Атмосферна химия — състав, процеси и въздействие върху климата и здравето
Атмосферна химия: разбиране на състава, процесите и влиянието върху климата и здравето — причини, рискове и решения за замърсяване, озон и парникови газове.
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.
Основни компоненти и слоеве
Атмосферата се състои предимно от азот и кислород, но дори в малки концентрации други газове играят голяма роля за климата и химичните процеси. Ключови компоненти включват:
- Парникови газове — въглероден диоксид (CO2), метан (CH4), оксид азот (N2O) и флуорирани газове, които задържат топлина и влияят върху глобалното затопляне.
- Озон — в стратосферата то предпазва от ултравиолетови лъчи; в тропосферата е вреден замърсител, участващ във фотохимичния смог.
- Аерозоли и прахови частици — влияят на качеството на въздуха, вижимостта и могат да охлаждат или затоплят атмосферата в зависимост от своя състав.
- Реактивни радикали — например OH-радикалите, които „почистват“ атмосферата, като разграждат замърсители.
Ключови химични процеси
В атмосферата протичат многобройни химични реакции. Някои от най-важните са:
- Фотохимични реакции — разграждане и образуване на газове под влияние на слънчевата светлина (например образуване на озон в тропосферата чрез реакции на азотни оксиди и летливи органични съединения).
- Окисление — реакциите с OH-радикали, озон и други окислители определят сроковете на живот на замърсителите.
- Кондензация и образуване на аерозоли — газовете могат да се преобразуват в частички, които влияят на климатичните процеси и здравето.
- Дългосрочни цикли — взаимодействия между атмосферата, хидросферата и литосферата (напр. въглероден цикъл, азотен цикъл).
Източници на емисии
Емисии в атмосферата идват от природни и човешки източници:
- Естествени — вулканични изригвания (вулканични емисии), биогенни емисии от растения, мълнии (мълнии) и космическо въздействие (короната на Слънцето).
- Антропогенни — изгаряне на изкопаеми горива, промишлени процеси, земеделие, транспорт и горене на биомаса. Тези дейности водят до повишаване на концентрациите на парникови газове, а също и на замърсители, причиняващи смога и киселинните дъждове.
Въздействие върху климата, здравето и екосистемите
Промените в химичния състав на атмосферата имат многопластови последици:
- Климатични ефекти — увеличените емисии на парникови газове водят до затопляне, промени в моделите на валежите, стопяване на ледниците и повишаване на морското равнище.
- Здраве — фините прахови частици (PM2.5), озонът в приземния слой и други замърсители увеличават риска от респираторни и сърдечно-съдови заболявания и преждевременна смъртност.
- Екосистеми и земеделие — киселинните дъждове увреждат почвите и водните басейни; озоновото замърсяване намалява добивите на културите и уврежда растителността.
- Озоновия слой — специфични химични съединения (напр. хлорофлуоро-углеводороди) водеха до изчерпването на озона, което има ефекти върху здравето и екосистемите; международни политики успяха да намалят този проблем (напр. Монреалски протокол).
Наблюдение и моделиране
Атмосферните химични процеси се изучават чрез комбинация от полеви измервания, лабораторни експерименти и модели:
- Методи за наблюдение — наземни станции, мобилни платформи, балони, самолети и спътници дават данни за концентрации, вертикални профили и пространствено разпределение на замърсителите.
- Лабораторни изследвания — позволяват определяне на кинетиката на реакции и свойствата на аерозолите.
- Модели — от опростени „box“ модели до подробни химически транспортни модели и глобални климатични модели, които прогнозират разпространение и въздействие на емисиите и предлагат сценарии за бъдещето.
Управление, смекчаване и политики
Разбирането на атмосферната химия е основа за мерки за подобряване на качеството на въздуха и забавяне на климатичните промени. Примери за подходи:
- Намаляване на емисиите чрез чисти технологии, енергийна ефективност и преминаване към възобновяеми енергийни източници.
- Регулации и международни споразумения (напр. ограничаване на флуорирани газове, правила за емисии от транспорт и индустрия).
- Градско планиране и управление на транспорта за намаляване на излагането на населението на замърсяване.
- Мониторинг и ранни предупреждения за епизоди със силно замърсяване, за да се предпазят уязвими групи.
Бъдещи предизвикателства и изследователски приоритети
Сред важните теми за бъдещи изследвания са взаимодействията между аерозолите и облаците, точните роли на биогенните емисии в смога, неочакваните ефекти от климатичните промени върху химията на атмосферата и подобряване на моделирането на краткосрочни и дългосрочни процеси. Ефективната комуникация между учени, политици и общественост е ключова за прилагане на решения, които защитават здравето и климата.
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.
обискирам