первые научные исследования состава атмосферы начались в XVIII веке. Такие химики, как Джозеф Пристли, Антуан Лавуазье и Генри Кавендиш сделали первые измерения состава атмосферы.

В конце XIX, начале XX веков интерес сдвинулся в сторону следов составляющих, содержащихся в очень маленьких концентрациях. В частности, важным открытием в химии атмосферы было обнаружение озона Кристианом Фридрихом Шёнбейном в 1840 году.

В XX веке химия атмосферы продвинулась от изучения состава атмосферы к рассмотрению изменения концентрации небольших по объёму газов (менее 1 % объёма воздуха) с течением времени и химических процессов, которые создают и уничтожают составляющие воздуха. Двумя особенно важными примерами таких исследований были объяснение Сидни Чепменом и Гордоном Добсоном того, как образуется и сохраняется озоновый слой и объяснение фотохимического смога Арье Жаном Хагеном-Смитом. Дальнейшие исследования вопросов, связанных с озоном, привели к получению Нобелевской Премии по химии в 1995 году Паулем Крутценом, Марио Молином и Фрэнком Шервудом Роуландом за работы по роли газообразных галогеноалканов в истощении озонового слоя Земли.

В XXI веке внимание снова смещается. Химия атмосферы всё больше изучается как одна из наук о Земле. Вместо концентрирования на отдельной химии атмосферы, внимание сейчас сосредоточено на рассмотрении её как части единой системы, состоящей из атмосферы, биосферы и геосферы. Наиболее важным двигателем в этом направлении является связь между химией и климатом, например влияние климата на восстановление озоновых дыр и наоборот. Кроме того, изучается взаимодействие состава атмосферы с океаническими и наземными экосистемами.

Методика

Наблюдение, лабораторные измерения и моделирование являются тремя центральными элементами в химии атмосферы. Прогресс в этой области химии часто приводится в действие взаимодействием между этими компонентами и они формируют общее целое. Например, наблюдения могут рассказать нам, что существует больше химических веществ, чем раньше представлялось возможным. Это приведёт к новым лабораторным измерениям и моделированию, что увеличит наше научное понимание до той точки, в которой наблюдения смогут быть объяснены.

Наблюдение

Наблюдения химии атмосферы являются неотъемлемой частью нашего понимания. Плановые наблюдения химического состава говорят нам об изменениях в составе воздуха с течением времени. Одним из важных примеров служит график Килинга — серия измерений с 1958 года до сегодняшнего дня, которая показывает постоянный рост концентрации углекислого газа. Наблюдения за химией атмосферы проводятся в обсерваториях, например на Мауна-Лоа, а также на передвигающихся платформах, таких, как авиация (например, Учреждение Авиационных Атмосферных Измерений в Соединённом Королевстве), судна и аэростаты. Наблюдения за составом атмосферы с возрастающей частотой проводятся спутниками со специальными инструментами, такими, как GOME и MOPITT, которые дают картину мирового загрязнения и химии воздуха. Наземные наблюдения имеют преимущество, заключающееся в том, что они предоставляют долгосрочные результаты с высоким временным разрешением, но пространство, в котором они могут проводиться, ограничены вертикально и горизонтально. Некоторые наземные инструменты, такие, как Лидар, могут предоставлять информацию о концентрации химических соединений и аэрозолей, но, тем не менее, область их покрытия ограничена горизонтально. Многие наблюдения доступны в интернете в Базах данных Наблюдений Химии Атмосферы.

Лабораторные измерения

Измерения, сделанные в лаборатории, важны для нашего понимания источников загрязнителей и природных соединений. Лабораторные исследования рассказывают нам, какие газы и насколько быстро реагируют друг с другом. Измерения включают в себя реакции в газообразной форме, на поверхности и в воде. Также крайне важна фотохимия, которая считает, как часто молекулы разрушаются солнечным светом и какие продукты образуются в результате этого. Кроме того, важны термодинамические данные, например коэффициенты Закона Генри.

Моделирование

Для того, чтобы создать и проверить теоретическое понимание химии атмосферы используется компьютерное моделирование. Численные модели решают дифференциальные уравнения, описывающие концентрацию химических веществ в атмосфере. Они могут быть как очень простыми, так и очень сложными. Одним из распространенных компромиссов в численных моделях является компромисс между смоделированным числом химических веществ и реакций, произошедших с ними, с одной стороны, и представлением о перемещении и смешивании веществ в атмосфере, с другой. Например, двухмерное моделирование может включать в себя сотни и даже тысячи химических реакций, однако давать очень скудное представление о смешиваний веществ в атмосфере. Напротив, трёхмерные модели дают представление о многих физических процессах в атмосфере, но из-за ограниченности компьютерных ресурсов будут включать в себя значительно меньшее количество химических реакций и веществ. Модели могут быть использованы для интерпретации наблюдений, проверки понимания химических реакций и предсказания концентрации химических веществ в атмосфере в будущем. Важным течением сегодня является становление модулей химии атмосферы частью моделей Земной системы, в которых могут быть исследованы связи между климатом, составом атмосферы и биосферой. Некоторые модели построены с помощью автоматических генераторов кода (например. Autochem и KPP). При таком подходе выбирается набор составляющих и затем автоматический генератор кода выбирает реакции с этими составляющими из набор баз данных реакций. После выбора реакций могут быть автоматически построены обыкновенные дифференциальные уравнения, описывающие время их развития.

См. также

• Химия окружающей среды