Química atmosférica

Además de los componentes principales mencionados anteriormente, la atmósfera terrestre contiene numerosos gases traza que varían significativamente según las fuentes y sumideros cercanos. Estos gases traza incluyen compuestos como los CFC/HCFC , particularmente dañinos para la capa de ozono, y _el H₂S , que tiene un característico olor desagradable a huevos podridos y puede detectarse en concentraciones tan bajas como 0,47 ppb. A continuación se muestran algunas cantidades aproximadas cerca de la superficie de otros gases. Además de los gases, la atmósfera contiene partículas como aerosoles , que incluyen ejemplos como gotitas, cristales de hielo, bacterias y polvo.

Las observaciones de campo de los sistemas químicos son esenciales para comprender los procesos atmosféricos y determinar la precisión de los modelos. Las mediciones de la química atmosférica pueden ser a largo plazo para observar tendencias continuas o a corto plazo para observar variaciones menores. Se pueden realizar mediciones in situ y remotas utilizando observatorios, satélites, estaciones de campo y laboratorios.

Las observaciones rutinarias de la composición química muestran cambios en la composición atmosférica a lo largo del tiempo. Observatorios como el de Mauna Loa y plataformas móviles como aviones, buques y globos (por ejemplo, el Centro de Mediciones Atmosféricas Aerotransportadas del Reino Unido ) estudian la composición química y la dinámica meteorológica. Una aplicación de las observaciones a largo plazo es la Curva de Keeling , una serie de mediciones desde 1958 hasta la actualidad que muestran un aumento constante en la concentración de dióxido de carbono (véanse también las mediciones en curso de _CO₂ atmosférico ). Las observaciones de la composición atmosférica se realizan cada vez más mediante satélites a través de la teledetección pasiva y activa con instrumentos importantes como GOME y MOPITT, que proporcionan una visión global de la contaminación y la química del aire. ^{[ 13 ]}

Las observaciones de superficie tienen la ventaja de proporcionar registros a largo plazo con alta resolución temporal, pero están limitadas en el espacio vertical y horizontal que abarcan. Algunos instrumentos de superficie, como el LIDAR, pueden proporcionar perfiles de concentración de compuestos químicos y aerosoles, pero aún así están restringidos en la región horizontal que pueden cubrir. Muchas observaciones están disponibles en línea en las Bases de Datos de Observación de Química Atmosférica ^{[ 14 ].}

Los estudios de laboratorio ayudan a comprender las complejas interacciones de los sistemas terrestres que pueden ser difíciles de medir a gran escala. Los experimentos se realizan en entornos controlados, como cámaras de aerosoles, que permiten la evaluación individual de reacciones químicas específicas o la valoración de las propiedades de un componente atmosférico en particular. ^{[ 15 ]} Una subdisciplina estrechamente relacionada es la fotoquímica atmosférica , que cuantifica la velocidad a la que las moléculas se disocian por la luz solar, determina los productos resultantes y obtiene datos termodinámicos como los coeficientes de la ley de Henry .

Las mediciones de laboratorio son esenciales para comprender las fuentes y los sumideros de contaminantes y compuestos naturales. Los tipos de análisis de interés incluyen tanto las reacciones en fase gaseosa como las reacciones heterogéneas relevantes para la formación y el crecimiento de aerosoles . Los instrumentos comúnmente utilizados para medir aerosoles incluyen muestreadores de aire ambiental y de partículas , analizadores de movilidad de partículas y espectrómetros de masas . ^{[ 16 ]}

Los modelos son herramientas esenciales para interpretar datos de observación, probar hipótesis sobre reacciones químicas y predecir concentraciones futuras de sustancias químicas atmosféricas. Para sintetizar y probar la comprensión teórica de la química atmosférica, los investigadores suelen utilizar modelos informáticos, como los modelos de transporte químico (CTM) . Los CTM proporcionan descripciones realistas del transporte tridimensional y la evolución de la atmósfera. ^{[ 7 ]} Los modelos atmosféricos pueden considerarse representaciones matemáticas que replican el comportamiento de la atmósfera. Estos modelos numéricos resuelven las ecuaciones diferenciales que rigen las concentraciones de sustancias químicas en la atmósfera.

Según su complejidad, estos modelos pueden variar desde simples hasta muy detallados. Pueden ser de cero, una, dos o tres dimensiones, cada uno con diversos usos y ventajas. Los modelos de transporte químico tridimensionales ofrecen las simulaciones más realistas, pero requieren importantes recursos computacionales. Estos modelos pueden ser globales, como los GCM , que simulan las condiciones atmosféricas en toda la Tierra, o regionales, como los RAMS , que se centran en áreas específicas con mayor resolución. Los modelos globales suelen tener menor resolución horizontal y representan mecanismos químicos menos complejos, pero abarcan un área mayor, mientras que los modelos regionales pueden representar un área limitada con mayor resolución y detalle. ^{[ 18 ]}

Un desafío importante en la modelización atmosférica es equilibrar la cantidad de compuestos químicos y reacciones incluidas en el modelo con la precisión de los procesos físicos como el transporte y la mezcla en la atmósfera. Los dos tipos de modelos más simples incluyen los modelos de caja y los modelos de nube . Por ejemplo, la modelización de caja es relativamente simple y puede incluir cientos o incluso miles de reacciones químicas, pero generalmente utiliza una representación muy burda de la capa mixta atmosférica . ^{[ 17 ]} Esto los hace útiles para estudiar reacciones químicas específicas, pero limitados para simular la dinámica del mundo real. En contraste, los modelos 3D son más complejos, ya que representan una variedad de procesos físicos como el viento, la convección y la mezcla atmosférica. También proporcionan representaciones más realistas del transporte y la mezcla. Sin embargo, las limitaciones computacionales a menudo simplifican las reacciones químicas y generalmente incluyen menos reacciones químicas que los modelos de caja. La compensación entre los dos enfoques radica en la resolución y la complejidad.

Para simplificar la creación de estos modelos complejos, algunos investigadores utilizan generadores de código automáticos como Autochem o Kinetic PreProcessor . Estas herramientas automatizan el proceso de construcción de modelos seleccionando reacciones químicas relevantes de bases de datos basadas en una función definida por el usuario de los constituyentes químicos. ^{[ 19 ]} Una vez seleccionadas las reacciones, el generador de código construye automáticamente las ecuaciones diferenciales ordinarias que describen su evolución temporal, lo que reduce considerablemente el tiempo y el esfuerzo necesarios para la construcción del modelo.

Las diferencias entre la predicción del modelo y las observaciones del mundo real pueden surgir de errores en los parámetros de entrada del modelo o de representaciones defectuosas de los procesos en el modelo. Algunos parámetros de entrada, como las emisiones superficiales, suelen cuantificarse con menos precisión a partir de las observaciones que los resultados del modelo. El modelo puede mejorarse ajustando los parámetros poco conocidos para que se ajusten mejor a los datos observados. ^{[ 7 ]} Un método formal para aplicar estos ajustes es mediante la optimización bayesiana a través de un marco de modelado inverso, donde los resultados de los CTM se invierten para optimizar parámetros seleccionados. Este enfoque ha ganado popularidad en la última década como un método eficaz para interpretar grandes cantidades de datos generados por modelos y observaciones satelitales.

Una tendencia actual importante es el uso de la química atmosférica como parte de los modelos del sistema terrestre . Estos modelos integran la química atmosférica con otros componentes del sistema terrestre, lo que permite estudiar las complejas interacciones entre el clima, la composición atmosférica y los ecosistemas.