Atmosférická chemie - Atmospheric chemistry
Fyzikální atmosféra |
Meteorologie |
---|
Počasí (kategorie) · (portál) |
Klimatologie |
Podnebí (kategorie) |
Glosáře |
Glosář meteorologie · Glosář výrazů tropického cyklónu · Glosář termínů tornáda · Glosář změny klimatu |
Atmosférická chemie je pobočkou věda o atmosféře ve kterém chemie z Atmosféra Země a je studována planeta jiných planet. Je to multidisciplinární přístup výzkumu a čerpá z chemie životního prostředí, fyzika, meteorologie, počítačové modelování, oceánografie, geologie a vulkanologie a další disciplíny. Výzkum je stále více spojován s dalšími oblastmi studia, jako je např klimatologie.
Složení a chemie zemské atmosféry je důležité z několika důvodů, ale především kvůli interakcím mezi atmosférou a žijící organismy. Složení zemské atmosféry se mění v důsledku přírodních procesů, jako je sopka emise, Blesk a bombardování slunečními částicemi z korona. Také to bylo změněno lidskou činností a některé z těchto změn jsou škodlivé pro lidské zdraví, plodiny a ekosystémy. Mezi příklady problémů, které byly řešeny atmosférickou chemií, patří kyselý déšť, poškozování ozonové vrstvy, fotochemický smog, skleníkové plyny a globální oteplování. Chemici v atmosféře se snaží porozumět příčinám těchto problémů a získáním jejich teoretického porozumění umožňují otestovat možná řešení a vyhodnotit dopady změn vládní politiky.
Atmosférické složení
Průměrné složení suché atmosféry (molární zlomky ) | ||
---|---|---|
Plyn | za NASA | |
Dusík, N2 | 78.084% | |
Kyslík, O2[1] | 20.946% | |
Menší složky (molární frakce v ppm ) | ||
Argon, Ar | 9340 | |
Oxid uhličitý, CO2 | 400 | |
Neon, Ne | 18.18 | |
Hélium, On | 5.24 | |
Metan, CH4 | 1.7 | |
Krypton, Kr | 1.14 | |
Vodík, H2 | 0.55 | |
Oxid dusičitý, N2Ó | 0.5 | |
Xenon, Xe | 0.09 | |
Oxid dusičitý, NE2 | 0.02 | |
Voda | ||
Vodní pára | Vysoce variabilní; obvykle tvoří asi 1% |
Poznámky: koncentrace CO2 a CH4 se liší podle sezóny a umístění. Průměrná molekulová hmotnost vzduchu je 28,97 g / mol. Ozón (Ó3) není zahrnut kvůli jeho vysoké variabilitě.
složení suchého čistého vzduchu blízko hladiny moře podle normy ISO 2533 - 1975 | |
---|---|
Plyn | Obsah svazku % |
Dusík, N2 | 78.084 |
Kyslík, O2 | 20.9476 |
Argon, Ar | 0.934 |
Oxid uhličitý, CO2 | 0.0314 * |
Neon, Ne | 1.818×10−3 |
Hélium, On | 524×10−6 |
Krypton, Kr | 114×10−6 |
Xenon, Xe | 8.7×10−6 |
Vodík, H2 | 50×10−6 |
Oxid dusičitý, N2Ó | 50×10−6 |
Metan, CH4 | 0.2×10−3 |
Ozón, O3, v létě | až do 7.0×10−6 * |
Ozón, O3, v zimě | až do 2.0×10−6 * |
Kysličník siřičitý, TAK2 | až do 0.1×10−3 * |
Oxid dusičitý, NE2 | až do 2.0×10−6 * |
Jód, Já2 | 1.0×10−6* |
* Obsah plynu se může čas od času nebo z místa na místo podstatně měnit. |
Dějiny
Prastarý Řekové považoval vzduch za jeden z čtyři prvky. První vědecké studie složení atmosféry začaly v 18. století, kdy chemici jako např Joseph Priestley, Antoine Lavoisier a Henry Cavendish provedl první měření složení atmosféry.
Na konci 19. a na počátku 20. století se zájem posunul směrem k stopovým složkám s velmi malými koncentracemi. Jedním zvláště důležitým objevem pro chemii atmosféry byl objev ozón podle Christian Friedrich Schönbein v roce 1840.
Ve 20. století se věda o atmosféře posunula od studia složení vzduchu k úvahám o tom, jak se v průběhu času měnily koncentrace stopových plynů v atmosféře, a o chemických procesech, které vytvářejí a ničí sloučeniny ve vzduchu. Dva obzvláště důležité příklady toho bylo vysvětlení Sydney Chapman a Gordon Dobson jak ozónová vrstva je vytvořen a udržován a vysvětlení fotochemický smog podle Arie Jan Haagen-Smit. Další studie o problémech s ozonem vedly k udílení Nobelovy ceny za chemii v roce 1995 Paul Crutzen, Mario Molina a Frank Sherwood Rowland.[2]
V 21. století se nyní pozornost znovu přesouvá. Atmosférická chemie je stále častěji studována jako jedna součást Země systém. Místo toho, abychom se soustředili na chemii atmosféry izolovaně, se nyní soustředíme na to, abychom ji viděli jako jednu část jediného systému se zbytkem atmosféra, biosféra a geosféra. Obzvláště důležitým faktorem pro to jsou vazby mezi chemií a klima jako jsou účinky měnícího se podnebí na obnovu ozonové díry a naopak, ale také interakce složení atmosféry s oceány a suchozemskými ekosystémy.
Metodologie
Pozorování, laboratorní měření a modelování jsou tři hlavní prvky v atmosférické chemii. Pokrok v chemii atmosféry je často řízen interakcemi mezi těmito složkami a tvoří integrovaný celek. Například pozorování nám mohou říci, že existuje více chemických sloučenin, než se dříve myslelo. To bude stimulovat nové modelování a laboratorní studie, které zvýší naše vědecké porozumění do bodu, kdy lze pozorování vysvětlit.
Pozorování
Pozorování atmosférické chemie jsou pro naše pochopení zásadní. Rutinní pozorování chemického složení nám říkají o změnách v atmosférickém složení v čase. Jedním z důležitých příkladů je Keelingova křivka - série měření od roku 1958 do současnosti, která ukazují stálý nárůst koncentrace oxid uhličitý (viz také probíhající měření atmosférického CO2 ). Pozorování atmosférické chemie se provádějí v observatořích, jako je např Mauna Loa a na mobilních platformách, jako jsou letadla (např. ve Velké Británii Zařízení pro vzdušná měření atmosféry ), lodě a balóny. Pozorování složení atmosféry stále častěji provádí satelity s důležitými nástroji jako např GOME a MOPITT poskytuje globální obrázek o znečištění ovzduší a chemii. Pozorování povrchu mají tu výhodu, že poskytují dlouhodobé záznamy s vysokým časovým rozlišením, ale jsou omezeny ve vertikálním a horizontálním prostoru, ze kterého poskytují pozorování. Některé povrchové nástroje, např. LIDAR mohou poskytnout profily koncentrace chemických sloučenin a aerosolu, ale jsou stále omezeny v horizontální oblasti, kterou mohou pokrýt. Mnoho pozorování je k dispozici online Pozorovací databáze atmosférické chemie.
Laboratorní studie
Měření provedená v laboratoři jsou nezbytná pro naše pochopení zdrojů a propadů znečišťujících látek a přirozeně se vyskytujících sloučenin. Tyto experimenty se provádějí v kontrolovaných prostředích, která umožňují individuální hodnocení konkrétních chemických reakcí nebo hodnocení vlastností konkrétní atmosférické složky.[6] Mezi typy analýzy, které jsou zajímavé, patří jak analýzy plynných fází, tak i heterogenní reakce, které jsou relevantní pro vznik a růst aerosoly. Velmi důležitá je také studie atmosférické fotochemie který kvantifikuje, jak rychle se molekuly rozdělí slunečním světlem a jaké jsou výsledné produkty. Navíc, termodynamické údaje jako Henryho zákon lze také získat koeficienty.
Modelování
Aby bylo možné syntetizovat a otestovat teoretické znalosti chemie atmosféry, počítačové modely (např chemické transportní modely ) Jsou používány. Numerické modely řeší diferenciální rovnice, jimiž se řídí koncentrace chemických látek v atmosféře. Mohou být velmi jednoduché nebo velmi komplikované. Jeden obyčejný kompromis v numerických modelech je mezi počtem chemických sloučenin a chemickými reakcemi modelovanými oproti zastoupení transportu a míchání v atmosféře. Například krabicový model může zahrnovat stovky nebo dokonce tisíce chemických reakcí, ale bude mít pouze velmi hrubé znázornění míchání v atmosféře. Naproti tomu 3D modely představují mnoho fyzikálních procesů v atmosféře, ale kvůli omezením počítačových zdrojů budou mít mnohem méně chemických reakcí a sloučenin. Modely lze použít k interpretaci pozorování, testování porozumění chemickým reakcím a předpovědi budoucích koncentrací chemických sloučenin v atmosféře. Jedním důležitým současným trendem je, aby se moduly atmosférické chemie staly součástí modelů zemských systémů, ve kterých lze studovat vazby mezi podnebím, složením atmosféry a biosférou.
Některé modely jsou konstruovány automatickými generátory kódu (např. Autochem nebo Kinetický předprocesor ). V tomto přístupu je vybrána sada složek a automatický generátor kódu poté vybere reakce zahrnující tyto složky ze sady databází reakcí. Jakmile byly reakce vybrány, obyčejné diferenciální rovnice které popisují jejich časový vývoj, lze automaticky sestavit.
Viz také
Část série na |
Počasí |
---|
Počasí portál |
- Kyslíkový cyklus
- Ozon-kyslíkový cyklus
- Paleoklimatologie
- Vědecké hodnocení poškozování ozonu
- Události vyčerpání troposférického ozónu
Reference
- ^ Zimmer, Carle (3. října 2013). „Earth's Oxygen: A Mystery Easy to Take for Granted“. The New York Times. Citováno 3. října 2013.
- ^ „Tisková zpráva - Nobelova cena za chemii za rok 1995“. Nobelova cena. Nobelova cena org. 11. října 1995.
- ^ St. Fleur, Nicholas (10. listopadu 2015). „Úrovně atmosférických skleníkových plynů dosáhly rekordu, říká zpráva“. The New York Times. Citováno 11. listopadu 2015.
- ^ Ritter, Karl (9. listopadu 2015). „UK: Za první, průměrná teplota může být o 1 stupeň C vyšší“. Zprávy AP. Citováno 11. listopadu 2015.
- ^ Cole, Steve; Gray, Ellen (14. prosince 2015). „Nové satelitní mapy NASA ukazují lidský otisk prstu na globální kvalitě ovzduší“. NASA. Citováno 14. prosince 2015.
- ^ Národní akademie věd, inženýrství a medicíny (2016). Budoucnost výzkumu atmosféry: Vzpomínka na včerejšek, porozumění dnešku, předvídání zítřka. Washington, DC: Národní akademie Press. str. 15. ISBN 978-0-309-44565-8.
Další čtení
- Brasseur, Guy P .; Orlando, John J .; Tyndall, Geoffrey S. (1999). Atmosférická chemie a globální změna. Oxford University Press. ISBN 0-19-510521-4.
- Finlayson-Pitts, Barbara J .; Pitts, James N., Jr. (2000). Chemie horní a dolní atmosféry. Akademický tisk. ISBN 0-12-257060-X.
- Seinfeld, John H .; Pandis, Spyros N. (2006). Atmosférická chemie a fyzika: Od znečištění ovzduší ke změně klimatu (2. vyd.). John Wiley and Sons, Inc. ISBN 0-471-82857-2.
- Warneck, Peter (2000). Chemie přírodní atmosféry (2. vyd.). Akademický tisk. ISBN 0-12-735632-0.
- Wayne, Richard P. (2000). Chemie atmosféry (3. vyd.). Oxford University Press. ISBN 0-19-850375-X.
- J. V. Iribarne, H. R. Cho, Fyzikální atmosféra, D. Reidel Publishing Company, 1980
externí odkazy
- WMO Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2006
- IGAC Mezinárodní projekt globální atmosférické chemie
- Rozhovor s Paulem Crutzenem Freeview video z Paul Crutzen Laureát Nobelovy ceny za práci na rozkladu ozonu, rozhovory s laureátem Nobelovy ceny Harry Kroto, Vega Science Trust.
- Databáze Cambridge Atmospheric Chemistry je velká složka pozorovací databáze v běžném formátu.
- Věda o životním prostředí publikována pro všechny kolem Země
- NASA-JPL Chemická kinetika a fotochemická data pro použití ve studiích atmosféry
- Kinetické a fotochemické údaje hodnocené podvýborem IUPAC pro hodnocení kinetických dat plynu
- Glosář atmosférické chemie na Sam Houston State University
- Troposférická chemie
- Kalkulačky pro použití v atmosférické chemii
- Ilustrované základní posouzení složení vzduchu.