大気化学

大気化学は、地球や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では、環境化学、物理学、気象学、コンピューターモデリング、海洋学、地質学、火山学、気候学などの分野を活用して、大気組成の自然および人為的変化の両方を理解します。主な研究分野には、微量ガスの挙動、汚染物質の形成、エアロゾルと温室効果ガスの役割などがあります。観測、実験室実験、コンピューターモデリングを組み合わせて、大気化学者は大気の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は、いくつかの理由で重要ですが、主に大気と生物との相互作用のためです。火山の噴出、雷、コロナからの太陽粒子の衝突などの自然現象により、地球の大気の組成が変化します。また、人間の活動によっても変化しており、これらの変化の一部は人間の健康、作物、生態系に有害です。

地球の大気には、上記の主要成分のほかに、近く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種が含まれています。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放ち、濃度が 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。その他のガスの表面近くのおおよその量は、以下のとおりです。ガスに加えて、大気にはエアロゾルなどの粒子も含まれており、エアロゾルには、液滴、氷晶、バクテリア、ほこりなどが含まれます。

大気の組成に関する最初の科学的研究は、ジョセフ・プリーストリー、アントワーヌ・ラボアジエ、ヘンリー・キャベンディッシュなどの化学者が大気の組成を初めて測定した18世紀に始まりました。 ^[5]

19世紀後半から20世紀初頭にかけて、研究者の関心は極低濃度の微量成分へと移っていった。この時代における重要な発見は、1840年にクリスチャン・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 世紀には、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たか、および空気中で化合物を生成および破壊する化学プロセスを検討するようになりました。2 つの重要な成果は、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説明と、アリー ヤン ハーゲン スミットによる光化学スモッグの説明です。オゾン問題に関するさらなる研究により、1995 年のノーベル化学賞がポール 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 名で共同受賞されました。

21 世紀には、焦点は再び変わりつつあります。大気化学だけに集中するのではなく、大気圏、生物圏、地圏の残りの部分とともに、地球システムの一部とみなさ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。気候の変化、オゾンホールの回復、大気の組成と海洋および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]地球外大気化学という新しい分野も最近登場しました。宇宙化学者は、太陽系と太陽系外惑星の大気組成を分析して、天体の形成を決定し、地球のような生命の常態条件を見つけます。^[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つの中心的要素です。大気化学の進歩は、多くの場合、これらの要素間の相互作用によって推進され、統合された全体を形成します。たとえば、観測により、これまで考えられていたよりも多くの化合物が存在することが分かる場合があります。これは、新しいモデリングと実験室での研究を刺激し、観測を説明できるレベルまで科学的理解を高めます。^[12]

化学システムのフィールド観測は、大気のプロセスを理解し、モデルの精度を判断するために不可欠です。大気化学測定は、継続的な傾向を観察するために長期間、またはより小さな変化を観察するために短期的に行われます。観測所、衛星、フィー​​ルドステーション、および研究所を使用して、その場での測定と遠隔測定を行うことができます。

化学組成の日常的な観測により、大気の組成が時間とともに変化することがわかる。マウナ​​ロアなどの観測所や、航空機や気球などの移動式プラットフォーム（英国の空中大気測定施設など）では、化学組成と気象ダイナミクスを研究している。長期観測の応用として、キーリング曲線がある。これは、1958年から今日までの一連の測定で、二酸化炭素濃度が着実に上昇していることを示す（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などの重要な機器を使用した受動的および能動的なリモートセンシングによる衛星による観測が増えており、大気汚染と化学の全体像が明らかになっている。^[13]

表面観測は、高時間分解能で長期記録を提供できるという利点があるが、観測できる垂直および水平空間が限られている。LIDARなどの一部の表面ベースの機器は、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、カバーできる水平領域には依然として制限があります。多くの観測は、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、大規模に測定することが難しい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。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]密接に関連するサブ分野は大気光化学で、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吸収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、気相反応と、エアロゾルの形成と成長に関連する不均一反応の両方が含まれます。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、周囲空気サンプラー、粒子状空気サンプラー、走査型移動度粒子サイズ測定装置、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、研究者は化学輸送モデル (CTM)などのコンピュータモデルをよく使用します。CTM は、大気の 3 次元輸送と進化の現実的な説明を提供します。^[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。

これらのモデルは、複雑さに応じて、単純なものから非常に詳細なものまでさまざまです。モデルは、0次元、1次元、2次元、または3次元にすることができ、それぞれさまざまな用途と利点があります。3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、かなりの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GCMなどのグローバルなもの、またはより高い解像度で特定の領域に焦点を当てたRAMSなどの地域的なものになります。グローバルモデルは通常、水平解像度が低く、それほど複雑ではない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合物や反応の数と、大気中の輸送や混合などの物理的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、ボックスモデリングは比較的単純で、数百または数千の化学反応を含めることができますが、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、特定の化学反応の研究には役立ちますが、現実世界のダイナミクスを刺激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、大気の混合など、さまざまな物理的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、化学反応が単純に表現されることが多く、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などの自動コードジェネレータを使用しています。これらのツールは、ユーザーが定義した化学成分の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、コードジェネレータは反応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。

モデル予測と現実世界の観測との違いは、モデル入力パラメータのエラーやモデル内の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。あまり知られていないパラメータを調整して観測データとより一致するようにすることで、モデルを改善できます。^[7]これらの調整を適用するための正式な方法は、ベイズ最適化による逆モデリングフレームワークです。この逆モデリングフレームワークでは、CTMの結果を反転して、選択したパラメータを最適化します。このアプローチは、モデルによって生成された大量のデータや衛星の観測を解釈するための効果的な方法として、過去10年間で注目を集めています。

現在の重要な傾向の 1 つは、大気化学を地球システム モデルの一部として使用することです。これらのモデルは、大気化学を他の地球システム コンポーネントと統合し、気候、大気組成、および生態系間の複雑な相互作用の研究を可能にします。

大気化学は、環境政策、人間の健康、技術開発、気候科学に影響を及ぼす幅広い応用を持つ学際的な分野です。大気化学で扱われる問題の例としては、酸性雨、オゾン層の破壊、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。理論的理解を深めることで、大気化学者は潜在的な解決策をテストし、政府の政策変更の影響を評価することができます。主な応用には、温室効果ガスの監視、大気の質と汚染制御、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、公衆衛生と毒物学などがあります。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、それが政府の規制によってCFCやDDTなどの有害な化学物質の使用を最小限に抑えることにつながっています。^[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の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。オゾン監視装置（OMI）や大気赤外線サウンダ（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、空気の質をリアルタイムで監視することができます。^{[21] [22]}

大気化学は、化石燃料や再生可能エネルギー源などのエネルギー生産の環境への影響を評価するために不可欠です。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、それが空気の質や気候に与える影響を評価することができます。大気化学は、粒子状物質や揮発性有機化合物 (VOC)などの大気中の有毒物質の濃度と持続性を定量化し、公衆衛生対策や曝露評価の指針となることにも役立ちます。

• 酸素循環
• オゾン-酸素循環
• 古気候学
• オゾン層の破壊に関する科学的評価
• 対流圏オゾン層破壊事象

• Finlayson-Pitts, Barbara J.; Pitts, James N., Jr. (2000).上層大気と下層大気の化学. Academic Press. ISBN 0-12-257060-X . 
• Iribarne, JV Cho, HR (1980).大気物理学、D. Reidel Publishing Company。
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• WMO オゾン層破壊に関する科学的評価: 2006
• IGAC 国際全球大気化学プロジェクト
• ポール・クルッツェンインタビュー -オゾン分解に関する研究でノーベル賞を受賞したポール・クルッツェンが、ノーベル賞受賞者のハリー・クロトー、ベガサイエンストラストと対談する無料ビデオ
• ケンブリッジ大気化学データベースは、共通形式の大規模な構成観測データベースです。
• 地球上のすべての人のために環境科学を出版
• NASA-JPL 大気研究に使用するための化学反応速度論と光化学データ
• IUPACガス速度論データ評価小委員会によって評価された速度論および光化学データ
• 対流圏化学
• 空気の組成の基本的な評価の図解