Кіріспе
Атмосфералық химия – атмосфералық ғылымның бір саласы, онда Жер атмосферасының және басқа планеталардың химиясы зерттеледі. Бұл – көп салалы зерттеу тәсілі, ол қоршаған орта химиясы, физика, метеорология, компьютерлік модельдеу, океанография, геология, вулканология және басқа да ғылымдарға сүйенеді. Зерттеулер климаттану сияқты басқа да зерттеу салаларымен тығыз байланысты. Жер атмосферасының құрамы мен химиясы бірнеше себептерге байланысты маңызды, бірақ ең бастысы – атмосфера мен тірі организмдер арасындағы өзара әрекеттесуге байланысты. Жер атмосферасының құрамы жанартаулардан шығатын газдар, найзағайлар және күннің коронасынан келетін бөлшектердің әсері сияқты табиғи процестер нәтижесінде өзгеріп отырады. Адам қызметі де оған өзгерістер енгізеді, ал кейбір өзгерістер адам денсаулығына, егістерге және экожүйелерге зиян келтіреді. Атмосфералық химия шешкен мәселелерге қышқыл жаңбыр, озон қабатының бұзылуы, фотохимиялық тұман, парниктік газдар және жаһандық жылу жатады. Атмосфералық химиктер осы мәселелердің себептерін түсінуге тырысады, теориялық білімдері арқылы мүмкін болатын шешімдерді сынауға және үкіметтік саясаттағы өзгерістердің салдарына баға беруге мүмкіндік алады.
field of academic study
Atmospheric chemistry is a branch of atmospheric science in which the chemistry of the Earth's atmosphere and that of other planets is studied. It is a multidisciplinary approach of research and draws on environmental chemistry, physics, meteorology, computer modeling, oceanography, geology and volcanology and other disciplines. Research is increasingly connected with other areas of study such as climatology. The composition and chemistry of the Earth's atmosphere is of importance for several reasons, but primarily because of the interactions between the atmosphere and living organisms. The composition of the Earth's atmosphere changes as result of natural processes such as volcano emissions, lightning and bombardment by solar particles from corona. It has also been changed by human activity and some of these changes are harmful to human health, crops and ecosystems. Examples of problems which have been addressed by atmospheric chemistry include acid rain, ozone depletion, photochemical smog, greenhouse gases and global warming. Atmospheric chemists seek to understand the causes of these problems, and by obtaining a theoretical understanding of them, allow possible solutions to be tested and the effects of changes in government policy evaluated.
Атмосфера құрамы
Құрғақ атмосфераның орташа құрамы (мольдық фракциялар) Газ NASA бойынша құрғақ ауа Теңіз деңгейіне жақын құрғақ таза ауа (ISO 2533 стандарты, 1975 жыл) Азот, N2 78.084% 78.084% Оттегі, O2 20.946% 20.946% Кіші құрамдас бөліктер (мольдық фракциялар ppm) Аргон, Ar 9340 9340 Көмірқышқыл газы*[a], CO2 415 314[b] Неон, Ne 18.18 18.18 Гелий, He 5.24 5.24 Метан[a], CH4 1.7 2.0 Криптон, Kr 1.14 Сутек, H2 0.55 0.5 Азот оксиді, N2O 0.5 Ксенон, Xe 0.087 Азот диоксиді, NO2 0.02 дейін Озон*, O3, жазда 0.07 дейін Озон*, O3, қыста 0.02 дейін Күкірт диоксиді*, SO2 1 дейін Иод*, I2 0.01 Су буы* Көп өзгермелі (шамамен 0–3%); әдетте шамамен 1% құрайды Ескермелер Құрғақ ауаның орташа молекулалық массасы 28.97 г/моль. *Газдың мөлшері уақыт және орын бойынша айтарлықтай өзгеруі мүмкін. [a]CO2 және CH4 концентрациясы маусым мен орналасқан жерге байланысты өзгереді. [b]Бұл CO2 1975 жылғы дерек, бірақ жыл сайын шамамен 2–3 ppm-ге артып келеді (Жер атмосферасындағы көмірқышқыл газын қараңыз).
Тiршi газдардың құрамы
Жоғарыда аталған негізгі компоненттерден басқа, Жер атмосферасында жақын маңдағы көздер мен сіңіру орындарына байланысты айтарлықтай өзгеретін көптеген іздік газ түрлері бар. Бұл іздік газдарға озон қабатына ерекше зиян келтіретін ХФҚ/ХХФҚ сияқты қосылыстар, сондай-ақ шіріген жұмыртқаның жағымсыз иісі бар және 0,47 ппб сияқты төмен концентрацияда сезілетін H2S жатады. Жер бетіне жақын кейбір қосымша газдардың шамамен мөлшері төменде келтірілген. Газдардан өзге, атмосферада аэрозоль түріндегі бөлшектер де бар, мысалы, тамшылар, мұз кристалдары, бактериялар және шаң. Құрамы (көлем бойынша ппт, басқаша белгіленбесе) Газ Clean continental, Seinfeld & Pandis (2016) Simpson et al. (2010) Көміртек моноксиді, CO 40 200 ппб p39 97 ппб Азот оксиді, NO 16 Этан, C2H6 781 Пропан, C3H8 200 Изопрен, C5H8 311 Бензол, C6H6 11 Метанол, CH3OH 1967 Этанол, C2H5OH 75 Трихлорфторметан, CCl3F 237 p41 252.7 Дихлордифторметан, CCl2F2 530 p41 532.3 Хлорметан, CH3Cl 503 Бромметан, CH3Br 9–10 p44 7.7 Йодметан, CH3I 0.36 Карбонил сульфиді, OCS 510 p26 413 Күкірт диоксиді, SO2 70–200 p26 102 Күкірт сутегі, H2S 15–340 p26 Көміртек дисульфиді, CS2 15–45 p26 Формальдегид, H2CO 9.1 ппб p37, ластанған Ацетилен, C2H2 8.6 ппб p37, ластанған Этен, C2H4 11.2 ппб p37, ластанған 20 Гексафторлы күкірт, SF6 7.3 p41 Тетрафторлы көміртек, CF4 79 p41 Жалпы газ тәрізді сынап, Hg 0.209 p55
Тарих
Атмосфера құрамының алғашқы ғылыми зерттеулері 18 ғасырда Жозеф Пристли, Антуан Лавуазье және Генри Кавендиш сияқты химиктер атмосфераның құрамын алғаш рет өлшеген кезде басталды. 19 ғасырдың соңы мен 20 ғасырдың басында назар өте төмен концентрациядағы іздік құрамдас бөліктерге ауысты. Атмосфера химиясы үшін маңызды жаңалықтың бірі – 1840 жылы Кристиан Фридрих Шёнбейннің озонды ашқандығы. 20 ғасырда атмосфера ғылымы ауаның құрамын зерттеуден қанағаттанбай, атмосферадағы іздік газдардың концентрациясының уақыт өте қалай өзгеретінін және ауадағы қосылыстарды құратын және жоятын химиялық процестерді қарастыруға көшті. Мұның екі маңызды мысалы – Сидней Чапман мен Гордон Добсонның озон қабатының қалай пайда болатыны және сақталуын түсіндіруі, сондай-ақ Ари Ян Хааген Смиттің фотохимиялық тұманды түсіндіруі. Озон мәселесі бойынша жүргізілген зерттеулер 1995 жылы Химия саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды, оны Пол Крутцен, Марио Молина және Фрэнк Шервуд Роуленд бөлісіп алды. 21 ғасырда назар қайтадан ауысып келеді. Атмосфера химиясы Жер жүйесінің бір бөлігі ретінде зерттеледі. Атмосфера химиясын жеке қарастырудың орнына, оны атмосфераның, биосфераның және геосфераның қалған бөлігімен бірге біртұтас жүйе ретінде қарастыруға басымдық беріледі. Мұның маңызды себебі – химия мен климат арасындағы байланыс, мысалы, климаттың өзгеруінің озон қабатының қалпына келуіне тигізетін әсері және керісінше, сондай-ақ атмосфераның құрамы мен мұхиттар мен құрлықтағы экожүйелердің өзара әрекеттесуі.
Әдістеме
Байқаулар, зертханалық өлшеулер және модельдеу – атмосфералық химияның үш орталық құралы болып табылады. Атмосфералық химиядағы прогресс көбінесе осы құралдардың өзара әрекеттесуі арқылы қозғалады және олар біртұтас жүйені құрайды. Мысалы, байқаулар бұрынғы есептеулерден артық химиялық қосылыстың мөлшері бар екенін көрсетуі мүмкін. Бұл жаңа модельдеу және зертханалық зерттеулерді жеделдетеді, соның нәтижесінде біздің ғылыми түсінігіміз байқауларды түсіндіре алатын деңгейге жетеді.
Байқау
Атмосфера химиясын бақылау біздің түсінігіміз үшін маңызды. Химиялық құрамының жүйелі бақылауы, атмосфера құрамының уақыт өте қалай өзгеретінін көрсетеді. Бұған маңызды мысал – 1958 жылдан бері жүргізіліп келе жатқан өлшемдер сериясы, яғни "Килинг қисығы", ол көмірқышқыл газы концентрациясының тұрақты өсуін көрсетеді (атмосфералық CO2-нің үздіксіз өлшенуі де қарастырылады). Атмосфера химиясын бақылау Мауна-Лоа обсерваториясы сияқты стационарлық және ұшақтар (мысалы, Ұлыбританияның Ұшу Атмосфералық Өлшемдері Құрылымы), кемелер мен ауа шары сияқты жылдам қозғалатын платформаларда жүзеге асырылады. Атмосфера құрамын бақылау үшін GOME және MOPITT сияқты маңызды құралдары бар спутниктер қолданылады, олар ауаның ластануы мен химиясының жаһандық суретін береді. Жер бетіндегі бақылаулардың артықшылығы – жоғары уақыт ажыратымдылығымен ұзақ мерзімді жазбаларды ұсынуы, бірақ олар бақылау жүргізілетін вертикаль және горизонталь кеңістікте шектеледі. Кейбір жер бетіндегі құралдар, мысалы LIDAR химиялық қосылыстар мен аэрозольдің концентрация профильдерін ұсынуға мүмкіндік береді, бірақ олардың көлденең жабылу аймағында шектеулер бар. Көптеген бақылау деректер атмосфера химиясының бақылау деректер базасында онлайн қолжетімді.
Зертханалық зерттеулер
Зертханада жүргізілген өлшемдер ластаушы заттар мен табиғи қосылыстардың көздерін және сіңіру орындарын түсіну үшін маңызды. Бұл тәжірибелер бақыланатын жағдайда жүргізіледі, бұл нақты химиялық реакцияларды жеке бағалауға немесе атмосфераның нақты бір құрауышының қасиеттерін анықтауға мүмкіндік береді. Қызығушылық тудыратын талдау түрлеріне газ фазасындағы реакциялар, сондай-ақ аэрозольдердің пайда болуы мен өсуіне қатысты гетерогенді реакциялар жатады. Атмосфералық фотохимияны зерттеу де өте маңызды, ол күн сәулесінің әсерінен молекулалардың ыдырау жылдамдығын және осының нәтижесінде түзілетін өнімдерді анықтайды. Бұған қоса, Генри заңының коэффициенттері сияқты термодинамикалық мәліметтерді де алуға болады.
Модельдеу
Атмосфера химиясының теориялық түсінігін синтездеу және сынау үшін компьютерлік модельдер (мысалы, химиялық тасымалдау модельдері) пайдаланылады. Сандық модельдер атмосферадағы химиялық заттардың концентрациясын анықтайтын дифференциалдық теңдеулерді шешеді. Олар өте қарапайым немесе өте күрделі болуы мүмкін. Сандық модельдердегі әдеттегі айырмашылық – модельделген химиялық қосылыстар мен химиялық реакциялар санының, атмосферадағы тасымалдау және араласу процесін бейнелеумен арақатынасы. Мысалы, «қорапша» модель жүздеген, тіпті мыңдаған химиялық реакцияларды қамтуы мүмкін, бірақ атмосферадағы араласуды өте жай ғана көрсетеді. 3D модельдер атмосферадағы көптеген физикалық процестерді бейнелейді, бірақ компьютерлік ресурстардың шектеулі болуына байланысты химиялық реакциялар мен қосылыстардың саны азырақ болады. Модельдер бақылауларды түсіндіруге, химиялық реакциялардың түсінігін тексеруге және атмосферадағы химиялық қосылыстардың болашақ концентрациясын болжауға қолданылады. Бұл модельдер жаһандық (барлық Жерді модельдеу) немесе аймақтық (тек белгілі бір аймаққа назар аудару) болуы мүмкін. Екі тәсілдің арасындағы айырмашылық – олардың ажыратымдылығы және қамтамасыз ете алатын егжей-тегжейлілік деңгейі. Жаһандық модельдер әдетте төмен көлденең ажыратымдылыққа ие және аз күрделі химиялық механизмдерді көрсетеді, бірақ үлкен аумақты модельдейді, ал аймақтық модельдер бүкіл Жерді модельдемейді, бірақ жоғары ажыратымдылықпен және толыққанды егжей-тегжейлілікпен бір аймаққа назар аударады. Қазіргі кездегі маңызды тенденция – атмосфералық химия модульдерінің Жер жүйесі модельдерінің бір бөлігіне айналуы, онда климат, атмосфералық құрамы және биосфера арасындағы байланыстар зерттеледі. Бұл модельдер Жердің әртүрлі бөліктерін – атмосфераны, биосфераны және гидросфераны біріктіруге мүмкіндік береді, соның арқасында пайдаланушылар олардың арасындағы күрделі өзара әрекеттесуді талдай алады. Кейбір модельдер автоматты код генераторларымен (мысалы, Autochem немесе Kinetic PreProcessor) құрастырылады. Бұл тәсілде құрамдас бөліктердің жиынтығы таңдалады, содан кейін автоматты код генераторы реакциялардың дерекқорынан осы құрамдас бөліктерге қатысты реакцияларды таңдайды. Реакциялар таңдалғаннан кейін, олардың уақыт бойынша өзгеруін сипаттайтын қарапайым дифференциалдық теңдеулер автоматты түрде құрылады.