Atmosfeerchemie
Atmosferische chemie is een tak van wetenschap waarin de chemie van de aardse atmosfeer en die van andere planeten wordt bestudeerd. Het is een multidisciplinair onderzoeksgebied dat gebruik maakt van milieuchemie, fysica, meteorologie, computermodellen, oceanografie, geologie en vulkanologie en andere disciplines. Het onderzoek is verbonden met andere studiegebieden zoals klimatologie.
Het bestuderen van de atmosfeer omvat het bestuderen van de interacties tussen de atmosfeer en levende organismen. De samenstelling van de atmosfeer van de aarde verandert als gevolg van natuurlijke processen zoals vulkaanuitstoot, bliksem en bombardementen door zonnedeeltjes uit de corona van de zon. Hij is ook veranderd door menselijke activiteiten. Sommige van deze veranderingen zijn schadelijk voor de menselijke gezondheid, gewassen en ecosystemen. Voorbeelden van problemen zijn zure regen, aantasting van de ozonlaag, fotochemische smog, broeikasgassen en opwarming van de aarde. Atmosferische chemici bestuderen de oorzaken van deze problemen. Atmosferische chemici bieden theorieën over deze problemen en testen vervolgens de theorieën en mogelijke oplossingen. Atmosferische chemici zien ook de effecten van veranderingen in het overheidsbeleid.
Atmosferische samenstelling
| Gemiddelde samenstelling van de droge atmosfeer (molfracties) | ||
| Gas | per NASA | |
| Stikstof, N2 | 78.084% | |
| Zuurstof, O2 | 20.946% | |
| Argon, Ar | 0.934% | |
| Minder belangrijke bestanddelen (molfracties in ppm) | ||
| Kooldioxide, CO2 | 383 | |
| Neon, Ne | 18.18 | |
| Helium, He | 5.24 | |
| Methaan, CH4 | 1.7 | |
| Krypton, Kr | 1.14 | |
| Waterstof, H2 | 0.55 | |
| Water | ||
| Waterdamp | Zeer variabel; maakt | |
Opmerkingen: de concentratie van CO2 en CH4 varieert per seizoen en locatie. De gemiddelde moleculaire massa van lucht is 28,97 g/mol.
Samenstelling van de atmosfeer van de aarde. Waterdamp is niet opgenomen, omdat die in de loop der tijd sterk verandert. Elk klein blokje (zoals dat van krypton) heeft een miljoenste van het volume van het hele blokje. De gegevens zijn afkomstig van NASA Langley.
Schema van chemische en transportprocessen in verband met de samenstelling van de atmosfeer.
Geschiedenis
De oude Grieken beschouwden lucht als een van de vier elementen. De eerste wetenschappelijke studies naar de samenstelling van de atmosfeer begonnen in de 18e eeuw. Chemici zoals Joseph Priestley, Antoine Lavoisier en Henry Cavendish deden de eerste metingen van de samenstelling van de atmosfeer.
Eind 19e en begin 20e eeuw verschoof de belangstelling naar sporenelementen met zeer kleine concentraties. Een belangrijke ontdekking voor de atmosferische chemie was de ontdekking van ozon door Christian Friedrich Schönbein in 1840.
De concentraties van sporengassen in de atmosfeer zijn in de loop der tijd veranderd, evenals de chemische processen die verbindingen in de lucht maken en vernietigen. Twee belangrijke voorbeelden hiervan waren de verklaring van Sydney Chapman en Gordon Dobson over hoe de ozonlaag ontstaat en in stand wordt gehouden, en de verklaring van fotochemische smog door Arie Jan Haagen-Smit. Verder onderzoek naar ozon leidde in 1995 tot de Nobelprijs voor scheikunde, die werd toegekend aan Paul Crutzen, Mario Molina en Frank Sherwood Rowland.
In de 21e eeuw verschuift de aandacht weer. Atmosferische chemie wordt steeds meer bestudeerd als onderdeel van het systeem aarde. Voorheen richtten wetenschappers zich op atmosferische chemie in isolatie. Nu bestuderen wetenschappers de atmosferische chemie als onderdeel van één systeem met de rest van de atmosfeer, biosfeer en geosfeer. Een reden hiervoor is het verband tussen chemie en klimaat. Het veranderende klimaat en het herstel van het ozongat beïnvloeden elkaar bijvoorbeeld. Ook heeft de samenstelling van de atmosfeer een wisselwerking met de oceanen en de terrestrische ecosystemen.
Methodologie
Waarnemingen, laboratoriummetingen en modellering zijn de drie centrale elementen in de atmosferische chemie. Alle drie de methoden worden samen gebruikt. Uit waarnemingen kan bijvoorbeeld blijken dat er meer van een chemische verbinding bestaat dan eerder voor mogelijk werd gehouden. Dit stimuleert nieuwe modelleer- en laboratoriumstudies die het wetenschappelijk inzicht zodanig vergroten dat de waarnemingen kunnen worden verklaard.
Observatie
Waarnemingen van atmosferische chemie zijn belangrijk. Wetenschappers registreren gegevens over de chemische samenstelling van de lucht in de loop der tijd om eventuele veranderingen op te sporen. Een voorbeeld hiervan is de Keeling Curve - een reeks metingen van 1958 tot heden die een gestage stijging van de kooldioxideconcentratie laten zien. Waarnemingen van atmosferische chemie worden gedaan in observatoria zoals dat op Mauna Loa en op mobiele platforms zoals vliegtuigen, schepen en ballonnen. Waarnemingen van de samenstelling van de atmosfeer worden in toenemende mate gedaan door satellieten, die een wereldwijd beeld geven van luchtverontreiniging en -chemie. Oppervlakteobservaties hebben het voordeel dat ze langetermijnrecords met een hoge tijdsresolutie opleveren, maar ze leveren gegevens van een beperkte verticale en horizontale ruimte. Sommige oppervlakte-instrumenten zoals LIDAR kunnen concentratieprofielen van chemische verbindingen en aërosolen opleveren, maar zijn nog steeds beperkt in het horizontale gebied dat zij bestrijken. Veel waarnemingen worden online gedeeld.
Laboratoriummetingen
Metingen in het laboratorium zijn essentieel voor ons begrip van de bronnen en putten van verontreinigende stoffen en verbindingen in de natuur. Laboratoriumonderzoek vertelt welke gassen met elkaar reageren en hoe snel ze reageren. Wetenschappers meten reacties in de gasfase, op oppervlakken en in water. Wetenschappers bestuderen ook de fotochemie, die kwantificeert hoe snel moleculen door zonlicht uiteenvallen en wat de producten zijn. Wetenschappers bestuderen ook thermodynamische gegevens zoals de wet van Henry-coëfficiënten.
Vragen en antwoorden
V: Wat is atmosferische chemie?
A: Atmosferische chemie is een tak van wetenschap waarin de chemie van de aardse atmosfeer en die van andere planeten wordt bestudeerd. Hierbij worden verschillende disciplines gebruikt, zoals milieuchemie, natuurkunde, meteorologie, computermodellen, oceanografie, geologie en vulkanologie.
V: Hoe omvat het bestuderen van de atmosfeer ook het bestuderen van levende organismen?
A: Onderzoek naar atmosferische chemie omvat ook het bestuderen van de interacties tussen de atmosfeer en levende organismen.
V: Wat zijn enkele voorbeelden van problemen veroorzaakt door menselijke activiteit?
A: Voorbeelden van problemen veroorzaakt door menselijke activiteit zijn zure regen, aantasting van de ozonlaag, fotochemische smog, broeikasgassen en opwarming van de aarde.
V: Wat doen atmosferische chemici om deze problemen aan te pakken?
A: Atmosferische chemici stellen theorieën op over deze problemen en testen die vervolgens op mogelijke oplossingen. Zij merken ook de effecten op van veranderingen in het overheidsbeleid met betrekking tot deze problemen.
V: Hoe verandert de samenstelling van de atmosfeer van de aarde op natuurlijke wijze?
A: De samenstelling van de aardatmosfeer verandert als gevolg van natuurlijke processen zoals vulkaanuitstoot, bliksem en bombardementen door zonnedeeltjes uit de corona van de zon.
