เคมีสิ่งแวดล้อมบรรยากาศ
เคมีสิ่งแวดล้อมบรรยากาศศึกษาองค์ประกอบทางเคมีของชั้นบรรยากาศโลกและปฏิกิริยาที่เปลี่ยนแปลงก๊าซปริมาณน้อย อนุภาคแขวนลอย และมลพิษทั่วทั้งชั้นโทรโพสเฟียร์และสตราโตสเฟียร์
Definition
สาขาหนึ่งของเคมีสิ่งแวดล้อมที่เกี่ยวข้องกับแหล่งกำเนิด ปฏิกิริยา การขนส่ง และแหล่งกักเก็บของสารเคมีในชั้นบรรยากาศ โดยเฉพาะอย่างยิ่งก๊าซปริมาณน้อยและอนุภาคแขวนลอยที่มีความสำคัญต่อสิ่งแวดล้อม
Scope
สาขาวิชานี้ครอบคลุมเคมีในสถานะก๊าซ ในน้ำ และแบบวิวิธพันธ์ที่ควบคุมชะตากรรมของสารธรรมชาติและสารที่เกิดจากกิจกรรมของมนุษย์ในอากาศ ครอบคลุมวงจรออกซิแดนท์ที่ขับเคลื่อนโดยอนุมูลไฮดรอกซิล ปฏิกิริยาเคมีแสงที่สร้างและทำลายโอโซนในชั้นบรรยากาศต่างๆ การเกิดกรดในหยาดน้ำฟ้า และการก่อตัวของหมอกควันในเมือง เน้นด้านสิ่งแวดล้อมมากกว่าด้านกายภาพบริสุทธิ์: การปล่อยมลพิษกลายเป็นมลพิษทุติยภูมิได้อย่างไร การขนส่งและการสะสมของมลพิษเหล่านั้น และความหมายต่อคุณภาพอากาศ ระบบนิเวศ และสภาพภูมิอากาศ
Sub-topics
Core questions
- อะไรเป็นตัวควบคุมความสามารถในการออกซิไดซ์ของชั้นโทรโพสเฟียร์?
- การปล่อยมลพิษจากธรรมชาติและจากกิจกรรมของมนุษย์กลายเป็นมลพิษทุติยภูมิ เช่น โอโซนและกรดได้อย่างไร?
- ทำไมโอโซนจึงมีประโยชน์ในชั้นสตราโตสเฟียร์ แต่เป็นอันตรายใกล้พื้นผิว?
- สารประกอบฮาโลเจนทำลายโอโซนในชั้นสตราโตสเฟียร์ด้วยกลไกเร่งปฏิกิริยาได้อย่างไร?
- เส้นทางเคมีใดที่เชื่อมโยงการปล่อยมลพิษกับการสะสมของกรดและหมอกควันเคมีแสง?
Key theories
- วัฏจักรแชปแมนและการทำลายโอโซนแบบเร่งปฏิกิริยา
- กลไกแชปแมนอธิบายการก่อตัวและการสูญเสียโอโซนในชั้นสตราโตสเฟียร์จากออกซิเจนด้วยปฏิกิริยาเคมีแสง ในขณะที่วัฏจักรเร่งปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับอนุมูล HOx, NOx และฮาโลเจนเร่งการสูญเสียโอโซนอย่างมาก ซึ่งอธิบายการลดลงที่สังเกตได้
- วัฏจักรออกซิแดนท์ในชั้นโทรโพสเฟียร์ (HOx)
- อนุมูลไฮดรอกซิลทำหน้าที่เป็นตัวออกซิไดซ์หลักในชั้นบรรยากาศ เริ่มต้นการย่อยสลายของก๊าซปริมาณน้อยส่วนใหญ่ที่ถูกรีดิวซ์ และควบคุมอายุการใช้งานของมลพิษและก๊าซเรือนกระจก
Mechanisms
การเปลี่ยนแปลงส่วนใหญ่ในชั้นบรรยากาศเป็นปฏิกิริยาเคมีแสงที่ขับเคลื่อนด้วยอนุมูล แสงอาทิตย์จะสลายโอโซน ไนโตรเจนไดออกไซด์ และสารอื่นๆ ด้วยแสง เพื่อสร้างอนุมูลที่ทำปฏิกิริยาได้ เช่น OH, HO2 และ NO3; อนุมูลเหล่านี้จะออกซิไดซ์ไฮโดรคาร์บอน กำมะถัน และสารประกอบไนโตรเจนผ่านปฏิกิริยาลูกโซ่ ปฏิกิริยาวิวิธพันธ์บนพื้นผิวของอนุภาคแขวนลอยและเมฆ รวมถึงบนเมฆสตราโตสเฟียร์ขั้วโลก จะกระตุ้นแหล่งกักเก็บฮาโลเจนที่ปกติเฉื่อย และขับเคลื่อนการสูญเสียโอโซนเป็นครั้งคราว
Clinical relevance
เคมีบรรยากาศเป็นพื้นฐานของการจัดการคุณภาพอากาศ การปกป้องชั้นโอโซนตามพิธีสารมอนทรีออล และการประเมินว่ามลพิษที่มีอายุสั้นมีปฏิกิริยาอย่างไรกับสภาพภูมิอากาศ การทำความเข้าใจปฏิกิริยาเหล่านี้เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับกลยุทธ์การควบคุมการปล่อยมลพิษและการตีความผลกระทบของการสะสมต่อดิน น้ำ และสุขภาพของมนุษย์
History
เคมีสิ่งแวดล้อมบรรยากาศเกิดขึ้นในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 โดย Haagen-Smit ได้ระบุหมอกควันเคมีแสงในลอสแอนเจลิส และพัฒนาขึ้นเมื่อมีการตระหนักในปี 1970 ว่าวัฏจักรเร่งปฏิกิริยาทำให้โอโซนในชั้นสตราโตสเฟียร์ลดลง การค้นพบรูโหว่โอโซนในแอนตาร์กติกาในปี 1985 ได้เปลี่ยนแปลงสาขาวิชานี้และกระตุ้นให้เกิดการควบคุมระหว่างประเทศ
Key figures
- Paul J. Crutzen
- Mario J. Molina
- F. Sherwood Rowland
- Barbara J. Finlayson-Pitts
Related topics
Seminal works
- farman1985
- finlaysonPitts2000
- vanLoon2017
Frequently asked questions
- สิ่งนี้แตกต่างจากเคมีบรรยากาศในแง่ของฟิสิกส์หรือวิทยาศาสตร์โลกอย่างไร?
- มันใช้เคมีปฏิกิริยาเดียวกัน แต่เน้นคำถามด้านสิ่งแวดล้อม: การก่อตัวของมลพิษ การสะสม คุณภาพอากาศ และผลกระทบที่เกี่ยวข้องกับนโยบาย มากกว่าพลวัตของบรรยากาศหรือรังสีเพียงอย่างเดียว
- ทำไมอนุมูลไฮดรอกซิลจึงสำคัญมาก?
- OH เป็นตัวออกซิไดซ์หลักในเวลากลางวันของชั้นบรรยากาศ มันกำหนดอายุการใช้งานของมีเทน คาร์บอนมอนอกไซด์ และมลพิษส่วนใหญ่ โดยทำหน้าที่เป็นตัวทำความสะอาดตัวเองของชั้นโทรโพสเฟียร์อย่างมีประสิทธิภาพ