Атмосферна химия | химията на земната атмосфера и тази на други планети
Атмосферната химия е дял от науката, в който се изучава химичният състав на атмосферата на Земята и на други планети. Тя е мултидисциплинарна област на изследване и се основава на химията на околната среда, физиката, метеорологията, компютърното моделиране, океанографията, геологията и вулканологията и други дисциплини. Изследванията са свързани с други области на изследване, като например климатологията.
Изучаването на атмосферата включва изучаване на взаимодействията между атмосферата и живите организми. Съставът на земната атмосфера се променя в резултат на естествени процеси, като например вулканични емисии, мълнии и бомбардиране със слънчеви частици от короната на Слънцето. Той се променя и от човешката дейност. Някои от тези промени са вредни за човешкото здраве, селскостопанските култури и екосистемите. Примери за проблеми са киселинните дъждове, изчерпването на озона, фотохимичният смог, парниковите газове и глобалното затопляне. Атмосферните химици изучават причините за тези проблеми. Атмосферните химици предлагат теории за тези проблеми, след което тестват теориите и възможните решения. Атмосферните химици също така отбелязват последиците от промените в правителствената политика.
Атмосферен състав
| Среден състав на сухата атмосфера (молни фракции) | ||
| Газ | по данни на НАСА | |
| Азот, N2 | 78.084% | |
| Кислород, O2 | 20.946% | |
| Аргон, Ar | 0.934% | |
| Незначителни съставки (молни фракции в ppm) | ||
| Въглероден диоксид, CO2 | 383 | |
| Неон, Не | 18.18 | |
| Хелий, He | 5.24 | |
| Метан, CH4 | 1.7 | |
| Криптон, Kr | 1.14 | |
| Водород, H2 | 0.55 | |
| Вода | ||
| Водни пари | Силно променлива; | |
Забележки: концентрацията на CO2 и CH4 варира в зависимост от сезона и местоположението. Средната молекулна маса на въздуха е 28,97 g/mol.
Състав на земната атмосфера. Водните пари не са включени, тъй като те се променят много с течение на времето. Всяко малко кубче (като това, представляващо криптон) има една милионна част от обема на целия блок. Данните са от НАСА Лангли.
Схема на химичните и транспортните процеси, свързани със състава на атмосферата.
История
Древните гърци са смятали въздуха за един от четирите елемента. Първите научни изследвания на състава на атмосферата започват през XVIII век. Химици като Джоузеф Пристли, Антоан Лавоазие и Хенри Кавендиш правят първите измервания на състава на атмосферата.
В края на 19-ти и началото на 20-ти век интересът се насочва към микроелементи с много малки концентрации. Едно от важните открития за атмосферната химия е откриването на озона от Кристиан Фридрих Шьонбайн през 1840 г.
Концентрацията на микроорганизмите в атмосферата се е променяла с течение на времето, както и химичните процеси, които създават и разрушават съединенията във въздуха. Два важни примера за това са обяснението на Сидни Чапман и Гордън Добсън за това как се създава и поддържа озоновият слой и обяснението на фотохимичния смог от Арие Ян Хааген-Смит. По-нататъшните изследвания по въпросите на озона водят до присъждането на Нобелова награда за химия през 1995 г., която се поделя между Пол Кръцен, Марио Молина и Франк Шерууд Роуланд.
През 21-ви век фокусът отново се измества. Химията на атмосферата все повече се изучава като част от системата на Земята. Преди учените се фокусираха върху атмосферната химия изолирано. Сега учените изучават химията на атмосферата като част от единна система с останалите части на атмосферата, биосферата и геосферата. Причина за това са връзките между химията и климата. Например промените в климата и възстановяването на озоновата дупка си влияят взаимно. Също така съставът на атмосферата взаимодейства с океаните и земните екосистеми.
Методология
Наблюденията, лабораторните измервания и моделирането са трите основни елемента в химията на атмосферата. И трите метода се използват заедно. Например наблюденията могат да покажат, че съществува по-голямо количество от дадено химично съединение, отколкото се е смятало досега за възможно. Това ще стимулира нови моделирания и лабораторни изследвания, които ще увеличат научното разбиране до степен, в която наблюденията могат да бъдат обяснени.
Наблюдение
Важни са наблюденията на химичния състав на атмосферата. Учените записват данни за химичния състав на въздуха с течение на времето, за да следят за евентуални промени. Пример за това е кривата на Килинг - поредица от измервания от 1958 г. до днес, които показват постоянно нарастване на концентрацията на въглероден диоксид. Наблюденията на химичния състав на атмосферата се извършват в обсерватории като тази на Мауна Лоа и на мобилни платформи като самолети, кораби и балони. Наблюденията на състава на атмосферата все по-често се извършват от спътници, които дават глобална картина на замърсяването на въздуха и химическия състав. Предимството на наблюденията на повърхността е, че те осигуряват дългосрочни записи с висока резолюция във времето, но предоставят данни от ограничено вертикално и хоризонтално пространство. Някои инструменти, базирани на повърхността, като LIDAR, могат да предоставят профили на концентрацията на химични съединения и аерозоли, но все още са ограничени в хоризонталната област, която покриват. Много наблюдения се обменят онлайн.
Лабораторни измервания
Измерванията, направени в лабораторията, са от съществено значение за разбирането ни на източниците и поглътителите на замърсители и съединения, срещани в природата. Лабораторните изследвания показват кои газове реагират помежду си и колко бързо реагират. Учените измерват реакциите в газовата фаза, върху повърхности и във вода. Учените изследват и фотохимията, която определя количествено колко бързо молекулите се разцепват от слънчевата светлина и какви са продуктите. Учените изучават и термодинамични данни, като например коефициентите по закона на Хенри.
Въпроси и отговори
В: Какво представлява химията на атмосферата?
О: Атмосферната химия е клон на науката, в който се изучава химията на земната атмосфера и тази на други планети. Тя се основава на множество дисциплини, като химия на околната среда, физика, метеорология, компютърно моделиране, океанография, геология и вулканология.
Въпрос: Как изучаването на атмосферата включва изучаването на живите организми?
О: Изследването на химията на атмосферата включва и изучаване на взаимодействието между атмосферата и живите организми.
В: Кои са някои примери за проблеми, причинени от човешката дейност?
О: Примери за проблеми, причинени от човешката дейност, са киселинните дъждове, изчерпването на озоновия слой, фотохимичният смог, парниковите газове и глобалното затопляне.
В: Какво правят химиците, занимаващи се с атмосферата, за да се справят с тези проблеми?
О: Атмосферните химици предлагат теории за тези проблеми, след което ги проверяват за възможни решения. Те също така отбелязват последиците от промените в правителствената политика, свързани с тези проблеми.
В: Как се променя съставът на земната атмосфера по естествен път?
О: Съставът на земната атмосфера се променя в резултат на естествени процеси, като например емисии от вулкани, мълнии и бомбардиране със слънчеви частици от короната на Слънцето.
