Chimia atmosferică [1] este o ramură a științei atmosferice care studiază chimia atmosferei Pământului și a altor planete. Este un domeniu de studiu interdisciplinar bazat pe chimia mediului , fizică , meteorologie , modelare computerizată , oceanografie , geologie , vulcanologie și alte discipline. Cercetarea este din ce în ce mai legată de alte domenii ale științei, cum ar fi climatologia .
Compoziția și chimia atmosferei este importantă din mai multe motive, dar în primul rând datorită interacțiunii atmosferei cu organismele vii. Compoziția atmosferei pământului se modifică ca urmare a proceselor naturale, cum ar fi erupțiile vulcanice , fulgerele și bombardarea cu particule din coroana solară . De asemenea, este modificată de activitățile umane, iar unele dintre aceste schimbări sunt dăunătoare sănătății umane, culturilor și ecosistemelor. Exemple de probleme investigate de chimia atmosferică sunt ploile acide , epuizarea stratului de ozon , smogul fotochimic , gazele cu efect de seră și încălzirea globală . Chimiștii atmosferici încearcă să înțeleagă cauzele acestor probleme și, după ce au dobândit o înțelegere teoretică a acestora, încearcă posibile mijloace de rezolvare a acestora, precum și evaluează consecințele schimbărilor în politica guvernamentală.
| Compoziția medie a aerului uscat ( fracție molară ) | ||
|---|---|---|
| Gaz | conform NASA | |
| Azot , N2 | 78,084% | |
| Oxigen , O2 | 20,946% | |
| Argon , Ar | 0,934% | |
| Constituenți minori (fracție molară în ppm ) | ||
| Dioxid de carbon , CO2 | 383 | |
| Neon , Ne | 18.18 | |
| Heliu , El | 5.24 | |
| Metan , CH4 | 1.7 | |
| Krypton , Kr | 1.14 | |
| Hidrogen , H2 | 0,55 | |
| Apă | ||
| vapor de apă | Diferă în mare măsură; de obicei în jur de 1% | |
Notă: Concentrațiile de dioxid de carbon și metan variază în funcție de sezon și locație. Greutatea moleculară medie a aerului este de 28,97 g/mol.
Chiar și grecii antici considerau aerul printre cele patru elemente principale, dar primele studii științifice ale compoziției atmosferei au început în secolul al XVIII-lea. Chimiști precum Joseph Priestley , Antoine Lavoisier și Henry Cavendish au făcut primele măsurători ale compoziției atmosferei.
La sfârșitul secolului al XIX-lea și începutul secolului al XX-lea, interesul s-a deplasat către urme de constituenți conținute în concentrații foarte mici. În special, o descoperire importantă în chimia atmosferică a fost descoperirea ozonului de către Christian Friedrich Schönbein în 1840.
În secolul al XX-lea, chimia atmosferică a trecut de la studierea compoziției atmosferei la luarea în considerare a modificării concentrației gazelor mici (mai puțin de 1% din volumul aerului) în timp și a proceselor chimice care creează și distrug constituenții aerului. Două exemple deosebit de importante de astfel de cercetări au fost explicația lui Sidney Chapman și Gordon Dobson despre modul în care se formează și menține stratul de ozon și explicația lui Arye Jean Hagen-Smith despre smogul fotochimic . Cercetările ulterioare asupra problemelor legate de ozon au dus la Premiul Nobel pentru Chimie în 1995 pentru Paul Crutzen , Mario Molin și Frank Sherwood Rowland pentru munca lor privind rolul haloalcanilor gazoși în epuizarea stratului de ozon al Pământului [2] .
În secolul 21, atenția se schimbă din nou. Chimia atmosferică este din ce în ce mai studiată ca una dintre științele Pământului. În loc să se concentreze pe chimia separată a atmosferei, atenția este acum concentrată asupra considerării acesteia ca parte a unui sistem unic format din atmosferă , biosferă și geosferă . Cel mai important factor în această direcție este relația dintre chimie și climă, cum ar fi efectul climei asupra recuperării găurilor de ozon și invers. În plus, se studiază interacțiunea compoziției atmosferice cu ecosistemele oceanice și terestre.
Observația, măsurătorile de laborator și modelarea sunt cele trei elemente centrale în chimia atmosferică. Progresul în acest domeniu al chimiei este adesea determinat de interacțiunea dintre aceste componente și formează un întreg. De exemplu, observațiile ne pot spune că există mai multe substanțe chimice decât se credea posibil. Acest lucru va duce la noi măsurători și simulări de laborator care vor crește înțelegerea noastră științifică până la punctul în care observațiile pot fi explicate.
Observațiile de chimie atmosferică sunt parte integrantă a înțelegerii noastre. Observațiile de rutină ale compoziției chimice ne vorbesc despre schimbările în compoziția aerului în timp. Un exemplu important este diagrama Keeling , o serie de măsurători din 1958 până în prezent, care arată o creștere constantă a concentrației de dioxid de carbon. Observațiile de chimie atmosferică sunt efectuate la observatoare precum Mauna Loa , precum și pe platforme mobile precum aeronave (de exemplu, Airborne Atmospheric Measurement Institute din Regatul Unit ), nave și baloane. Observațiile compoziției atmosferice sunt făcute cu o frecvență crescândă de către sateliți cu instrumente dedicate, cum ar fi GOME și MOPITT , care oferă o imagine a poluării și a chimiei aerului din lume. Observațiile la sol au avantajul de a oferi rezultate pe termen lung cu rezoluție temporală mare, dar spațiul în care pot fi realizate este limitat pe verticală și pe orizontală. Unele instrumente de la sol, cum ar fi Lidar , pot furniza informații despre concentrația de compuși chimici și aerosoli, dar, cu toate acestea, aria lor de acoperire este limitată pe orizontală. Multe dintre observații sunt disponibile online în Bazele de date observaționale ale chimiei atmosferice .
Măsurătorile efectuate în laborator sunt importante pentru înțelegerea noastră a surselor de poluanți și compuși naturali. Studiile de laborator ne spun ce gaze reacţionează între ele şi cât de repede. Măsurătorile includ reacții în formă gazoasă, la suprafață și în apă. De asemenea, extrem de importantă este fotochimia , care ia în considerare cât de des moleculele sunt descompuse de lumina soarelui și ce produse se formează ca urmare a acesteia. În plus, datele termodinamice sunt importante, cum ar fi coeficienții Legii lui Henry .
Pentru a crea și a testa o înțelegere teoretică a chimiei atmosferice, sunt utilizate simulări pe computer . Modelele numerice rezolvă ecuații diferențiale care descriu concentrația de substanțe chimice în atmosferă. Ele pot fi foarte simple sau foarte complexe. Unul dintre compromisurile comune în modelele numerice este compromisul dintre numărul simulat de substanțe chimice și reacțiile care au avut loc cu acestea, pe de o parte, și ideea de mișcare și amestecare a substanțelor în atmosferă. , pe de altă parte. De exemplu, simulările 2D pot include sute sau chiar mii de reacții chimice, dar oferă foarte puține informații despre amestecarea substanțelor în atmosferă. Dimpotrivă, modelele tridimensionale oferă o perspectivă asupra multor procese fizice din atmosferă, dar din cauza resurselor informatice limitate, ele vor include un număr mult mai mic de reacții chimice și substanțe. Modelele pot fi folosite pentru a interpreta observațiile, a testa înțelegerea reacțiilor chimice și pentru a prezice viitoarele concentrații atmosferice de substanțe chimice. O tendință importantă astăzi este dezvoltarea modulelor de chimie atmosferică ca parte a modelelor sistemului Pământului în care pot fi explorate relațiile dintre climă , compoziția atmosferei și biosferă. Unele modele sunt construite cu generatoare automate de cod (ex . Autochem și KPP ). Cu această abordare, un set de constituenți este selectat și apoi un generator de cod automat selectează reacțiile cu acești constituenți dintr-un set de baze de date de reacții. După selectarea reacțiilor, se pot construi automat ecuații diferențiale obișnuite care descriu timpul dezvoltării lor.
| științe atmosferice | |
|---|---|