Атмосферная химия

Поделись знанием:
Перейти к: навигация, поиск

Атмосферная химия — раздел науки об атмосфере, который исследует химию атмосферы Земли и других планет. Это междисциплинарная область исследований, опирающаяся на химию окружающей среды, физику, метеорологию, компьютерное моделирование, океанографию, геологию, вулканологию и на другие дисциплины. Исследования всё больше связаны с другими областями науки, такими, как климатология.

Состав и химия атмосферы важны по нескольким причинам, но в первую очередь из-за взаимодействия атмосферы с живыми организмами. Состав земной атмосферы изменяется в результате естественных процессов, таких, как вулканические выбросы, молнии и бомбардирование частицами с солнечной короны. Она также изменяется под воздействием человеческой деятельности, и некоторые из этих изменений вредны для человеческого здоровья, растительных культур и экосистем. Примерами проблем, исследуемых химией атмосферы, являются кислотные дожди, разрушение озонового слоя, фотохимический смог, парниковые газы и глобальное потепление. Химики, изучающие атмосферу, пытаются понять причины этих проблем, и, получив о них теоретическое представление, пробуют возможные средства их решения, а также оценивают последствия изменений в правительственной политике.





Состав атмосферы

Средний состав сухого воздуха (мольная доля)
Газ согласно [nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/earthfact.html NASA]
Азот, N2 78.084 %
Кислород, O2 20.946 %
Аргон, Ar 0.934 %
Малые составляющие (мольная доля в мд)
Углекислый газ, CO2 383
Неон, Ne 18.18
Гелий, He 5.24
Метан, CH4 1.7
Криптон, Kr 1.14
Водород, H2 0.55
Вода
Водяной пар Сильно варьируется;
как правило составляет около 1 %

Примечание: концентрации углекислого газа и метана варьируются в зависимости времени года и местонахождения. Средняя молекулярная масса воздуха равна 28,97 г/моль.

История

Ещё древние греки рассматривали воздух в числе четырёх основных элементов, однако первые научные исследования состава атмосферы начались в XVIII веке. Такие химики, как Джозеф Пристли, Антуан Лавуазье и Генри Кавендиш сделали первые измерения состава атмосферы.

В конце XIX, начале XX веков интерес сдвинулся в сторону следов составляющих, содержащихся в очень маленьких концентрациях. В частности, важным открытием в химии атмосферы было обнаружение озона Кристианом Фридрихом Шёнбейном в 1840 году.

В XX веке химия атмосферы продвинулась от изучения состава атмосферы к рассмотрению изменения концентрации небольших по объёму газов (менее 1 % объёма воздуха) с течением времени и химических процессов, которые создают и уничтожают составляющие воздуха. Двумя особенно важными примерами таких исследований были объяснение Сидни Чепменом и Гордоном Добсоном того, как образуется и сохраняется озоновый слой и объяснение фотохимического смога Арье Ян Хааген-Смитом. Дальнейшие исследования вопросов, связанных с озоном, привели к получению Нобелевской Премии по химии в 1995 году Паулем Крутценом, Марио Молином и Фрэнком Шервудом Роуландом за работы по роли газообразных галогеноалканов в истощении озонового слоя Земли.[1]

В XXI веке внимание снова смещается. Химия атмосферы всё больше изучается как одна из наук о Земле. Вместо концентрирования на отдельной химии атмосферы, внимание сейчас сосредоточено на рассмотрении её как части единой системы, состоящей из атмосферы, биосферы и геосферы. Наиболее важным двигателем в этом направлении является связь между химией и климатом, например влияние климата на восстановление озоновых дыр и наоборот. Кроме того, изучается взаимодействие состава атмосферы с океаническими и наземными экосистемами.

Методика

Наблюдение, лабораторные измерения и моделирование являются тремя центральными элементами в химии атмосферы. Прогресс в этой области химии часто приводится в действие взаимодействием между этими компонентами и они формируют общее целое. Например, наблюдения могут рассказать нам, что существует больше химических веществ, чем раньше представлялось возможным. Это приведёт к новым лабораторным измерениям и моделированию, что увеличит наше научное понимание до той точки, в которой наблюдения смогут быть объяснены.

Наблюдение

Наблюдения химии атмосферы являются неотъемлемой частью нашего понимания. Плановые наблюдения химического состава говорят нам об изменениях в составе воздуха с течением времени. Одним из важных примеров служит график Килинга — серия измерений с 1958 года до сегодняшнего дня, которая показывает постоянный рост концентрации углекислого газа. Наблюдения за химией атмосферы проводятся в обсерваториях, например на Мауна-Лоа, а также на передвигающихся платформах, таких, как авиация (например, Учреждение Авиационных Атмосферных Измерений в Соединённом Королевстве), судна и аэростаты. Наблюдения за составом атмосферы с возрастающей частотой проводятся спутниками со специальными инструментами, такими, как GOME и MOPITT, которые дают картину мирового загрязнения и химии воздуха. Наземные наблюдения имеют преимущество, заключающееся в том, что они предоставляют долгосрочные результаты с высоким временным разрешением, но пространство, в котором они могут проводится, ограничены вертикально и горизонтально. Некоторые наземные инструменты, такие, как Лидар, могут предоставлять информацию о концентрации химических соединений и аэрозолей, но, тем не менее, область их покрытия ограничена горизонтально. Многие наблюдения доступны в интернете в Базах данных Наблюдений Химии Атмосферы.

Лабораторные измерения

Измерения, сделанные в лаборатории, важны для нашего понимания источников загрязнителей и природных соединений. Лабораторные исследования рассказывают нам, какие газы и насколько быстро реагируют друг с другом. Измерения включают в себя реакции в газообразной форме, на поверхности и в воде. Также крайне важна фотохимия, которая считает, как часто молекулы разрушаются солнечным светом и какие продукты образуются в результате этого. Кроме того, важны термодинамические данные, например коэффициенты Закона Генри.

Моделирование

Для того, чтобы создать и проверить теоретическое понимание химии атмосферы используется компьютерное моделирование. Численные модели решают дифференциальные уравнения, описывающие концентрацию химических веществ в атмосфере. Они могут быть как очень простыми, так и очень сложными. Одним из распространенных компромиссов в численных моделях является компромисс между смоделированным числом химических веществ и реакций, произошедших с ними, с одной стороны, и представлением о перемещении и смешивании веществ в атмосфере, с другой. Например, двухмерное моделирование может включать в себя сотни и даже тысячи химических реакций, однако давать очень скудное представление о смешиваний веществ в атмосфере. Напротив, трёхмерные модели дают представление о многих физических процессах в атмосфере, но из-за ограниченности компьютерных ресурсов будут включать в себя значительно меньшее количество химических реакций и веществ. Модели могут быть использованы для интерпретации наблюдений, проверки понимания химических реакций и предсказания концентрации химических веществ в атмосфере в будущем. Важным течением сегодня является становление модулей химии атмосферы частью моделей Земной системы, в которых могут быть исследованы связи между климатом, составом атмосферы и биосферой. Некоторые модели построены с помощью автоматических генераторов кода (например. Autochem и KPP). При таком подходе выбирается набор составляющих и затем автоматический генератор кода выбирает реакции с этими составляющими из набор баз данных реакций. После выбора реакций могут быть автоматически построены обыкновенные дифференциальные уравнения, описывающие время их развития.

См. также

Напишите отзыв о статье "Атмосферная химия"

Примечания

  1. www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1995/press.html Press release on the Nobel Prize in Chemistry 1995

Отрывок, характеризующий Атмосферная химия



Так называемая партизанская война началась со вступления неприятеля в Смоленск.
Прежде чем партизанская война была официально принята нашим правительством, уже тысячи людей неприятельской армии – отсталые мародеры, фуражиры – были истреблены казаками и мужиками, побивавшими этих людей так же бессознательно, как бессознательно собаки загрызают забеглую бешеную собаку. Денис Давыдов своим русским чутьем первый понял значение той страшной дубины, которая, не спрашивая правил военного искусства, уничтожала французов, и ему принадлежит слава первого шага для узаконения этого приема войны.
24 го августа был учрежден первый партизанский отряд Давыдова, и вслед за его отрядом стали учреждаться другие. Чем дальше подвигалась кампания, тем более увеличивалось число этих отрядов.
Партизаны уничтожали Великую армию по частям. Они подбирали те отпадавшие листья, которые сами собою сыпались с иссохшего дерева – французского войска, и иногда трясли это дерево. В октябре, в то время как французы бежали к Смоленску, этих партий различных величин и характеров были сотни. Были партии, перенимавшие все приемы армии, с пехотой, артиллерией, штабами, с удобствами жизни; были одни казачьи, кавалерийские; были мелкие, сборные, пешие и конные, были мужицкие и помещичьи, никому не известные. Был дьячок начальником партии, взявший в месяц несколько сот пленных. Была старостиха Василиса, побившая сотни французов.
Последние числа октября было время самого разгара партизанской войны. Тот первый период этой войны, во время которого партизаны, сами удивляясь своей дерзости, боялись всякую минуту быть пойманными и окруженными французами и, не расседлывая и почти не слезая с лошадей, прятались по лесам, ожидая всякую минуту погони, – уже прошел. Теперь уже война эта определилась, всем стало ясно, что можно было предпринять с французами и чего нельзя было предпринимать. Теперь уже только те начальники отрядов, которые с штабами, по правилам ходили вдали от французов, считали еще многое невозможным. Мелкие же партизаны, давно уже начавшие свое дело и близко высматривавшие французов, считали возможным то, о чем не смели и думать начальники больших отрядов. Казаки же и мужики, лазившие между французами, считали, что теперь уже все было возможно.
22 го октября Денисов, бывший одним из партизанов, находился с своей партией в самом разгаре партизанской страсти. С утра он с своей партией был на ходу. Он целый день по лесам, примыкавшим к большой дороге, следил за большим французским транспортом кавалерийских вещей и русских пленных, отделившимся от других войск и под сильным прикрытием, как это было известно от лазутчиков и пленных, направлявшимся к Смоленску. Про этот транспорт было известно не только Денисову и Долохову (тоже партизану с небольшой партией), ходившему близко от Денисова, но и начальникам больших отрядов с штабами: все знали про этот транспорт и, как говорил Денисов, точили на него зубы. Двое из этих больших отрядных начальников – один поляк, другой немец – почти в одно и то же время прислали Денисову приглашение присоединиться каждый к своему отряду, с тем чтобы напасть на транспорт.
– Нет, бг'ат, я сам с усам, – сказал Денисов, прочтя эти бумаги, и написал немцу, что, несмотря на душевное желание, которое он имел служить под начальством столь доблестного и знаменитого генерала, он должен лишить себя этого счастья, потому что уже поступил под начальство генерала поляка. Генералу же поляку он написал то же самое, уведомляя его, что он уже поступил под начальство немца.
Распорядившись таким образом, Денисов намеревался, без донесения о том высшим начальникам, вместе с Долоховым атаковать и взять этот транспорт своими небольшими силами. Транспорт шел 22 октября от деревни Микулиной к деревне Шамшевой. С левой стороны дороги от Микулина к Шамшеву шли большие леса, местами подходившие к самой дороге, местами отдалявшиеся от дороги на версту и больше. По этим то лесам целый день, то углубляясь в середину их, то выезжая на опушку, ехал с партией Денисов, не выпуская из виду двигавшихся французов. С утра, недалеко от Микулина, там, где лес близко подходил к дороге, казаки из партии Денисова захватили две ставшие в грязи французские фуры с кавалерийскими седлами и увезли их в лес. С тех пор и до самого вечера партия, не нападая, следила за движением французов. Надо было, не испугав их, дать спокойно дойти до Шамшева и тогда, соединившись с Долоховым, который должен был к вечеру приехать на совещание к караулке в лесу (в версте от Шамшева), на рассвете пасть с двух сторон как снег на голову и побить и забрать всех разом.
Позади, в двух верстах от Микулина, там, где лес подходил к самой дороге, было оставлено шесть казаков, которые должны были донести сейчас же, как только покажутся новые колонны французов.
Впереди Шамшева точно так же Долохов должен был исследовать дорогу, чтобы знать, на каком расстоянии есть еще другие французские войска. При транспорте предполагалось тысяча пятьсот человек. У Денисова было двести человек, у Долохова могло быть столько же. Но превосходство числа не останавливало Денисова. Одно только, что еще нужно было знать ему, это то, какие именно были эти войска; и для этой цели Денисову нужно было взять языка (то есть человека из неприятельской колонны). В утреннее нападение на фуры дело сделалось с такою поспешностью, что бывших при фурах французов всех перебили и захватили живым только мальчишку барабанщика, который был отсталый и ничего не мог сказать положительно о том, какие были войска в колонне.
Нападать другой раз Денисов считал опасным, чтобы не встревожить всю колонну, и потому он послал вперед в Шамшево бывшего при его партии мужика Тихона Щербатого – захватить, ежели можно, хоть одного из бывших там французских передовых квартиргеров.


Был осенний, теплый, дождливый день. Небо и горизонт были одного и того же цвета мутной воды. То падал как будто туман, то вдруг припускал косой, крупный дождь.
На породистой, худой, с подтянутыми боками лошади, в бурке и папахе, с которых струилась вода, ехал Денисов. Он, так же как и его лошадь, косившая голову и поджимавшая уши, морщился от косого дождя и озабоченно присматривался вперед. Исхудавшее и обросшее густой, короткой, черной бородой лицо его казалось сердито.
Рядом с Денисовым, также в бурке и папахе, на сытом, крупном донце ехал казачий эсаул – сотрудник Денисова.
Эсаул Ловайский – третий, также в бурке и папахе, был длинный, плоский, как доска, белолицый, белокурый человек, с узкими светлыми глазками и спокойно самодовольным выражением и в лице и в посадке. Хотя и нельзя было сказать, в чем состояла особенность лошади и седока, но при первом взгляде на эсаула и Денисова видно было, что Денисову и мокро и неловко, – что Денисов человек, который сел на лошадь; тогда как, глядя на эсаула, видно было, что ему так же удобно и покойно, как и всегда, и что он не человек, который сел на лошадь, а человек вместе с лошадью одно, увеличенное двойною силою, существо.
Немного впереди их шел насквозь промокший мужичок проводник, в сером кафтане и белом колпаке.
Немного сзади, на худой, тонкой киргизской лошаденке с огромным хвостом и гривой и с продранными в кровь губами, ехал молодой офицер в синей французской шинели.
Рядом с ним ехал гусар, везя за собой на крупе лошади мальчика в французском оборванном мундире и синем колпаке. Мальчик держался красными от холода руками за гусара, пошевеливал, стараясь согреть их, свои босые ноги, и, подняв брови, удивленно оглядывался вокруг себя. Это был взятый утром французский барабанщик.
Сзади, по три, по четыре, по узкой, раскиснувшей и изъезженной лесной дороге, тянулись гусары, потом казаки, кто в бурке, кто во французской шинели, кто в попоне, накинутой на голову. Лошади, и рыжие и гнедые, все казались вороными от струившегося с них дождя. Шеи лошадей казались странно тонкими от смокшихся грив. От лошадей поднимался пар. И одежды, и седла, и поводья – все было мокро, склизко и раскисло, так же как и земля, и опавшие листья, которыми была уложена дорога. Люди сидели нахохлившись, стараясь не шевелиться, чтобы отогревать ту воду, которая пролилась до тела, и не пропускать новую холодную, подтекавшую под сиденья, колени и за шеи. В середине вытянувшихся казаков две фуры на французских и подпряженных в седлах казачьих лошадях громыхали по пням и сучьям и бурчали по наполненным водою колеям дороги.