大气环境化学

大气环境化学研究地球大气的化学组成以及对流层和平流层中痕量气体、气溶胶和污染物转化的反应。

Definition

环境化学的一个分支，关注大气中化学物质的来源、反应、传输和汇，特别是具有环境意义的痕量气体和气溶胶。

Scope

该领域涵盖了控制空气中天然和人为物质命运的气相、水相和非均相化学。它涉及由羟基自由基驱动的氧化剂循环、在不同大气层中产生和破坏臭氧的光化学、降水酸化以及城市烟雾的形成。重点在于环境而非纯粹的物理：排放物如何成为二次污染物，它们如何被输送和沉积，以及这对空气质量、生态系统和气候意味着什么。

Sub-topics

• 酸沉降
• 光化学烟雾
• 平流层臭氧化学
• 对流层化学

Core questions

• 什么控制着对流层的氧化能力？
• 天然和人为排放物如何成为臭氧和酸等二次污染物？
• 为什么臭氧在平流层具有保护作用，但在地表附近却有害？
• 卤素物质如何催化破坏平流层臭氧？
• 哪些化学途径将排放物与酸沉降和光化学烟雾联系起来？

Key theories

查普曼循环与催化臭氧破坏

查普曼机制描述了氧气在平流层中光化学形成和损耗臭氧的过程，而涉及HOx、NOx和卤素自由基的催化循环极大地加速了臭氧损耗，解释了观测到的消耗现象。

对流层氧化剂（HOx）循环

羟基自由基是主要的大气氧化剂，它启动了大多数还原性痕量气体的降解，并控制着污染物和温室气体的寿命。

Mechanisms

大多数大气转化是自由基驱动的光化学过程。阳光光解臭氧、二氧化氮和其他物质，生成OH、HO2和NO3等活性自由基；这些自由基通过链式反应氧化碳氢化合物、硫和氮化合物。气溶胶和云表面（包括极地平流层云）上的非均相反应激活了原本惰性的卤素储库，并驱动了偶发性臭氧损耗。

Clinical relevance

大气化学是空气质量管理、蒙特利尔议定书对臭氧层的保护以及评估短寿命污染物如何与气候相互作用的基础。理解这些反应对于排放控制策略以及解释沉积对土壤、水和人类健康的影响至关重要。

History

大气环境化学在20世纪中期随着哈根-斯米特（Haagen-Smit）识别洛杉矶光化学烟雾而兴起，并在20世纪70年代认识到催化循环会消耗平流层臭氧后逐渐成熟。1985年南极臭氧洞的发现改变了该领域，并推动了国际法规的制定。

Key figures

• Paul J. Crutzen
• Mario J. Molina
• F. Sherwood Rowland
• Barbara J. Finlayson-Pitts

Seminal works

• farman1985
• finlaysonPitts2000
• vanLoon2017

Frequently asked questions

这与物理学或地球科学意义上的大气化学有何不同？

它共享相同的反应化学，但更侧重于环境问题：污染物形成、沉积、空气质量和与政策相关的影响，而非仅仅大气动力学或辐射。

为什么羟基自由基如此重要？

OH是大气中主要的白天氧化剂；它决定了甲烷、一氧化碳和大多数污染物的寿命，有效地充当了对流层的自清洁剂。