Atmosphärenchemie - Atmospheric chemistry

Die Atmosphärenchemie ist ein Zweig der Atmosphärenwissenschaften, in dem die Chemie der Erdatmosphäre und anderer Planeten untersucht wird. Es ist ein multidisziplinärer Forschungsansatz und stützt sich auf Umweltchemie , Physik , Meteorologie , Computermodellierung , Ozeanographie , Geologie und Vulkanologie und andere Disziplinen. Die Forschung wird zunehmend mit anderen Studienrichtungen wie der Klimatologie verbunden .

Die Zusammensetzung und Chemie der Erdatmosphäre ist aus mehreren Gründen von Bedeutung, vor allem aber wegen der Wechselwirkungen zwischen der Atmosphäre und lebenden Organismen . Die Zusammensetzung der Erdatmosphäre ändert sich als Ergebnis der natürlichen Prozesse wie Vulkan - Emissionen, Blitz und Beschuss durch Sonnenpartikel aus Corona . Es wurde auch durch menschliche Aktivitäten verändert, und einige dieser Veränderungen sind schädlich für die menschliche Gesundheit, Pflanzen und Ökosysteme. Beispiele für Probleme, die von der Atmosphärenchemie angegangen wurden, sind saurer Regen , Ozonabbau , photochemischer Smog , Treibhausgase und globale Erwärmung . Atmosphärenchemiker versuchen, die Ursachen dieser Probleme zu verstehen und durch ein theoretisches Verständnis mögliche Lösungen zu testen und die Auswirkungen von Änderungen in der Regierungspolitik zu bewerten.

Atmosphärische Zusammensetzung

Visualisierung der Volumenzusammensetzung der Erdatmosphäre. Wasserdampf ist nicht enthalten, da er sehr variabel ist. Jeder winzige Würfel (wie derjenige, der Krypton darstellt) hat ein Millionstel des Volumens des gesamten Blocks. Die Daten stammen von NASA Langley .

Die Zusammensetzung üblicher Stickoxide in trockener Luft im Vergleich zur Temperatur

Chemische Zusammensetzung der Atmosphäre in Abhängigkeit von der Höhe . Achse: Höhe (km), Volumeninhalt (%).

Durchschnittliche Zusammensetzung der trockenen Atmosphäre ( Molanteile )
Gas	pro NASA	Trockene saubere Luft in Meereshöhe (Norm ISO 2533 - 1975)
Stickstoff , N ₂	78,084%	78,084%
Sauerstoff , O ₂	20,946%	20,946%
Nebenbestandteile (Molanteile in ppm )
Argon , Ar	9340	9340
Kohlendioxid * ^[a] , CO ₂	400	314 ^[b]
Neon , Ne	18.18	18.18
Helium , He	5,24	5,24
Methan ^[a] , CH ₄	1.7	2.0
Krypton , Kr	1,14	1,14
Wasserstoff , H ₂	0,55	0,5
Lachgas , N ₂ O	0,5	0,5
Xenon , Xe	0,09	0,087
Stickstoffdioxid , NO ₂	0,02	bis zu 0,02
Ozon *, O ₃ , im Sommer		bis zu 0,07
Ozon *, O ₃ , im Winter		bis zu 0,02
Schwefeldioxid *, SO ₂		bis zu 1
Jod *, ich ₂		0,01
Wasser
Wasserdampf *	Sehr variabel (ca. 0–3%); macht typischerweise etwa 1% aus
Anmerkungen
Die mittlere Molmasse trockener Luft beträgt 28,97 g/mol. *Der Inhalt des Gases kann von Zeit zu Zeit oder von Ort zu Ort erheblichen Schwankungen unterliegen. ^[a] Die Konzentrationen von CO ₂ und CH ₄ variieren je nach Jahreszeit und Standort. ^[b] CO _{2 stammt} hier aus dem Jahr 1975, nimmt jedoch jährlich um etwa 2–3 ppm zu (siehe Kohlendioxid in der Erdatmosphäre ).

Spurengaszusammensetzung

Neben den oben aufgeführten Hauptkomponenten enthält die Erdatmosphäre auch viele Spurengasspezies, die je nach nahegelegenen Quellen und Senken erheblich variieren. Diese Spurengase können Verbindungen wie FCKW/H-FCKW enthalten, die die Ozonschicht besonders schädigen, und H
₂S, das einen charakteristischen faulen Geruch nach faulen Eiern hat und in Konzentrationen von nur 0,47 ppb gerochen werden kann. Einige ungefähre Mengen in der Nähe der Oberfläche einiger zusätzlicher Gase sind unten aufgeführt. Neben Gasen enthält die Atmosphäre Partikel als Aerosol , zu denen beispielsweise Tröpfchen, Eiskristalle, Bakterien und Staub zählen.

Zusammensetzung (ppt nach Volumen, sofern nicht anders angegeben)
Gas	Sauber kontinental, Seinfeld & Pandis (2016)	Simpsonet al. (2010)
Kohlenmonoxid , CO	40-200 ppb ^p39	97 ppb
Stickoxid , NO		16
Ethan , C ₂ H ₆		781
Propan , C ₃ H ₈		200
Isopren , C ₅ H ₈		311
Benzol , C ₆ H ₆		11
Methanol , CH ₃ OH		1967
Ethanol , C ₂ H ₅ OH		75
Trichlorfluormethan , CCl ₃ F	237 ^S.41	252.7
Dichlordifluormethan , CCl ₂ F ₂	530 ^p41	532.3
Chlormethan , CH ₃ Cl		503
Brommethan , CH ₃ Br	9–10 ^S.44	7.7
Jodmethan , CH ₃ I		0,36
Carbonylsulfid , OCS	510 ^p26	413
Schwefeldioxid , SO ₂	70–200 ^p26	102
Schwefelwasserstoff , H ₂ S	15–340 ^p26
Schwefelkohlenstoff , CS ₂	15–45 ^p26
Formaldehyd , H ₂ CO	9,1 ppb ^{p37, verschmutzt}
Acetylen , C ₂ H ₂	8,6 ppb ^{p37, verschmutzt}
Ethen , C ₂ H ₄	11,2 ppb ^{p37, verschmutzt}	20
Schwefelhexafluorid , SF ₆	7.3 ^p41
Kohlenstofftetrafluorid , CF ₄	79 ^S.41
Gesamtes gasförmiges Quecksilber , Hg	0.209 ^p55

Geschichte

Schema der chemischen und Transportprozesse in Bezug auf die atmosphärische Zusammensetzung

Die alten Griechen betrachteten Luft als eines der vier Elemente . Die ersten wissenschaftlichen Studien zur Zusammensetzung der Atmosphäre begannen im 18. Jahrhundert, als Chemiker wie Joseph Priestley , Antoine Lavoisier und Henry Cavendish die ersten Messungen der Zusammensetzung der Atmosphäre durchführten.

Im späten 19. und frühen 20. Jahrhundert verlagerte sich das Interesse auf Spurenbestandteile mit sehr geringen Konzentrationen. Eine besonders wichtige Entdeckung für die Atmosphärenchemie war die Entdeckung des Ozons durch Christian Friedrich Schönbein im Jahr 1840.

Im 20. Jahrhundert ging die Atmosphärenwissenschaft von der Untersuchung der Luftzusammensetzung zu einer Betrachtung über die Veränderungen der Konzentrationen von Spurengasen in der Atmosphäre und den chemischen Prozessen, die Verbindungen in der Luft erzeugen und zerstören, über. Zwei besonders wichtige Beispiele hierfür waren die Erklärung von Sydney Chapman und Gordon Dobson über die Entstehung und Erhaltung der Ozonschicht sowie die Erklärung des photochemischen Smogs von Arie Jan Haagen-Smit . Weitere Studien zu Ozonproblemen führten 1995 zum Nobelpreis für Chemie, der von Paul Crutzen , Mario Molina und Frank Sherwood Rowland geteilt wurde .

Im 21. Jahrhundert verschiebt sich der Fokus nun wieder. Die Chemie der Atmosphäre wird zunehmend als Teil des Erdsystems untersucht . Anstatt sich isoliert auf die Atmosphärenchemie zu konzentrieren, liegt der Fokus nun darauf, sie als Teil eines einzigen Systems mit der restlichen Atmosphäre , Biosphäre und Geosphäre zu sehen . Ein besonders wichtiger Treiber hierfür sind die Zusammenhänge zwischen Chemie und Klima wie die Auswirkungen des Klimawandels auf die Erholung des Ozonlochs und umgekehrt, aber auch die Wechselwirkungen der Zusammensetzung der Atmosphäre mit den Ozeanen und terrestrischen Ökosystemen .

Kohlendioxid in der Erdatmosphäre, wenn die Hälfte der anthropogenen CO ₂ -Emissionen nicht absorbiert wird
( NASA- Simulation ; 9. November 2015)

Stickstoffdioxid 2014 - globale Luftqualitätsniveaus
(veröffentlicht am 14. Dezember 2015)

Methodik

Beobachtungen, Labormessungen und Modellierung sind die drei zentralen Elemente der Atmosphärenchemie. Der Fortschritt in der Atmosphärenchemie wird oft durch die Wechselwirkungen zwischen diesen Komponenten angetrieben und sie bilden ein integriertes Ganzes. Beobachtungen können uns zum Beispiel sagen, dass mehr von einer chemischen Verbindung existiert, als bisher für möglich gehalten wurde. Dies wird neue Modellierungs- und Laborstudien anregen, die unser wissenschaftliches Verständnis bis zu einem Punkt erweitern, an dem die Beobachtungen erklärt werden können.

Überwachung

Beobachtungen der Atmosphärenchemie sind für unser Verständnis unerlässlich. Routinebeobachtungen der chemischen Zusammensetzung geben Aufschluss über die Veränderungen der atmosphärischen Zusammensetzung im Laufe der Zeit. Ein wichtiges Beispiel dafür ist die Keeling-Kurve – eine Messreihe von 1958 bis heute, die einen stetigen Anstieg der Kohlendioxidkonzentration zeigt (siehe auch laufende Messungen von atmosphärischem CO ₂ ). Beobachtungen der Atmosphärenchemie werden in Observatorien wie dem auf dem Mauna Loa und auf mobilen Plattformen wie Flugzeugen (zB der britischen Facility for Airborne Atmospheric Measurements ), Schiffen und Ballons durchgeführt. Beobachtungen der atmosphärischen Zusammensetzung werden zunehmend von Satelliten mit wichtigen Instrumenten wie GOME und MOPITT gemacht , die ein globales Bild von Luftverschmutzung und Chemie liefern. Oberflächenbeobachtungen haben den Vorteil, dass sie Langzeitaufzeichnungen mit hoher zeitlicher Auflösung liefern, aber im vertikalen und horizontalen Raum, aus dem sie Beobachtungen liefern, begrenzt sind. Einige oberflächenbasierte Instrumente, z. B. LIDAR, können Konzentrationsprofile von chemischen Verbindungen und Aerosolen liefern, sind jedoch auf den horizontalen Bereich beschränkt, den sie abdecken können. Viele Beobachtungen sind online in Atmospheric Chemistry Observational Databases verfügbar .

Labor studien

Messungen im Labor sind für unser Verständnis der Quellen und Senken von Schadstoffen und natürlich vorkommenden Verbindungen unerlässlich. Diese Experimente werden in kontrollierten Umgebungen durchgeführt, die die individuelle Bewertung bestimmter chemischer Reaktionen oder die Bewertung der Eigenschaften eines bestimmten atmosphärischen Bestandteils ermöglichen. Von Interesse sind sowohl Analysen von Gasphasenreaktionen als auch heterogene Reaktionen, die für die Bildung und das Wachstum von Aerosolen relevant sind . Von großer Bedeutung ist auch das Studium der atmosphärischen Photochemie, die quantifiziert, wie schnell Moleküle durch Sonnenlicht aufgespalten werden und welche Produkte entstehen. Darüber hinaus können auch thermodynamische Daten wie die Koeffizienten des Henry-Gesetzes erhalten werden.

Modellieren

Um das theoretische Verständnis der Atmosphärenchemie zu synthetisieren und zu testen, werden Computermodelle (wie chemische Transportmodelle ) verwendet. Numerische Modelle lösen die Differentialgleichungen, die die Konzentrationen von Chemikalien in der Atmosphäre bestimmen. Sie können sehr einfach oder sehr kompliziert sein. Ein üblicher Kompromiss bei numerischen Modellen besteht zwischen der Anzahl der modellierten chemischen Verbindungen und chemischen Reaktionen gegenüber der Darstellung von Transport und Mischung in der Atmosphäre. Ein Kastenmodell kann beispielsweise Hunderte oder sogar Tausende von chemischen Reaktionen umfassen, aber nur eine sehr grobe Darstellung der Durchmischung in der Atmosphäre. Im Gegensatz dazu stellen 3D-Modelle viele der physikalischen Prozesse der Atmosphäre dar, werden jedoch aufgrund von Beschränkungen der Computerressourcen weitaus weniger chemische Reaktionen und Verbindungen aufweisen. Modelle können verwendet werden, um Beobachtungen zu interpretieren, das Verständnis chemischer Reaktionen zu testen und zukünftige Konzentrationen chemischer Verbindungen in der Atmosphäre vorherzusagen. Ein wichtiger aktueller Trend besteht darin, dass Module der Atmosphärenchemie Teil von Erdsystemmodellen werden, in denen die Zusammenhänge zwischen Klima, atmosphärischer Zusammensetzung und Biosphäre untersucht werden können.

Einige Modelle werden durch automatische Codegeneratoren (zB Autochem oder Kinetic PreProcessor ) konstruiert . Bei diesem Ansatz wird ein Satz von Bestandteilen ausgewählt, und der automatische Codegenerator wählt dann die Reaktionen, die diese Bestandteile beinhalten, aus einem Satz von Reaktionsdatenbanken aus. Nachdem die Reaktionen ausgewählt wurden, können die gewöhnlichen Differentialgleichungen , die ihre zeitliche Entwicklung beschreiben, automatisch erstellt werden.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Brasseur, Guy P.; Orlando, John J.; Tyndall, Geoffrey S. (1999). Atmosphärenchemie und globaler Wandel . Oxford University Press. ISBN 0-19-510521-4 .
Finlayson-Pitts, Barbara J.; Pitts, James N., Jr. (2000). Chemie der oberen und unteren Atmosphäre . Akademische Presse. ISBN 0-12-257060-X .
Seinfeld, John H.; Pandis, Spyros N. (2006). Atmosphärenchemie und Physik: Von der Luftverschmutzung zum Klimawandel (2. Aufl.). John Wiley and Sons, Inc. ISBN 0-471-82857-2 .
Warneck, Peter (2000). Chemie der natürlichen Atmosphäre (2. Aufl.). Akademische Presse. ISBN 0-12-735632-0 .
Wayne, Richard P. (2000). Chemie der Atmosphären (3. Aufl.). Oxford University Press. ISBN 0-19-850375-X .
JV Iribarne, HR Cho, Atmosphärische Physik , D. Reidel Publishing Company, 1980

Externe Links

Wissenschaftliche Bewertung des Ozonabbaus durch die WMO: 2006
IGAC Das internationale globale Projekt zur Atmosphärenchemie
Paul Crutzen Interview - Freeview-Video des Nobelpreisträgers Paul Crutzen für seine Arbeit über den Abbau von Ozon im Gespräch mit Nobelpreisträger Harry Kroto , dem Vega Science Trust
Die Cambridge Atmospheric Chemistry Database ist eine umfangreiche Beobachtungsdatenbank in einem gemeinsamen Format.
Umweltwissenschaften für alle rund um die Erde veröffentlicht
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Kinetische und photochemische Daten, bewertet vom IUPAC-Unterausschuss für Gaskinetische Datenbewertung
Glossar der Atmosphärenchemie an der Sam Houston State University
Troposphärische Chemie
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