Atmosfärisk kemi | kemin i jordens atmosfär och andra planeters atmosfär
Atmosfärisk kemi är en vetenskapsgren där man studerar kemin i jordens och andra planeters atmosfär. Det är ett tvärvetenskapligt forskningsområde som bygger på miljökemi, fysik, meteorologi, datormodellering, oceanografi, geologi, vulkanologi och andra discipliner. Forskningen är kopplad till andra studieområden, t.ex. klimatologi.
Att studera atmosfären innebär också att studera växelverkan mellan atmosfären och levande organismer. Sammansättningen av jordens atmosfär förändras till följd av naturliga processer som vulkanutsläpp, blixtnedslag och bombardemang av solpartiklar från solens korona. Den har också förändrats av mänsklig verksamhet. Vissa av dessa förändringar är skadliga för människors hälsa, grödor och ekosystem. Exempel på problem är surt regn, ozonförstöring, fotokemisk smog, växthusgaser och global uppvärmning. Atmosfärkemister studerar orsakerna till dessa problem. Atmosfärkemister erbjuder teorier om dessa problem och testar sedan teorier och möjliga lösningar. Atmosfärkemister noterar också effekterna av förändringar i regeringens politik.
Atmosfärisk sammansättning
| Genomsnittlig sammansättning av den torra atmosfären (molfraktioner) | ||
| Gas | enligt NASA | |
| Kväve, N2 | 78.084% | |
| Syre, O2 | 20.946% | |
| Argon, Ar | 0.934% | |
| Mindre beståndsdelar (molfraktioner i ppm) | ||
| Koldioxid, CO2 | 383 | |
| Neon, Ne | 18.18 | |
| Helium, He | 5.24 | |
| Metan, CH4 | 1.7 | |
| Krypton, Kr | 1.14 | |
| Väte, H2 | 0.55 | |
| Vatten | ||
| Vattenånga | Mycket varierande; | |
Noter: Koncentrationen av CO2 och CH4 varierar beroende på säsong och plats. Luftens genomsnittliga molekylmassa är 28,97 g/mol.
Sammansättningen av jordens atmosfär. Vattenånga ingår inte eftersom den förändras mycket med tiden. Varje liten kub (t.ex. den som representerar krypton) har en miljondel av hela blockets volym. Uppgifterna kommer från NASA Langley.
Schematisk bild av kemiska processer och transportprocesser som är relaterade till atmosfärens sammansättning.
Historia
De gamla grekerna betraktade luft som ett av de fyra elementen. De första vetenskapliga studierna av atmosfärens sammansättning inleddes på 1700-talet. Kemister som Joseph Priestley, Antoine Lavoisier och Henry Cavendish gjorde de första mätningarna av atmosfärens sammansättning.
I slutet av 1800-talet och början av 1900-talet flyttades intresset till spårämnen med mycket små koncentrationer. En viktig upptäckt för atmosfärisk kemi var Christian Friedrich Schönbeins upptäckt av ozon 1840.
Koncentrationerna av spårgaser i atmosfären har förändrats med tiden, liksom de kemiska processer som bildar och förstör föreningar i luften. Två viktiga exempel på detta är Sydney Chapmans och Gordon Dobsons förklaring av hur ozonskiktet skapas och bevaras och Arie Jan Haagen-Smit förklaring av fotokemisk smog. Ytterligare studier om ozonfrågor ledde till att Paul Crutzen, Mario Molina och Frank Sherwood Rowland delade på Nobelpriset i kemi 1995.
På 2000-talet har fokus flyttats igen. Atmosfärisk kemi studeras alltmer som en del av jordens system. Tidigare fokuserade forskarna på atmosfärisk kemi isolerat. Nu studerar forskarna atmosfärisk kemi som en del av ett enda system med resten av atmosfären, biosfären och geosfären. Ett skäl till detta är kopplingarna mellan kemi och klimat. Klimatförändringar och återhämtningen av ozonhålet påverkar till exempel varandra. Atmosfärens sammansättning samverkar också med haven och de terrestra ekosystemen.
Metodik
Observationer, laboratoriemätningar och modellering är de tre centrala delarna i atmosfärskemin. Alla tre metoderna används tillsammans. Observationer kan till exempel visa att det finns mer av en kemisk förening än vad man tidigare trodde var möjligt. Detta kommer att stimulera nya modelleringar och laboratoriestudier som kommer att öka den vetenskapliga förståelsen till en punkt där observationerna kan förklaras.
Observation
Observationer av atmosfärens kemi är viktiga. Forskare registrerar data om luftens kemiska sammansättning över tid för att se om det sker några förändringar. Ett exempel på detta är Keelingkurvan - en serie mätningar från 1958 till idag som visar en stadig ökning av koldioxidhalten. Observationer av atmosfärens kemi görs i observatorier, t.ex. på Mauna Loa, och på mobila plattformar, t.ex. flygplan, fartyg och ballonger. Observationer av atmosfärens sammansättning görs allt oftare av satelliter, vilket ger en global bild av luftföroreningar och luftkemi. Observationer på ytan har den fördelen att de ger långsiktiga registreringar med hög tidsupplösning, men de ger data från ett begränsat vertikalt och horisontellt utrymme. Vissa ytbaserade instrument, t.ex. LIDAR, kan ge koncentrationsprofiler av kemiska föreningar och aerosol, men de är fortfarande begränsade i den horisontella region de täcker. Många observationer delas online.
Mätningar i laboratoriet
Mätningar som görs i laboratoriet är viktiga för vår förståelse av källorna och sänkorna för föroreningar och föreningar som finns i naturen. Laboratorieundersökningar visar vilka gaser som reagerar med varandra och hur snabbt de reagerar. Forskarna mäter reaktioner i gasfasen, på ytor och i vatten. Forskarna studerar också fotokemi som kvantifierar hur snabbt molekyler splittras av solljus och vilka produkterna är. Forskare studerar också termodynamiska data, t.ex. koefficienter enligt Henrys lag.
Frågor och svar
F: Vad är atmosfärisk kemi?
S: Atmosfärisk kemi är en gren av vetenskapen där man studerar kemin i jordens och andra planeters atmosfär. Den bygger på flera olika discipliner, t.ex. miljökemi, fysik, meteorologi, datormodellering, oceanografi, geologi och vulkanologi.
F: På vilket sätt innefattar studier av atmosfären studier av levande organismer?
S: Forskning om atmosfärisk kemi omfattar även studier av samspelet mellan atmosfären och levande organismer.
F: Vilka är några exempel på problem som orsakas av mänsklig verksamhet?
S: Exempel på problem som orsakas av mänsklig verksamhet är surt regn, uttunning av ozon, fotokemisk smog, växthusgaser och global uppvärmning.
F: Vad gör atmosfärkemister för att lösa dessa problem?
S: Atmosfärkemister erbjuder teorier om dessa problem och testar dem sedan för att hitta möjliga lösningar. De noterar också effekterna av förändringar i regeringens politik i samband med dessa frågor.
F: Hur förändras sammansättningen av jordens atmosfär naturligt?
S: Sammansättningen av jordens atmosfär förändras till följd av naturliga processer som vulkanutsläpp, blixtnedslag och bombardemang av solpartiklar från solens korona.
