Википедија

Атмосферска хемија

Атмосферска хемија је грана атмосферских наука која проучава хемију Земљине атмосфере и атмосфера других планета. Она представља мултидисциплинарни приступ истраживању те се ослања на друге науке попут хемије околине, физике, метеорологије, рачунарског моделирања, океанографије, геологије, вулканологије и других дисциплина. Истраживања у области атмосферске хемије све више су повезана са истраживањима из других подручја попут климатологије.[1]

Састав и хемија Земљине атмосфере важна је из неколико разлога, првенствено због међуделовања између атмосфере и живих бића која живе на Земљи. Састав Земљине атмосфере се мења као резултат природних процеса као што су емисије гасова из вулкана, муње и бомбардовање Сунчевих честица из короне. Осим тога, она се мења и као последица људских активности, а неке од тих промена су штетне за здравље човека, усева и бројних екосистема. Примери проблема који су од интереса за атмосферску хемију су киселе кише, оштећење озонског омотача, фотохемијски смог, стакленички гасови и глобално затопљење. Хемичари атмосфере траже одговоре на питања шта су узроци тих проблема, те након постављања теорија, покушавају да на]у могућа решења путем експеримената, те евалуирају ефекте промена у политици државних влада.

Састав Земљине атмофере

уреди
 
Визуализација садржаја Земљине атмосфере по запремини. Водена пара није укључена јер је веома варијабилна. Свака сићушна коцка (као што је она која представља криптон) има један милионити део запремине целог блока.[2]
Просечни састав суве атмосфере (молске фракције)
Гас по подацима агенције НАСА[3]
Азот, N2 78,084% \ т
Кисеоник, О2[4] 20,946% \ т
Други састојци (молски удели у ppm)
Аргон, Ar 9340
Угљен-диоксид, CO2 400
Неон, Ne 18,18
Хелијум, Хе 5,24
Метан, CH4 1,7
Криптон, Kr 1,14
Водоник, H2 0,55
Азот субоксид, N2O 0,5
Ксенон, Xe 0,09
Азот-диоксид, NO2 0,02
Вода
Водена пара Веома промењива;
обично сачињава око 1%

Напомене: концентрација CO2 и CH4 варира према сезони и месту мерења. Средња молекулска маса ваздуха је 28,97 g/mol. Озон (О3) није укључен у табелу због велике варијабилности.

Историја

уреди
 
Схема хемијских и транспортних процеса везаних за састав атмосфере.

Стари Грци су ваздух сматрали једним од четири основна елемента од којих је изграђена сва природа. Прве научне студије састава Земљине атмосфере почеле су у 18. веку, када су хемичари попут Џозефа Пристлија, Хенрија Кевендиша и Антоана Лавоазјеа начинили прва мерења састава атмосфере.

Крајем 19. и почетком 20. века интерес атмосферске хемије помакнут је у правцу изучавања састојака атмосфере који су у њој садржани само у траговима и у веома малим концентрацијама. Једно од важнијих открића за атмосферску хемију било је откриће озона, Кристијана Фридриха Шенбајна 1840. године.

У 20. веку, наука о атмосфери кретала се од проучавања састава ваздуха до разматрања како су се концентрације гасова у траговима у атмосфери мењале током времена, те хемијских процесе који стварају и уништавају хемијска једињења у ваздуху. Два посебно важна примера су теорије Сиднија Чапмана и Гордона Добсона о томе како настаје озонски омотач и како се одржава, као и теорија фотохемијског смога коју је дао Ари Јан Хаген-Смит. Даља проучавања озона која су провели Паул Круцен, Марио Молина и Франк Шервуд Роуланд награђена су Нобеловом наградом за хемију 1995. године.[5]

У 21. веку поновно је дошло до промене интереса проучавања хемичара атмосфере. Атмосферска хемија све више се проучава као део целокупног Земљиног система. Уместо да се усмеравају на изоловано проучавање атмосферске хемије, хемичари сада сагледавају ову област као део јединственог система заједно са остатком атмосфере, биосфере и геосфере. Посебно важан покретач за ово су везе између хемије и климе као што су, на пример, ефекти промене климе на повећање озонске рупе и обрнуто, као и међуделовање састава атмосфере са океанима и копненим екосистемима.

 
Угљен-диоксид у Земљиној атмосфери када половина емисије стакленичких гасова[6][7] не би била апсорбована.
(рачунарска симулација агенције НАСА, 9. новембар 2015)
 
Душик-диоксид 2014 - нивои квалитете глобалног зрака
(објављено 14. децембар 2015).[8]

Методологија

уреди

Запажања, лабораторијска мерења и моделовање су три основна елемента у атмосферској хемији. Напредак у атмосферској хемији често је вођен међуделовањима између ових компоненти и оне чине јединствену целину. На пример, посматрања могу да дају индикацију о постојању хемијских једињења пре него што се раније сматрало могућим. То може да послужи као стимулација за нова моделирања и лабораторијске студије које повећавају научно разумевање до ступња при коме се посматрања могу научно објаснити.

Посматрање

уреди

Посматрања у атмосферској хемији врло су важна за разумевање Земљине атмосфере. Рутинска посматрања хемијског састава атмосфере говоре о промени њеног састава током времена. Један од примера је Килингова крива, серија мерења од 1958. која још трају а показују стални пораст концентрације угљен-диоксида у Земљиној атмосфери. Запажања атмосферске хемије начињена су у опсерваторијама попут оне на хавајској Мауна Лоа те на покретним платформама попут авиона (нпр. британско постројење за атмосферска мерења), бродова и балона. Мерења атмосферског састава све више врше вештачки сателити са важним инструментима попут GOME и MOPITT који дају глобалну слику хемије атмосфере и загађења ваздуха. Мерења начињена на површини Земље имају предност у томе што она пружају дугорочне записе у високој временској резолуцији, али су ограничена у вертикалном и хоризонталном простору из којег добијају запажања. Неки инструменти на површини нпр. LIDAR могу обезбедити профиле концентрације хемијских једињења и аеросола, али су још увек ограничени у хоризонталном подручју које могу покривати. Многа атмосферска мерења доступна су и у онлине базама података.

Лабораторијске студије

уреди

Мерења у лабораторији битна су за разумевање извора и узрока загађивача и једињења који се природно јављају у атмосфери. Ови експерименти изводе се у контролисаним условима који омогућавају индивидуалну евалуацију специфичних хемијских реакција или процену особина одређеног састојка атмосфере.[9] Врсте анализа које су од интереса укључују оне о реакцијама гасне фазе као и хетерогене реакције које су релевантне за настанак и раст аеросола. Осим тога, од великог значаја је проучавање атмосферске фотохемије која квантификује брзину раздвајања молекула деловањем Сунчеве светлости и производе који тим процесом настају. Могу се добити термодинамички подаци попут коефицијената Хенријевог закона.

Моделовање

уреди

Да би се формулисало и тестирало теоријско разумевање атмосферске хемије, користе се компјутерски модели (као што су хемијски транспортни модел. Нумерички модели решавају диференцијалне једначине које описују концентрације хемикалија у атмосфери. Они могу бити врло једноставни или врло компликовани. Један од уобичајених компромиса у нумеричким моделима је између броја моделованих хемијских једињења и хемијских реакција у односу на представљање транспорта и мешања у атмосфери. На пример, модел кутије може укључивати стотине или чак хиљаде хемијских реакција, али ће имати само грубу репрезентацију мешања у атмосфери. Насупрот томе, 3Д модели представљају многе физичке процесе атмосфере, али ће због ограничења рачунарсних ресурса бити много мање хемијских реакција и једињења. Модели се могу користити за тумачење запажања, тестирање разумевања хемијских реакција и предвиђање будућих концентрација хемијских једињења у атмосфери. Један важан тренутни тренд је да модули атмосферске хемије постану део модела земаљских система у којима се могу проучавати везе између климе, атмосферског састава и биосфере.

Неки модели су конструирани помоћу аутоматских генератора кода (е.г. Аутоцхем[10] или КПП[11][12]). У овом приступу одабран је сет конституената, а аутоматски генератор кода одабира реакције из сета реакционих баyа података у којима ти конституенти учествују. Након што су одабране реакције, обичне диференцијалне једнаџбе (ОДЕ) које описују њихову временску еволуцију могу се аутоматски конструирати.

Референце

уреди
  1. ^ Јацоб, Даниел (1999). Интродуцтион то Атмоспхериц Цхемистрy (1ст изд.). Принцетон Университy Пресс. стр. 75—85. ИСБН 978-0-691-00185-2. Архивирано из оригинала 10. 10. 2019. г. Приступљено 23. 04. 2019. 
  2. ^ НАСА Ланглеy
  3. ^ НАСА
  4. ^ Царл, Зиммер (3. 10. 2013). „Еартх’с Оxyген: А Мyстерy Еасy то Таке фор Грантед”. Тхе Неw Yорк Тимес. Приступљено 3. 10. 2013. 
  5. ^ „Пресс Релеасе - 1995 Нобел Призе ин Цхемистрy”. Тхе Нобел Призе. Нобел Призе Орг. 11. 10. 1995. 
  6. ^ Ст. Флеур Ницхолас (10. 11. 2015). „Атмоспхериц Греенхоусе Гас Левелс Хит Рецорд, Репорт Саyс”. Тхе Неw Yорк Тимес. Приступљено 11. 11. 2015. 
  7. ^ Карл, Риттер (9. 11. 2015). „УК: Ин 1ст, глобал темпс авераге цоулд бе 1 дегрее C хигхер”. АП Неwс. Приступљено 11. 11. 2015. 
  8. ^ Цоле Стеве; Граy Еллен (14. 12. 2015). „Неw НАСА Сателлите Мапс Схоw Хуман Фингерпринт он Глобал Аир Qуалитy”. НАСА. Приступљено 14. 12. 2015. 
  9. ^ Футуре оф Атмоспхериц Ресеарцх: Ремемберинг Yестердаy, Ундерстандинг Тодаy, Антиципатинг Томорроw. Wасхингтон, DC: Тхе Натионал Ацадемиес Пресс. 2016. стр. 15. ИСБН 978-0-309-44565-8. 
  10. ^ „АутоЦхем”. Годдард Спаце Флигхт Центер. Архивирано из оригинала 01. 12. 2008. г. Приступљено 23. 04. 2019. 
  11. ^ ГЕОС–Цхем Архивирано на сајту Wayback Machine (2. јун 2019) Global 3-D chemical transport model for atmospheric composition
  12. ^ MALTE Model to predict new aerosol formation in the lower troposphere

Literatura

уреди
  • Brasseur, Guy P.; Orlando, John J.; Tyndall, Geoffrey S (1999). Atmospheric Chemistry and Global Change. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-510521-6. .
  • Finlayson-Pitts, Barbara J.; Pitts, James N., Jr (2000). Chemistry of the Upper and Lower Atmosphere. Academic Press. ISBN 978-0-12-257060-5. .
  • Seinfeld, John H.; Pandis, Spyros N. Atmospheric Chemistry and Physics: From Air Pollution to Climate Change . John Wiley and Sons, Inc. (2nd изд.). 2006. ISBN 978-0-471-82857-0. .
  • Wарнецк, Петер Цхемистрy оф тхе Натурал Атмоспхере (2нд Ед.). . Academic Press. 2000. ISBN 978-0-12-735632-7. .
  • Wаyне, Рицхард П. Цхемистрy оф Атмоспхерес (3рд Ед.). . Oxford University Press. 2000. ISBN 978-0-19-850375-0. .
  • Ј. V. Ирибарне, Х. Р. Цхо, Атмоспхериц Пхyсицс, D. Реидел Публисхинг Цомпанy, 1980

Спољашње везе

уреди
 
Атмосферска хемија на Викимедијиној остави.
Преузето из „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Atmosferska_hemija&oldid=27675413”