Atmosfærisk kemi: Processer, forurening og klimavirkninger
Atmosfærisk kemi: processer, luftforurening og klimavirkninger — fakta, årsager og løsninger for sundhed, økosystemer og klima.
Atmosfærisk kemi er en gren af videnskaben, hvor man studerer kemien i Jordens og andre planeters atmosfære. Det er et tværfagligt forskningsområde, der bygger på miljøkemi, fysik, meteorologi, computermodellering, oceanografi, geologi, vulkanologi og andre discipliner. Forskningen er forbundet med andre forskningsområder som f.eks. klimatologi.
Studiet af atmosfæren omfatter også studier af samspillet mellem atmosfæren og levende organismer. Jordens atmosfære ændrer sammensætning som følge af naturlige processer som f.eks. vulkanemissioner, lynnedslag og bombardement af solpartikler fra Solens korona. Den er også blevet ændret af menneskelig aktivitet. Nogle af disse ændringer er skadelige for menneskers sundhed, afgrøder og økosystemer. Som eksempler på problemer kan nævnes syreregn, ozonnedbrydning, fotokemisk smog, drivhusgasser og global opvarmning. Atmosfærekemikere undersøger årsagerne til disse problemer. Atmosfærekemikere opstiller teorier om disse problemer og tester derefter teorier og mulige løsninger. Atmosfærekemikere noterer sig også virkningerne af ændringer i regeringens politik.
Hovedprocesser i atmosfærisk kemi
Atmosfærisk kemi handler om reaktioner mellem gasser, partikler og stråling. Centrale processer omfatter:
- Fotokemiske reaktioner: Sollys driver mange reaktioner i de øvre atmosfærers lag og i troposfæren; for eksempel dannes ozon nær jordoverfladen gennem fotokemisk omdannelse af forløbere som kvælstofoxider (NOx) og flygtige organiske forbindelser (VOC).
- Radikal-kemi: Reaktive radikaler som hydroxylradikalet (OH) initierer nedbrydning af forurenende stoffer og bestemmer levetiderne for mange gasser i atmosfæren.
- Heterogene og akvatiske processer: Reaktioner på overflader af aerosoler eller i skydråber ændrer gasers kemiske skæbne og kan danne partikler eller syrekomponenter (f.eks. sulfater og nitrater).
Vigtige kemiske cykler og stoffer
Flere cykler styrer atmosfærens sammensætning:
- Carbon-cyklus: Udveksling af CO2 mellem atmosfære, hav og biosfære påvirker klimaet og er central for forståelsen af drivhusgasser.
- Kvælstof- og svovl-cyklus: Emissioner af NOx og SO2 fører til dannelse af syreregn og partikler, som påvirker økosystemer og bygninger.
- Ozonkemien: I stratosfæren beskytter ozon mod skadelig UV-stråling; i troposfæren er ozon en forurenende komponent, der skader lunger og planters fotosyntese.
Luftforurening og sundhedseffekter
Atmosfærisk kemi beskriver dannelsen af både primære forurenende stoffer (udledt direkte) og sekundære forurenende stoffer (dannet i atmosfæren). Vigtige forurenende stoffer omfatter:
- Partikler (PM2.5 og PM10) — påvirker luftveje, hjerte-kar-system og fører til for tidlig død.
- Ozon (troposfærisk) — irriterer luftveje, reducerer lungefunktion og skader afgrøder.
- Kvælstofoxider og svovldioxid — bidrager til dannelse af partikler og syreregn.
- Flygtige organiske forbindelser (VOC) — bidrager til dannelse af fotokemisk smog og sekundære organiske aerosoler.
Aerosoler og klimapåvirkninger
Aerosoler påvirker både luftkvalitet og klima. De kan:
- Direkte afskærme sollys (afkølende effekt) eller absorbere varme (opvarmende effekt), afhængig af sammensætning.
- Virke som kondensationskerner for skydannelse, og derved ændre skydækket og skyernes strålingsbalance.
- Danne sekundære organiske aerosoler gennem gasfasekemiske processer, hvilket ændrer partiklernes optiske egenskaber og toksicitet.
Målemetoder og modeller
Atmosfærisk kemi kombinerer observationer og modeller for at forstå og forudsige kemisk udvikling:
- In-situ målinger: Groundstationer, fly og balloner måler koncentrationer af gasser og partikler lokalt.
- Fjernmåling: Satellitter, LIDAR og spektrometre giver regional og global dækning af sporstoffer og ozon.
- Laboratorieeksperimenter: Undersøger reaktionsmekanismer, reaktionshastigheder og aerosols egenskaber.
- Computermodeller: Kemisk transportmodellering kombinerer emissioner, meteorologi og kemikinetik for at simulere atmosfærens tilstand og teste politiske tiltag.
Politik, løsninger og fremtidige udfordringer
Atmosfærisk kemi informerer beslutningstagere om effektive tiltag for at reducere sundheds- og klimaeffekter. Kendte succeser inkluderer protokoller og reguleringer, der har reduceret ozonnedbrydende stoffer og svovldioxid-emissioner. Nuværende og fremtidige udfordringer omfatter:
- At reducere drivhusgasser til at begrænse global opvarmning samtidig med at beskytte luftkvaliteten.
- Forstå samspillet mellem partikler og klima bedre, herunder de regionale forskelle i deres effekter.
- Overvåge og regulere nye emissioner fra industri, transport og landbrug, samt følge konsekvenser af ændret politik.
Atmosfærisk kemi er derfor både et grundlæggende fagområde og et anvendt felt med direkte relevans for folkesundhed, miljøbeskyttelse og klimahandling. Forskning i feltet kombinerer observation, eksperiment og modellering for at udvikle løsninger og rådgive politikere om effektive indsatser.
Atmosfærisk sammensætning
| Gennemsnitlig sammensætning af den tørre atmosfære (molbrøkdele) | ||
| Gas | pr. NASA | |
| Kvælstof, N2 | 78.084% | |
| Oxygen, O2 | 20.946% | |
| Argon, Ar | 0.934% | |
| Mindre bestanddele (molbrøkdele i ppm) | ||
| Kuldioxid, CO2 | 383 | |
| Neon, Ne, Ne | 18.18 | |
| Helium, He | 5.24 | |
| Metan, CH4 | 1.7 | |
| Krypton, Kr | 1.14 | |
| Brint, H2 | 0.55 | |
| Vand | ||
| Vanddamp | Meget varierende; | |
Bemærkninger: koncentrationen af CO2 og CH4 varierer efter årstid og sted. Lufts gennemsnitlige molekylmasse er 28,97 g/mol.
Jordens atmosfære er sammensat. Vanddamp er ikke medtaget, da den ændrer sig meget over tid. Hver lille terning (som f.eks. den, der repræsenterer krypton) har en milliontedel af volumenet af hele blokken. Dataene er fra NASA Langley.
Skematisk oversigt over kemiske processer og transportprocesser i forbindelse med atmosfærens sammensætning.
Historie
De gamle grækere betragtede luft som et af de fire elementer. De første videnskabelige undersøgelser af atmosfærens sammensætning begyndte i det 18. århundrede. Kemikere som Joseph Priestley, Antoine Lavoisier og Henry Cavendish foretog de første målinger af atmosfærens sammensætning.
I slutningen af det 19. og begyndelsen af det 20. århundrede flyttede interessen sig til sporstoffer med meget små koncentrationer. En vigtig opdagelse for atmosfærekemien var Christian Friedrich Schönbein's opdagelse af ozon i 1840.
Koncentrationerne af sporgasser i atmosfæren har ændret sig over tid, og det samme gælder de kemiske processer, der danner og nedbryder forbindelser i luften. To vigtige eksempler herpå er Sydney Chapmans og Gordon Dobsons forklaring af, hvordan ozonlaget dannes og vedligeholdes, og Arie Jan Haagen-Smit's forklaring af fotokemisk smog. Yderligere undersøgelser af ozonproblematikken førte til Nobelprisen i kemi i 1995, som Paul Crutzen, Mario Molina og Frank Sherwood Rowland delte mellem sig.
I det 21. århundrede er fokus nu ved at skifte igen. Atmosfærens kemi studeres i stigende grad som en del af Jordens system. Tidligere fokuserede forskerne på atmosfærisk kemi isoleret. Nu studerer forskerne atmosfærisk kemi som en del af et enkelt system med resten af atmosfæren, biosfæren og geosfæren. En af grundene hertil er forbindelserne mellem kemi og klima. F.eks. påvirker klimaændringer og genopretning af ozonhullet hinanden. Atmosfærens sammensætning påvirker også oceanerne og de terrestriske økosystemer.
Metodologi
Observationer, laboratoriemålinger og modellering er de tre centrale elementer i atmosfærisk kemi. Alle tre metoder anvendes sammen. F.eks. kan observationer vise, at der findes mere af en kemisk forbindelse, end man tidligere havde troet. Dette vil stimulere til nye modellerings- og laboratorieundersøgelser, som vil øge den videnskabelige forståelse til et punkt, hvor observationerne kan forklares.
Observation
Observationer af atmosfærisk kemi er vigtige. Forskere registrerer data om luftens kemiske sammensætning over tid for at se efter eventuelle ændringer. Et eksempel herpå er Keeling-kurven - en række målinger fra 1958 til i dag, som viser en støt stigning i koncentrationen af kuldioxid. Observationer af atmosfærens kemi foretages i observatorier som f.eks. på Mauna Loa og på mobile platforme som f.eks. fly, skibe og balloner. Observationer af atmosfærens sammensætning foretages i stigende grad af satellitter, som giver et globalt billede af luftforurening og -kemi. Overfladeobservationer har den fordel, at de giver langsigtede registreringer med høj tidsmæssig opløsning, men de leverer data fra et begrænset vertikalt og horisontalt område. Nogle overfladebaserede instrumenter såsom LIDAR kan give koncentrationsprofiler af kemiske forbindelser og aerosol, men de er stadig begrænset i det horisontale område, de dækker. Mange observationer deles online.
Laboratoriemålinger
Målinger i laboratoriet er afgørende for vores forståelse af kilder og dræn af forurenende stoffer og forbindelser, der findes i naturen. Laboratorieundersøgelser viser, hvilke gasser der reagerer med hinanden, og hvor hurtigt de reagerer. Forskerne måler reaktioner i gasfasen, på overflader og i vand. Forskerne undersøger også fotokemi, som kvantificerer, hvor hurtigt molekyler splittes af sollys, og hvilke produkter der opstår. Forskere undersøger også termodynamiske data som f.eks. Henry-lovkoefficienter.
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er atmosfærisk kemi?
A: Atmosfærisk kemi er en gren af videnskaben, hvor man studerer kemien i Jordens atmosfære og andre planeters atmosfære. Den bygger på flere forskellige discipliner, f.eks. miljøkemi, fysik, meteorologi, computermodellering, oceanografi, geologi og vulkanologi.
Spørgsmål: Hvordan omfatter studiet af atmosfæren også studier af levende organismer?
Svar: Forskning i atmosfærekemi omfatter også studier af samspillet mellem atmosfæren og levende organismer.
Spørgsmål: Hvad er nogle eksempler på problemer, der skyldes menneskelig aktivitet?
A: Eksempler på problemer forårsaget af menneskelig aktivitet er sur regn, ozonnedbrydning, fotokemisk smog, drivhusgasser og global opvarmning.
Spørgsmål: Hvad gør atmosfærekemikere for at løse disse problemer?
A: Atmosfærekemikere opstiller teorier om disse problemer og tester dem derefter for mulige løsninger. De noterer også virkningerne af ændringer i regeringens politik i forbindelse med disse spørgsmål.
Spørgsmål: Hvordan ændrer sammensætningen af Jordens atmosfære sig naturligt?
A: Jordens atmosfære ændrer sammensætning som følge af naturlige processer som f.eks. vulkanemissioner, lynnedslag og bombardement af solpartikler fra Solens korona.
Søge