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大气化学

相关书籍大气化学是研究大气组成和大气化学过程的学科。属大气科学的一个分支。它涉及大气各成分的性质和变化,源和汇,化学循环,以及发生在大气中、大气同陆地或海洋之间的化学过程。研究的对象包括大气微量气体、气溶胶、大气放射性物质和降水化学等。研究的空间范围涉及对流层和平流层,即约50公里高度以下的整个大气层(更高层大气中,主要是高激发态的粒子,如原子、离子和高荷电粒子,它们的组成和性质,一般列入高层大气物理学的领域)。研究的地区范围包括全球、大区域和局部地区。

目录

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1 简史
2 相关学科

大气化学 - 简史

对大气化学的研究始于19世纪下半叶,初期只限于研究降水中的痕量(指在大气中的浓度低于百万分之一)物质和气溶胶,有一时期集中于研究臭氧和微量放射性物质。在20世纪60年代以前,大气化学不引起人们的重视,多数研究偏重于大气中天然微量成分的全球性平衡、源、汇、循环和气溶胶的物理性质等。60年代后,由于人类活动对大气产生的影响,出现了较严重的大气污染,大气化学才引起广泛的注意。并由于应用了微量分析技术、实验室模拟技术和电子计算机技术,使大气化学的研究向定量化和模式化的方向发展。尤其是在大气污染形成的机制、污染物对平流层臭氧浓度的影响等研究方面,取得了较大进展。但就学科的发展进程而言,大气化学仍处于初始发展阶段,许多事实和现象还不清楚,尤其是关于一些大气微量成分的源、汇和时空分布,它们的迁移、输送和全球循环等问题,都需要进行观测和研究。

特点
荷兰大气化学家保罗·克鲁岑
无论从组成上或从迁移和转化上看,大气都是一个复杂的体系,受很多因素的制约。
① 大气吸收太阳的紫外辐射和可见光波段的辐射,与光化学有极其密切的关系。
② 各种物质输入大气中的情况,或者在大气中的迁移、扩散、混合和反应,随时随地都在变化,所以大气化学反应的模式,必须与大气湍流扩散联系起来考虑。
③ 大气的成分不但有气体,而且有悬浮着的固体和液体粒子(气溶胶),它们有的是天然存在的,有的是人类活动输入的或者是大气化学反应产生的。气溶胶在大气的化学过程中起着重要的作用,所以除了研究大气的均相反应(气体与气体之间的反应)外,还要研究大气的多相反应(气体与固体或液体之间的反应)和表面效应。
④ 大气中许多成分以痕量存在,必须采用痕量的分析化学技术。
主要内容

大气的化学组成:主要包括对流层和平流层大气中主要成分和微量成分的组成、含量、起源和演化等问题(见地球大气演化)。

大气化学

对流层化学
主要包括碳氧化物、硫氧化物、氮氧化物、碳氢化物和气溶胶的源、汇和循环,污染物之间的化学反应和对流层空气污染形成的化学机制。对空气污染的化学过程,主要集中研究了两种类型的机制:

① 二氧化硫的氧化。二氧化硫是由煤炭、石油等矿物燃料燃烧产生的主要污染物,其中一部分在大气中被氧化成硫酸或硫酸盐气溶胶。由于其比重大,沉降而接近地面,特别是汇聚于谷地或盆地,形成酸雾而造成污染;或者被降水带下而形成酸雨。硫酸的为害,远远超过二氧化硫,所以人们对二氧化硫氧化的机制,进行了许多研究。从很多结果看来,在非污染空气中,二氧化硫的含量极微,它分别同氢氧自由基(HO·)、氢过氧自由基(H(O2·)和云、雾水滴反应;在污染空气中二氧化硫的含量较高,它与氢过氧自由基的反应是重要的。并且,在污染空气中还存在着过渡金属(如锰)的多相催化反应。

② 臭氧的形成化学。随着机动车辆的发展,光化学烟雾污染问题日益突出。它是由氮氧化物和碳氢化物在紫外辐射作用下发生光解反应和一系列氧化反应生成臭氧和其他氧化物 (如过氧乙酰硝酸酯PAN和醛类等)而造成的。通过室内外烟雾箱模拟反应及计算机对复杂反应系列的计算结果看来,氧化反应中起主要作用的也是氢氧自由基和氢过氧自由基。1979年研究发现,当有芳香胺污染物存在时,烟雾中能检出致癌物亚硝胺。此外,对非污染地区臭氧形成问题的研究,发现一氧化碳的氧化也很重要。 20世纪70年代以来,已注意研究多种污染物之间的相互作用和共同效应。

平流层化学
平流层化学的中心问题是臭氧的光化学反应,在太阳紫外辐射照射下,平流层臭氧经历强烈的光化学过程。20世纪60年代以来,人类活动对臭氧层的影响,引起了人们的密切关注。曾经认为超音速飞机的飞行将使氮氧化物排入平流层而破坏臭氧,这将造成在地球表面小于0.3微米波长的紫外辐射强度加大,引起皮肤癌的增加和农业生产降低。对含氟氯烃类化合物也有类似的担忧,它们在对流层是化学稳定的,但在平流层可以进行光分解而破坏臭氧。这个问题还存在着看法上的分歧,尤其是对于氮氧化物的影响,还有待进一步研究(见大气臭氧层)。

气溶胶化学
主要包括气溶胶的化学组成(硫酸盐气溶胶、硝酸盐气溶胶和有机物气溶胶),二次气溶胶的形成机制,气溶胶的长距离传输,以及多相反应化学等。长期以来,人们对气溶胶只着重于物理性质的研究,从20世纪70年代以来,气溶胶化学的研究逐渐引起注意。特别是多相反应化学,已引起重视,它主要包括以下三方面:
① 气体-微粒的相互作用。在正常条件下,气溶胶微粒对气体物质的物理和化学的吸附作用,对于气体浓度基本上没有影响,但是表面层的吸附,对气溶胶的光学性质以及作为水滴成核剂的性质,却有着显著影响。
② 气体-微粒的转换。 蒸汽经过成核作用可以形成新的微粒,可以在已有的微粒表面凝聚,或和微粒反应。对这些现象的定性观察已有不少,但尚需进行定量的研究。
③ 多相催化。在室温和光照的条件下,一氧化氮可以被催化氧化为二氧化氮。有的研究提出了吸附在二氧化硅上的含氟氯烃类的光催化分解,可是这方面的工作仍未引起重视。

降水化学
主要包括降水的化学组成,降水过程中的化学问题,以及当前引起普遍重视的酸雨的形成和机制等。

大气放射性物质的化学
主要包括大气中存在的放射性元素的辐射性质、来源、循环及其对平流层的影响。

大气化学 - 相关学科

大气科学、气候学、物候学、古气候学、年轮气候学、动力气象学、大气物理学、大气边界层物理、云和降水物理学、云和降水微物理学、云动力学、雷达气象学、无线电气象学、大气辐射学、大气光学、大气电学、平流层大气物理学、大气声学、天气学、热带气象学、极地气象学、卫星气象学、生物气象学、农业气象学、森林气象学、医疗气象学、水文气象学、建筑气象学、航海气象学、航空气象学、军事气象学、空气污染气象学。

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