대기 화학

Atmospheric chemistry

대기 화학은 지구 대기와 다른 행성들의 화학연구하는 대기 과학의 한 분야이다.다원적 연구 접근법이며 환경화학, 물리, 기상학, 컴퓨터 모델링, 해양학, 지질학, 화산학 및 기타 분야를 활용합니다.연구는 기후학과 같은 다른 학문 분야와 점점 더 연결되어 있다.

지구 대기의 구성과 화학은 여러 가지 이유로 중요하지만, 주로 대기와 생물 사이의 상호작용 때문이다.지구 대기의 구성은 화산 방출, 번개, 코로나에서 나오는 태양 입자에 의한 폭격과 같은 자연적인 과정의 결과로 변화한다.그것은 또한 인간의 활동에 의해 변화되었고 이러한 변화들 중 일부는 인간의 건강, 농작물 그리고 생태계에 해롭다.대기 화학에 의해 해결된 문제의 예로는 산성비, 오존 파괴, 광화학 스모그, 온실 가스, 지구 온난화 등이 있다.대기 화학자는 이러한 문제의 원인을 파악하여 이론적 이해를 얻음으로써 가능한 해결책을 시험하고 정부 정책 변화의 영향을 평가할 수 있도록 한다.

대기 조성

지구 대기의 부피별 구성 시각화.수증기는 변동성이 크기 때문에 포함되지 않는다.각 작은 입방체(크립톤을 나타내는 입방체 등)는 전체 블록 부피의 100만분의 1을 가지고 있다.NASA 랭글리의 데이터입니다.
건조한 공기 중 일반적질소산화물 성분 대 온도
고도에 [1]따른 대기의 화학적 조성.축: 고도(km), 부피의 내용(%)
건조 대기의 평균 조성( 분율)
가스 NASA에 따라
해수면 부근의 건조한 깨끗한 공기
(표준 ISO 2533 - 1975)
질소, N2 78.084% 78.084%
산소, O2[2] 20.946% 20.946%
부성분(ppm 단위의 몰 분율)
아르곤, 아르곤 9340 9340
이산화탄소*,[a] CO2 400 314[b]
네온, 네 18.18 18.18
헬륨, He 5.24 5.24
메탄[a], CH4 1.7 2.0
크립톤 1.14 1.14
수소, H2 0.55 0.5
아산화질소, NO2 0.5 0.5
제논, 제네온 0.09 0.087
이산화질소, NO2 0.02 최대 0.02
여름철 오존*, O3 최대 0.07
겨울철 오존*, O3 최대 0.02
이산화황*, SO2 최대 1개
요오드*, I2 0.01
물.
수증기* 변동성이 매우 높음(약 0~3%)
일반적으로 약 1%를 차지합니다.
메모들
건조한 공기의 평균 분자 질량은 28.97g/mol입니다.*가스의 함량은 때때로 또는 장소에 따라 크게 달라질 수 있습니다.[a]CO와4 CH의2 농도는 계절과 장소에 따라 다르다.[b]CO는2 1975년부터 발생했지만 매년 약 2~3ppm씩 증가하고 있다(지구 대기 이산화탄소 참조).

미량 가스 조성

위에 열거된 주요 성분들 외에도, 지구의 대기에는 인근 소스와 싱크대에 따라 크게 다른 많은 미량 가스 종들이 있습니다.이러한 미량 가스에는 오존층에 특히 피해를 주는 CFCs/HCFCs, 썩은
2
달걀 특유의 악취가 나는 HS와 같은 화합물이 포함될 수 있으며 0.47ppb의 농도로 용해될 수 있다.
일부 추가 가스의 표면 근처에 대략적인 양이 아래에 나열되어 있습니다.대기 중에는 기체 외에 물방울, 얼음 결정, 박테리아 및 먼지 등의 미립자가 에어로졸로 포함되어 있습니다.

조성(별도 기재가 없는 한 부피당 ppt)
가스 클린 콘티넨탈, 사인펠트 & 판디스 (2016)[3] 심슨 외 연구진 (2010)[4]
일산화탄소, CO 40~200ppb 97ppb
산화질소, NO 16
에탄, CH26 781
프로판, CH38 200
이소프렌, CH58 311
벤젠, CH66 11
메탄올, CHOH3 1967
에탄올, CHOH25 75
트리클로로플루오로메탄, CClF3 237 p41 252.7
디클로로디플루오로메탄, CClF22 530 p41 532.3
클로로메탄, CHCl3 503
브로모메탄, CHBr3 9 ~ 10 7.7
요오드메탄, CHI3 0.36
황화카르보닐, OCS 510 p26 413
이산화황, SO2 70 ~ 200 102
황화수소, HS2 15 ~ 15 ~18
이황화탄소, CS2 15~45
포름알데히드, HCO2 9.1ppb
아세틸렌, CH22 8.6ppb
에텐, CH24 11.2ppb 20
육불화황, SF6 7.3 p41
사불화탄소, CF4 79 p41
수은 가스, Hg 0.120

역사

대기 조성과 관련된 화학 및 수송 프로세스의 개요

고대 그리스인들은 공기를 네 가지 요소 중 하나로 여겼다.조셉 프리스틀리, 앙투안 라부아지에, 헨리 카벤디쉬같은 화학자들이 대기의 구성에 대한 첫 번째 측정을 하면서, 대기 구성에 대한 첫 번째 과학적 연구가 18세기에 시작되었다.

19세기 후반과 20세기 초반에는 매우 적은 농도의 미량 성분으로 관심이 이동했다.대기 화학에서 특히 중요한 발견 중 하나는 1840년 크리스티안 프리드리히 쇤바인에 의한 오존 발견이었다.

20세기에는 대기과학이 대기 중 미량가스의 농도가 시간에 따라 어떻게 변했는지와 공기 중 화합물을 만들고 파괴하는 화학적 과정을 연구하기 위해 발전했다.특히 중요한 두 가지 예는 시드니 채프먼과 고든 돕슨오존층 생성과 유지에 대한 설명과 아리 하겐 스미트의 광화학 스모그에 대한 설명이었다.오존 문제에 대한 추가 연구로 1995년 폴 크루첸, 마리오 몰리나, 프랭크 셔우드 롤랜드가 [5]노벨 화학상을 공동 수상했다.

21세기에 이제 관심사는 다시 옮겨 가고 있다.대기 화학은 점점 더 지구 시스템의 한 부분으로서 공부된다.대신 대기 화학에 고립으로 집중의 초점은 현재 분위기, 생물권과 geosphere의 나머지와 단일 시스템의 한 부분을 보고에 있다.화학과 기후 간 기후 변화의 오존 구멍의 회복과 그 반대의 효과라 해양과 육상 생태계와 대기의 조성의 상호 작용적에 대한 특히 중요한 동인은 연결한다.

지구의 대기 중에 이산화 탄소 만약 인위 개변의 이산화 탄소 emissions[6][7]의 절반 흡수되지 않고 있다.
(NASAsimulation, 911월 2015년)
질소 탄소를 2014년 세계적인 공기 품질 수준.
(12월 14일 2015년 발표)[8]

방법론

대기 화학에서 관찰, 실험실 측정 및 모델링은 세가지 중심적인 요소이다.공정 대기 화학에서 흔히 이러한 요소들 간의 상호 작용의 급하고 그들은 통합된 전체를 이루고 있다.예를 들어, 관찰은 화학 화합물은 이상의 이전에 가능했던 생각이 존재하는지 알려 줄지도 모른다.이인데, 이 관찰 설명할 수 있는 정도까지 우리의 과학적 이해를 증진시킬 새로운 모델링 및 실험실 연구를 자극한다.

관찰

대기 화학에 대한 관찰 우리가 이해하는데 필수적이다.화학적 조성의 정기적인 관찰 대기 구성들이 시간이 지남에 따라 변화에 대해 설명을 부탁 드립니다.이 하나의 중요한 예는 킬링 곡선-측정의 1958년 이산화 탄소를(대기 중 이산화 탄소의 또한 진행 중인 측정을 보)의 농도에서 꾸준히 증가했음을 나타내부터 오늘날까지 시리즈.대기 화학에 대한 관찰 그 마우나로아와 항공기(예를 들어 공중 대기 측정 영국의 시설), 선박 및 풍선 같은 모바일 플랫폼에 같은 관측소에서 만들어진다.GOMEMOPIT와 같은 중요한 기구를 가진 인공위성에 의해 대기조성의 관측은 점점 더 많이 이루어지며 대기 오염과 화학에 대한 전 세계적인 그림을 보여준다.표면 관측치는 높은 시간 분해능에서 장기 기록을 제공하지만 관측치를 제공하는 수직 및 수평 공간에는 한계가 있다는 장점이 있습니다.LIDAR과 같은 일부 표면 기반 계측기는 화학 성분 및 에어로졸의 농도 프로파일을 제공할 수 있지만, 여전히 커버할 수 있는 수평 영역에서 제한됩니다.대기 화학 관측 데이터베이스에서 많은 관측치를 온라인으로 사용할 수 있습니다.

실험실 연구

실험실에서의 측정은 오염물질과 자연발생 화합물의 발생원과 흡수원을 이해하는 데 필수적입니다.이러한 실험은 특정 화학 반응의 개별 평가 또는 특정 대기 [9]성분의 특성 평가를 허용하는 통제된 환경에서 수행됩니다.관심 있는 분석 유형에는 기상 반응뿐만 아니라 에어로졸의 형성 및 성장과 관련된 이종 반응도 포함됩니다.또한 분자가 햇빛에 의해 어떻게 쪼개지는지, 그리고 그 결과로 생기는 산물이 무엇인지 수량화하는 대기 광화학 연구도 매우 중요하다.또한 헨리의 법칙 계수와 같은 열역학 데이터도 얻을 수 있습니다.

모델링.

대기 화학의 이론적 이해를 종합하고 테스트하기 위해 컴퓨터 모델(예: 화학 수송 모델)이 사용된다.수치 모형은 대기 중 화학 물질의 농도를 제어하는 미분 방정식을 푼다.그것들은 매우 간단하거나 매우 복잡할 수 있다.수치 모델의 공통적인 트레이드오프 중 하나는 화학 화합물의 수와 모델링된 화학 반응의 수와 대기 중 수송 및 혼합의 표현 사이의 트레이드오프이다.예를 들어, 박스 모델에는 수백 또는 수천 개의 화학 반응이 포함될 수 있지만, 대기 중 혼합의 매우 조잡한 표현만 있을 뿐입니다.이와는 대조적으로, 3D 모델은 대기의 많은 물리적 과정을 나타내지만 컴퓨터 자원에 대한 제약으로 인해 화학 반응과 화합물이 훨씬 적을 것입니다.모델을 사용하여 관측치를 해석하고, 화학 반응에 대한 이해를 테스트하고, 대기 중 화학 화합물의 향후 농도를 예측할 수 있습니다.한 가지 중요한 경향은 대기 화학 모듈이 기후, 대기 구성 및 생물권 간의 연결을 연구할 수 있는 지구 시스템 모델의 일부가 되는 것이다.

일부 모델은 자동 코드 생성기로 구성됩니다(예: Autochem 또는 Kinetic PreProcessor).이 접근법에서는 일련의 성분이 선택되고 자동 코드 생성기는 일련의 반응 데이터베이스에서 해당 구성요소와 관련된 반응을 선택합니다.일단 반응이 선택되면, 반응의 시간 진화를 설명하는 일반 미분 방정식이 자동으로 구성될 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Cairns, Iver (23 September 1999). "Earth's Atmosphere". The University of Sydney. Retrieved 7 April 2021.
  2. ^ Zimmer, Carl (3 October 2013). "Earth's Oxygen: A Mystery Easy to Take for Granted". The New York Times. Retrieved 3 October 2013.
  3. ^ Seinfeld, John; Pandis, Spyros (2016). Atmospheric Chemistry and Physics - from Air Pollution to Climate Change, 3rd ed. Hoboken, New Jersey: Wiley. ISBN 9781119221173.
  4. ^ Simpson, I. J.; Blake, N. J.; Barletta, B.; Diskin, G. S.; Fuelberg, H. E.; Gorham, K.; Huey, L. G.; Meinardi, S.; Rowland, F. S.; Vay, S. A.; Weinheimer, A. J.; Yang, M.; Blake, D. R. (2010). "Characterization of trace gases measured over Alberta oil sands mining operations: 76 speciated C2–C10 volatile organic compounds (VOCs), CO2, CH4, CO, NO, NO2, NO, O3 and SO2". Atmospheric Chemistry and Physics. 10 (23): 11931–11954. doi:10.5194/acp-10-11931-2010. ISSN 1680-7324.
  5. ^ "Press Release - 1995 Nobel Prize in Chemistry". The Nobel Prize. Nobel Prize Org. October 11, 1995.
  6. ^ St. Fleur, Nicholas (10 November 2015). "Atmospheric Greenhouse Gas Levels Hit Record, Report Says". The New York Times. Retrieved 11 November 2015.
  7. ^ Ritter, Karl (9 November 2015). "UK: In 1st, global temps average could be 1 degree C higher". AP News. Retrieved 11 November 2015.
  8. ^ Cole, Steve; Gray, Ellen (14 December 2015). "New NASA Satellite Maps Show Human Fingerprint on Global Air Quality". NASA. Retrieved 14 December 2015.
  9. ^ National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine (2016). Future of Atmospheric Research: Remembering Yesterday, Understanding Today, Anticipating Tomorrow. Washington, DC: The National Academies Press. p. 15. ISBN 978-0-309-44565-8.

추가 정보

  • Brasseur, Guy P., Orlando, John J.;Tyndall, Geoffrey S.(1999년).대기 화학과 지구 변화.옥스퍼드 대학 출판부ISBN 0-19-510521-4.
  • Finlayson-Pitts, Barbara J.; Pitts, James N., Jr. (2000).상층 대기와 하층 대기의 화학.학술용 프레스ISBN 0-12-257060-X.
  • 사인펠트, 존 H.; 판디스, 스파이로스 N. (2006)대기 화학 및 물리: 대기오염부터 기후변화까지 (제2판).John Wiley & Sons, Inc.ISBN 0-471-82857-2.
  • 워넥, 피터(2000).자연 대기의 화학(Ed 2).학술용 프레스ISBN 0-12-735632-0.
  • 웨인, 리처드 P.(2000).대기 화학 (제3판)옥스퍼드 대학 출판부ISBN 0-19-850375-X
  • J. V. 이리반, H. R. 조 대기물리학, D.레이델 출판사, 1980년

외부 링크