Hoá học môi trường, xanh và năng lượng

Mô hình hoá học khí quyển

Cách mô hình hộp và mô hình ba chiều kết hợp vận chuyển khí quyển, phát thải, cơ chế hoá học và quan trắc để giải thích chất ô nhiễm và các chất ảnh hưởng khí hậu.

Trực giácTrực giác: khí quyển như một sổ cân bằng hoá học đang chuyển động

Mô hình theo dõi phân tử ở đâu, không khí vận chuyển và trộn chúng ra sao, cùng các phản ứng tạo thành hay loại bỏ chúng. Hộp đơn giản là sổ cân bằng; mô hình ba chiều lặp lại sổ đó trên lưới chịu tác động của thời tiết.

Phổ thôngMức phổ thông: nguồn, bể hấp thụ và thời gian lưu

Ở trạng thái ổn định, tốc độ tạo thành cân bằng tốc độ mất đi. Nếu hộp trộn đều có 20 ppb chất và mất theo bậc nhất với 0,10 h⁻¹, thời gian sống là 10 h và tốc độ tạo cần để duy trì lượng đó là 2 ppb h⁻¹.

Đại họcĐại học: phương trình và quang hoá

Ở đây $C$ là tỉ số trộn hoặc nồng độ, $\mathbf u$ là gió, $K$ là hệ số khuếch tán rối hiệu dụng, $P-L$ là tạo thành trừ mất đi do hoá học, còn $E-D$ là phát thải trừ lắng đọng. Đơn vị và quy ước toạ độ phải nhất quán; điều kiện biên khép kín bài toán vận chuyển.

Mô hình hộp quang hoá giải các tốc độ phản ứng liên hợp dưới ánh sáng, nhiệt độ và áp suất quy định. Master Chemical Mechanism (MCM) biểu diễn hoá học oxi hoá VOC tường minh gần đầy đủ; mạng phản ứng lớn khiến tính toán tốn kém.

Nâng caoNâng cao: bộ giải liên hợp và mô hình toàn cầu

Cơ chế khí quyển có tính cứng: phản ứng gốc tự do có thể rất nhanh trong khi chất dự trữ tồn tại nhiều năm. Bước thời gian tường minh bị giới hạn bởi phản ứng nhanh nhất thường kém hiệu quả; Euler ẩn ổn định với phân rã tuyến tính, còn Gear/BDF và Rosenbrock xử lý hệ cứng bằng ma trận Jacobi. QSSA loại bỏ một số chất trung gian ngắn sống khi giả thiết phù hợp.

Phân tách toán tử tiến triển vận chuyển, hoá học, bức xạ và lắng đọng trong các bước con riêng. Cách này hiệu quả nhưng gây sai số phân tách; phân tách Strang đối xứng tăng bậc chính xác hình thức khi toán tử và thang thời gian phù hợp. GEOS-Chem, CMAQ, WRF-Chem và CAM-chem kết hợp khí tượng, phát thải, hoá học và loại bỏ với kiến trúc và mục tiêu khoa học khác nhau.

Kiểm kê cung cấp tổng phát thải theo lưới hoặc ngành cho nguồn nhân sinh và tự nhiên; hồ sơ thời gian, phân dạng hoá học và độ cao phun khói đều gây bất định. Lắng đọng khô phụ thuộc trao đổi bề mặt, còn loại bỏ ướt phụ thuộc mây và mưa. Đánh giá mô hình cần so sánh nhiều đại lượng quan sát, không chỉ một nồng độ.

Nghiên cứuNghiên cứu: mô hình nghịch đảo và đánh giá

Độ nhạy liên hợp và phép nghịch đảo Bayes suy ra phát thải hoặc tham số hoá học từ quan trắc. Cột đo vệ tinh OMI và TROPOMI ràng buộc chất ô nhiễm và metan, nhưng cần mô tả hàm trung bình hoá của phép truy hồi, mây, sai số vận chuyển và giả thiết tiên nghiệm. Đồng hoá dữ liệu cập nhật trạng thái mô hình; nghịch đảo ước lượng nguyên nhân hay tham số bất định.

Hiệu suất tạo ozone (OPE) liên hệ lượng ozone hình thành với NOx tiêu thụ trong lịch sử khối khí xác định. Đây là đại lượng chẩn đoán, không phải hằng số phổ quát: chế độ VOC, pha loãng, lắng đọng và khoảng thời gian hạch toán đều quan trọng. So sánh mô hình–quan trắc cần ghép mạng mặt đất, máy bay hoặc vệ tinh với lấy mẫu tương ứng và phân tích bất định.

Quá trình oxi hoá metan tiêu thụ OH; metan tăng có thể làm OH giảm và kéo dài thời gian sống metan, tạo phản hồi hoá học dương. Vì vậy trường OH trong công thức thời gian sống không độc lập với metan. Các thí nghiệm đối chiếu mô hình hoá học–khí hậu (CCMI) cũng đánh giá sự phục hồi lỗ thủng ozone tầng bình lưu theo các kịch bản; dự báo phụ thuộc phát thải và cưỡng bức khí hậu. Về số học, với $k_{CH4+OH}\approx6,3\times10^{-15}$ cm³ molecule⁻¹ s⁻¹ và $[OH]$ trung bình trọng số khối $\approx10^6$ cm⁻³, $1/(k[OH])\approx5$ năm; ngân sách toàn cầu cho ≈9 năm vì OH biến đổi và đất cùng tầng bình lưu cũng tiêu thụ CH4.