기상 기후 강의 노트

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.