Химия атмосферы

Раздел атмосферной науки, в котором изучается химия атмосферы.

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.

Состав атмосферы

Средний состав сухой атмосферы ( мольные доли )
Газ	Сухой воздух по данным НАСА	Сухой чистый воздух вблизи уровня моря (стандарт ISO 2533 - 1975)
Азот , _N2	78.084%	78.084%
Кислород , O2 _[^3]	20.946%	20.946%
Второстепенные компоненты (мольные доли в ppm )
Аргон , Ar	9340	9340
Углекислый газ * ^[а] , CO ₂	430	430
Неон , Неон	18.18	18.18
Гелий , Он	5.24	5.24
Метан ^[а] , CH ₄	1.9	1.9
Криптон , Кр	1.14	1.14
Водород , _H2	0,53	0,53
Закись азота , N ₂ O		0,34
Ксенон , Xe		0,087
Диоксид азота , _NO2		до 0,02
Озон *, O ₃ , летом		до 0,07
Озон *, O ₃ , зимой		до 0,02
Диоксид серы *, SO ₂		до 1
Йод *, I ₂		0,01
Вода
Водяной пар *	Очень изменчивый (около 0–3%); обычно составляет около 1%
Примечания
Средняя молекулярная масса сухого воздуха составляет 28,97 г/моль. *Содержание газа может значительно меняться время от времени или от места к месту. ^[a] Концентрация CO ₂ и CH _{4 меняется в}зависимости от сезона и местоположения.

Состав микропримесей газа

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 H
₂S , 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.

Состав (ppt по объему, если не указано иное)
Газ	Чистый континентальный, Seinfeld & Pandis (2016) ^[4]	Симпсон и др. (2010) ^[5]
Окись углерода , CO	40-200 ppb ^p39	97 частей на миллиард
Оксид азота , NO		16
Этан , _C2H6		781
Пропан , _C3H8		200
Изопрен , _C5H8		311
Бензол , _C6H6		11
Метанол , _CH3OH		1967
Этанол , _C2H5OH		75
Трихлорфторметан , _CCl3F	237 ^стр.41	252.7
Дихлордифторметан , CCl ₂ F ₂	530 ^стр.41	532.3
Хлорметан , _CH3Cl		503
Бромметан , _CH3Br	9–10 ^стр.44	7.7
Йодометан , _CH3I		0,36
Карбонилсульфид , OCS	510 ^стр.26	413
Диоксид серы , _SO2	70–200 ^стр26	102
Сероводород , _H2S	15–340 ^стр.26
Сероуглерод , _CS2	15–45 ^стр.26
Формальдегид , _H2CO	9,1 ppb ^{p37, загрязненный}
Ацетилен , _C2H2	8,6 ppb ^{p37, загрязненный}
Этилен , _C2H4	11,2 ppb ^{p37, загрязненный}	20
Гексафторид серы , _SF6	7.3 ^стр.41
Тетрафторид углерода , _CF4	79 ^стр.41
Общая газообразная ртуть , Hg	0,209 ^стр55

История

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 ]}

Методология

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 ]}

Наблюдение

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 ]}

Лабораторные исследования

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 ]}

Моделирование

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.

Смотрите также

Ссылки

^ "Атмосферная химия - Последние исследования и новости | Nature". www.nature.com . Получено 2022-10-06 .
↑ Cairns, Iver (23 сентября 1999 г.). «Атмосфера Земли». Сиднейский университет . Получено 7 апреля 2021 г.
^ Циммер, Карл (3 октября 2013 г.). «Кислород Земли: тайна, которую легко принять за данность». The New York Times . Получено 3 октября 2013 г.
^ Seinfeld, John; Pandis, Spyros (2016). Атмосферная химия и физика — от загрязнения воздуха до изменения климата, 3-е изд . Хобокен, Нью-Джерси: Wiley . ISBN 9781119221173.
^ Симпсон, И. Дж.; Блейк, Н. Дж.; Барлетта, Б.; Дискин, Г. С.; Фюэлберг, Х. Э.; Горхэм, К.; Хьюи, Л. Г.; Мейнарди, С.; Роуленд, Ф. С.; Вэй, С. А.; Вайнхаймер, А. Дж.; Янг, М.; Блейк, Д. Р. (2010). «Характеристика следовых газов, измеренных при добыче нефти из нефтяных песков в Альберте: 76 видов летучих органических соединений (ЛОС) C2–C10, CO2, CH4, CO, NO, NO2, NO, O3 и SO2». Атмосферная химия и физика . 10 (23): 11931–11954. Bibcode : 2010ACP....1011931S. doi : 10.5194/acp-10-11931-2010 . ISSN 1680-7324. S2CID 62782723.
^ Шенбейн, К. (1843-01-01). О производстве озона химическим путем. Королевское общество Лондона.
^ "Пресс-релиз - Нобелевская премия по химии 1995 года". Нобелевская премия . Nobel Prize Org. 11 октября 1995 г.
^ Сент-Флер, Николас (10 ноября 2015 г.). «Уровень парниковых газов в атмосфере достиг рекорда, говорится в отчете». The New York Times . Получено 11 ноября 2015 г.
^ Риттер, Карл (9 ноября 2015 г.). «Великобритания: в 1-м году средняя глобальная температура может быть на 1 градус Цельсия выше». AP News . Получено 11 ноября 2015 г.
^ Коул, Стив; Грей, Эллен (14 декабря 2015 г.). «Новые спутниковые карты НАСА показывают влияние человека на качество воздуха в мире». НАСА . Получено 14 декабря 2015 г. .
^ Национальные академии наук, инженерии и медицины (2016). Будущее атмосферных исследований: вспоминая вчера, понимая сегодня, предвосхищая завтра . Вашингтон, округ Колумбия: The National Academies Press. стр. 15. ISBN 978-0-309-44565-8.

Дальнейшее чтение

Брассер, Гай П.; Орландо, Джон Дж.; Тиндаль, Джеффри С. (1999). Атмосферная химия и глобальные изменения . Oxford University Press. ISBN 0-19-510521-4 .
Финлейсон-Питтс, Барбара Дж.; Питтс, Джеймс Н., младший (2000). Химия верхней и нижней атмосферы . Academic Press. ISBN 0-12-257060-X .
Сайнфелд, Джон Х.; Пандис, Спирос Н. (2006). Атмосферная химия и физика: от загрязнения воздуха до изменения климата (2-е изд.). John Wiley and Sons, Inc. ISBN 0-471-82857-2 .
Уорнек, Питер (2000). Химия естественной атмосферы (2-е изд.). Academic Press. ISBN 0-12-735632-0 .
Уэйн, Ричард П. (2000). Химия атмосфер (3-е изд.). Oxford University Press. ISBN 0-19-850375-X .
Дж. В. Ирибарн, Х. Р. Чо, Физика атмосферы , издательство D. Reidel, 1980 г.

Внешние ссылки

Научная оценка ВМО истощения озонового слоя: 2006 г.
IGAC Международный проект по изучению глобальной химии атмосферы
Интервью с Полом Крутценом - бесплатное видео Пола Крутцена, лауреата Нобелевской премии за его работу по разложению озона, беседующего с лауреатом Нобелевской премии Гарри Крото , Vega Science Trust
Кембриджская база данных по химии атмосферы представляет собой крупную базу данных наблюдений в общепринятом формате.
Экологическая наука опубликована для всех на Земле
Химическая кинетика и фотохимические данные NASA-JPL для использования в атмосферных исследованиях
Кинетические и фотохимические данные, оцененные Подкомитетом ИЮПАК по оценке газокинетических данных
Глоссарий по химии атмосферы в Университете штата Сэм Хьюстон
Химия тропосферы
Калькуляторы для использования в атмосферной химии Архивировано 2010-12-09 на Wayback Machine
Иллюстрированная элементарная оценка состава воздуха

[1] "Атмосферная химия - Последние исследования и новости | Nature". www.nature.com . Получено 2022-10-06 .

[composition-altitude-2] Cairns, Iver (23 сентября 1999 г.). «Атмосфера Земли». Сиднейский университет . Получено 7 апреля 2021 г.

[NYT-20131003-3] Циммер, Карл (3 октября 2013 г.). «Кислород Земли: тайна, которую легко принять за данность». The New York Times . Получено 3 октября 2013 г.

[4] Seinfeld, John; Pandis, Spyros (2016). Атмосферная химия и физика — от загрязнения воздуха до изменения климата, 3-е изд . Хобокен, Нью-Джерси: Wiley . ISBN 9781119221173.

[SimpsonBlake2010-5] Симпсон, И. Дж.; Блейк, Н. Дж.; Барлетта, Б.; Дискин, Г. С.; Фюэлберг, Х. Э.; Горхэм, К.; Хьюи, Л. Г.; Мейнарди, С.; Роуленд, Ф. С.; Вэй, С. А.; Вайнхаймер, А. Дж.; Янг, М.; Блейк, Д. Р. (2010). «Характеристика следовых газов, измеренных при добыче нефти из нефтяных песков в Альберте: 76 видов летучих органических соединений (ЛОС) C2–C10, CO2, CH4, CO, NO, NO2, NO, O3 и SO2». Атмосферная химия и физика . 10 (23): 11931–11954. Bibcode : 2010ACP....1011931S. doi : 10.5194/acp-10-11931-2010 . ISSN 1680-7324. S2CID 62782723.

[6] Шенбейн, К. (1843-01-01). О производстве озона химическим путем. Королевское общество Лондона.

[NobelPrize1995-7] "Пресс-релиз - Нобелевская премия по химии 1995 года". Нобелевская премия . Nobel Prize Org. 11 октября 1995 г.

[NYT-20151110-8] Сент-Флер, Николас (10 ноября 2015 г.). «Уровень парниковых газов в атмосфере достиг рекорда, говорится в отчете». The New York Times . Получено 11 ноября 2015 г.

[AP-20151109-9] Риттер, Карл (9 ноября 2015 г.). «Великобритания: в 1-м году средняя глобальная температура может быть на 1 градус Цельсия выше». AP News . Получено 11 ноября 2015 г.

[NASA-20151214-10] Коул, Стив; Грей, Эллен (14 декабря 2015 г.). «Новые спутниковые карты НАСА показывают влияние человека на качество воздуха в мире». НАСА . Получено 14 декабря 2015 г. .

[11] Национальные академии наук, инженерии и медицины (2016). Будущее атмосферных исследований: вспоминая вчера, понимая сегодня, предвосхищая завтра . Вашингтон, округ Колумбия: The National Academies Press. стр. 15. ISBN 978-0-309-44565-8.