Chimia atmosferică

Schema proceselor chimice și de transport legate de compoziția atmosferei.

Chimia atmosferică este o ramură a științei atmosferice care studiază chimia atmosferei Pământului și a altor planete din sistemul solar . Este un domeniu de cercetare multidisciplinar care cuprinde chimia mediului , fizică , meteorologie , simulare computerizată , oceanografie , geologie , vulcanologie și alte discipline. Cercetarea este din ce în ce mai legată de alte domenii de studiu, cum ar fi climatologia .

Compoziția și chimia atmosferei sunt importante din mai multe motive, dar în primul rând în ceea ce privește interacțiunile dintre atmosferă și organismele vii . Compoziția atmosferei Pământului a fost modificată de activitatea umană și unele dintre aceste schimbări sunt dăunătoare sănătății umane, culturilor și ecosistemelor. Exemple de probleme studiate de chimia atmosferică constau din

Istorie

Grecii antici considerau că aerul este unul dintre cele patru elemente, dar primele studii științifice privind compoziția atmosferică au început în secolul al XVIII-lea . Chimiști precum Joseph Priestley , Antoine Lavoisier și Henry Cavendish au făcut primele măsurători ale compoziției atmosferei.

Christian Friedrich Schönbein

La sfârșitul secolului al XIX-lea și începutul secolului al XX-lea, interesul sa îndreptat către căutarea constituenților cu concentrații foarte mici. O descoperire deosebit de importantă pentru chimia atmosferică a fost descoperirea ozonului de către Christian Friedrich Schönbein în 1840.

În secolul al XX-lea, știința atmosferică a trecut de la studierea compoziției aerului la examinarea modului în care s-au schimbat concentrațiile de urme de gaze în atmosferă în timp și a proceselor chimice care creează și distrug compușii din aer. Două exemple deosebit de importante în acest sens au fost explicația Sydney Chapman și Gordon Dobson despre modul în care se formează și se menține ozonul și explicația lui Haagen-Smit despre smog .

În prezent, focalizarea se schimbă din nou. Chimia atmosferică este din ce în ce mai studiată ca parte a sistemului Pământului. În loc să ne concentrăm asupra chimiei atmosferice izolate astăzi, tindem să o vedem ca parte a unui singur sistem cu restul atmosferei , biosferei și geosferei . Un exemplu foarte important în acest sens îl constituie legăturile dintre chimie și climă în sensul în care efectele schimbărilor climatice influențează tendința găurii de ozon și invers, dar și interacțiunea compoziției atmosferei cu oceanele și ecosistemele.terestre .

Compoziția atmosferei

Compoziția medie a atmosferei uscate, în volum
Gaz	pentru NASA , la nssdc.gsfc.nasa.gov .
Azot	78,084%
Oxigen	20,946%
Argon	0,934%
Vapor de apă	Foarte variabil; de obicei aproximativ 1%
Componenți minori în ppm .
Dioxid de carbon	383
Neon	18.18
heliu	5.24
Metan	1.7
Krypton	1.14
Hidrogen	0,55

Notă: Concentrația de CO ₂ și CH ₄ variază în funcție de sezon și de locul de măsurare.
Principala masă moleculară de aer este 28,97 g / mol .

Metodologie

Cele trei elemente centrale din chimia atmosferică sunt:

Observații
Măsurători în laborator
Crearea șabloanelor

Progresele în această disciplină sunt adesea conduse de interacțiunile dintre aceste componente care formează un complex integrat. De exemplu, observațiile ne pot spune că există mai mulți compuși chimici decât se credea anterior. Acest lucru stimulează crearea de noi modele și studii în laborator care sporesc înțelegerea științifică până la un punct în care observațiile pot fi explicate.

Observare

Există un observator important pe vulcanul Mauna Loa

Observațiile sunt fundamentale în chimia atmosferică pentru a îmbunătăți înțelegerea fenomenelor. Observațiile de rutină cu privire la compoziția chimică ne spun despre schimbări ale compoziției atmosferice în timp. Un exemplu important în acest sens este Curba Keeling - o serie de măsurători din 1958 până în prezent care arată o creștere constantă a concentrației de dioxid de carbon .

Observațiile sunt efectuate în observatoare precum cel de pe vulcanul Mauna Loa și pe platforme zburătoare, cum ar fi facilitatea britanică pentru măsurători atmosferice aeriene , pe nave sau pe baloane cu aer cald. Observațiile asupra compoziției atmosferice sunt făcute din ce în ce mai mult de sateliți artificiali echipați cu instrumente sofisticate precum GOME și MOPITT, care oferă o imagine de ansamblu globală asupra poluării și chimiei atmosferice . Observațiile de suprafață au avantajul de a furniza înregistrări pe termen lung cu rezoluție temporală ridicată, dar sunt limitate în spațiul vertical și orizontal din care furnizează observațiile. Unele instrumente de suprafață, cum ar fi Lidar, pot furniza profiluri de concentrație de compuși chimici și aerosoli, dar sunt încă limitate în regiunea orizontală pe care o pot acoperi. Multe observații sunt disponibile online în bazele de date observaționale ale chimiei atmosferice .

Măsurători în laborator

Măsurătorile efectuate în laborator sunt esențiale pentru înțelegerea surselor de poluanți și a compușilor produși în mod natural. Studiile de laborator ne spun ce gaze reacționează între ele și cât de repede . Măsurătorile de interes includ reacții în faza gazoasă, pe suprafețe și în apă. De asemenea, o mare importanță este fotochimia care cuantifică cât de repede moleculele sunt împărțite de lumina soarelui și care produse sunt date mai termodinamice decât coeficienții Legii lui Henry .

Crearea șabloanelor

Simularea pe computer este utilizată pe scară largă pentru a sintetiza și verifica cunoștințele teoretice ale chimiei atmosferice. Modelele numerice rezolvă ecuațiile diferențiale care guvernează concentrațiile de substanțe chimice din atmosferă. Astfel de modele pot fi foarte simple sau foarte complexe. Un factor comun de preferință în modelarea numerică este între numărul de compuși chimici și reacțiile chimice modelate în raport cu reprezentarea transportului și a amestecurilor în atmosferă. De exemplu, un model de cușcă poate include sute sau chiar mii de reacții chimice, dar va avea doar o reprezentare foarte simplă a amestecului în atmosferă. În schimb, modelele 3D reprezintă majoritatea proceselor fizice ale atmosferei, dar datorită restricțiilor de resurse computerizate, ele pot reprezenta mult mai puțini compuși chimici și reacții. Modelele pot fi utilizate pentru interpretarea observațiilor, verificarea înțelegerii reacțiilor chimice și prezicerea concentrațiilor viitoare de compuși chimici în atmosferă. O tendință actuală importantă este transformarea progresivă a modulelor de chimie atmosferică într-o parte a modelelor sistemului Pământului în care pot fi studiate legăturile dintre climă, compoziția atmosferică și biosferă.

Unele modele sunt construite de generatoare automate de cod . În această abordare se alege un set de constituenți și generatorul automat de cod selectează reacțiile care implică acești constituenți dintr-un set de baze de date de reacție. Odată ce reacțiile au fost alese, se construiește automat o ecuație diferențială obișnuită (ODE) care descrie evoluția lor în timp.

Bibliografie

( EN ) Richard P Wayne, Chemistry of Atmospheres , ediția a 3-a, Oxford University Press , 2000), ISBN 0-19-850375-X .
( EN ) John H. Seinfeld și Spyros N. Pandis, Chimie și fizică atmosferică - De la poluarea aerului la schimbările climatice , ediția a II-a, John Wiley și Sons, Inc. , 2006, ISBN 0-471-82857-2 .
(EN) Barbara J. Finlayson-Pitts și James N. Pitts Jr., Chimia atmosferei superioare și inferioare, Academic Press, 2000, ISBN 0-12-257060-X .
( EN ) Peter Warneck, Chimia atmosferei naturale , ediția a doua, Academic Press, 2000, ISBN 0-12-735632-0 .
(EN) Guy P. Brasseur, John J. Orlando și Geoffrey S. Tyndall, Atmospheric Chemistry and Global Change , Oxford University Press , 1999, ISBN 0-19-510521-4 .