Ilmakemia | Maan ja muiden planeettojen ilmakehän kemiaa
Ilmakehäkemia on tieteenala, jossa tutkitaan Maan ja muiden planeettojen ilmakehän kemiaa. Se on monitieteinen tutkimusala, jossa hyödynnetään muun muassa ympäristökemiaa, fysiikkaa, meteorologiaa, tietokonemallinnusta, merentutkimusta, geologiaa ja vulkanologiaa sekä muita tieteenaloja. Tutkimus liittyy muihin tutkimusaloihin, kuten ilmastotutkimukseen.
Ilmakehän tutkimiseen kuuluu ilmakehän ja elävien organismien välisten vuorovaikutusten tutkiminen. Maapallon ilmakehän koostumus muuttuu luonnollisten prosessien, kuten tulivuorten päästöjen, salamaniskujen ja Auringon koronasta tulevien aurinkohiukkasten pommituksen seurauksena. Sitä on muuttanut myös ihmisen toiminta. Jotkut näistä muutoksista ovat haitallisia ihmisten terveydelle, viljelykasveille ja ekosysteemeille. Esimerkkejä ongelmista ovat happosateet, otsonikato, valokemiallinen savusumu, kasvihuonekaasut ja ilmaston lämpeneminen. Ilmakehäkemistit tutkivat näiden ongelmien syitä. Ilmakehäkemistit tarjoavat teorioita näistä ongelmista ja testaavat sitten teorioita ja mahdollisia ratkaisuja. Ilmakehäkemistit panevat merkille myös hallitusten politiikassa tapahtuvien muutosten vaikutukset.
Ilmakehän koostumus
| Kuivan ilmakehän keskimääräinen koostumus (moolifraktiot) | ||
| Kaasu | NASA:n mukaan | |
| Typpi, N2 | 78.084% | |
| Happi, O2 | 20.946% | |
| Argon, Ar | 0.934% | |
| Vähäiset aineosat (moolifraktiot ppm:nä) | ||
| Hiilidioksidi, CO2 | 383 | |
| Neon, Ne | 18.18 | |
| Helium, He | 5.24 | |
| Metaani, CH4 | 1.7 | |
| Krypton, Kr | 1.14 | |
| Vety, H2 | 0.55 | |
| Vesi | ||
| Vesihöyry | Erittäin vaihteleva; | |
Huomautukset: CO2 ja CH 4-pitoisuudet vaihtelevat vuodenajan ja paikan mukaan. Ilman keskimääräinen molekyylimassa on 28,97 g/mol.
Maan ilmakehän koostumus. Vesihöyryä ei ole otettu mukaan, koska se muuttuu paljon ajan myötä. Kullakin pienellä kuutiolla (kuten kryptonia edustavalla kuutiolla) on miljoonasosa koko lohkon tilavuudesta. Tiedot ovat peräisin NASA Langleystä.
Kaavio ilmakehän koostumukseen liittyvistä kemiallisista ja kuljetusprosesseista.
Historia
Muinaiset kreikkalaiset pitivät ilmaa yhtenä neljästä elementistä. Ensimmäiset tieteelliset tutkimukset ilmakehän koostumuksesta alkoivat 1700-luvulla. Kemistit, kuten Joseph Priestley, Antoine Lavoisier ja Henry Cavendish, tekivät ensimmäiset mittaukset ilmakehän koostumuksesta.
1800-luvun loppupuolella ja 1900-luvun alussa kiinnostus siirtyi hyvin pieninä pitoisuuksina esiintyviin hivenaineisiin. Yksi ilmakehän kemian kannalta tärkeä löytö oli Christian Friedrich Schönbeinin vuonna 1840 tekemä otsonin löytö.
Hivenkaasujen pitoisuudet ilmakehässä ovat muuttuneet ajan myötä, samoin kuin kemialliset prosessit, jotka muodostavat ja tuhoavat ilmassa olevia yhdisteitä. Kaksi tärkeää esimerkkiä tästä ovat Sydney Chapmanin ja Gordon Dobsonin selitys otsonikerroksen syntymisestä ja säilymisestä sekä Arie Jan Haagen-Smitin selitys valokemiallisesta savusumusta. Otsonikysymyksiä koskevat jatkotutkimukset johtivat vuoden 1995 kemian Nobel-palkinnon jakamiseen Paul Crutzenin, Mario Molinan ja Frank Sherwood Rowlandin kesken.
2000-luvulla painopiste on jälleen siirtymässä. Ilmakehän kemiaa tutkitaan yhä enemmän yhtenä maapallon järjestelmän osana. Ennen tutkijat keskittyivät ilmakehän kemiaan erillään. Nyt tutkijat tutkivat ilmakehän kemiaa yhtenä osana järjestelmää, johon kuuluvat muu ilmakehä, biosfääri ja geosfääri. Yksi syy tähän on kemian ja ilmaston väliset yhteydet. Esimerkiksi muuttuva ilmasto ja otsoniaukon palautuminen vaikuttavat toisiinsa. Myös ilmakehän koostumus on vuorovaikutuksessa valtamerten ja maaekosysteemien kanssa.
Menetelmä
Havainnot, laboratoriomittaukset ja mallintaminen ovat ilmakehän kemian kolme keskeistä osatekijää. Kaikkia kolmea menetelmää käytetään yhdessä. Havainnot voivat esimerkiksi kertoa, että jotakin kemiallista yhdistettä on olemassa enemmän kuin aiemmin on pidetty mahdollisena. Tämä kannustaa uusiin mallintamis- ja laboratoriotutkimuksiin, jotka lisäävät tieteellistä ymmärrystä niin pitkälle, että havainnot voidaan selittää.
Havainto
Ilmakehän kemian havainnot ovat tärkeitä. Tutkijat tallentavat tietoja ilman kemiallisesta koostumuksesta ajan mittaan havaitakseen mahdolliset muutokset. Yksi esimerkki tästä on Keelingin käyrä - vuodesta 1958 tähän päivään ulottuva mittaussarja, joka osoittaa hiilidioksidipitoisuuden tasaisen nousun. Ilmakehän kemiaa havainnoidaan Mauna Loan kaltaisissa observatorioissa ja liikkuvilla alustoilla, kuten lentokoneilla, aluksilla ja ilmapalloilla. Ilmakehän koostumusta havainnoidaan yhä useammin satelliittien avulla, mikä antaa maailmanlaajuisen kuvan ilmansaasteista ja ilmankemiasta. Pintahavainnoista on se etu, että niillä saadaan pitkäaikaisia tietoja suurella aikaresoluutiolla, mutta ne antavat tietoja rajoitetusta vertikaalisesta ja horisontaalisesta tilasta. Joillakin pintaan perustuvilla välineillä, kuten LIDAR-mittarilla, voidaan tuottaa kemiallisten yhdisteiden ja aerosolien pitoisuusprofiileja, mutta niiden kattama horisontaalinen alue on edelleen rajallinen. Monet havainnot jaetaan verkossa.
Laboratoriomittaukset
Laboratoriossa tehtävät mittaukset ovat olennaisen tärkeitä, jotta voimme ymmärtää luonnossa esiintyvien epäpuhtauksien ja yhdisteiden lähteitä ja nieluja. Laboratoriotutkimukset kertovat, mitkä kaasut reagoivat keskenään ja kuinka nopeasti ne reagoivat. Tutkijat mittaavat reaktioita kaasufaasissa, pinnoilla ja vedessä. Tutkijat tutkivat myös fotokemiaa, jossa mitataan, kuinka nopeasti molekyylit hajoavat auringonvalon vaikutuksesta ja mitä tuotteet ovat. Tutkijat tutkivat myös termodynaamisia tietoja, kuten Henryn lain kertoimia.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mitä on ilmakehän kemia?
V: Ilmakehäkemia on tieteenala, jossa tutkitaan Maan ja muiden planeettojen ilmakehän kemiaa. Se perustuu useisiin tieteenaloihin, kuten ympäristökemiaan, fysiikkaan, meteorologiaan, tietokonemallinnukseen, merentutkimukseen, geologiaan ja vulkanologiaan.
Kysymys: Miten ilmakehän tutkimiseen kuuluu elävien organismien tutkiminen?
V: Ilmakehän kemian tutkimukseen kuuluu myös ilmakehän ja elävien organismien välisten vuorovaikutusten tutkiminen.
K: Mitä esimerkkejä ihmisen toiminnan aiheuttamista ongelmista on?
V: Esimerkkejä ihmisen toiminnan aiheuttamista ongelmista ovat happosateet, otsonikato, valokemiallinen savusumu, kasvihuonekaasut ja ilmaston lämpeneminen.
K: Mitä ilmakehäkemistit tekevät näiden ongelmien ratkaisemiseksi?
V: Ilmakehäkemistit esittävät teorioita näistä ongelmista ja testaavat sitten niiden mahdollisia ratkaisuja. He myös huomioivat näihin ongelmiin liittyvien hallitusten politiikkojen muutosten vaikutukset.
K: Miten maapallon ilmakehän koostumus muuttuu luonnollisesti?
V: Maapallon ilmakehän koostumus muuttuu luonnollisten prosessien, kuten tulivuorten päästöjen, salamaniskujen ja Auringon koronasta tulevien aurinkohiukkasten pommituksen seurauksena.
