Χημεία της ατμόσφαιρας

Οι αρχαίοι Έλληνες θεωρούσαν τον αέρα ως ένα από τα τέσσερα στοιχεία. Οι πρώτες επιστημονικές μελέτες της σύνθεσης της ατμόσφαιρας ξεκίνησαν τον 18ο αιώνα. Χημικοί όπως ο Joseph Priestley, ο Antoine Lavoisier και ο Henry Cavendish έκαναν τις πρώτες μετρήσεις της σύνθεσης της ατμόσφαιρας.

Στα τέλη του 19ου και στις αρχές του 20ού αιώνα το ενδιαφέρον στράφηκε προς τα ιχνοστοιχεία με πολύ μικρές συγκεντρώσεις. Μια σημαντική ανακάλυψη για την ατμοσφαιρική χημεία ήταν η ανακάλυψη του όζοντος από τον Christian Friedrich Schönbein το 1840.

Οι συγκεντρώσεις των ιχνοαερίων στην ατμόσφαιρα έχουν αλλάξει με την πάροδο του χρόνου, όπως και οι χημικές διεργασίες που δημιουργούν και καταστρέφουν τις ενώσεις στον αέρα. Δύο σημαντικά παραδείγματα ήταν η εξήγηση από τους Sydney Chapman και Gordon Dobson του τρόπου με τον οποίο δημιουργείται και διατηρείται το στρώμα του όζοντος και η εξήγηση του φωτοχημικού νέφους από τον Arie Jan Haagen-Smit. Περαιτέρω μελέτες σχετικά με τα θέματα του όζοντος οδήγησαν στην απονομή του βραβείου Νόμπελ Χημείας το 1995, το οποίο μοιράστηκαν οι Paul Crutzen, Mario Molina και Frank Sherwood Rowland.

Στον 21ο αιώνα το επίκεντρο μετατοπίζεται και πάλι. Η ατμοσφαιρική χημεία μελετάται όλο και περισσότερο ως ένα μέρος του συστήματος της Γης. Παλαιότερα, οι επιστήμονες επικεντρώνονταν στην ατμοσφαιρική χημεία μεμονωμένα. Τώρα, οι επιστήμονες μελετούν την ατμοσφαιρική χημεία ως ένα μέρος ενός ενιαίου συστήματος με την υπόλοιπη ατμόσφαιρα, τη βιόσφαιρα και τη γεώσφαιρα. Ένας λόγος για αυτό είναι οι δεσμοί μεταξύ της χημείας και του κλίματος. Για παράδειγμα, η αλλαγή του κλίματος και η αποκατάσταση της τρύπας του όζοντος επηρεάζουν η μία την άλλη. Επίσης, η σύνθεση της ατμόσφαιρας αλληλεπιδρά με τους ωκεανούς και τα χερσαία οικοσυστήματα.

Οι παρατηρήσεις, οι εργαστηριακές μετρήσεις και η μοντελοποίηση είναι τα τρία κεντρικά στοιχεία της ατμοσφαιρικής χημείας. Και οι τρεις μέθοδοι χρησιμοποιούνται μαζί. Για παράδειγμα, οι παρατηρήσεις μπορούν να δείξουν ότι υπάρχει μεγαλύτερη ποσότητα μιας χημικής ένωσης από ό,τι θεωρούνταν προηγουμένως δυνατό. Αυτό θα υποκινήσει νέες μελέτες μοντελοποίησης και εργαστηριακές μελέτες που θα αυξήσουν την επιστημονική κατανόηση σε σημείο που οι παρατηρήσεις θα μπορούν να εξηγηθούν.

Παρατήρηση

Οι παρατηρήσεις της ατμοσφαιρικής χημείας είναι σημαντικές. Οι επιστήμονες καταγράφουν δεδομένα σχετικά με τη χημική σύσταση του αέρα με την πάροδο του χρόνου για να παρακολουθούν τυχόν αλλαγές. Ένα παράδειγμα είναι η καμπύλη Keeling - μια σειρά μετρήσεων από το 1958 έως σήμερα που δείχνουν μια σταθερή αύξηση της συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα. Οι παρατηρήσεις της ατμοσφαιρικής χημείας γίνονται σε παρατηρητήρια όπως αυτό του Mauna Loa και σε κινητές πλατφόρμες όπως αεροσκάφη, πλοία και αερόστατα. Οι παρατηρήσεις της ατμοσφαιρικής σύνθεσης γίνονται όλο και περισσότερο από δορυφόρους, δίνοντας μια παγκόσμια εικόνα της ατμοσφαιρικής ρύπανσης και της χημείας. Οι επιφανειακές παρατηρήσεις έχουν το πλεονέκτημα ότι παρέχουν μακροχρόνιες καταγραφές με υψηλή χρονική ανάλυση, αλλά παρέχουν δεδομένα από περιορισμένο κατακόρυφο και οριζόντιο χώρο. Ορισμένα επιφανειακά όργανα, όπως το LIDAR, μπορούν να παρέχουν προφίλ συγκέντρωσης χημικών ενώσεων και αερολυμάτων, αλλά εξακολουθούν να περιορίζονται στην οριζόντια περιοχή που καλύπτουν. Πολλές παρατηρήσεις κοινοποιούνται on-line.

Εργαστηριακές μετρήσεις

Οι μετρήσεις που πραγματοποιούνται στο εργαστήριο είναι απαραίτητες για την κατανόηση των πηγών και των καταβόθρων των ρύπων και των ενώσεων που βρίσκονται στη φύση. Οι εργαστηριακές μελέτες δείχνουν ποια αέρια αντιδρούν μεταξύ τους και πόσο γρήγορα αντιδρούν. Οι επιστήμονες μετρούν τις αντιδράσεις στην αέρια φάση, σε επιφάνειες και στο νερό. Οι επιστήμονες μελετούν επίσης τη φωτοχημεία, η οποία ποσοτικοποιεί πόσο γρήγορα διασπώνται τα μόρια από το ηλιακό φως και ποια είναι τα προϊόντα. Οι επιστήμονες μελετούν επίσης θερμοδυναμικά δεδομένα, όπως οι συντελεστές του νόμου του Henry.