大气化学，是研究大气组成和大气化学过程的大气科学分支学科。它涉及大气各成分的性质和变化，源和汇，化学循环，以及发生在大气中、大气同陆地或海洋之间的化学过程。研究的对象包括大气微量气体、气溶胶、大气放射性物质和降水化学等。研究的空间范围涉及对流层和平流层，即约50公里高度以下的整个大气层。研究的地区范围包括全球、大区域和局部地区。
对大气化学的研究始于19世纪下半叶，初期只限于研究降水中的痕量物质和气溶胶，有一时期集中于研究臭氧和微量放射性物质。在20世纪60年代以前，大气化学并没有引起人们的重视，多数研究偏重于大气中天然微量成分的全球性平衡源、汇、循环和气溶胶的物理性质等。
20世纪60年代后，由于人类活动对大气产生的影响，出现了较严重的大气污染大气化学才引起广泛的注意。并由于应用了微量分析技术、实验室模拟技术和电子计算机技术，使大气化学的研究向定量化和模式化的方向发展。尤其是在大气污染形成的机制、污染物对平流层臭氧浓度的影响等研究方面，取得了较大进展。
但就学科的发展进程而言，大气化学仍处于初始发展阶段，许多事实和现象还不清楚，尤其是关于一些大气微量成分的源、汇和时空分布，它们的迁移、输送和全球循环等问题，都需要进行观测和研究。
无论从组成上或从迁移和转化上看，大气都是一个复杂的体系，受很多因素的制约。大气吸收太阳的紫外辐射和可见光波段的辐射与光化学有极其密切的关系；各种物质输入大气中的情况，或者在大气中的迁移、扩散、混合和反应，随时随地都在变化，所以大气化学反应的模式，必须与大气端流扩散联系起来考虑；大气的成分不但有气体，而且有悬浮着的固体和液体粒子(气溶胶)，它们有的是天然存在的，有的是人类活动输入的或者是大气化学反应产生的。气溶胶在大气的化学过程中起着重要的作用，所以除了研究大气的均相反应外，还要研究大气的多相反应和表面效应；大气中许多成分以痕量存在，必须采用痕量的分析化学技术。
大气化学主要研究对流层和平流层大气中主要成分和微量成分的组成、含量、起源和演化等问题。
对流层化学主要包括碳氧化物、硫氧化物、氮氧化物、碳氢化物和气溶胶的源、汇和循环，污染物之间的化学反应和对流层空气污染形成的化学机制。
二氧化硫是由煤炭、石油等矿物燃料燃烧产生的主要污染物，其中一部分在大气中被氧化成硫酸或硫酸盐气溶胶。由于其比重大，沉降而接近地面，特别是汇聚于谷地或盆地，形成酸雾而造成污染；或者被降水带下而形成酸雨。硫酸的为害，远远超过二氧化硫，所以人们对二氧化硫氧化的机制，进行了许多研究。从很多结果看来，在非污染空气中，二氧化硫的含量极微，它分别同氢氧自由基、氢过氧自由基和云、雾水滴反应；在污染空气中二氧化硫的含量较高，它与氢过氧自由基的反应是重要的。并且，在污染空气中还存在着过渡金属(如锰)的多相催化反应。
随着机动车辆的发展，光化学烟雾污染问题日益突出。它是由氧氧化物和碳氢化物在紫外辐射作用下发生光解反应和一系列氧化反应生成臭氧和其他氧化物而造成的。通过室内外烟雾箱模拟反应及计算机对复杂反应系列的计算结果看来，氧化反应中起主要作用的也是氢氧自由基和氢过氧自由基。1979年研究发现，当有芳香胺污染物存在时，烟雾中能检出致癌物亚硝胺。此外，对非污染地区臭氧形成问题的研究，发现一氧化碳的氧化也很重要。
平流层化学的中心问题是臭氧的光化学反应，在太阳紫外辐射照射下平流层臭氧经历强烈的光化学过程。20世纪60年代以来，人类活动对臭氧层的影响，引起了人们的密切关注。
人们曾经认为超音速飞机的飞行将使氮氧化物排入平流层而破坏臭氧，这将造成在地球表面小于0.3微米波长的紫外辐射强度加大，引起皮肤癌的增加和农业生产降低。对含氟氯烃类化合物也有类似的担忧，它们在对流层是化学稳定的，但在平流层可以进行光分解而破坏臭氧。这个问题还存在着看法上的分歧，尤其是对于氧氧化物的影响，还有待进一步研究。
气溶胶化学主要包括气溶胶的化学组成(硫酸盐气溶胶、硝酸盐气溶胶和有机物气溶胶)，二次气溶胶的形成机制，气溶胶的长距离传输，以及多相反应化学等。长期以来，人们对气溶胶只着重于物理性质的研究，从20世纪70年代以来，气溶胶化学的研究逐渐引起注意，特别是多相反应化学，已引起广泛重视。
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