Loading article…
大気化学は、地球および他の惑星の大気の化学を研究する大気科学の一分野です。この学際的な研究アプローチは、環境化学、物理学、気象学、コンピュータモデリング、海洋学、地質学、火山学、気候学などの分野を駆使し、大気組成の自然および人為的な変化の両方を理解しようとします。主な研究分野には、微量ガスの挙動、汚染物質の生成、エアロゾルと温室効果ガスの役割などがあります。大気化学者は、観測、実験室実験、コンピュータモデリングを組み合わせることで、大気変化の原因と結果を調査します。
地球の大気の組成と化学組成は、いくつかの理由から重要ですが、中でも最も重要なのは、大気と生物との相互作用です。火山噴火、雷、太陽コロナからの粒子衝突といった自然現象は、地球の大気の組成を変化させます。また、人間の活動によっても変化しており、これらの変化の中には、人間の健康、農作物、生態系に有害なものもあります。
上記の主要成分の他に、地球の大気には、近隣の発生源や吸収源によって大きく異なる多くの微量ガスが含まれています。これらの微量ガスには、オゾン層に特に有害なCFC/HCFCなどの化合物や、腐った卵のような特徴的な悪臭を持ち、0.47 ppbという低濃度でも嗅ぎ分けられるH₂Sなどがあります。その他のガスの地表付近におけるおおよその量を以下に示します。大気にはガスに加えて、エアロゾルなどの粒子も含まれており、エアロゾルの例としては、液滴、氷晶、細菌、塵などがあります。
大気組成に関する最初の科学的研究は、18世紀にジョセフ・プリーストリー、アントワーヌ・ラヴォアジエ、ヘンリー・キャベンディッシュなどの化学者が大気組成の最初の測定を行ったことから始まった。[ 5 ]
19世紀後半から20世紀初頭にかけて、研究者たちは非常に低濃度の微量成分に関心を移した。この時代の重要な発見の一つは、1840年にクリスティアン・フリードリヒ・シェーンバインがオゾンを発見したことである。 [ 6 ]
20世紀に入ると、大気科学は空気の組成の研究から、大気中の微量ガスの濃度が時間とともにどのように変化してきたか、そして空気中の化合物を生成・分解する化学プロセスを研究する方向へと移行した。その重要な成果として、シドニー・チャップマンとゴードン・ドブソンによるオゾン層の生成と維持のメカニズムの解明、そしてアリー・ヤン・ハーゲン＝スミットによる光化学スモッグの解明が挙げられる。オゾン問題に関するさらなる研究は、1995年のノーベル化学賞の受賞につながり、ポール・クルッツェン、マリオ・モリーナ、フランク・シャーウッド・ローランドの3名が共同受賞した。
21世紀に入り、焦点は再び移りつつあります。大気化学を孤立したものとして捉えるのではなく、大気、生物圏、地圏とともに地球システムの一部として捉えられるようになりました。このつながりの原動力となっているのは、化学と気候の関係です。気候変動、オゾンホールの回復、大気の組成と海洋や陸上生態系との相互作用は、地球システム間の相互依存関係の例です。[ 7 ]また、最近では地球外大気化学という新しい分野も出現しました。宇宙化学者は、太陽系や系外惑星の大気組成を分析し、天体の形成を解明し、地球のような生命の常在条件を見つけ出そうとしています。[ 8 ]
観測、実験室での測定、モデリングは、大気化学における3つの中心的な要素です。大気化学の進歩は、これらの要素間の相互作用によって促進されることが多く、それらは統合された全体を形成します。たとえば、観測によって、ある化学物質がこれまで考えられていたよりも多く存在することがわかる場合があります。これは、新しいモデリングや実験室での研究を刺激し、観測結果を説明できるレベルまで科学的理解を深めることになります。[ 12 ]
大気化学系の野外観測は、大気プロセスを理解し、モデルの精度を判断する上で不可欠です。大気化学測定は、継続的な傾向を観測するための長期観測と、より小さな変動を観測するための短期観測に分けられます。観測所、衛星、野外観測所、研究所などを用いて、現場観測と遠隔観測の両方を行うことができます。
化学組成の定期的な観測により、大気組成が時間とともに変化することが示されています。マウナロアなどの観測所や、航空機、船舶、気球などの移動プラットフォーム（例えば、英国の航空大気測定施設）は、化学組成と気象力学を研究しています。長期観測の応用例として、 1958年から現在までの一連の測定値であるキーリング曲線があり、二酸化炭素濃度の着実な上昇を示しています（大気中のCO2の継続的な測定も参照）。大気組成の観測は、 GOMEやMOPITTなどの重要な機器による受動的および能動的なリモートセンシングによって衛星によってますます行われるようになり、大気汚染と化学のグローバルな状況が明らかになっています。[ 13 ]
地表観測は、高時間分解能で長期記録が得られるという利点がありますが、観測できる垂直方向と水平方向の空間が限られています。LIDARなどの地表ベースの機器は、化学物質やエアロゾルの濃度プロファイルを提供できますが、それでもカバーできる水平方向の領域が制限されています。多くの観測データは、大気化学観測データベース[ 14 ]でオンラインで入手できます。
実験室での研究は、地球システムの複雑な相互作用を理解するのに役立ちますが、これは大規模に測定するのが難しい場合があります。実験は、エアロゾルチャンバーなどの制御された環境で行われ、特定の化学反応を個別に評価したり、特定の大気成分の特性を評価したりすることができます。[ 15 ]密接に関連する下位分野として大気光化学があり、これは太陽光によって分子が分解される速度を定量化し、結果として生じる生成物を決定し、ヘンリーの法則係数などの熱力学的データを取得します。
実験室での測定は、汚染物質や天然化合物の発生源と消失源を理解するために不可欠です。関心のある分析の種類には、気相反応に関するものだけでなく、エアロゾルの形成と成長に関連する不均一反応に関するものも含まれます。エアロゾルを測定するために一般的に使用される機器には、大気および粒子状空気サンプラー、走査型移動度粒子径測定器、質量分析計などがあります。[ 16 ]
モデルは、観測データの解釈、化学反応に関する仮説の検証、大気中の化学物質の将来の濃度の予測に不可欠なツールです。大気化学の理論的理解を統合および検証するために、研究者は一般的に化学輸送モデル（CTM）などのコンピュータモデルを使用します。CTMは、大気の三次元輸送と進化の現実的な記述を提供します。[ 7 ]大気モデルは、大気の挙動を再現する数学的表現と見なすことができます。これらの数値モデルは、大気中の化学物質の濃度を支配する微分方程式を解きます。
複雑さによって、これらのモデルは単純なものから非常に詳細なものまで多岐にわたります。モデルは、ゼロ次元、一次元、二次元、または三次元であり、それぞれにさまざまな用途と利点があります。三次元化学輸送モデルは最も現実的なシミュレーションを提供しますが、相当な計算リソースを必要とします。これらのモデルは、地球全体の大気の状態をシミュレートするグローバルモデル（例： GCM）または、より高い解像度で特定の領域に焦点を当てる地域モデル（例： RAMS）に分けられます。グローバルモデルは通常、水平解像度が低く、より単純な化学メカニズムを表しますが、より広い領域をカバーします。一方、地域モデルは、より高い解像度とより詳細な情報で限られた領域を表すことができます。[ 18 ]
大気モデリングにおける大きな課題は、モデルに含まれる化学物質と反応の数と、大気中の輸送や混合などの物理プロセスの精度とのバランスを取ることです。最も単純な2種類のモデルには、ボックスモデルとパフモデルがあります。たとえば、ボックスモデルは比較的単純で、数百または数千の化学反応を含むことができますが、通常、大気混合層の非常に粗い表現を使用します。[ 17 ]このため、特定の化学反応を研究するのに役立ちますが、現実世界のダイナミクスをシミュレートするには限界があります。対照的に、3Dモデルはより複雑で、風、対流、大気混合などのさまざまな物理プロセスを表します。また、輸送と混合のより現実的な表現も提供します。ただし、計算上の制限により、化学反応が単純化されることが多く、通常、ボックスモデルよりも化学反応の数が少なくなります。2つのアプローチ間のトレードオフは、解像度と複雑さにあります。
これらの複雑なモデルの作成を簡素化するために、一部の研究者はAutochemやKinetic PreProcessorのような自動コード生成ツールを使用しています。これらのツールは、化学成分のユーザー定義関数に基づいてデータベースから関連する化学反応を選択することで、モデル構築プロセスを自動化するのに役立ちます。 [ 19 ]反応が選択されると、コード生成ツールはそれらの時間発展を記述する常微分方程式を自動的に構築し、モデル構築に必要な時間と労力を大幅に削減します。
モデル予測と実際の観測結果との差異は、モデル入力パラメータのエラーやモデルにおけるプロセスの表現の欠陥から生じる可能性があります。表面排出量などの一部の入力パラメータは、モデル結果と比較して、観測から定量化される精度が低いことがよくあります。モデルは、よくわからないパラメータを調整して観測データによく一致させることで改善できます。[ 7 ]これらの調整を適用するための正式な方法は、逆モデリングフレームワークによるベイズ最適化であり、CTM の結果を反転して選択されたパラメータを最適化します。このアプローチは、モデルや衛星からの観測によって生成された大量のデータを解釈する効果的な方法として、過去 10 年間で注目を集めています。
近年の重要なトレンドの一つは、大気化学を地球システムモデルの一部として活用することである。これらのモデルは、大気化学を他の地球システム構成要素と統合することで、気候、大気組成、生態系間の複雑な相互作用の研究を可能にする。
大気化学は、環境政策、人間の健康、技術開発、気候科学に影響を与える幅広い応用分野を持つ学際的な分野です。大気化学で取り上げられる問題の例としては、酸性雨、オゾン層破壊、光化学スモッグ、温室効果ガス、地球温暖化などがあります。大気化学者は理論的な理解を深めることで、潜在的な解決策を検証し、政府の政策変更の影響を評価することができます。主な応用分野には、温室効果ガスのモニタリング、大気質と汚染制御、天気予報と気象学、エネルギーと排出、持続可能なエネルギー開発、公衆衛生と毒性学などがあります。グリーン大気化学の研究では、化学物質の持続可能で安全かつ効率的な使用を優先しており、その結果、CFCやDDTなどの有害化学物質の使用を最小限に抑える政府規制が制定されました。[ 20 ]
リモートセンシング技術の進歩により、科学者は衛星や地上観測所から大気の化学組成を監視できるようになりました。オゾンモニタリング装置（OMI）や大気赤外線サウンダー（AIRS）などの機器は、汚染物質、温室効果ガス、エアロゾルに関するデータを提供し、大気質のリアルタイム監視を可能にします。[ 21 ] [ 22 ]
大気化学は、化石燃料や再生可能エネルギー源を含むエネルギー生産の環境影響を評価する上で不可欠です。排出物を研究することで、研究者はよりクリーンなエネルギー技術を開発し、大気質や気候への影響を評価することができます。また、大気化学は、粒子状物質や揮発性有機化合物（VOC）などの有害物質の大気中濃度と残留性を定量化し、公衆衛生対策や曝露評価の指針となります。
