|
|
|
HYVÄ VAI PAHA OTSONI O3? |
|
|
|
ILMAN OTSONIA EI OLE ELÄMÄÄ Otsoniaukoista puhutaan paljon, mutta onko otsoni hyvä vai paha? Otsoni yläilmakehässä on elämälle välttämätöntä mutta alailmakehässä vaarallista. Ilman otsonia ei elämä maapallolla olisi mahdollista. Yläilmakehässä eli stratosfäärissä sijaitseva otsonikerros estää suureksi osaksi auringon polttavan ultraviolettisäteilyn pääsyn maapallon pinnalle. Otsonin ilmakemialliset reaktiot puolestaan mahdollistavat ilmakehän tärkeimmän hapettimen eli hydroksyyliradikaalin muodostumisen. Otsoni ylläpitää näin ilmakehän kemiallisia reaktioketjuja ja ilmakehän kykyä poistaa sinne pääseviä saasteita. Alailmakehässä eli troposfäärissä otsoni joutuu myös suoraan kosketukseen elollisten organismien kanssa. Koska otsonimolekyylit reagoivat voimakkaasti lähes kaikkien muiden molekyylien kanssa, korkeat otsonipitoisuudet voivat olla haitallisia kasvien solukoille sekä ihmisten ja eläinten kudoksille.
OTSONI JA IHMINENIhmisen toiminnan seurauksena stratosfäärin otsoni on paikoittain vähentynyt, mutta toisaalta troposfäärissä otsonin pitoisuudet ovat kohonneet. On siis olemassa kaksi erillistä otsoniongelmaa: elämää suojaavan otsonin kato ylhäällä ja haitallisen otsonin lisääntyminen maanpinnalla.
OTSONI SUURENNUSLASISSA Ilmakehään pääsevät keinotekoiset CFC-kaasut ovat kemiallisesti hyvin pitkäikäisiä. Näitä kauppanimikkeeltään freoneiksi nimitettyjä kaasuja on käytetty paljon kylmälaitteissa, elektroniikka-teollisuudessa, ponnekaasuina jne. Alailmakehässä tarjolla oleva auringonsäteily ei ole riittävän voimakasta niitä hajottamaan, ne eivät reagoi muiden kaasujen kanssa eivätkä ole myöskään vesiliukoisia, joten ne eivät huuhtoudu alas sateen mukana. Niinpä CFC-kaasut kulkeutuvat ilmakehässä virtausten mukana. Ne sekoittuvat ensimmäiseksi läpi koko alailma-kehän.Sekoittuminen on täydellinen n. 1-2 vuodessa. Pystysuunnassa ne kulkeutuvat hiljalleen myös yläilmake-hään n. 5 vuodessa. Koska erityisesti otsoni absorboi eli imee itseensä auringonsäteilyä, yhdisteet säilyvät noin 40 km:n kilometrin korkeuteen, missä säteilyn voimakkuus riittää hajottamaan ne ns. kemiallisesti aktiiviseksi klooriksi. Eli kaavamaisesti esitettynä: CFC-kaasu + auringonsäteily -> aktiivinen kloori Tämä aktiivinen kloori onkin sitten tehokas katalyytti otsonin häviämisessä näillä korkeuksilla. Aktiivinen kloori on vapaita klooriatomeja (Cl) ja kloorimonoksidia (ClO), jotka reagoivat helposti happiatomien ja otsonimolekyylien kanssa tuhoutumatta itse. Tyypillinen reaktioiden kulku on:
ClO + O -> Cl + O2 Cl + O3 -> ClO + O2 Netto: O + O3 -> O2 + O2
Eli aktiivinen kloori muuttaa happiatomeja ja otsonimolekyylejä happimolekyyleiksi. Yksi klooriatomi voi katalysoida kymmeniätuhansia yo. reaktiopareja. Aktiivinen kloori reagoi myös muiden kaasujen kanssa, joskin paljon harvemmin kuin hapen kanssa. Tärkeimpiä näitä muita reaktioita ovat klooriatomien yhtyminen metaanimolekyyleihin (CH4), peroksidimolekyyleihin (HO2) ja typpidioksidimolekyyleihin (NO2).
Cl + CH4 -> CH3 + HCl Cl + HO2 -> O2 + HCl ClO + NO2 -> ClONO2
Tällöin aktiivinen kloori muuntuu suolahapoksi (HCl) ja kloorinitraatiksi (ClONO2). Suolahappo ja kloorinitraatti eivät reagoi otsonin tai happiatomien kanssa ja muutenkin erittäin heikosti. Ne eivät siis kykene sellaisinaan aiheuttamaan enempää otsonin tuhoutumista. Yläilmakehän virtaukset kuljettavat näin syntyneitä suolahappoa ja kloorinitraattia kuitenkin takaisin alemmaksi, alastratosfääriin, missä on pääosa ilmakehän otsonista (ns. otsonikerros 10-30 km:n korkeudessa). Normaaliolosuhteissa suolahappo ja kloorinitraatti eivät voi otsonille täälläkään mitään. Mutta jos lämpötila laskee riittävän alhaiseksi, alastratosfääriin (n. 15-25 km) voi muodostua ns. polaaripilviä. Polaaripilvet koostuvat typpihapon (HNO3), rikkihapon (H2SO4) ja vesihöyryn (H2O) sekoituksista. Polaaripilviä muodostuu tyypillisesti alle -78 °C lämpötiloissa. Jos lämpötila laskee alle -85 °C, polaaripilviä voi muodostua jo pelkästä vesihöyrystä. Polaaripilvikiteisiin imeytyvät kloorikaasut, suolahappo ja kloorinitraatti reagoivat niissä tehokkaasti. Tärkeimpiä reaktioita ovat kloorikaasujen keskinäiset reaktiot ja reaktiot polaaripilvissä olevien vesimolekyylien kanssa. Oleellista reaktioissa on myös helposti reagoivien typen oksidien (N2O5) muuntuminen tehottomasti reagoivaksi typpihapoksi (HNO3), koska tällöin "aktivoidun kloorin" sitoutuminen takaisin kloorinitraatiksi on paljon vaikeampaa alastratosfäärissä ja otsonin katalyyttinen tuhoutuminen on tehokkaampaa. Polaariyössä alastratosfäärin typen oksidit (NO ja NO2) muuntuvat nopeasti N2O5-kaasuksi, tyypillisesti paljon ennen polaaripilviolosuhteiden muodostumista. Polaaripilvissä tapahtuu siis seuraavia reaktioita:
ClONO2 + HCl -> Cl2 + HNO3 ClONO2 + H2O -> HOCl + HNO3 N2O5 + HCl -> ClNO2 + HNO3 N2O5 + H2O -> 2 HNO3 HOCl + HCl -> Cl2 + H2O
Eli kemiallisesti "inertit" suolahappo ja kloorinitraatti muuntuvat erittäin nopeasti sellaisiin muotoihin (Cl2,HOCl, ClNO2), jotka ovat herkkiä hajoamaan auringonsäteilyn vaikutuksesta, jopa alastratos-fäärin olosuhteissa. Reaktio on pilvikiteisiin joutuneiden kaasujen kesken paljon todennäköisempi ja nopeamp kuin alkuperäisten kaasumaisten aineiden kesken.Kun kloorikaasut ovat reagoineet polaaripilvikiteissä ja kun ne kohtaavat auringonvaloa, ne siis hajoavat klooriradikaaleiksi.
Cl2 + auringonsäteily -> Cl + Cl HOCl + auringonsäteily -> OH + Cl ClNO2 + auringonsäteily -> Cl + NO2
Erittäin reaktiivinen kloori on nyt valmis ajamaan katalyyttistä otsonikatoa. Koska alastratosfäärissä on kuitenkin vain niukasti vapaita happiatomeja, tapahtuu otsonin katalyyttinen tuho siellä tehokkaasti muilla mekanismeilla kuin ylempänä esitellyllä katalyyttisellä reaktioparilla. Tehokkaimmiksi reaktiosarjoiksi alastratosfäärissä uskotaan kahta sarjaa:
2 x (Cl + O3 -> ClO + O2) ClO + ClO -> Cl2O2 Cl2O2 + auringonsäteily -> Cl + ClO2 ClO2 -> Cl + O2 Netto: O3 + O3 + auringonsäteily -> O2 + O2 + O2 Ja Cl + O3 -> ClO + O2 Br + O3 -> BrO + O2 ClO + BrO -> Br + ClO2 ClO2 -> Cl + O2 Netto: O3 + O3 -> O2 + O2 + O2
Ensimmäisessä sarjassa klooriatomit "syövät" ensin otsonia ja muuntuvat kloorimonoksidiksi (ClO). Kloorimonoksidi käy läpi pari lisävaihetta, mutta päätyy lopuksi takaisin klooriatomeiksi. Tuloksena on katalyyttinen otsonituho - aktiivisen kloorin määrä ei muutu. Kuten huomataan, tässä kemiassa ei tarvita ollenkaan vapaita happiatomeja, ainoastaan aktiivista klooria ja auringonvaloa.
Toinen sarja alkaa aivan samalla tavalla, mutta seuraavassa askeleessa mukaan tulevat myös bromikaasut, jotka tuhoavat otsonia vielä tehokkaammin kuin kloori. Kloorimonoksidi ja bromimonoksidi reagoivat sarjassa myös keskenään ja niiden reaktio palauttaa kloorin ja bromin takaisin vapaiksi atomeiksi ja sarja voi alkaa taas alusta. Bromikaasut alastratosfäärissä ovat myös paljolti ihmisten aikaansaannosta. Bromin lähteitä ovat sammuttimissa käytetyt halonit ja metyylibromidi, jota käytetään maanviljelyssä tuholaismyrkyissä. Bromia on yläilmakehässä paljon vähemmän kuin klooria, mutta sen uskotaan kuitenkin aiheuttavan noin neljänneksen otsonikerroksen jatkuvasta ohenemisesta. Kolme neljäsosaa otsonikadosta on siis yksinomaan kloorikaasujen aikaansaannosta.
Otsonin kemiallisessa tuhoutumisessa tarvitaan siis kylmien lämpötilojen esiintymistä alastratosfäärissä. Niitä löytyy lähinnä polaaripyörteistä napa-alueilla talvisin. Polaaripyörteellä on lisäksi se ominaisuus, että ilmaa ei juuri kulkeudu sen reunojen läpi, joten kylmiä lämpötiloja ja polaaripilviä kokenut ilma säilyy kasassa. Kun sitten aurinko paistaa ko. ilmaan, alkaa otsoni vähetä yo. kemiallisissa reaktioketjuissa. Otsonikato loppuu myöhemmin keväällä kun polaaripyörre katoaa ja siellä ollut ilma sekoittuu polaaripyörteen ulkopuolella olleen ilman kanssa. Tällöin aktiivinen kloori tapaa taas etenkin typpidioksidia (NO2) ja se muuntuu takaisin hyvin heikosti reagoivaksi kloorinitraatiksi (ClONO2) odottelemaan seuraavaa talvea, polaaripyörrettä ja kylmiä lämpötiloja.
Pohjoisella pallonpuoliskolla voi käydä myös niin, että jos kylmiä lämpötiloja esiintyy vain vähän aikaa, saattaa vain osa kloorista muuntua aktiivisiin muotoihin ja vain osa typestä (N2O5) muuntua typpihapoksi. Tällaisina talvina otsonikato pysähtyy pian kun polaaripyörre lämpenee jonkin verran, ja vaikkei se kokonaan hajoaisikaan ennen varsinaisen kevään alkamista. Otsonikerroksen oheneminen alkoi, kun ilmakehään oli kertynyt riittävästi klooria. Ihminen on viisinkertaistanut stratosfäärissä olevan kloorin määrän, mutta Montrealin sopimuksen mukaisten päästörajoitusten ansiosta tilanteen uskotaan taittuvan vuosituhannen vaihteessa ja otsonikerroksen palautuvan ennalleen noin 50 vuodessa. Valitettavasti kasvihuoneilmiön torjuminen ei ole onnistunut yhtä hyvin. Kasvihuoneilmiön edetessä maan pinnan lähellä ilma lämpenee, mutta otsonikerroksen kohdalla jäähtyy. Niinpä siellä yhä useammin esiintyy matalia lämpötiloja, jotka mahdollistavat edellä esitetyt reaktiosarjat. Tämä voikin merkittävästi hidastaa otsonikerroksen toipumista. (Ilmatieteenlaitos)
|