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Alla fine del XIX e all'inizio del XX secolo l'interesse si spostò verso la ricerca di costituenti con concentrazioni molto piccole. Una scoperta particolarmente importante per la chimica atmosferica fu la scoperta dell'[[ozono]] da parte di [[Christian Friedrich Schönbein]] nel 1840.
 
Nel XX secolo la scienza dell'atmosfera procedette dallo studio della composizione dell'aria alla considerazione di come le concentrazioni di gas presenti in tracce nell'atmosfera si erano modificate nel tempo ed i processi chimici che creano e distruggono i composti nell'aria. Due esempi particolarmente importanti di ciò furono la spiegazione di come l'[[ozonosfera]] si forma e si mantiene ad opera di [[Sydney Chapman|Sydney Chapman]] e [[Gordon Dobson]], e la spiegazione dello [[smog]] di [[Haagen-Smit]].
 
Attualmente, l'attenzione si sta nuovamente spostando. La chimica atmosferica è sempre più studiata come parte del Sistema Terra. Invece di concentrarsi sulla chimica atmosferica isolatamente si tende oggi a vederla come parte di un singolo sistema con il resto dell'[[atmosfera]], [[biosfera]] e [[geosfera]]. Un esempio molto importante di questo è costituito dai legami tra chimica e [[clima]] nel senso di come gli effetti delle modifiche climatiche influenzano l'andamento del buco nell'ozono e viceversa ma anche l'interazione della composizione dell'atmosfera con gli oceani e gli [[ecosistemi]] terrestri.
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