大気化学

歴史

古代ギリシャ人は空気を四元素の一つと考えていました。大気組成の最初の科学的研究は18世紀に始まりました。ジョセフ・プリーストリー、アントワーヌ・ラヴォワジエ、ヘンリー・カヴェ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ました。

19世紀後半から20世紀初頭にかけて、関心は非常に小さな濃度の微量成分に移っていきました。大気化学の重要な発見の一つは、1840年にクリスチャン・フリードリッヒ・シェーンバインがオゾンを発見したことです。

大気中の微量ガスの濃度は時間の経過とともに変化し、大気中の化合物を作ったり破壊したりする化学プロセスも変化してきました。その重要な例として、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がどのようにして作られ、維持されているかの説明と、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があります。オゾン問題に関する更なる研究は、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・ロウランドの3人が共同で受賞した1995年のノーベル化学賞につながりました。

21世紀になって、再び焦点が移ろうとしています。大気化学は地球システムの一部として研究されるようになってきています。以前は、科学者たちは大気化学を単独で研究していました。しかし今では、大気化学は、大気、生物圏、地圏の他の部分と一緒に、一つのシステムの一部として研究されるようになっています。その理由は、化学と気候の関係にあります。例えば、気候の変化とオゾンホールの回復は、お互いに影響し合っています。また、大気の組成は、海洋や陸域の生態系と相互作用しています。

方法論

観測、実験室での測定、モデル化は大気化学の3つの中心的な要素です。3つの方法はすべて一緒に使われます。例えば、観測によって、以前に考えられていたよりも多くの化合物が存在することがわかるかもしれません。これは、新しいモデル化や実験室での研究を刺激し、観測結果を説明できるところまで科学的理解を高めることになります。

観察

大気化学の観測は重要です。科学者は、変化を監視するために、時間をかけて空気の化学組成に関するデータを記録します。例えば、キーリング曲線（Keeling Curve）は、1958年から今日までの一連の測定値で、二酸化炭素の濃度が着実に上昇していることを示しています。大気化学の観測は、マウナロアのような天文台や、航空機、船、気球などの移動式プラットフォームで行われています。また、大気組成の観測は、大気汚染や大気化学の全体像を把握するために、人工衛星を使って行われることが多くなっています。地表からの観測は、時間分解能が高く長期的な記録が得られるという利点がありますが、限られた垂直方向と水平方向の空間からデータを得ることができます。LIDARのようないくつか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することができますが、それらがカバーする水平方向の領域ではまだ制限されています。多くの観測はオンラインで共有されています。

ラボ測定

実験室での測定は、自然界に存在する汚染物質や化合物の発生源や吸収源を理解するために不可欠です。実験室での研究では、どのガスがお互いに反応し、どのくらいの速度で反応するかを知ることができます。科学者は気相、表面、水中での反応を測定しています。科学者はまた、光化学も研究しています。光化学は、太陽光によって分子がどのくらいの速さで分裂し、どのような生成物ができるかを定量化します。また、ヘンリーの法則の係数のような熱力学的データも研究しています。