기상 기후 강의 노트

교재 및 PPT발표 내용 외 공부할 것들

1. 1차/2차 오염물질의 발생과 농도의 일변화

2. 대표적인 대기오염 사건들

3. 대기오염 분류

4. 각 가스상 오염물질의 특징, 발생원 (화학식), 저감방안

• 아황산가스
• 일산화탄소
• 질소산화물
• 오존

5. 대류권 오존 특징, 생성원인, 농도 변화

•     VOC 존재 여부에 따른   오존 생성 매커니즘 차이
•     Ozone isopleth

6. free radical과 그 sources

7. 대기오염물질 scale

O3-CO 일변화

CO oxidation

Sources of CH4 (메탄):

Roughly 10% of ·OH in the troposphere reacts with CH4 
[CH4] ~ 1.6 – 1.7 ppm (global avg.)

• Biological process of methanogenesis, such as enteric fermentation (e.g. in cows)
• Natural wetlands
• Rice paddies (in the soil)
• Termite guts
• Landfills
• Fossil fuel reservoirs (so called ancient methanogenesis). 
• Anthropogenic fossil-fuel combustion
• Biomass burning
• Sink of methane:
• Atmospheric oxidation

CH4 oxidation

HCHO (포름알데하이드)

O3, NO2 일변화

Sources of NOx 

higher temperature combustion
biomass burning
lightning

NOx, the source of O3:

Sinks of O3 :

Termination of HOx

오존 농도 계산

1. 오존 요리 재료

• NOx, VOCs, hv

2. 오존 화학

• O3 생성 by NO2 반응

• O3 생성 by NO2 반응

그림 설명

기본적으로 NO2가 반응식에 보이면, 광화학 반응에 의해 O3을 생성한다고 알고 있어야 함. 

1. NOx-NO2 반응

하지만, NOx-NO2 상호간의 변화는 null-cycle 로서 O3을 생성하지 않음

NO2가 태양광에 의해서 NO + O로 해리되고 O2와 만나 O3를 생성할 지라도, 다시 오존이 NO에 의해서 소멸되므로 알짜 방정식에서 O3은 생성되지 않음.

그 외 다른 물질들이 광화학 연쇄반응식 중간에 NO2를 생성한다면, 알짜식에서 반드시 O3 생성

2. VOC-NO 반응

VOC radical (RO2*)이 NO와 반응하면 O* + NO가 NO2를 생성함. 이후 태양광에 의해 자연스럽게 O3 생성

3. VOC/NOx 비율이 높은 경우

NOx 농도가 낮아 VOC/NO2가 높은 경우, RO2*은 O3 생성 반응보다 과산화물(peroxide) 생성 반응을 더 선호하여, ROOR'을 생성한다. ROOR'의 전형적인 예는 과산화수소(H2O2).

4. VOC/NOx 비율이 낮은 경우

NOx 감소는 OH를 더 많이 생성하여 RO2*를 증가시켜 O3 생성 가속. 

오존 등치선 (O3 isopleth)

EPA EKMA 에서 사용한 전형적인 O3 isopleth

O3 오염은 비선형관계로 결정됨.

NOx-limited 지역

주로 도시 풍하측 또는 교외 지역

"NOx-limited": 그 지역의 O3농도는 NOx에 의해 주로 결정된다는 의미

VOC-limited 지역

주로 대기오염이 높은 도시 지역

"VOC-limited": 그 지역의 VOC농도는 O3에 의해 주로 결정된다는 의미

• 세계적인 대기오염 사건을 기초로 아래와 같이 도시 대기오염 유형을 분류할 수 있다. 
• 교과서 등에는 런던 스모그, 로스엔젤레스 스모그가 대표
• 하지만, 생성원인 분류을 생각하면 휴스턴과 중국 타입의 스모그를 추가할 수 있다. 

1. London Smog

Heavy fog in morning hours
Low inversion height (~ 300 ft)
[SO2] ~ 1.3 ppm

[Particles] ~ 4.5 mg m-3
Sulfurous fog (SO4(2-) by coal burning

2. Los Angeles Smog 

In the afternoon “Photochemical smog”

3. Houston Smog

In the afternoon “Photochemical smog”

우리나라는 정유공장이 많은 지역에서 발생할 수 있는 유형

4. In Asian countries

주로 중국발 미세먼지의 전형적인 유형

• 모든 과학은 분야별로 연구대상 규모(scale)이 있음. 
• 기상학에서 사용하는 micro-, meso, synoptic, macro-scale 로 구분법이 대기화학에서도 그대로 적용 (시공간이 같이 때문)
• 단절된 규모 간에 연결(bridge)은 가능
• 하지만, scale 간에 통합은 선형성을 벗어나기에 연구 자체가 의미가 없을 수 있거나 비선형성으로 인해 상당히 어려울 수 있음.

국내 대기화학 책보다 국외서가 더 많이 읽히기 때문에 용어정리가 필요하다. 

특히 Seinfeld & Pandis 책을 볼때는 이해가 되는 듯 하지만, 막상 기업이나 국내 학회에서 사용하는 용어는 한글로 번역되어야 하는데, 여러 학회 내에서 여전히 용어 정리 중이다. 

아래는 대기화학을 공부하는데 기초적인 대표물질들을 정리해 둔 것임(update 가능)

기본적으로 산화제는 동시에 환원제임

CO2 carbon dioxide (이산화탄소)
CO carbon monoxide (일산화탄소)
O3 ozone

NO nitrogen oxide (일산화질소)
NO2 nitrogen dioxide (이산화질소)

N2O nitrous oxide (아산화질소)
NO3- nitrate (질산염)
HNO3 nitric acid (질산)
N2O5 dinitrogen pentoxide (오산화질소)

S sulfur (황)
SO2 sulfur dioxide (이산화황)
SO3 sulfate trioxide (삼산화황)
SO4-2 sulfate (황산염)

NH3 ammonia (암모니아)
NH4+ ammonium (암모늄 이온)

OH hydroxly radical
HO2· (peroxy radicals)

CH3· (methyl radical)
CH3O2· (methyl peroxy radical)
CH3O· (methoxy radical)
HCHO (formaldehyde)

PAN (Peroxyacyl nitrates)

1. Hydroxy group (하이드록시기)

• -OH으로 표시되는 작용기
• '수산화기'는 잘못된 표현
• 작용기 끼리 수소결합이 가능하여 친수성

  *OH( (Hydroxy radical; 하이드록실 라디칼)

• 살균소독제인 염소(Cl2; Chlorine)보다 >200%, 과산화수소(peroxide)보다 >150% 강력한 살균력
• 악취, VOC 및 세균을 분해
• 오존보다 2000배, 자외선(UV)보다 180배 빠른 살균속도
• lifetime < 1 s
• 대류권에서의 지구 대기 산화제

  HO2* (Hydroperoxy radical; 하이드로퍼옥실 라디칼)

• 성층권 오존 파괴와 관련
• 대류권에서는 일산화질소를 이산화질소로 산화시켜 오존을 생성함
• NO + HO2 → NO2 + OH

2. Methyl group (메틸기)

• 메테인에서 나온 작용기
• 반응성이 큰 미량기체     

   CH3* (Methyl radical; 메틸 라디칼)

   CH3O* (Methoxy radical; 메톡시 라디칼)

   CH3O2* (Methyl peroxyl radical; 메틸퍼옥실 라디칼)

3. Perxyacetyl nitrate (PAN)

• 광화학 스모그에서 2차반응물질
• 폐와 눈에 가려움을 유발
• 온도가 올라가면, peroxyethanoyl radical과 NO2로 분해됨.
•  

공유결합과 이온결합의 구분

• 공유결합이나 이온결합이나 모두 전자의 이동으로 인한 변화인데, 전자는 강력한 반응성이 되고 후자는 반응성과 결합성이 약한 이온이 될까? 
• 공유결과과 이온결합은 다르기 때문인데, 이는 전자를 주고 받은 후 전자의 소유권이 "공동“(공유)이나 "단독“(완전 이전)이냐의 차이로 구분한다. 

양자역학

The different energy levels are quantized

All processes above are determined by incoming energy. Other processes can be found a physical chemistry book.

광화학 광분해 Photolysis (Photo-dissociation)

분자가 광자를 흡수한다고 모두 화학변화를 유발하는 것은 아님.

분자의 구조와 에너지에 따라서 달라짐.

산소원자(O)의 산화반응

오존(O3) 산화반응

Radiational absorption spectrum

Radiational Energy

1. Electronic energy level

2. Vibrational energy level

3. Rotational energy level

1. 농도

2. 이상기체 방정식

3. 기체 부분압 구하기

4. 기체 분자 수농도 구하기

5. 혼합비 (mixing ratio)

6. 대기구성 

7. 체류시간 (life time)

8. 체류기간에 따른 대기화학 규모분석

Which of the following gases has a mixing ratio in the northern hemisphere that is roughly twice that in the southern hemisphere?

Ar, CO, CO2, CH4

From meteorology to air pollution

Weather <- H2O phase transformation

Air pollution <- gas phase (smog) / particular matter (haze)

                      Chemical species can be considered H2O in weather

Emissions

natural and anthropogenic inorganic compounds (NOx) 

organic compounds(VOC)

Chemical transformation 

1. Photochemistry

    oxidants: OH, O3

2. Gas−phase and heterogeneous chemistry

    "non−volatile" condensed -> aerosols -> dry/wet deposition

Connection between meteorology and atmospheric chemistry

• Aerosols are the key between two areas
• Cloud formation
• Radiative transformation
• Greenhouse effects (CH4, H2O, CO2, O3, CFCs)
  
  

Atmopspheric Chemistry

1. It is related to:

• Organic chemistry (Alkane, Alkenes, Ketones, …)
• Inorganic chemistry (sulfur, nitrogen, halogen compounds)
• Physical chemistry (reaction rate, photolysis)
• Nano chemistry (aerosols)
• Biochemistry (humans, animals, plants)
• Analytical chemistry (measurements)
• Theoretical chemistry (Quantum chemistry)

2. Atmospheric radiation (scattering, absorption, cloud formation, circulations).
3. Observations from fields, lab, and satellites.

4. Numerical simulation 
5. Tropospheric chemistry 

• Urban
• remote continental
• marine chemistry

6. Stratospheric chemistry 

Chemical Processes in the atmosphere

General Oxidation Processes