الكيمياء الجوية

إلى جانب المكونات الرئيسية المذكورة أعلاه، يحتوي الغلاف الجوي للأرض على العديد من أنواع الغازات النزرة التي تختلف اختلافًا كبيرًا تبعًا لمصادرها ومصارفها القريبة. تشمل هذه الغازات النزرة مركبات مثل مركبات الكلوروفلوروكربون/مركبات الهيدروكلوروفلوروكربون ، والتي تُلحق ضررًا بالغًا بطبقة الأوزون، وكبريتيد الهيدروجين ₍ H₂S ) الذي يتميز برائحة كريهة تشبه رائحة البيض الفاسد، ويمكن شمه بتراكيز منخفضة تصل إلى 0.47 جزء في المليار. ترد أدناه بعض الكميات التقريبية لبعض الغازات الإضافية بالقرب من سطح الأرض. بالإضافة إلى الغازات، يحتوي الغلاف الجوي على جسيمات مثل الهباء الجوي ، والذي يشمل أمثلة مثل القطرات، وبلورات الجليد، والبكتيريا، والغبار.

تُعدّ الملاحظات الميدانية للأنظمة الكيميائية أساسية لفهم العمليات الجوية وتحديد دقة النماذج. وتُجرى قياسات كيمياء الغلاف الجوي على المدى الطويل لرصد الاتجاهات المستمرة، أو على المدى القصير لرصد التغيرات الطفيفة. ويمكن إجراء القياسات في الموقع وعن بُعد باستخدام المراصد والأقمار الصناعية والمحطات الميدانية والمختبرات.

تُظهر الملاحظات الروتينية للتركيب الكيميائي تغيرات في تركيب الغلاف الجوي بمرور الوقت. وتدرس مراصد مثل مرصد مونا لوا ، ومنصات متنقلة كطائرات وسفن وبالونات (مثل مرفق القياسات الجوية المحمولة جواً في المملكة المتحدة )، التركيبات الكيميائية وديناميكيات الطقس. ومن تطبيقات الملاحظات طويلة الأمد منحنى كيلينغ ، وهو سلسلة من القياسات من عام 1958 حتى اليوم تُظهر ارتفاعًا مطردًا في تركيز ثاني أكسيد الكربون (انظر أيضًا القياسات الجارية _لثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ). وتُجرى ملاحظات تركيب الغلاف الجوي بشكل متزايد بواسطة الأقمار الصناعية من خلال الاستشعار عن بُعد السلبي والفعال، حيث تُقدم أدوات مهمة مثل GOME و MOPITT صورة عالمية لتلوث الهواء وتركيبه الكيميائي. ^{[ 13 ]}

تتميز عمليات الرصد السطحي بتوفيرها سجلات طويلة الأمد بدقة زمنية عالية، إلا أنها محدودة في النطاق الرأسي والأفقي الذي تغطيه. بعض الأجهزة السطحية، مثل الليدار، قادرة على توفير بيانات تركيز المركبات الكيميائية والهباء الجوي، لكنها لا تزال محدودة في النطاق الأفقي الذي تغطيه. تتوفر العديد من عمليات الرصد عبر الإنترنت في قواعد بيانات رصد كيمياء الغلاف الجوي ^{[ 14 ].}

تساعد الدراسات المختبرية على فهم التفاعلات المعقدة في أنظمة الأرض التي يصعب قياسها على نطاق واسع. تُجرى التجارب في بيئات مضبوطة، مثل غرف الهباء الجوي، مما يسمح بالتقييم الفردي لتفاعلات كيميائية محددة أو تقييم خصائص مكون جوي معين. ^{[ 15 ]} ومن التخصصات الفرعية ذات الصلة الوثيقة الكيمياء الضوئية الجوية ، التي تُحدد معدل تفكك الجزيئات بفعل ضوء الشمس، وتُحدد النواتج الناتجة، وتحصل على بيانات ديناميكية حرارية مثل معاملات قانون هنري .

تُعدّ القياسات المختبرية ضرورية لفهم مصادر ومصارف الملوثات والمركبات الطبيعية. تشمل أنواع التحليلات ذات الأهمية تلك المتعلقة بتفاعلات الطور الغازي، بالإضافة إلى التفاعلات غير المتجانسة ذات الصلة بتكوين ونمو الهباء الجوي . ومن الأجهزة الشائعة الاستخدام لقياس الهباء الجوي: أجهزة أخذ عينات الهواء المحيط والجسيمات ، وأجهزة قياس حجم الجسيمات المتحركة ، وأجهزة قياس الطيف الكتلي . ^{[ 16 ]}

تُعدّ النماذج أدوات أساسية لتفسير البيانات الرصدية، واختبار الفرضيات المتعلقة بالتفاعلات الكيميائية، والتنبؤ بالتركيزات المستقبلية للمواد الكيميائية في الغلاف الجوي. ولتجميع واختبار الفهم النظري للكيمياء الجوية، يستخدم الباحثون عادةً نماذج حاسوبية، مثل نماذج النقل الكيميائي (CTMs) . توفر هذه النماذج وصفًا واقعيًا للنقل ثلاثي الأبعاد وتطور الغلاف الجوي. ^{[ 7 ]} ويمكن اعتبار نماذج الغلاف الجوي تمثيلات رياضية تحاكي سلوك الغلاف الجوي. تحل هذه النماذج العددية المعادلات التفاضلية التي تحكم تركيزات المواد الكيميائية في الغلاف الجوي.

تتفاوت هذه النماذج، تبعًا لدرجة تعقيدها، من البسيطة إلى شديدة التفصيل. ويمكن أن تكون النماذج أحادية أو ثنائية أو ثلاثية الأبعاد، ولكل منها استخدامات ومزايا مختلفة. توفر نماذج النقل الكيميائي ثلاثية الأبعاد محاكاة أكثر واقعية، لكنها تتطلب موارد حاسوبية كبيرة. ويمكن أن تكون هذه النماذج عالمية، مثل نماذج الدوران العام للغلاف الجوي (GCM) ، التي تحاكي الظروف الجوية في جميع أنحاء الأرض، أو إقليمية، مثل نماذج المحاكاة والرصد والتحليل (RAMS)، التي تركز على مناطق محددة بدقة أعلى. تتميز النماذج العالمية عادةً بدقة أفقية أقل، وتمثل آليات كيميائية أقل تعقيدًا، لكنها تغطي مساحة أكبر، بينما يمكن للنماذج الإقليمية أن تمثل منطقة محدودة بدقة أعلى وتفاصيل أدق. ^{[ 18 ]}

يُعدّ تحقيق التوازن بين عدد المركبات الكيميائية والتفاعلات المُدرجة في النموذج ودقة العمليات الفيزيائية، كالنقل والاختلاط في الغلاف الجوي، تحديًا رئيسيًا في نمذجة الغلاف الجوي. أبسط نوعين من النماذج هما نماذج الصندوق ونماذج النفخ . على سبيل المثال، تُعتبر نماذج الصندوق بسيطة نسبيًا، وقد تتضمن مئات أو حتى آلاف التفاعلات الكيميائية، لكنها عادةً ما تستخدم تمثيلًا مبسطًا للغاية للطبقة المختلطة في الغلاف الجوي . ^{[ 17 ]} وهذا ما يجعلها مفيدة لدراسة تفاعلات كيميائية محددة، لكنها محدودة في محاكاة ديناميكيات العالم الحقيقي. في المقابل، تُعدّ النماذج ثلاثية الأبعاد أكثر تعقيدًا، إذ تُمثّل مجموعة متنوعة من العمليات الفيزيائية كالرياح والحمل الحراري والاختلاط الجوي. كما أنها تُقدّم تمثيلات أكثر واقعية للنقل والاختلاط. مع ذلك، غالبًا ما تُبسّط القيود الحسابية التفاعلات الكيميائية، وعادةً ما تتضمن عددًا أقل من التفاعلات الكيميائية مقارنةً بنماذج الصندوق. يكمن التوازن بين هذين النهجين في الدقة والتعقيد.

لتبسيط إنشاء هذه النماذج المعقدة، يستخدم بعض الباحثين مولدات أكواد آلية مثل Autochem أو Kinetic PreProcessor . تساعد هذه الأدوات في أتمتة عملية بناء النموذج عن طريق اختيار التفاعلات الكيميائية ذات الصلة من قواعد البيانات بناءً على دالة يحددها المستخدم للمكونات الكيميائية. ^{[ 19 ]} بمجرد اختيار التفاعلات، يقوم مولد الأكواد تلقائيًا بإنشاء المعادلات التفاضلية العادية التي تصف تطورها الزمني، مما يقلل بشكل كبير من الوقت والجهد اللازمين لبناء النموذج.

قد تنشأ الاختلافات بين تنبؤات النموذج والملاحظات الواقعية من أخطاء في معلمات إدخال النموذج أو عيوب في تمثيل العمليات فيه. فبعض معلمات الإدخال، مثل الانبعاثات السطحية، غالبًا ما تكون أقل دقة في القياس الكمي من الملاحظات مقارنةً بنتائج النموذج. ويمكن تحسين النموذج بتعديل المعلمات غير المعروفة بدقة لتتوافق بشكل أفضل مع البيانات المرصودة. ^{[ 7 ]} وتتمثل إحدى الطرق الرسمية لتطبيق هذه التعديلات في التحسين البايزي من خلال إطار نمذجة عكسي، حيث تُعكس نتائج نماذج نقل الحرارة لتحسين معلمات مختارة. وقد حظي هذا النهج باهتمام متزايد خلال العقد الماضي كطريقة فعالة لتفسير كميات هائلة من البيانات الناتجة عن النماذج والملاحظات من الأقمار الصناعية.

يتمثل أحد الاتجاهات الحالية المهمة في استخدام كيمياء الغلاف الجوي كجزء من نماذج نظام الأرض . تدمج هذه النماذج كيمياء الغلاف الجوي مع مكونات أخرى لنظام الأرض، مما يتيح دراسة التفاعلات المعقدة بين المناخ وتكوين الغلاف الجوي والنظم البيئية.