Atmosfēras ķīmija: Zemes gaisa sastāvs, piesārņojums un klimata ietekme
Izpēti atmosfēras ķīmiju: Zemes gaisa sastāvs, piesārņojuma cēloņi, ozona sadalīšanās, siltumnīcefekta gāzes un risinājumi klimata ietekmes mazināšanai.
Atmosfēras ķīmija ir zinātnes nozare, kurā tiek pētīta Zemes un citu planētu atmosfēras ķīmija. Tā ir daudzdisciplināra pētniecības joma, kurā tiek izmantota vides ķīmija, fizika, meteoroloģija, datormodelēšana, okeanogrāfija, ģeoloģija, vulkanoloģija un citas disciplīnas. Pētījumi ir cieši saistīti arī ar klimatoloģiju. Atmosfēras ķīmija palīdz izprast, kā gāzes, daļiņas un radiācija mijiedarbojas atmosfērā un kā šīs mijiedarbības ietekmē klimatu, gaisa kvalitāti un bioloģiskās sistēmas.
Atmosfēras sastāvs un slāņi
Atmosfēras galvenokārt sastāv no slāņiem ar atšķirīgu sastāvu un procesiem. Tuvāk zemes virsmai dominē slānis, kur notiek laika apstākļi un kur cilvēka darbība visvairāk ietekmē gaisu. Svarīgākie komponenti ir slāpeklis un skābeklis, kā arī mazākās, bet svarīgas koncentrācijās esošas gāzes — piemēram, oglekļa dioksīds (CO2), ozons (O3), metāns (CH4) un citas siltumnīcefekta gāzes. Atmosfēras ķīmija pēta gan to vidējo sastāvu, gan vietējās un laikreizes izmaiņas.
Dabiski procesi, kas maina atmosfēru
Zemes atmosfēras sastāvs mainās dabisku procesu rezultātā, piemēram, vulkānu izmešu, zibens un Saules daļiņu bombardēšanas no Saules vainaga rezultātā. Bioloģiskie procesi — fotosintēze, mikrobu elpošana, augsnes emisijas — arī piegādā un noņem dažādas gāzes. Atmosfērā notiek daudz ķīmisku reakciju, tostarp fotoķīmiskas reakcijas, kuras aktivizē Saules ultravioletā starojuma ietekme.
Cilvēka ietekme un piesārņojuma veidi
Cilvēka darbība ir būtiski mainījusi atmosfēras ķīmisko līdzsvaru. Dažas no šīm izmaiņām ir kaitīgas cilvēku veselībai, kultūraugiem un ekosistēmām. Galvenie piesārņojuma un problēmu veidi ir:
- Skābie lietus — izraisa augsnes un ūdeņu skābēšanu, bojā mežu un ūdensorganismu dzīvi; saistīts ar sēra dioksīda (SO2) un slāpekļa oksīdu (NOx) emisijām.
- Ozona noārdīšanās — stratosfēras ozons aizsargā no ultravioletā starojuma; noteiktas ķīmiskas vielas (piem., halogēni savienojumi) to noārdīja, radot ozona caurumus un paaugstinātu UV starojuma risku.
- Fotoķīmiskais smogs — veidojas, reaģējot saules gaismai ar NOx un organiskajām vielām, samazina redzamību un kaitē elpošanas ceļiem.
- Siltumnīcefekta gāzes un globālā sasilšana — CO2, CH4, N2O un citi gāzu pieaugumi maina enerģijas līdzsvaru Zemes sistēmā, veicinot klimata izmaiņas.
- Cietās daļiņas (aerosoli) — PM2.5, PM10 un citas daļiņas ietekmē veselību, redzamību un mākoņu veidošanos.
Atmosfēras ķīmiskās reakcijas un fotoprocese
Daudzas atmosfēras reakcijas ir fotoķīmiskas — tās iesākas vai paātrinās, kad molekulas absorbē Saules starojumu. Piemēram, zemas atmosfēras ozons rodas no NOx un nepiesātinātu organisko savienojumu (VOCs) mijiedarbības saules gaismā. Stratosfērā UV starojums sadala O2, veidojot ozonu, taču arī atsevišķas ķīmiskas vielas var izraisīt ozona noārdīšanos. Atmosfēras ķīmijā svarīga loma ir ķēdes reakcijām, radikāļiem (piem., OH) un starpproduktiem, kuri īslaicīgi ietekmē gāzu pārvērtības.
Mērījumi, datormodelēšana un pētīšanas metodes
Atmosfēras ķīmiskos procesus pēta ar daudziem līdzekļiem:
- lauka mērījumi un gaisa paraugi (zemā līmeņa stacijās, pētījumu kuģos, lidmašīnās);
- satellītu novērojumi, kas ļauj sekot globālām izmaiņām;
- laboratorijas eksperimenti, lai noteiktu reakciju ātrumus un mehānismus;
- datormodelēšana, kas prognozē piesārņojuma plūsmu, ķīmisko pārveidošanos un klimata reakcijas uz emisiju izmaiņām.
Modeli tiek validēti ar novērojumiem, un atmosfēras ķīmiķi izmanto tos, lai prognozētu politisku lēmumu efektus vai testētu hipotēzes par ķīmisko procesu ietekmi.
Ietekme uz veselību, lauksaimniecību un ekosistēmām
Gaisa piesārņojums var izraisīt akūtas un hroniskas elpošanas slimības, sirds slimības, samazinātu darba spēju un novājinošas hroniskas sekas. Kultūraugi cieš no ozona un citu piesārņotāju ietekmes — jaunie dzinumi var kļūt bojāti, raža samazinās. Ekosistēmas reaģē uz skābēšanos, trofisko tīklu izmaiņām un klimata svārstībām, kas ietekmē sugu sadalījumu un bioloģisko daudzveidību.
Risinājumi, politikas un starptautiskas iniciatīvas
Atmosfēras ķīmiķi ne tikai apraksta problēmas, bet arī piedāvā risinājumus un izvērtē politiku. Risinājumi ietver emisiju samazināšanu (piem., rūpniecībā, transportā, enerģētikā), tehnoloģiskus uzlabojumus, atjaunojamās enerģijas izmantošanu un starptautiskas vienošanās par konkrētu vielu ierobežošanu (piem., CFC aizliegums, klimata konvencijas pasākumi). Atmosfēras ķīmiķi arī atzīmē valdības politikas izmaiņu ietekmi, izmantojot datus un modeļus, lai novērtētu gaidāmās vides un veselības izmaiņas.
Nākotnes izaicinājumi un pētniecības virzieni
Turpmākie pētījumi koncentrējas uz labāku aerosolu ietekmes izpratni, sekundāro organisko aerosol veidošanos, starpproduktu ķīmiju, savstarpējo ietekmi starp piesārņojumu un klimatu, kā arī uz uzlabotu novērošanas un modelēšanas metodiku. Pieaugošā datu pieejamība no satelītiem un inovatīviem sensoru tīkliem kopā ar uzlabotiem modeļiem ļaus precīzāk prognozēt atmosfēras ķīmiju un informēt izsvērtākas politikas.
Atmosfēras ķīmija ir centrāla, lai saprastu, kā saglabāt gaisa kvalitāti, pasargāt veselību un mazināt klimata izmaiņu negatīvās sekas. Sadarbojoties starp daudzdisciplināriem pētniekiem un politiķiem, iespējams izstrādāt efektīvas stratēģijas ilgtspējīgai nākotnei.
Vēsture
Senie grieķi gaisu uzskatīja par vienu no četriem elementiem. Pirmie zinātniskie pētījumi par atmosfēras sastāvu sākās 18. gadsimtā. Tādi ķīmiķi kā Žozefs Prīstlijs, Antuāns Lavazjē un Henrijs Kavendišs veica pirmos atmosfēras sastāva mērījumus.
19. gadsimta beigās un 20. gadsimta sākumā interese pievērsās mikrokomponentiem ar ļoti mazu koncentrāciju. Atmosfēras ķīmijā nozīmīgs atklājums bija Kristiana Frīdriha Šēnbeina 1840. gadā veiktais ozona atklāšana.
Laika gaitā ir mainījusies mikroorganismu gāzu koncentrācija atmosfērā, kā arī ķīmiskie procesi, kas rada un iznīcina gaisā esošos savienojumus. Divi svarīgi piemēri ir Sidneja Čepmena un Gordona Dobsona skaidrojums par to, kā veidojas un saglabājas ozona slānis, un Arī Jana Hāgena-Smita skaidrojums par fotoķīmisko smogu. Turpmāki pētījumi par ozona problēmām noveda pie 1995. gada Nobela prēmijas ķīmijā piešķiršanas, ko dalīja Pols Kruscens, Mario Molina un Frenks Šervuds Roulends.
21. gadsimtā uzmanība atkal tiek pievērsta citiem jautājumiem. Atmosfēras ķīmiju arvien vairāk pēta kā vienu no Zemes sistēmas daļām. Agrāk zinātnieki koncentrējās uz atmosfēras ķīmiju izolēti. Tagad zinātnieki pēta atmosfēras ķīmiju kā vienu no vienotas sistēmas daļām kopā ar pārējo atmosfēru, biosfēru un ģeosfēru. Viens no iemesliem ir ķīmijas un klimata saistība. Piemēram, klimata pārmaiņas un ozona cauruma atjaunošanās ietekmē viena otru. Turklāt atmosfēras sastāvs mijiedarbojas ar okeāniem un sauszemes ekosistēmām.
Metodoloģija
Novērojumi, laboratoriskie mērījumi un modelēšana ir trīs galvenie atmosfēras ķīmijas elementi. Visas trīs metodes tiek izmantotas kopā. Piemēram, novērojumi var parādīt, ka kāda ķīmiskā savienojuma ir vairāk, nekā iepriekš tika uzskatīts par iespējamu. Tas stimulēs jaunu modelēšanu un laboratorijas pētījumus, kas palielinās zinātnisko izpratni līdz tādam līmenim, ka novērojumus varēs izskaidrot.
Novērošana
Atmosfēras ķīmijas novērojumi ir svarīgi. Zinātnieki reģistrē datus par gaisa ķīmisko sastāvu laika gaitā, lai novērotu jebkādas izmaiņas. Viens no piemēriem ir Kīlinga līkne - virkne mērījumu no 1958. gada līdz mūsdienām, kas liecina par pastāvīgu oglekļa dioksīda koncentrācijas pieaugumu. Atmosfēras ķīmiskā sastāva novērojumi tiek veikti observatorijās, piemēram, Mauna Loa, kā arī uz mobilām platformām, piemēram, lidmašīnām, kuģiem un gaisa baloniem. Atmosfēras sastāva novērojumus aizvien biežāk veic no satelītiem, kas sniedz globālu priekšstatu par gaisa piesārņojumu un ķīmisko sastāvu. Virsmas novērojumu priekšrocība ir tā, ka tie nodrošina ilgtermiņa ierakstus ar augstu laika izšķirtspēju, bet sniedz datus no ierobežotas vertikālās un horizontālās telpas. Daži uz virsmas balstīti instrumenti, piemēram, LIDAR, var nodrošināt ķīmisko savienojumu un aerosola koncentrācijas profilus, bet to horizontālais pārklājums joprojām ir ierobežots. Daudzi novērojumi tiek koplietoti tiešsaistē.
Laboratorijas mērījumi
Laboratorijā veiktie mērījumi ir būtiski, lai mēs saprastu dabā sastopamo piesārņojošo vielu un savienojumu avotus un absorbētājus. Laboratorijas pētījumi parāda, kuras gāzes reaģē savā starpā un cik ātri tās reaģē. Zinātnieki mēra reakcijas gāzes fāzē, uz virsmām un ūdenī. Zinātnieki pēta arī fotoķīmiju, kas nosaka, cik ātri saules gaisma sašķeļ molekulas un kādi ir iegūtie produkti. Zinātnieki pēta arī termodinamikas datus, piemēram, Henrija likuma koeficientus.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir atmosfēras ķīmija?
A: Atmosfēras ķīmija ir zinātnes nozare, kurā pēta Zemes un citu planētu atmosfēras ķīmiju. Tajā tiek izmantotas vairākas disciplīnas, piemēram, vides ķīmija, fizika, meteoroloģija, datormodelēšana, okeanogrāfija, ģeoloģija un vulkanoloģija.
Jautājums: Kā atmosfēras pētīšana ietver dzīvo organismu pētīšanu?
Atmosfēras ķīmijas pētījumi ietver arī atmosfēras un dzīvo organismu mijiedarbības izpēti.
J: Kādi ir daži cilvēka darbības izraisīto problēmu piemēri?
A: Cilvēka darbības izraisīto problēmu piemēri ir skābie lietus, ozona slāņa noārdīšanās, fotoķīmiskais smogs, siltumnīcas efektu izraisošās gāzes un globālā sasilšana.
J: Ko dara atmosfēras ķīmiķi, lai risinātu šīs problēmas?
Atmosfēras ķīmiķi piedāvā teorijas par šīm problēmām un pēc tam pārbauda to iespējamos risinājumus. Viņi arī atzīmē ar šīm problēmām saistītās valdības politikas izmaiņu ietekmi.
J: Kā dabiski mainās Zemes atmosfēras sastāvs?
A: Zemes atmosfēras sastāvs mainās dabisku procesu rezultātā, piemēram, vulkānu izmešu, zibens un Saules daļiņu bombardēšanas no Saules vainaga rezultātā.
Meklēt