Atmosferin Kimyası

Atmosfer kimyası, yerküreyi saran gaz tabakasının bileşimini, bu bileşimin zaman ve mekân içindeki değişimini ve doğal ile insan kaynaklı süreçlerin atmosfer üzerindeki etkilerini inceleyen temel bir bilim dalıdır.

Atmosfer, yerküreyi yaklaşık 800-1000 km kalınlığında saran, dinamik bir gaz karışımıdır. Toplam kütlesi $5.14 \times 10^{21}$ gram olan bu yapının %99,9'u ilk 50 km'lik kısımda yoğunlaşmıştır.^【1】 Atmosfer kimyası, bu gaz kütlesinin bileşimini, katmanlar arasındaki kimyasal değişimleri, doğal ve insan kaynaklı (antropojenik) emisyonların fiziksel-kimyasal yapı üzerindeki etkilerini ve bu süreçlerin ekosistemle olan etkileşimlerini inceleyen bilim dalıdır.

Atmosferdeki gazlar; inert gazlar, biyodöngü gazları ve kısa ömürlü gazlar olmak üzere gruplandırılmaktadır. Temiz ve kuru havanın hacimsel olarak %99,998'ini dört ana gaz oluşturur. Bunlar; dinitrojen (%78,084), dioksijen (%20,946), argon (%0,934) ve karbondioksittir (%0,033).^【2】

Düşük konsantrasyonlarda bulunan neon, helyum, metan, kripton, hidrojen, nitroz oksit, karbonmonoksit, ozon, amonyak, azot dioksit ve kükürt dioksit iz gazlar sınıfına girer. Ayrıca havada asılı kalan katı veya sıvı parçacıklar olan aerosoller de bu yapının parçasıdır. Boyutları 0,001 µm ile 200 µm arasında değişen bu maddeler; toz, duman, sis ve is gibi farklı formlarda tanımlanmaktadır.

Atmosfer, sıcaklık değişimlerine ve kimyasal özelliklerine göre farklı tabakalardan oluşmaktadır. Yeryüzü ile temas halindeki ilk 12 km'lik katman olan troposfer, su buharının büyük kısmını barındırır ve hava kirliliği olaylarının merkezi konumundadır.

Stratosfer, 12-50 km arasındaki katmandır ve ozonun ($O_3$) büyük kısmı burada yoğunlaşmıştır. Bu tabaka, güneşten gelen ultraviyole (UV) ışınlarını soğurarak biyosferi korur. 50-90 km arasındaki mezosferde iyonlaşmış türler görülmeye başlarken, 90 km'nin üzerindeki termosferde atomik oksijen ($O$), $O^+$ ve $NO^+$ gibi iyonik yapılar baskındır.

Atmosferik reaksiyonlar güneş ışığına bağlılıklarına göre fotokimyasal ve termal; fazlarına göre ise homojen ve heterojen olarak sınıflandırılır. Fotokimyasal tepkimeler, güneşten gelen yüksek enerjili fotonların molekülleri parçalamasıyla oluşur. Örneğin, 242 nm'den küçük dalga boylu ışınlar oksijen molekülünü ($O_2$) atomik oksijene dönüştürür.

Oksijen; yanma, solunum ve kimyasal aşınma gibi oksidasyon süreçlerinde temel reaktandır. Karbonmonoksit ($CO$), stratosferde hidroksil radikalleri tarafından $CO_2$'ye okside edilir. Ozonun fotodissosiasyonu sonucu oluşan aktif oksijen atomları, su buharı veya metan ile tepkimeye girerek atmosferin "temizlik maddesi" olarak bilinen reaktif hidroksil ($OH$) radikallerini oluşturur.

Yaşam için gerekli elementlerin atmosfer, biyosfer ve litosfer arasındaki hareketi belirli döngülerle sağlanır. Karbon döngüsü, fotosentez ve solunum arasındaki dengeye dayanır. Bitkiler $CO_2$ ve suyu glikoza dönüştürürken oksijen açığa çıkarır; canlılar ise bu oksijeni tüketip tekrar $CO_2$ üretir.

Azot döngüsü; yıldırım veya endüstriyel yöntemlerle gerçekleşen azot fiksasyonu, amonyaktan nitrata dönüşüm (nitrifikasyon) ve nitratın tekrar azot gazına dönüşümü (denitrifikasyon) aşamalarından oluşur. Oksijen döngüsü ise fotosentez ile yenilenirken yanma ve solunum gibi tepkimelerle dengelenir.

Havanın doğal bileşiminde yer almayan maddelerin zarar verecek miktarda bulunması kirlilik olarak tanımlanır. Yanardağ faaliyetleri ve orman yangınları doğal kirlilik kaynaklarıyken; fosil yakıt kullanımı ve egzoz gazları insan kaynaklı kirliliğin ana nedenleridir.

Kükürt dioksit ($SO_2$) ve azot oksit ($NO_x$) gazlarının atmosferdeki su buharı ile tepkimeye girerek sülfürik asit ($H_2SO_4$) ve nitrik aside ($HNO_3$) dönüşmesi asit yağmurlarını oluşturur. Bu durum yağmur suyunun pH değerini 5,5'in altına düşürerek ekosisteme zarar verir.

Stratosferik ozon, güneşin zararlı ışınlarını süzen hayati bir katmandır. Ancak kloroflorokarbon (CFC) gibi gazların bu katmanda parçalanarak aktif klor açığa çıkarması, ozonun katalitik olarak yok olmasına neden olur.

Diğer yandan, karbondioksit, metan ve azot oksit gibi sera gazlarının atmosferde birikmesi, yer radyasyonunun tutulmasına ve küresel ısınmaya yol açar. Son 50 yıldaki hızlı konsantrasyon artışı, dünya genelinde sıcaklık yükselmesine ve deniz seviyelerinin artmasına neden olan en kritik çevre sorunlarından biridir.