Введение

Атмосферная химия – это отрасль атмосферной науки, в которой изучается химия атмосферы Земли и других планет. Это междисциплинарный подход к исследованиям, опирающийся на экологическую химию, физику, метеорологию, компьютерное моделирование, океанографию, геологию, вулканологию и другие дисциплины. Исследования все больше связаны с другими областями, такими как климатология. Состав и химия атмосферы Земли имеют важное значение по нескольким причинам, но прежде всего из-за взаимодействия атмосферы и живых организмов. Состав атмосферы Земли изменяется в результате естественных процессов, таких как вулканические выбросы, молнии и бомбардировка солнечными частицами из короны. Он также подвергается изменениям под воздействием человеческой деятельности, и некоторые из этих изменений наносят вред здоровью человека, сельскохозяйственным культурам и экосистемам. Примерами проблем, которые изучаются в области атмосферной химии, являются кислотные дожди, разрушение озонового слоя, фотохимический смог, парниковые газы и глобальное потепление. Специалисты в области атмосферной химии стремятся понять причины этих проблем, и, получив теоретическое понимание, позволяют тестировать возможные решения и оценивать последствия изменений в государственной политике.

Атмосферный состав

Средний состав сухой атмосферы (молевые фракции) Газ Сухой воздух по данным NASA Сухой чистый воздух на уровне моря (стандарт ISO 2533 1975) Азот, N2 78,084% 78,084% Кислород, O2 20,946% 20,946% Минорные составляющие (молевые фракции в ppm) Аргон, Ar 9340 9340 Диоксид углерода*[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 Водород, H2 0,55 0,5 Окись азота, N2O 0,5 Ксенон, Xe 0,087 Диоксид азота, NO2 до 0,02 Озон*, O3, летом до 0,07 Озон*, O3, зимой до 0,02 Диоксид серы*, SO2 до 1 Йод*, I2 0,01 Вода Водяной пар* Сильно переменный (около 0–3%); обычно составляет около 1% Примечания Средняя молекулярная масса сухого воздуха составляет 28,97 г/моль. *Содержание газа может значительно меняться во времени или в разных местах. [a]Концентрация CO2 и CH4 меняется в зависимости от сезона и местоположения. [b]Значение CO2 относится к 1975 году, но увеличивается примерно на 2–3 ppm в год (см. Диоксид углерода в атмосфере Земли).

Состав следовых газов

Помимо основных компонентов, перечисленных выше, атмосфера Земли также содержит множество микрокомпонентов газов, концентрация которых значительно варьируется в зависимости от находящихся поблизости источников и поглотителей. К этим микрокомпонентам могут относиться соединения, такие как ХФУ/ГХФУ, которые особенно разрушительны для озонового слоя, и H2S, который имеет характерный неприятный запах тухлых яиц и может ощущаться при концентрациях всего 0,47 ppb. Ниже приведены приблизительные значения концентраций некоторых дополнительных газов вблизи поверхности. Помимо газов, атмосфера содержит частицы в виде аэрозоля, включающего, например, капли, кристаллы льда, бактерии и пыль. Состав (части на триллион по объему, если не указано иное) Газ Clean continental, Seinfeld & Pandis (2016) Simpson et al. (2010) Оксид углерода, CO 40 200 ppb p39 97 ppb Оксид азота, 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 Иодметан, CH3I 0.36 Карбонилсульфид, OCS 510 p26 413 Диоксид серы, SO2 70–200 p26 102 Сульфид водорода, H2S 15–340 p26 Дисульфид углерода, CS2 15–45 p26 Формальдегид, H2CO 9.1 ppb p37, загрязненный Ацетилен, C2H2 8.6 ppb p37, загрязненный Этен, C2H4 11.2 ppb p37, загрязненный 20 Гексафторид серы, SF6 7.3 p41 Тетрафторид углерода, CF4 79 p41 Общий газообразный ртуть, Hg 0.209 p55

История

Первые научные исследования состава атмосферы начались в 18 веке, когда химики, такие как Джозеф Пристли, Антуан Лавуазье и Генри Кавендиш, провели первые измерения состава атмосферы. В конце 19-го и начале 20-го веков интерес сместился к микросоставным компонентам с очень низкими концентрациями. Особенно важным открытием для атмосферной химии стало открытие озона Кристианом Фридрихом Шёнбейном в 1840 году. В 20-м веке наука об атмосфере перешла от изучения состава воздуха к рассмотрению изменений концентраций микрогазов в атмосфере с течением времени и химических процессов, создающих и разрушающих соединения в воздухе. Два особенно важных примера этого – объяснение Сидни Чепменом и Гордоном Добсоном механизмов образования и поддержания озонового слоя, а также объяснение фотохимического смога Ари Яном Хааген-Смитом. Последующие исследования проблем озонового слоя привели к присуждению Нобелевской премии по химии в 1995 году Полу Круцену, Марио Молине и Фрэнку Шервуду Роуленду. В 21-м веке фокус внимания вновь смещается. Атмосферная химия все чаще изучается как часть системы Земли. Вместо концентрации на изолированной атмосферной химии, акцент делается на рассмотрении ее как части единой системы, включающей атмосферу, биосферу и геосферу. Особенно важным фактором, определяющим этот подход, является взаимосвязь между химией и климатом, например, влияние изменения климата на восстановление озоновой дыры и наоборот, а также взаимодействие состава атмосферы с океанами и наземными экосистемами.

Методология

Наблюдения, лабораторные измерения и моделирование – три основных элемента в химии атмосферы. Прогресс в химии атмосферы часто определяется взаимодействием этих компонентов, которые составляют единую систему. Например, наблюдения могут показать, что концентрация химического соединения выше, чем предполагалось ранее. Это стимулирует разработку новых моделей и проведение лабораторных исследований, что углубляет наше научное понимание до уровня, позволяющего объяснить полученные наблюдения.

Наблюдение

Наблюдения за химией атмосферы необходимы для нашего понимания. Регулярные наблюдения за химическим составом позволяют отслеживать изменения в составе атмосферы с течением времени. Важным примером является кривая Килинга – серия измерений с 1958 года по настоящее время, демонстрирующая устойчивый рост концентрации углекислого газа (см. также продолжающиеся измерения атмосферного CO2). Наблюдения за химией атмосферы проводятся в обсерваториях, таких как обсерватория на Мауна-Лоа, и на мобильных платформах, таких как самолеты (например, британский Facility for Airborne Atmospheric Measurements), корабли и аэростаты. Наблюдения за составом атмосферы все чаще осуществляются со спутников, оснащенных важными инструментами, такими как GOME и MOPITT, что позволяет получить глобальную картину загрязнения воздуха и его химического состава. Наземные наблюдения имеют преимущество в виде долгосрочных данных с высоким временным разрешением, но ограничены в пространстве как по вертикали, так и по горизонтали. Некоторые наземные приборы, например, лидар, могут предоставлять профили концентрации химических соединений и аэрозолей, но их охват по горизонтали все равно ограничен. Многие наблюдения доступны онлайн в базах данных наблюдений за химией атмосферы.

Лабораторные исследования

Измерения, проводимые в лаборатории, необходимы для понимания источников и поглотителей загрязняющих веществ и природных соединений. Эти эксперименты проводятся в контролируемых условиях, позволяющих индивидуально оценивать конкретные химические реакции или определять свойства отдельного атмосферного компонента. Анализ включает в себя как реакции в газовой фазе, так и гетерогенные реакции, важные для образования и роста аэрозолей. Также большое значение имеет изучение атмосферной фотохимии, которое позволяет количественно оценить скорость расщепления молекул под действием солнечного света и определить образующиеся продукты. Помимо этого, можно получить термодинамические данные, такие как коэффициенты распределения Генри.

Моделирование

Для синтеза и проверки теоретического понимания атмосферной химии используются компьютерные модели (такие как модели химического транспорта). Численные модели решают дифференциальные уравнения, описывающие концентрации химических веществ в атмосфере. Они могут быть очень простыми или очень сложными. Одним из распространенных компромиссов в численных моделях является баланс между количеством смоделированных химических соединений и реакций и представлением процессов переноса и смешения в атмосфере. Например, ящичная модель может включать сотни или даже тысячи химических реакций, но при этом будет иметь лишь очень схематичное представление о смешении в атмосфере. В отличие от этого, трехмерные модели воспроизводят многие физические процессы в атмосфере, но из-за ограничений вычислительных ресурсов содержат значительно меньше химических реакций и соединений. Модели могут использоваться для интерпретации наблюдений, проверки понимания химических реакций и прогнозирования будущих концентраций химических веществ в атмосфере. Эти модели могут быть глобальными (охватывающими всю Землю) или региональными (ориентированными на конкретный регион). Компромисс между этими подходами заключается в их разрешении и уровне детализации; глобальные модели обычно имеют более низкое горизонтальное разрешение и описывают менее сложные химические механизмы, но охватывают большую территорию, в то время как региональные модели не моделируют всю планету, а фокусируются на определенной области с более высоким разрешением и большей детализацией. Важной современной тенденцией является включение модулей атмосферной химии в модели земной системы, позволяющие изучать взаимосвязи между климатом, составом атмосферы и биосферой. Такие модели обеспечивают связь между различными компонентами Земли, как атмосферой, биосферой и гидросферой, что позволяет анализировать сложные взаимодействия между ними. Некоторые модели создаются с помощью автоматических генераторов кода (например, Autochem или Kinetic PreProcessor). В этом подходе выбирается набор веществ, после чего автоматический генератор кода отбирает реакции с участием этих веществ из баз данных реакций. После выбора реакций обыкновенные дифференциальные уравнения, описывающие их изменение во времени, могут быть автоматически сгенерированы.