Atmosphärenchemie

Die alten Griechen betrachteten die Luft als eines der vier Elemente. Die ersten wissenschaftlichen Studien zur Zusammensetzung der Atmosphäre begannen im 18. Jahrhundert. Jahrhundert. Chemiker wie Joseph Priestley, Antoine Lavoisier und Henry Cavendish führten die ersten Messungen der Zusammensetzung der Atmosphäre durch.

Im späten 19. und frühen 20. Jahrhundert verlagerte sich das Interesse auf Spurenbestandteile mit sehr geringen Konzentrationen. Eine wichtige Entdeckung für die Atmosphärenchemie war die Entdeckung des Ozons durch Christian Friedrich Schönbein im Jahre 1840.

Die Konzentrationen von Spurengasen in der Atmosphäre haben sich im Laufe der Zeit verändert, ebenso wie die chemischen Prozesse, die Verbindungen in der Luft herstellen und zerstören. Zwei wichtige Beispiele dafür waren die Erklärung von Sydney Chapman und Gordon Dobson, wie die Ozonschicht entsteht und erhalten wird, und die Erklärung des photochemischen Smogs von Arie Jan Haagen-Smit. Weitere Studien zu Ozonproblemen führten 1995 zum Nobelpreis für Chemie, den sich Paul Crutzen, Mario Molina und Frank Sherwood Rowland teilten.

Im 21. Jahrhundert verschiebt sich der Schwerpunkt nun wieder. Die Chemie der Atmosphäre wird zunehmend als ein Teil des Erdsystems untersucht. Früher konzentrierten sich die Wissenschaftler isoliert auf die Chemie der Atmosphäre. Jetzt untersuchen die Wissenschaftler die Atmosphärenchemie als einen Teil eines einzigen Systems mit dem Rest der Atmosphäre, der Biosphäre und der Geosphäre. Ein Grund dafür sind die Verbindungen zwischen Chemie und Klima. So beeinflussen sich beispielsweise Klimaveränderungen und die Erholung des Ozonlochs gegenseitig. Auch die Zusammensetzung der Atmosphäre steht in Wechselwirkung mit den Ozeanen und den terrestrischen Ökosystemen.

Beobachtungen, Labormessungen und Modellierung sind die drei zentralen Elemente der Atmosphärenchemie. Alle drei Methoden werden gemeinsam angewendet. Zum Beispiel können Beobachtungen zeigen, dass mehr von einer chemischen Verbindung existiert, als bisher für möglich gehalten wurde. Dadurch werden neue Modellierungs- und Laborstudien angeregt, die das wissenschaftliche Verständnis bis zu einem Punkt erhöhen, an dem die Beobachtungen erklärt werden können.

Beobachtung

Beobachtungen der Atmosphärenchemie sind wichtig. Wissenschaftler zeichnen Daten über die chemische Zusammensetzung der Luft im Laufe der Zeit auf, um auf Veränderungen zu achten. Ein Beispiel dafür ist die Keelingkurve - eine Messreihe von 1958 bis heute, die einen stetigen Anstieg der Kohlendioxidkonzentration zeigt. Beobachtungen der Atmosphärenchemie werden in Observatorien wie dem auf dem Mauna Loa und auf mobilen Plattformen wie Flugzeugen, Schiffen und Ballons durchgeführt. Beobachtungen der atmosphärischen Zusammensetzung werden zunehmend von Satelliten durchgeführt, die ein globales Bild der Luftverschmutzung und der Chemie geben. Beobachtungen an der Oberfläche haben den Vorteil, dass sie langfristige Aufzeichnungen mit hoher Zeitauflösung liefern, aber Daten aus einem begrenzten vertikalen und horizontalen Raum liefern. Einige oberflächengestützte Instrumente wie LIDAR können Konzentrationsprofile chemischer Verbindungen und Aerosole liefern, sind aber in dem von ihnen abgedeckten horizontalen Bereich noch begrenzt. Viele Beobachtungen werden online ausgetauscht.

Messungen im Labor

Messungen, die im Labor durchgeführt werden, sind für unser Verständnis der Quellen und Senken von Schadstoffen und Verbindungen, die in der Natur vorkommen, unerlässlich. Laboruntersuchungen zeigen, welche Gase miteinander reagieren und wie schnell sie reagieren. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler messen Reaktionen in der Gasphase, auf Oberflächen und in Wasser. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchen auch die Photochemie, die quantifiziert, wie schnell Moleküle durch Sonnenlicht gespalten werden und welche Produkte dabei entstehen. Wissenschaftler studieren auch thermodynamische Daten wie die Koeffizienten des Henry'schen Gesetzes.