Химия атмосферы

Химия атмосферы — раздел науки об атмосфере , изучающий химию атмосферы Земли и других планет. ^{[ 1 ]} Это междисциплинарный подход к исследованиям, основанный на химии окружающей среды , физике , метеорологии , компьютерном моделировании , океанографии , геологии , вулканологии и других дисциплинах. 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 меняется в результате природных процессов, таких как выбросы вулканов , молнии и бомбардировка солнечными частицами короны . Он также изменился в результате деятельности человека, и некоторые из этих изменений вредны для здоровья человека, сельскохозяйственных культур и экосистем. Примеры проблем, которые решаются с помощью химии атмосферы, включают кислотные дожди , разрушение озонового слоя , фотохимический смог , парниковые газы и глобальное потепление . Химики атмосферы стремятся понять причины этих проблем и, получив теоретическое понимание их, позволяют проверить возможные решения и оценить последствия изменений в государственной политике.

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 , N ₂	78.084%	78.084%
Кислород , О ₂^{[ 3 ]}	20.946%	20.946%
Второстепенные компоненты (молярные доли в ppm )
Аргон , Ар	9340	9340
Углекислый газ * ^[а], СО ₂	430	430
Neon , Ne	18.18	18.18
Гелий , Он	5.24	5.24
Метан ^[а], СН ₄	1.9	1.9
Криптон , Кр	1.14	1.14
Водород , H ₂	0.53	0.53
Закись азота , N ₂ O		0.34
Ксенон , Хе		0.087
Диоксид азота , NO ₂		до 0,02
Озон *, O ₃ , летом		до 0,07
Озон *, О ₃ , зимой		до 0,02
Диоксид серы *, SO ₂		до 1
Йод *, I ₂		0.01
Вода
Водяной пар *	Сильно варьирует (около 0–3%); обычно составляет около 1%
Примечания
Средняя молекулярная масса сухого воздуха составляет 28,97 г/моль. *Содержание газа может существенно меняться время от времени или от места к месту. ^[а]Концентрация варьируется в зависимости CO ₂ и CH ₄ от сезона и местоположения.

Состав следовых газов

Помимо более важных компонентов, перечисленных выше, атмосфера Земли также содержит множество видов газовых примесей, которые значительно различаются в зависимости от близлежащих источников и поглотителей. Эти следовые газы могут включать такие соединения, как CFC/HCFC, которые особенно вредны для озонового слоя, и H.
₂ S , который имеет характерный неприятный запах тухлых яиц и может чувствоваться в концентрации всего 0,47 частей на миллиард. некоторые приблизительные Ниже перечислены количества некоторых дополнительных газов у поверхности. Помимо газов, атмосфера содержит частицы в виде аэрозолей , к которым относятся, например, капли, кристаллы льда, бактерии и пыль.

Состав (объемные доли, если не указано иное)
Газ	Чистый континентальный, Сейнфельд и Пандис (2016) ^{[ 4 ]}	Симпсон и др. (2010) ^{[ 5 ]}
Окись углерода , CO	40-200 частей на миллиард ^стр.39	97 частей на миллиард
Оксид азота , НЕТ		16
Этан , C ₂ H ₆		781
Пропан , С ₃ Н ₈		200
Изопрен , С ₅ Н ₈		311
Бензол , С ₆ Н ₆		11
Метанол , CH ₃ OH		1967
Этанол , C ₂ H ₅ OH		75
Трихлорфторметан , CCl ₃ F	237 ^{стр. 41}	252.7
Дихлордифторметан , CCl ₂ F ₂	530 ^{стр. 41}	532.3
Хлорметан , CH ₃ Cl		503
Бромметан , CH ₃ Br	9–10 ^{стр. 44}	7.7
Йодометан , CH ₃ I		0.36
Карбонилсульфид , OCS	510 ^стр.26	413
Диоксид серы , SO ₂	70–200 ^стр.26	102
Сероводород , H ₂ S	15–340 ^стр.26
Сероуглерод , CS ₂	15–45 ^стр.26
Формальдегид , H ₂ CO	9,1 частей на миллиард ^{p37, загрязненный}
Ацетилен , C ₂ H ₂	8,6 частей на миллиард ^{p37, загрязненный}
Этен , C ₂ H ₄	11,2 частей на миллиард ^{p37, загрязненный}	20
Гексафторид серы , SF ₆	7.3 ^{стр. 41}
Четырехфтористый углерод , CF ₄	79 ^{стр. 41}
общая газообразная Ртуть , Hg	0.209 ^стр55

История

Первые научные исследования состава атмосферы начались в 18 веке, когда такие химики, как Джозеф Пристли , Антуан Лавуазье и Генри Кавендиш, провели первые измерения состава атмосферы. ^{[ нужна ссылка ]}

В конце 19 и начале 20 веков интерес сместился в сторону микроэлементов с очень небольшими концентрациями. Одним из особенно важных открытий для химии атмосферы было открытие озона Кристианом Фридрихом Шёнбейном в 1840 году. ^{[ 6 ]}

В XX веке наука об атмосфере перешла от изучения состава воздуха к рассмотрению того, как концентрации малых газов в атмосфере менялись с течением времени, а также химических процессов, которые создают и разрушают соединения в воздухе. Двумя особенно важными примерами этого являются объяснения Сиднея Чепмена и Гордона Добсона того, как создается и поддерживается озоновый слой , а также объяснение фотохимического смога Ари Яна Хааген-Смита . Дальнейшие исследования по вопросам озона привели к Нобелевской премии по химии 1995 года, которую разделили Пол Крутцен , Марио Молина и Фрэнк Шервуд Роуленд . ^{[ 7 ]}

В 21 веке фокус снова смещается. Химию атмосферы все чаще изучают как часть земной системы . Вместо того, чтобы концентрироваться на химии атмосферы изолированно, сейчас основное внимание уделяется рассмотрению ее как части единой системы с остальной атмосферой , 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 . ^{[ нужна ссылка ]}

Углекислый газ в атмосфере Земли составляет половину антропогенных _{CO 2} выбросов ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]} усваиваются не
( НАСА Моделирование ; 9 ноября 2015 г.)

Диоксид азота , 2014 г. – глобальный уровень качества воздуха
(выпущено 14 декабря 2015 г.) ^{[ 10 ]}

Методология

Наблюдения, лабораторные измерения и моделирование — три центральных элемента химии атмосферы. Прогресс в химии атмосферы часто обусловлен взаимодействием между этими компонентами, и они образуют единое целое. Например, наблюдения могут сказать нам, что существует больше химических соединений, чем считалось ранее. Это будет стимулировать новое моделирование и лабораторные исследования, которые повысят наше научное понимание до такой степени, что наблюдения можно будет объяснить. ^{[ нужна ссылка ]}

Наблюдение

Наблюдения за химией атмосферы необходимы для нашего понимания. Регулярные наблюдения за химическим составом говорят нам об изменениях состава атмосферы с течением времени. Одним из важных примеров этого является кривая Килинга – серия измерений с 1958 года по сегодняшний день, которые показывают устойчивый рост концентрации углекислого газа (см. также текущие измерения содержания CO ₂ в атмосфере ). Наблюдения за химией атмосферы проводятся в обсерваториях, например, на Мауна-Лоа , а также на мобильных платформах, таких как самолеты (например, Британская установка для воздушных измерений атмосферы ), корабли и воздушные шары. Наблюдения за составом атмосферы все чаще проводятся со спутников с помощью таких важных инструментов, как GOME и MOPITT, которые дают глобальную картину загрязнения воздуха и химического состава. Преимущество наземных наблюдений заключается в том, что они обеспечивают долгосрочные записи с высоким временным разрешением, но ограничены в вертикальном и горизонтальном пространстве, из которого они обеспечивают наблюдения. Некоторые наземные инструменты, например ЛИДАР может предоставлять профили концентрации химических соединений и аэрозолей, но его возможности по-прежнему ограничены горизонтальной областью, которую они могут охватить. Многие наблюдения доступны в режиме онлайн в базах данных наблюдений за химией атмосферы . ^{[ нужна ссылка ]}

Лабораторные исследования

Измерения, проводимые в лаборатории, необходимы для понимания источников и поглотителей загрязняющих веществ и соединений природного происхождения. Эти эксперименты проводятся в контролируемых средах, что позволяет индивидуально оценить конкретные химические реакции или оценить свойства конкретного компонента атмосферы. ^{[ 11 ]} Типы анализа, представляющие интерес, включают как анализы газофазных реакций, так и гетерогенные реакции, имеющие отношение к образованию и росту аэрозолей . Также большое значение имеет изучение фотохимии атмосферы , которое позволяет количественно определить скорость расщепления молекул под действием солнечного света и какие продукты получаются в результате. Кроме того, термодинамические данные, такие как коэффициенты закона Генри . также можно получить ^{[ нужна ссылка ]}

Моделирование

Чтобы синтезировать и проверить теоретическое понимание химии атмосферы, компьютерные модели (например, модели химического переноса используются ). Численные модели решают дифференциальные уравнения, определяющие концентрацию химических веществ в атмосфере. Они могут быть очень простыми или очень сложными. Одним из распространенных компромиссов в численных моделях является соотношение количества моделируемых химических соединений и химических реакций по сравнению с представлением переноса и смешивания в атмосфере. Например, блочная модель может включать сотни или даже тысячи химических реакций, но будет иметь лишь очень грубое представление о смешивании в атмосфере. Напротив, 3D-модели отражают многие физические процессы в атмосфере, но из-за ограничений компьютерных ресурсов в них будет 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 (имитирующими всю Землю) или региональными (ориентированными только на конкретный регион). Компромиссом между этими двумя подходами является их разрешающая способность, а также количество деталей, которые они могут предоставить; глобальные модели обычно имеют более низкое горизонтальное разрешение и представляют менее сложные химические механизмы, но моделируют большую территорию, 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 текущих тенденций является то, что модули химии атмосферы станут частью моделей земной системы, в которых можно изучать связи между климатом, составом атмосферы и биосферой. Эти типы моделей позволяют объединить различные части Земли, такие как атмосфера, биосфера и гидросфера; позволяя пользователям анализировать сложные взаимодействия между ними.

Некоторые модели создаются автоматическими генераторами кода (например, Autochem или Kinetic PreProcessor ). В этом подходе выбирается набор компонентов, а затем автоматический генератор кода выбирает реакции с участием этих компонентов из набора баз данных реакций. После выбора реакций обыкновенные дифференциальные уравнения можно автоматически построить , описывающие их эволюцию во времени.

См. также

Ссылки

^ «Химия атмосферы - Последние исследования и новости | Природа» . www.nature.com . Проверено 06 октября 2022 г.
^ Кэрнс, Айвер (23 сентября 1999 г.). «Атмосфера Земли» . Сиднейский университет . Проверено 7 апреля 2021 г.
^ Циммер, Карл (3 октября 2013 г.). «Кислород Земли: загадка, которую легко принять как должное» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 3 октября 2013 г.
^ Сейнфельд, Джон; Пандис, Спирос (2016). Химия и физика атмосферы – от загрязнения воздуха до изменения климата, 3-е изд . Хобокен, Нью-Джерси: Уайли . ISBN 9781119221173 .
^ Симпсон, Ай-Джей; Блейк, Нью-Джерси; Барлетта, Б.; Дискин, Г.С.; Фельберг, HE; Горэм, К.; Хьюи, LG; Мейнарди, С.; Роуленд, ФС; Вэй, ЮАР; Вайнхаймер, AJ; Ян, М.; Блейк, доктор медицинских наук (2010). «Характеристика малых газов, измеренных на предприятиях по добыче нефтеносных песков Альберты: 76 летучих органических соединений C ₂ –C ₁₀ (ЛОС), CO ₂ , CH ₄ , CO, NO, NO ₂ , NO, O ₃ и SO ₂ » . Химия и физика атмосферы . 10 (23): 11931–11954. Бибкод : 2010ACP....1011931S . дои : 10.5194/acp-10-11931-2010 . ISSN 1680-7324 . S2CID 62782723 .
^ Шенбейн, К. (1 января 1843 г.). О получении озона химическим путем . Королевское общество Лондона.
^ «Пресс-релиз – Нобелевская премия по химии 1995 года» . Нобелевская премия . Нобелевская премия. 11 октября 1995 г.
^ Сен-Флер, Николас (10 ноября 2015 г.). «Уровень парниковых газов в атмосфере побил рекорд, говорится в докладе» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 11 ноября 2015 г.
^ Риттер, Карл (9 ноября 2015 г.). «Великобритания: Во-первых, средняя глобальная температура может быть на 1 градус Цельсия выше» . АП Новости . Проверено 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 . Проверено 14 декабря 2015 г.
^ Национальные академии наук, техники и медицины (2016 г.). Будущее атмосферных исследований: вспоминая вчера, понимая сегодня, предвидя завтра . Вашингтон, округ Колумбия: Издательство национальных академий. п. 15. ISBN 978-0-309-44565-8 .

Дальнейшее чтение

Брассер, Гай П.; Орландо, Джон Дж.; Тиндалл, Джеффри С. (1999). Химия атмосферы и глобальные изменения . Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-510521-4 .
Финлейсон-Питтс, Барбара Дж.; Питтс, Джеймс Н. младший (2000). Химия верхней и нижней атмосферы . Академическая пресса. ISBN 0-12-257060-X .
Сейнфельд, Джон Х.; Пандис, Спирос Н. (2006). Химия и физика атмосферы: от загрязнения воздуха до изменения климата (2-е изд.). Джон Уайли и сыновья, Inc. ISBN 0-471-82857-2 .
Варнек, Питер (2000). Химия природной атмосферы (2-е изд.). Академическая пресса. ISBN 0-12-735632-0 .
Уэйн, Ричард П. (2000). Химия атмосфер (3-е изд.). Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-850375-X .
СП Ирибарн, Х.Р. Чо, Физика атмосферы , Издательство Д. Рейделя, 1980 г.

Внешние ссылки

Научная оценка ВМО разрушения озона: 2006 г.
IGAC Международный проект по глобальной химии атмосферы
Интервью Пола Круцена - бесплатное видео Пола Крутцена, лауреата Нобелевской премии за его работу по разложению озона, беседующего с нобелевским лауреатом Гарри Крото , Vega Science Trust
Кембриджская база данных по химии атмосферы представляет собой крупную базу данных наблюдений в общем формате.
Наука об окружающей среде опубликована для всех на Земле
Химическая кинетика и фотохимические данные НАСА-Лаборатории реактивного движения для использования в исследованиях атмосферы
Кинетические и фотохимические данные оценены Подкомитетом IUPAC по оценке кинетических данных газа.
Глоссарий по химии атмосферы в Государственном университете Сэма Хьюстона
Тропосферная химия
Калькуляторы для использования в химии атмосферы. Архивировано 9 декабря 2010 г. на Wayback Machine.
Иллюстрированная элементарная оценка состава воздуха

[1] «Химия атмосферы - Последние исследования и новости | Природа» . www.nature.com . Проверено 06 октября 2022 г.

[composition-altitude-2] Кэрнс, Айвер (23 сентября 1999 г.). «Атмосфера Земли» . Сиднейский университет . Проверено 7 апреля 2021 г.

[NYT-20131003-3] Циммер, Карл (3 октября 2013 г.). «Кислород Земли: загадка, которую легко принять как должное» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 3 октября 2013 г.

[4] Сейнфельд, Джон; Пандис, Спирос (2016). Химия и физика атмосферы – от загрязнения воздуха до изменения климата, 3-е изд . Хобокен, Нью-Джерси: Уайли . ISBN 9781119221173 .

[SimpsonBlake2010-5] Симпсон, Ай-Джей; Блейк, Нью-Джерси; Барлетта, Б.; Дискин, Г.С.; Фельберг, HE; Горэм, К.; Хьюи, LG; Мейнарди, С.; Роуленд, ФС; Вэй, ЮАР; Вайнхаймер, AJ; Ян, М.; Блейк, доктор медицинских наук (2010). «Характеристика малых газов, измеренных на предприятиях по добыче нефтеносных песков Альберты: 76 летучих органических соединений C ₂ –C ₁₀ (ЛОС), CO ₂ , CH ₄ , CO, NO, NO ₂ , NO, O ₃ и SO ₂ » . Химия и физика атмосферы . 10 (23): 11931–11954. Бибкод : 2010ACP....1011931S . дои : 10.5194/acp-10-11931-2010 . ISSN 1680-7324 . S2CID 62782723 .

[6] Шенбейн, К. (1 января 1843 г.). О получении озона химическим путем . Королевское общество Лондона.

[NobelPrize1995-7] «Пресс-релиз – Нобелевская премия по химии 1995 года» . Нобелевская премия . Нобелевская премия. 11 октября 1995 г.

[NYT-20151110-8] Сен-Флер, Николас (10 ноября 2015 г.). «Уровень парниковых газов в атмосфере побил рекорд, говорится в докладе» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 11 ноября 2015 г.

[AP-20151109-9] Риттер, Карл (9 ноября 2015 г.). «Великобритания: Во-первых, средняя глобальная температура может быть на 1 градус Цельсия выше» . АП Новости . Проверено 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 . Проверено 14 декабря 2015 г.

[11] Национальные академии наук, техники и медицины (2016 г.). Будущее атмосферных исследований: вспоминая вчера, понимая сегодня, предвидя завтра . Вашингтон, округ Колумбия: Издательство национальных академий. п. 15. ISBN 978-0-309-44565-8 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

v т и Отрасли химии
Glossary of chemical formulae List of biomolecules List of inorganic compounds Periodic table
Analytical	Instrumental chemistry Electroanalytical methods Spectroscopy IR Raman UV-Vis NMR Mass spectrometry EI ICP MALDI Separation process Chromatography GC HPLC Crystallography Characterization Titration Wet chemistry Calorimetry Elemental analysis
Theoretical	Quantum chemistry Computational chemistry Mathematical chemistry Molecular modelling Molecular mechanics Molecular dynamics Molecular geometry VSEPR theory
Physical	Electrochemistry Spectroelectrochemistry Photoelectrochemistry Thermochemistry Chemical thermodynamics Surface science Interface and colloid science Micromeritics Cryochemistry Sonochemistry Structural chemistry Chemical physics Molecular physics Femtochemistry Chemical kinetics Spectroscopy Photochemistry Spin chemistry Microwave chemistry Equilibrium chemistry Mechanochemistry
Inorganic	Coordination chemistry Magnetochemistry Organometallic chemistry Organolanthanide chemistry Cluster chemistry Solid-state chemistry Ceramic chemistry
Organic	Stereochemistry Alkane stereochemistry Physical organic chemistry Organic reactions Organic synthesis Retrosynthetic analysis Enantioselective synthesis Total synthesis / Semisynthesis Fullerene chemistry Polymer chemistry Petrochemistry Dynamic covalent chemistry
Biological	Biochemistry Molecular biology Cell biology Chemical biology Bioorthogonal chemistry Medicinal chemistry Pharmacology Clinical chemistry Neurochemistry Bioorganic chemistry Bioorganometallic chemistry Bioinorganic chemistry Biophysical chemistry
Interdisciplinarity	Nuclear chemistry Radiochemistry Radiation chemistry Actinide chemistry Cosmochemistry / Astrochemistry / Stellar chemistry Geochemistry Biogeochemistry Photogeochemistry Environmental chemistry Atmospheric chemistry Ocean chemistry Clay chemistry Carbochemistry Food chemistry Carbohydrate chemistry Food physical chemistry Agricultural chemistry Soil chemistry Chemistry education Amateur chemistry General chemistry Clandestine chemistry Forensic chemistry Forensic toxicology Post-mortem chemistry Nanochemistry Supramolecular chemistry Chemical synthesis Green chemistry Click chemistry Combinatorial chemistry Biosynthesis Chemical engineering Stoichiometry Materials science Metallurgy Ceramic engineering Polymer science
See also	History of chemistry Nobel Prize in Chemistry Timeline of chemistry of element discoveries "The central science" Chemical reaction Catalysis Chemical element Chemical compound Atom Molecule Ion Chemical substance Chemical bond Alchemy Quantum mechanics
Category Commons Portal WikiProject