Ero sivun ”Otsoni” versioiden välillä
| [arvioimaton versio] | [arvioimaton versio] |
Poistettu sisältö Lisätty sisältö
Ei muokkausyhteenvetoa |
|||
Rivi 1:
'''Otsonimolekyylin''' (O<sub>3</sub>) muodostaa kolme happiatomia.
Otsonin löysi saksalais-sveitsiläinen kemisti Christian Friedrich Schönbein vuonna [[1840]].▼
Koska otsoni on molekyylinä epästabiili verrattuna happikaasuun, se luovuttaa helposti yhden happiatomin ja on siksi hyvä [[hapetin]].▼
▲Otsonin löysi Christian Friedrich Schönbein vuonna [[1840]].
Alkuainehapesta esiintyy lähinnä kolmea allotrooppista muotoa:
* Atomaarinen happi O, atomisäde 74pm
* Happi O<sub>2</sub>, sidospituus 121pm
* Otsoni O<sub>3</sub>, sidospituus 128pm
* Lisäksi oletetaan, että nesteessä happea esiintyy O<sub>4</sub> –muodossa.
Otsoni on [[diamagneettisuus|diamagneettista]], eli sen suhteellinen [[permeabiliteetti]] on 1. Otsonin sulamispiste on -250 °C ja kiehumispiste -112 °C.
Otsonia muodostuu [[ilmakehä]]n yläosassa, ''stratosfäärin'' [[otsonikerros|otsonikerroksessa]], kun [[aurinko|Auringon]] [[ultraviolettisäteily]] hajottaa happimolekyylejä (O<sub>2</sub>) happiatomeiksi (O). Nämä sitten yhtyvät molekylaariseen happeen muodostaen otsonia. Otsonia syntyy myös salamoinnin ja kipinöinnin yhteydessä.
▲Koska otsoni on molekyylinä epästabiili verrattuna happikaasuun, se luovuttaa helposti yhden happiatomin ja on siksi hyvä [[hapetin]]; tämän ominaisuuden takia otsonia käytetään mm. ilmanpuhdistukseen, vedenpuhdistukseen, valkaisuun ja desifiointiin.
Otsonikerros suojaa eläviä soluja auringon ultraviolettisäteilyltä.
[[Absorptio]], eli säteilyn vaimeneminen, perustuu UV-säteilyn kykyyn hajottaa O<sub>2</sub> ja O<sub>3</sub> –molekyylejä.
== Otsonin esiintyminen ==
Yli 90 % ilmakehän otsonista esiintyy stratosfäärissä 10 - 50 km korkeudella maanpinnasta. Tiheimmillään otsonia on 20 - 30 km korkeudessa ja tästä käytetäänkin nimitystä otsonikerros. 10 % otsonista sijaitsee alailmakehässä eli troposfäärissä. Otsonin kokonaismäärä on kuitenkin pieni verrattuna muihin ilmakehän kaasuihin; ilmakehän koostumuksesta vain noin miljoonasosa on otsonia, kun kaksiatomista happea on noin viidesosa.
Jos stratosfäärin otsoni puristettaisiin 15 ºC lämpötilassa ja normaali-ilmanpaineessa maanpinnalle yhtenäiseksi kerrokseksi, tulisi kerroksen paksuudeksi vain 2 - 4 mm; koko ilmakehän paksuudeksi tulisi vastaavassa tilanteessa 8,4 km.
== Luonnollinen otsonitasapaino ==
* Aallonpituudeltaan alle 243 nm säteily hajottaa happimolekyylin O<sub>2</sub> erillisiksi atomeiksi, eli happiradikaaleiksi.
* Nämä happiatomit yhtyvät molekylaariseen happeen O<sub>3</sub> muodostaen otsonia.
* 240 - 320 nm UV-säteily irroittaa otsonista yhden happiatomin jättäen jäljelle happimolekyylin.
* Irrallinen happiatomi vie otsonilta yhden atomin, jolloin muodostuu kaksi happimolekyyliä 2O<sub>3</sub>.
== Otsonikerroksen mittaaminen ==
Otsonimäärää mitattaessa käytetään yleensä Dobson-yksikköä (Dobson Unit, DU). 100 Dobson-yksikköä tarkoittaa, että 1,013 [[paine|barin]] (1 atm) [[paine]]essa ja 15 ºC lämpötilassa olisi otsonikerroksen paksuus merenpinnan tasossa 1,0 mm. Normaali kokonaisotsonipitoisuus pitäisi olla pohjoisella pallonpuoliskolla 300 - 430 DU, päiväntasaajalla n. 260 DU ja eteläisellä pallonpuoliskolla 280 - 400 DU. Mittauksissa joissa tutkitaan otsonin määrää eri korkeuksilla käytetään yleensä joko tiheyden yksikköä 1/cm<sub>3</sub> tai osapaineen yksikköä mPa tai nanobar (10 nanobar = 1 mPa).
Kokonaisotsonimäärää sekä otsonin sijoittumista eri korkeuksilla mitataan mm. säähavaintopalloilla.
Otsonikerroksen paksuutta voidaan mitata myös auringon UV-säteilyn avulla maan pinnalla olevilla säteilymittareilla.
== Otsoniohentuma ==
Otsoniaukko havaittiin ensimmäisen kerran vuonna 1985 [[antarktis|Antarktiksen]] yläpuolella. Vuodesta 1976 lähtien, jolloin mittaukset aloitettiin, olisi otsoniaukko ollut havaittavissa, mutta analysoinnissa käytetty ohjelma suodatti suuret poikkeamat pois, joten otsonikato havaittiin vasta lähes kymmenen vuoden viiveellä.
Pohjoisella navalla on myös havaittu selvää otsoniohentumaa, mutta tilanne ei ole niin paha kuin [[etelänapa|etelänavalla]]. Eräs syy napaseutujen voimakkaaseen otsonikatoon ovat tuulet, jotka kuljettavat ilmamassoja ja saasteita päiväntasaajan seudulta navoille. Antarktiksen kylmä ilmasto ja talvella esiintyvä kylmä pyörre, eli vortex, ovat osasyynä juuri eteläisen napaseudun poikkeuksellisen ohueen otsonikerrokseen. Ohuimmillaan Antarktiksen otsoniaukko on mitattu jopa alle 100 DU paksuiseksi.
Pohjoisessa ilmakehän virtaukset levittävät otsoniohentuman laajemmalle alueelle, joten paikallisia voimakkaita katoalueita ei niin helposti esiinny. Kuitenkin pohjoisessakin on otsoniohentuma ollut voimakkaimillaan noin 40 % suuruinen.
== Otsoniohentuman vaarat ==
Ohentunut otsonikerros ei pysty absorptoimaan UV-säteilyä, joten säteily maanpinnalla voimistuu.
* UV-säteily vanhentaa ihoa, muuttaa sen kuivaksi, kimmottomaksi ja karheaksi sekä aiheuttaa ihoon värimuutoksia
* Ihosyöpäriski kasvaa
* Pitkäaikainen altistuminen voimakkaalle UV-säteilylle aiheutta silmän mykiön samentumia, joka merkitsee mahdollisen kaihin ilmaantumista entistä nuoremmalla iällä
* UV-säteily aiheuttaa silmän pohjassa verkkokalvon solujen rappeumia. Rappeumat vaikuttavat erityisesti lähinäkökykyyn
* Säteily saattaa aiheuttaa sarveiskalvon tulehdusta ja jatkuvana altistumisena pysyviä sarveiskalvon rappeumia
* Monet kasvit reagoivat lisääntyneeseen UV-säteilyyn tuottamalla vähemmän satoa
* Otsonikato voimistaa myös kasvihuoneilmiötä jäähdyttämällä yläilmakehää
* Lisääntynyt UV-säteily saattaa vaurioittaa pintavesien [[plankton]]ia, joka voi vaurioittaa koko maapallon ekosysteemiä
== Otsonikadon syitä ==
Klooriyhdisteiden epäillään olevan merkittävimmässä osassa otsonikatoon. Suurimmat kloorin ja fluorin lähteet ovat maapallon tulivuoret, joista pääsee ilmakehään vuosittain noin 5 miljoonaa tonnia sekä [[kloori]]-, että [[fluori]]vetyä, mutta ei ole varmaa pääsevätkö ne vaikuttamaan yläilmakehään asti. Merien suola tuottaa vuosittain noin 3 miljoonaa tonnia kloorivetyä, mutta sateiden ansioista vain hyvin pieni osa tästä pääsee ylempään ilmakehään vahingoittamaan otsonikerrosta. Auringon purkauksissa vapautuu suuren energian omaavia [[protoni|protoneja]] ja [[elektroni|elektroneja]], jotka [[ioni]]soituvat ja pilkkovat molekyylejä.
Suurimmaksi syyksi otsonikatoon epäillään kuitenkin olevan ihmisten tuottamat halogenoidut [[hiilivety|hiilivedyt]], kuten CFC-yhdisteet (freonit) ja halonit. CFC-kaasuja arvioidaan pääsevään ilmakehään 1 - 2 miljoonaa tonnia vuosittain. Muita otsonikerroksen ohentumiseen ihmisen toiminnalla vaikuttavia tekijöitä ovat ilmakehän ydinräjäytykset, sekä yliäänikoneiden ja avaruuslentojen päästöt.
[[Kasvihuoneilmiö]] kiihdyttää myös otsonikatoa pohjoisilla alueilla jäähdyttämällä yläilmakehää, jolloin otsonia tuhoavat kemialliset reaktiot voimistuvat.
Vaikka kansainvälisiä CFC-yhdisteiden ja halogeenihiilivetyjen rajoituksia koskevia sopimuksia onnistuttaisiin noudattamaan, säilyy otsoniongelma silti kymmeniä vuosia kaasujen pitkäikäisyyden takia.
Otsonin oheneminen katalyyttisesti:
* Riittävän voimakkaan (noin 40km korkeudessa) UV-säteilyn osuessa CFC-molekyyliin klooriatomi irtoaa erilleen, tätä kutsutaan aktiiviseksi klooriksi.
* Vapaaksi päässyt klooriatomi törmää otsoniin ja vie tältä yhden happiatomin. Kloori- ja happiatomi muodostava kloorimonoksidin ClO ja otsonin tilalle jää tavallinen kaksiatominen happimolekyyli O<sub>2</sub>.
* Vapaan happiatomin törmätessä kloorimonoksidiin se tulee kloorin tilalle muodostaen happimolekyylin O<sub>2</sub>. Vapaaksi päässyt klooriatomi on jälleen valmis tuohoamaan lisää otsonia.
CFC-kaasun tapaan toimivat myös mm. Cl<sub>2</sub>, HOCl tai ClNO<sub>2</sub>, jotka siis säteilyn vaikutuksesta hajoavat aktiiviseksi klooriksi. Kloorin tilalla vastaavasti toimii myös ainakin [[bromi]] Br, [[vety]] H, vetymonoksidi OH tai typpimonoksidi NO.
Arvioiden mukaan yksi klooriradikaali ehtii hajottamaan kymmeniätuhansia otsonimolekyylejä. Kloori muuttuu otsonin kannalta vaarattomaksi vasta kun se törmää sen inaktivoivaan aineeseen kuten [[metaani]]- (CH<sub>4</sub>), typpidioksidi- (NO<sub>2</sub>) tai peroksidimolekyyliin (HO<sub>2</sub>). Tällöin aktiivinen kloori muuttuu [[suolahappo|suolahapoksi]] (ClH) tai kloorinitraatiksi (ClONO<sub>2</sub>). Nämä aineet eivät enää kovin helposti reagoi otsoninkaan kanssa. Mikäli lämpötila kuitenkin laskee riittävän alhaiseksi saattaa muodostua polaaripilviä, mitkä muuttavat suolahapon ja kloorinitraatin sellaisiksi molekyyleiksi, jotka voivat säteilyn vaikutuksesta jälleen muuntua aktiiviseksi klooriksi. Polaaripilvet koostuvat tyypillisesti rikkihapon (H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>), typpihapon (HNO<sub>3</sub>) ja vesihöyryn (H<sub>2</sub>O) sekoituksesta.
== Troposfäärin otsoni ==
Vaikka yläilmakehässä otsoni on edellytys nykyiselle elämälle niin alailmakehässä oleva otsoni on saaste, joka aiheuttaa vaurioita eliöstölle. Yhdysvaltalaisen tutkimuksen mukaan 100 µg/cm<sub>3</sub> lisäys otsonia hengitysilmassa lisäsi astmaa sairastavien lapsien vaaraa kärsiä hengityksen vinkunasta 35 prosentilla ja hengenahdistuksesta 47 prosentilla. Suomessa hengitysilman otsoni on usein suurimmillaan helteillä, korkeapainetilanteissa, joissa saastunutta ilmaa virtaa maahamme Länsi- ja Keski-Euroopasta. Suomessa suuresta otsonipitoisuudesta tiedotetaan jos hengitysilman otsoni ylittää tunnin keskiarvona 180 µg/cm3.
Tutkimusten mukaan alailmakehän otsoni on suurin yksittäinen epäpuhtaus ilmassa mikä vaurioittaa kasveja.
Troposfäärissä ei otsonin syntymiseen vaadittavaa riittävän korkeaenergistä ultraviolettisäteilyä ole kuten yläilmakehän otsonikerroksessa, joten otsonin muodostuminen tapahtuu hieman eri tavalla.
Troposfäärin otsonin kiertokulku:
* Typpimonoksidin ja otsonin kohdatessa syntyy typpidioksidi ja happimolekyyli. Otsonin tilalla voi olla myös vetyperoksiradikaali HO<sub>2</sub> tai jokin orgaaninen peroksiradikaali.
* Typpidioksidin saadessa auringonvaloa se hajoaa typpimonoksidiksi ja vapaaksi happiatomiksi.
* Vapaa happiradikaali löytää happimolekyylin O<sub>2</sub> ja syntyy otsonia.
Suurin syy troposfäärin otsonin lisääntymiseen on siis lisääntyneet typen oksidien pitoisuudet. Noin 40 % typen oksidien päästöistä syntyy fossiilisten polttoaineiden käytöstä.
Alailmakehässä otsoni toimii puhdistajana hapettamalla saasteita, jolloin ne yleensä muuttuvat helpommin ilmakehästä poistuvaan muotoon. Alailmakehän tärkein hapetin ei kuitenkaan ole otsoni, vaan hydroksyyliradikaali OH. Otsoni on kuitenkin tärkein tekijä hydroksyyliradikaalin muodostumisessa. Otsonin hajotessa auringonvalossa fotolyyttisesti syntyy virittynyt happiradikaali O(<sup>1</sup>D) ja happimolekyyli O<sub>2</sub>. Tälläisen virittyneen happiatomin törmätessä vesihöyrymolekyyliin H<sub>2</sub>O, syntyy hydroksyyliradikaalipari 2OH.
{{tynkä}}
| |||