Kimika atmosferiko

Kimika atmosferikoak aztertzen dituen gai batzuk euri azidoa, smog fotokimikoa eta berotze globala dira. Kimika atmosferikoa arazo horien kausak ulertzen saiatzen da, horretarako, arazo horien ulermen teorikoa lortu, froga daitezkeen konponbide posibleak aurkitu eta gobernu-politiketako aldaketen ondorioak ebaluatzen ditu.

 Konposizio atmosferikoa 
Lurraren atmosferaren konpisizioa eta kimika oso garrantzitsuak dira, atmosferaren eta organismo bizidunen arteko interakzioak direla eta. Prozesu naturalek hala nola sumendi emisioek, tximistek eta koroaren eguzki-partikulen bidezko bonbardaketek, lurraren atmosferaren konposizioa aldatzen dute. Giza jarduerek ere aldatu dute bere konposizioa, jarduera horiak kaltegarriak dira giza osasunarentzat, uztarentzat eta ekosistemarentzat.
Atmosfera lehorraren berezko konposizioa (mol frakzioak)GasaNASAren araberaNitrogenoa, N2%78,084Oxigenoa, O2%20,946Beste osagai batzuk (mol frakzioak ppm-tan)Argona, Ar9340Karbono dioxidoa, CO2425Neona, Ne18,18Helioa, He5,24Metanoa, CH41,9Kriptona, Kr1,14Sulfuro dioxidoa, SO2<1Hidrogenoa, H20,53Oxido nitrosoa, N2O0,34Xenona, Xe0,087Ozonoa, O3, udaran<0,07Nitrogeno dioxidoa, NO2<0,02Ozonoa, O3, neguan<0,02Iodoa, I20,01UraUr-lurrunaOso aldakorra (% 0–3 inguru);
normalean %1 inguru.OharrakAire lehorraren berezko masa molarra 28.97 g/mol da. Gasaren konposizioa denboraren eta lekuaren arabera esanguratsuki alda daiteke. CO2 eta CH4 kontzentrazioak urtaro eta lekuaren arabera aldatzen dira. 
Aztarna-gasen konposizioa
Goian azaldatutako osagai nagusiez gain, gas-espezie asko ditu lurraren atmosferak, eta nabarmen aldatzen dira inguruko iturrien arabera. Gas horien artean, CFCs/HCFCs edo H2S bezalako konposatuak daude, hauek kaltegarriak dira ozono geruzarentzat. Behean gas batzuen kantitate batzuk zerrendatuta agertzen dira; gas horiek gainazaletik gertu daude. Gasez gain, atmosferak aerosolak bezalako partikulak ditu, hala nola tantak, izotz kristalak, bakterioak eta hautsa.
GasaKonposizioa (ppt bolumenaren arabera besterik esaten ez bada)Karbono monoxidoa, CO(120) 40-200 ppb p39Etilenoa, C2H411,2 ppb p37, kutsatuta Formaldehidoa, H2CO9,1 ppb p37, kutsatuta Azetilenoa, C2H28,6 ppb p37, kutsatuta Metanola, CH3OH1,967 ppbEtanoa, C2H6781Diklorodifluorometanoa, CCl2F2530 p41Karbonilo sulfuroa, OCS510 p26Klorometanoa, CH3Cl503Isoprenoa, C5H8311Triklorofluorometanoa, CCl3F237 p41Propanoa, C3H8200Azido sulfhidrikoa, H2S(177,5) 15–340 p26Sufre dioxidoa, SO2(135) 70–200 p26Karbono tetrafloruroa, CF479 p41Etanola, C2H5OH75Karbono disulfuroa, CS2(30) 15–45 p26Nitrogeno monoxidoa, NO16Bentzenoa, C6H611Bromometanoa, CH3Br(9,5) 9–10 p44Sufre hexafloruroa, SF67,3 p41Iodometanoa, CH3I0,36Merkurio gaseosoa, Hg0,209 p55

 Metodologia 
Atmosferaren hiru elemuentu nagusiak behaketak, laborategiko neurketak eta modelizazioa dira. Kimika atmosferikoak duen prozesua askotan osagai hauen arteko elkarrekintzek bultzatzen dute eta osotasun integratu bat osatuz. Adibidez, behaketek lehen uste baino konposatu kimiko gehiago dagoela esan dezakete. Horrek modelizazio eta laborategiko ikerketa berriak bultzatuko ditu,eta behaketak azaltzeko gai izango garen mailara iritsi arte handituko du gure ulermen zientifikoa.  

Behaketak  

Sistema kimikoen behaketak ezinbestekoak dira atmosferako prozesuak ulertzeko eta modeloen zehaztasuna determinatzeko. Kimika atmosferikoaren neurketak epe luzekoak edo laburrekoak izan daitezke. Epe luzekoek tendentzia jarraiak aztertzen dituzte, epe laburrekoek berriz aldaketa txikiagoak. In situ eta urruneko neurketak egin daitezke behatokiak, sateliteak, landa-eremu eta laborategiak erabiliz.  
Konposizio kimikoen ohiko behaketek atmosferaren aldaketa kimikoak erakusten dituzte denboran zehar. Mauna Loa bezalako behatokiek eta hegazkin-ontzi eta globo moduko plataforma mugikorrek konposizio kimikoa eta eguraldien dinamika aztertzen dute.(adibidez, Erresuma Batuko Aireko Atmosferako Neurketa Zerbitzua). Epe luzeko behaketen aplikazio bat Keeling kurba da: 1958tik gaur egun arteko neurketa-serie bat, karbono dioxidoaren kontzentrazio igoera etengabea erakusten du. Atmosferaren konposizioaren behaketak gero eta gehiago egiten dira, GOME eta MOPITT bezalako tresna garrantzitsuekin (satelite eta urruneko sentsore aktibo eta pasiboen bidez), airearen kutsaduraren eta kimikaren irudi globala aztertzeko.    

Gainazaleko behaketek abantaila handi bat dute, epe luzeko erregistroek denbora-bereizmen handiak eskaintzen dituzte, beste aldetik, behaketetako espazio bertikal eta horizontalak mugatuak dira. LIDAR-ra gainazaleko tresnetako bat da eta konposatu kimikoen eta aerosolen kontzentrazio-profilak eman ditzake, oraindik mugatuta dago eremu horizontalean. Behaketa asko sarean daude eskuragarri Kimika Atmosferikoaren Behaketa Datu-baseetan.  

Laborategiko Ikerketak

Laborategiko ikerketek lurraren sistemaren interakzio konplexuak ulertzen laguntzen dute eskala handiko neurrietan. Esperimentuak kontrolatutako ingurunetan egiten dira, hala nola, aerosol-ganberatan, hauek erreakzio kimiko espezifikoen banakako ebaluazio eta atmosferako osagai jakin baten propietateen ebaluazioa ahalbidetzen dute. Kimika atmosferikoari estu lotuta dago fotokimika atmosferikoa, honek eguzki-argiak banatzen dituen molekulen abiadura kuantifikatzen du. Horrela, ondoriozko produktuak zehaztu eta Henry-ren legearen koefizienteak bezalako datu termodinamikoak lortzen ditu.

Laborategiko neurketak ezinbestekoak dira kutsatzaile eta konposatu naturalen iturriak eta hustubideak ulertzeko. Interesgarriak diren analisi motak honako hauek dira: bai gas-faseko erreakzioak, bai aerosolen eraketa eta hazkuntzarekin lotutako erreakzio heterogeneoak. Aerosolak neurtzeko erabili ohi diren tresnak ondorengoak dira: aire-partikulen lagingailuak, eskaneatze-mugikortasuneko partikula-neurgailuak eta masa-espektrometroak. 

Modeloak
Modeloak ezinbesteko tresnak dira behaketa-datuak interpretatzeko, erreakzio kimikoei buruzko hipotesiak probatzeko eta etorkizunean atmosferako produktu kimikoen kontzentrazioak aurreikusteko. Ikertzaileek normalean ordenagailu ereduak erabiltzen dituzte, atmosferako kimikaren ulermen teorikoa sintetizatu eta probatzeko, hala nola garraio kimikoaren ereduak (CTM). CTM-ek atmosferaren hiru dimentsioko garraioaren eta bilakaeraren deskribapen errealistak eskaintzen dituzte. Atmosfera modeloetan atmosferaren portaerak erreplikatzen duten irudikapen matematiko gisa ikus daitezke. Eredu numeriko hauek atmosferan dauden produktu kimikoen kontzentrazioak arautzen dituzten ekuazio diferentzialak ebazten dituzte.

Konplexutasunaren arabera, modelo hauek sinpleetatik oso konplexuagotaraino alda daitezke. Modeloak zero, bat, bi edo hiru dimentsiokoak izan daitezke, bakoitzak erabilera eta abantaila desberdinak dituelarik. Hiru dimentsioko garraio kimikoaren ereduek simulazio errealistenak eskaintzen dituzte, baina horretarako baliabide konputazional handiak behar dituzte. Modelo hauek globalak izan daitezke, adibidez, GCM, lurraren baldintza atmosferikoak simulatzen dituena, edo eskualdekoak, adibidez, bereizmen handiagoarekin eremu espezifikoetan zentratzen den RAMS-a. Modelo globalek bereizmen horizontal txikiagoa dute normalean eta mekanismo kimiko konplexuagoak irudikatzen dituzte. Baina eremu zabalagoa hartzen dute, eta modelo erregionalek, berriz, eremu mugatu bat irudika dezakete bereizmen handiagoarekin eta xehetasun gehiagorekin.

Atmosferaren modelizazioan erronka nagusietako bat da ereduan sartutako konposatu eta erreakzio kimikoen kopurua eta atmosferako garraioa eta nahasketa bezalako prozesu fisikoen zehaztasuna orekatzea. Bi modelo mota sinpleenak kaxa modeloak eta puf modeloak dira. Adibidez, kutxa modeloa nahiko sinplea da eta ehunka edo milaka erreakzio kimiko izan ditzake, baina normalean atmosferako geruza nahasiaren irudikapen oso zakarra erabiltzen dute. Horrek erreakzio kimiko espezifikoak aztertzeko erabilgarriak bihurtzen ditu, baina mugatuak dira benetako munduko dinamikak suspertzeko orduan. Aldiz, 3D ereduak konplexuagoak dira, hainbat prozesu fisiko irudikatzen baitituzte, hala nola haizea, konbekzioa eta atmosferaren nahasketa. Garraioaren eta nahasketaren irudikapen errealistagoak ere eskaintzen dituzte. Hala ere, konputazio-mugak erreakzio kimikoak baino ez dira izaten eta normalean kaxa-ereduek baino erreakzio kimiko gutxiago barne hartzen dituzte. Bi ikuspegien arteko oreka bereizmenean eta konplexutasunean datza.  

Modelo konplexu hauen sorrera errazteko, ikertzaile batzuek Autochem edo Kinetic PreProcessor bezalako kode-sortzaile automatikoak erabiltzen dituzte.Tresna hauek ereduak eraikitzeko prozesua automatizatzen laguntzen dute, datu-baseetatik erreakzio kimiko garrantzitsuak hautatuz, erabiltzaileak definitutako osagai kimikoen funtzio batean oinarrituta. Behin erreakzioak aukeratuta, kode-sortzaileak automatikoki eraikitzen ditu haien denbora-bilakaera deskribatzen duten ekuazio diferentzial arruntak, eredua eraikitzeko behar den denbora eta esfortzua asko murriztuz.  

Ereduaren iragarpenaren eta benetako munduko behaketen arteko desberdintasunak ereduaren sarrera-parametroetan dauden akatsengatik edo ereduaren prozesuen akatsen irudikapenengatik sor daitezke. Sarrerako parametro batzuk, hala nola gainazaleko emisioak, askotan ez dira hain zehatz kuantifikatzen behaketetatik ereduaren emaitzekin alderatuta. Eredua hobetu daiteke parametro gutxi ezagutzen direnak doituz, behatutako datuekin hobeto bat etor daitezen. Doikuntza hauek aplikatzeko metodo formal bat Bayesian Optimizazioa da, alderantzizko modelizazio esparru baten bidez, non CTM-en emaitzak alderantzikatzen diren hautatutako parametroak optimizatzeko. Ikuspegi honek arreta bereganatu du azken hamarkadan, modeloek eta sateliteetatik egindako behaketek sortutako datu kopuru handiak interpretatzeko metodo eraginkor gisa.  

Gaur egungo joera garrantzitsu bat Lurraren sistemaren ereduen barruan kimika atmosferikoa erabiltzea da. Modelo hauek atmosferaren kimika Lurraren sistemaren beste osagai batzuekin integratzen dute, klimaren, atmosferaren konposizioaren eta ekosistemen arteko elkarrekintza konplexuak aztertzea ahalbidetuz.  

 Aplikazioak 
Kimika atmosferikoa diziplina anitzeko arloa da, aplikazio ugari dituena eta ingurumen-politikan, giza osasunean, teknologiaren garapenean eta klima-zientzian eragina duena. Kimika atmosferikoan eragiten duten arazoak hauek dira: euri azidoa, ozono geruzaren agortzea, smog fotokimikoa, berotegi-efektuko gasak eta berotze globala. Ulermen teorikoa garatuz, atmosferako kimikariek irtenbide potentzialak probatu eta gobernuaren politikan izandako aldaketen ondorioak ebaluatu ditzakete. Aplikazio nagusien artean daude berotegi-efektuko gasen monitorizazioa, airearen kalitatea eta kutsaduraren kontrola, eguraldiaren iragarpena eta meteorologia, energia eta isuriak, energia jasangarriaren garapena, eta osasun publikoa eta toxikologia. Kimika atmosferiko berdearen ikerketak produktu kimikoen erabilera jasangarria, segurua eta eraginkorra lehenesten du, eta horrek gobernuaren araudiak ekarri zituen CFC eta DDT bezalako produktu kimiko kaltegarrien erabilera minimizatzea du helburu.

Urruneko detekzio teknologian egindako aurrerapenei esker, zientzialariek atmosferaren konposizio kimikoa sateliteetatik eta lurreko estazioetatik kontrola dezakete. Ozonoaren Jarraipen Tresna (OMI) eta Atmosferako Infragorrien Soinua (AIRS) bezalako tresnek kutsatzaileei, berotegi-efektuko gasei eta aerosolei buruzko datuak ematen dituzte, airearen kalitatea denbora errealean kontrolatzeko aukera emanez.

Kimika atmosferikoa ezinbestekoa da energia-ekoizpenaren ingurumen-inpaktuak ebaluatzeko, erregai fosilak eta energia berriztagarriak barne. Isurketak aztertuz, ikertzaileek energia-teknologia garbiagoak garatu eta airearen kalitatean eta kliman duten eragina ebaluatu dezakete. Kimika atmosferikoak airean dauden substantzia toxikoen kontzentrazioa eta iraunkortasuna kuantifikatzen ere laguntzen du, partikulak eta konposatu organiko lurrunkorrak (KOL) barne, osasun publikoko neurriak eta esposizioen ebaluazioak gidatuz.    



 Erreferentziak 

 Kanpo estekak 

 WMO Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2006
 IGAC The International Global Atmospheric Chemistry Project
 Paul Crutzen Interview - freeview video of Paul Crutzen Nobel Laureate for his work on decomposition of ozone, talking to Nobel Laureate Harry Kroto, the Vega Science Trust
 The Cambridge Atmospheric Chemistry Database is a large constituent observational database in a common format.
 Environmental Science Published for Everybody Round the Earth
 NASA-JPL Chemical Kinetics and Photochemical Data for Use in Atmospheric Studies
 Kinetic and photochemical data evaluated by the IUPAC Subcommittee for Gas Kinetic Data Evaluation
 Tropospheric chemistry
 An illustrated elementary assessment of the composition of air