Atmosferska Hemija

Ona predstavlja multidisciplinarni pristup istraživanju te se oslanja na druge nauke poput hemije okoline, fizike, meteorologije, računarskog modeliranja, okeanografije, geologije, vulkanologije i drugih disciplina. Istraživanja u oblasti atmosferske hemije sve više su povezana sa istraživanjima iz drugih područja poput klimatologije .

Sastav i hemija Zemljine atmosfere važna je iz nekoliko razloga, prvenstveno zbog međudjelovanja između atmosfere i živih bića koja žive na Zemlji. Sastav Zemljine atmosfere se mijenja kao rezultat prirodnih procesa kao što su emisije gasova iz vulkana, munje i bombardovanje Sunčevih čestica iz korone. Osim toga, ona se mijenja i kao posljedica ljudskih aktivnosti a neke od tih promjena su štetne za zdravlje čovjeka, usjeva i brojnih ekosistema. Primjeri problema koji su od interesa za atmosfersku hemiju su kisele kiše, oštećenje ozonskog omotača, fotohemijski smog, staklenički gasovi i globalno zatopljenje. Hemičari atmosfere traže odgovore na pitanja šta su uzroci tih problema, te nakon postavljanja teorija, pokušavaju naći moguća rješenja putem eksperimenata te evaluiraju efekte promjena u politici državnih vlada.

 

Napomene: koncentracija CO₂ i CH₄ varira prema sezoni i mjestu mjerenja. Srednja molekulska masa zraka je 28,97 g/mol. Ozon (O₃₎ nije uključen u tabelu zbog velike varijabilnosti.

 

Stari Grci zrak su smatrali jednim od četiri osnovna elementa od kojih je izgrađena sva priroda. Prve naučne studije sastava Zemljine atmosfere počele su u 18. vijeku, kada su hemičari poput Josepha Priestleya, Antoinea Lavoisiera i Henrya Cavendisha načinili prva mjerenja sastava atmosfere.

Krajem 19. i početkom 20. vijeka interes atmosferske hemije pomaknut je u pravcu izučavanja sastojaka atmosfere koji su u njoj sadržani samo u tragovima i s u veoma malim koncentracijama. Jedno od važnijih otkrića za atmosfersku hemiju bilo je otkriće ozona, Christiana Friedricha Schönbeina 1840. godine.

U 20. vijeku, nauka o atmosferi kretala se od proučavanja sastava zraka do razmatranja kako su se koncentracije plinova u tragovima u atmosferi mijenjale tokom vremena te hemijske procese koji stvaraju i uništavaju hemijske spojeve u zraku. Dva posebno važna primjera su teorije Sydneya Chapmana i Gordona Dobsona o tome kako nastaje ozonski omotač i kako se održava, kao i teorija fotohemijskog smoga koju je dao Arie Jan Haagen-Smit. Daljnja proučavanja o ozonu koja su proveli Paul Crutzen, Mario Molina i Frank Sherwood Rowland priskrbila su im Nobelovu nagradu za hemiju 1995. godine.

U 21. vijeku ponovno je došlo do promjene interesa proučavanja hemičara atmosfere. Atmosferska hemija sve više se proučava kao dio cjelokupnog Zemljinog sistema. Umjesto da se usmjeravaju na izolovano proučavanje atmosferske hemije, hemičari sada sagledavaju ovu oblast kao dio jedinstvenog sistema zajedno sa ostatkom atmosfere, biosfere i geosfere. Posebno važan pokretač za ovo su veze između hemije i klime kao što su naprimjer efekti promjene klime na povećanje ozonske rupe i obrnuto, kao i međudjelovanje sastava atmosfere sa okeanima i kopnenim ekosistemima.

 

Ugljik-dioksid u Zemljinoj atmosferi kada polovina emisije stakleničkih plinova ne bila apsorbirana.
(NASA-ina računarska simulacija; 9. novembar 2015)

 

Dušik-dioksid 2014 - nivoi kvalitete globalnog zraka
(objavljeno 14. decembar 2015).

Zapažanja, laboratorijska mjerenja i modeliranje su tri osnovna elementa u atmosferskoj hemiji. Napredak u atmosferskoj hemiji često je vođen međudjelovanjima između ovih komponenti i one čine jedinstvenu cjelinu. Naprimjer, posmatranja nam mogu reći o postojanju hemijskih spojeva prije nego što se ranije smatralo mogućim. To bi trebalo dati stimulaciju za nova modeliranja i laboratorijske studije koje će povećati naše naučno razumijevanje do tačke gdje bi se posmatranja mogla naučno objasniti.

Posmatranje

Posmatranja u atmosferskoj hemiji vrlo su važna za razumijevanje Zemljine atmosfere. Rutinska posmatranja hemijskog sastava atmosfere govore o promjeni njenog sastava tokom vremena. Jedan od primjera je Keelingova krivulja, serija mjerenja od 1958. koja još traju a pokazuju stalni porast koncentracije ugljik-dioksida u Zemljinoj atmosferi. Zapažanja atmosferske hemije načinjena su u opservatorijama poput one na havajskoj Mauna Loa te na pokretnim platformama poput aviona (npr. britansko postrojenje za atmosferska mjerenja), brodova i balona. Mjerenja atmosferskog sastava sve više vrše umjetni sateliti sa važnim instrumentima poput GOME i MOPITT koji daju globalnu sliku hemije atmosfere i zagađenja zraka. Mjerenja načinjena na površini Zemlje imaju prednost u tome što ona pružaju dugoročne zapise u visokoj vremenskoj rezoluciji, ali su ograničena u vertikalnom i horizontalnom prostoru iz kojeg dobijaju zapažanja. Neki instrumenti na površini npr. LIDAR mogu obezbijediti profile koncentracije hemijskih spojeva i aerosola, ali su još uvijek ograničeni u horizontalnom području koje mogu pokrivati. Mnoga atmosferska mjerenja dostupna su i na online bazama podataka.

Laboratorijske studije

Mjerenja u laboratoriji bitna su za razumijevanje izvora i uzroka zagađivača i spojeva koji se prirodno javljaju u atmosferi. Ovi eksperimenti izvode se u kontroliranim uslovima koji omogućavaju individualnu evaluaciju specifičnih hemijskih reakcija ili procjenu osobina određenog sastojka atmosfere. Vrste analiza koje su od interesa uključuju one o reakcija gasne faze kao i heterogene reakcije koje su relevantne za nastanak i rast aerosola. Osim toga, od velikog značaja za proučavanje atmosferske fotohemije koja kvantificira brzinu razdvajanja molekula djelovanjem Sunčeve svjetlosti i proizvode koji tim procesom nastaju. Osim toga, mogu se dobiti termodinamički podaci poput koeficijenata Henryjevog zakona.