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プロセスは、地球の大気の組成を変えます。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。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。大気化学者は、これらの問題の原因を解明するために取り組んでいます。理論的な理解を深めることで、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。

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初めて大気の組成を測定した18世紀に始まりました。^[要出典]

19 世紀後半から 20 世紀初頭にかけて、研究者の関心は、非常に低濃度の微量成分へと移りました。大気化学における特に重要な発見の 1 つは、 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す。

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、そして空気中で化合物を生成および破壊する化学プロセスの検討へと移行しました。この特に重要な 2 つの例は、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、焦点が再び変わりつつあります。大気化学は、地球システムの一部としてますます研究されています。大気化学だけに集中するのではなく、大気、生物圏、地圏の残りの部分とともに、単一のシステムの一部として捉えることに焦点が当てられています。このつながりの特に重要な推進力は、化学と気候です。たとえば、気候の変化がオゾンホールの回復にどのように影響するか、またその逆はどうか、また大気の構成と海洋および陸上生態系との相互作用などです。^[要出典]

観測、実験室での測定、モデリングは、大気化学の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。これにより、新しいモデリングと実験室での研究が刺激され、観測を説明できるレベルまで科学的理解が向上します。^{[引用が必要] [8]}

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行うことも、より小さな変化を観察するために短期間で行うこともできます。測定は、観測所、衛星、および地表観測によって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ります。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 (英国の航空機大気測定施設など) では、化学組成と気象ダイナミクスを研究しています。長期観測の応用として、キーリング曲線があります。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などの重要な機器を搭載した衛星によってますます行われており、大気汚染と化学の全体像が明らかになっています。

地表観測は、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、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^{[要出典] [9]}でオンラインで入手できます。

実験室での研究は、大規模に測定するの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。実験はスモッグ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。^[10]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。 一般的に使用される分析機器には、周囲空気サンプラーと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、ガスクロマトグラフ、質量分析計などがあります。

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などのコンピュータ モデルを一般的に使用します。これらのモデルは、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、それぞれに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グローバルなものと、特定の領域に焦点を当てた高解像度の地域的なものに分けられます。グローバル モデルは通常、水平解像度が低く、それほど複雑ではない化学メカニズムを表しますが、より広い領域をシミュレートします。一方、地域モデルは、より高解像度でより詳細に、より小さな領域を表すことができます。^[11]

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。たとえば、ボックス モデリングは比較的単純で、数百、数千の化学反応が含まれることもありますが、通常、大気の混合の表現は非常に粗くなっています。そのため、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。輸送や混合のより現実的な描写も提供します。ただし、計算上の制限は多くの場合、化学反応のみであり、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、ユーザー定義の化学成分セット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。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。

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、大気化学を生物圏や水圏などの他の地球システムの構成要素と統合し、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します。

• 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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• Warneck, Peter (2000). 『自然大気の化学（第2版）』Academic Press. ISBN 0-12-735632-0 . 
• ウェイン、リチャード P. (2000)。大気の化学(第 3 版)。オックスフォード大学出版局。ISBN 0-19-850375 -X。 

• 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々のために出版された環境科学
• 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
• サム・ヒューストン州立大学の大気化学用語集
• 対流圏化学
• 大気化学で使用する計算機 2010-12-09 にWayback Machineでアーカイブ
• 空気の組成の基本的な評価の図解