Otsonikerroksella on keskeinen rooli maapallon elämän suojelemisessa, sillä se toimii luonnollisena suojana auringon ultraviolettisäteilyä (UV) vastaan. Sen koostumuksen, siinä tapahtuvien monimutkaisten kemiallisten reaktioiden ja sen vakauteen vaikuttavien tekijöiden ymmärtäminen on avainasemassa sekä sen ympäristöllisen merkityksen että sen heikkenemiseen liittyvien riskien ymmärtämisessä.
Otsonikerroksen löytämisen ja sen ympäristökemian tieteellisen kehityksen jälkeen yhteiskunnallinen ja poliittinen huoli on kasvanut., edistäen kansainvälisiä sopimuksia ja muutoksia kulutus- ja tuotantotottumuksissa. Alla esittelemme yksityiskohtaisen ja kattavan oppaan käyttäjäystävällisellä ja täysin ajantasaisella kielellä kaikesta, mitä sinun tarvitsee tietää otsonikerroksen kemiasta, sen koostumuksesta, muodostumis- ja tuhoutumismekanismeista sekä sen nykyisistä ja tulevista haasteista.
Mitä on otsoni ja mistä sitä löytyy?
Otsoni (O3) on hapen allotrooppinen muoto, joka koostuu tämän alkuaineen kolmesta atomista. Se on väritön tai hieman sinertävä kaasu suurina pitoisuuksina ja sille on ominaista voimakas haju, joka on havaittavissa jo hyvin pieninä määrinä ukkosmyrskyn jälkeen tai tietyissä ympäristöolosuhteissa. Otsonilla on hyvin erilaisia rooleja riippuen siitä, missä se sijaitsee ilmakehässä, minkä vuoksi on tarpeen erottaa kaksi pääpaikkaa: stratosfääri ja troposfääri.
Stratosfäärissä, 15–50 kilometrin korkeudessa, on noin 90 % koko ilmakehän otsonista.. Tätä aluetta kutsutaan yleisesti otsonikerrokseksi, elintärkeää elämälle maapallolla, koska se suodattaa haitallista ultraviolettisäteilyä. Jos kaikki stratosfäärin otsoni puristettaisiin merenpinnan paineeseen, sen paksuus olisi vain 3 mm, mutta tämä ohut kerros on välttämätön suojaamaan meitä ongelmilta, kuten ihosyövältä ja kaihilta.
Troposfäärissä, eli maanpinnasta noin 15–18 km:n korkeuteen, Otsonia pidetään toissijaisena epäpuhtautena. Täällä se ei suojele meitä, vaan voi aiheuttaa ärsytystä ja hengitysvaikeuksia sekä edistää fotokemiallista savusumua, joka on yksi suurimmista ilmansaasteongelmista suurissa kaupungeissa ja teollisuusalueilla.
Otsonin kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet
Otsoni on yksi luonnossa esiintyvistä voimakkaimmista oksidanteista.. Se on epästabiili molekyyli, koska sen kolme happiatomia erottuvat helposti ja palaavat kaksiatomiseen muotoonsa (O2). Sen tiheys on 2,14 kg/m³ ja se liukenee hyvin veteen. —vaikka se on paljon vähemmän vakaa kuin ilmassa, sen puoliintumisaika on noin 20 minuuttia verrattuna 12 tuntiin, jolloin se voi säilyä huoneenlämmössä kaasuna.
Sen sulamispiste on -192 ºC ja kiehumispiste on -112 ºC, ja se muuttuu siniseksi suurina pitoisuuksina. Erittäin voimakkaana hapettimena otsoni reagoi nopeasti muiden molekyylien ja yhdisteiden kanssa, erityisesti typpeä, haihtuvia orgaanisia yhdisteitä tai halogeeneja, kuten klooria ja bromia, sisältävien molekyylien ja yhdisteiden kanssa..
Otsonin kierto stratosfäärissä: luonnollinen muodostuminen ja tuhoutuminen
Fyysikko Sydney Chapman vahvisti vuonna 1930 tietämyksen stratosfäärin otsonin muodostumis- ja tuhoutumismekanismeista., Chapmanin syklinä tunnetun fotokemiallisen reaktiosarjan kautta. Tämä sykli selittää, kuinka luonnollisissa olosuhteissa otsonin määrä pysyy suhteellisen vakiona sen muodostumisen ja hajoamisen välisen tasapainon ansiosta.
Stratosfäärin otsonin muodostuminen: Kaikki alkaa, kun korkeaenerginen ultraviolettisäteily (aallonpituus alle 240 nm, UV-C-luokka) osuu happimolekyyleihin (O2). Tämä riittävän energinen säteily hajottaa (dissosioituu) O-molekyylit2 yksittäisiksi happiatomeiksi (O).
- O2 + UV-säteily → O + O
- O+O2 + M → O3 +M (jossa M on mikä tahansa neutraali molekyyli, yleensä N2 osoitteessa O2, joka absorboi ylimääräistä energiaa ja stabiloi otsonimolekyyliä).
Siksi alue, jolla on suurin otsonin tuotanto, on päiväntasaajan stratosfääri, koska siellä ultraviolettisäteily osuu voimakkaimmin.. Stratosfäärin tuulet kuitenkin levittävät otsonia kohti napa-alueita.
Kun se on muodostettu, Otsoni absorboi UV-B-säteilyä, mikä johtaa sen hajoamiseen O2:ksi2 ja happiatomi käänteisessä reaktiossa:
- O3 + UV-säteily → O2 + TAI
Luonnollisissa olosuhteissa Atomihappi voi myös reagoida otsonin kanssa muodostaen kaksi kaksiatomista happimolekyyliä:
- O3 + O → 2 O2
Tämä reaktioiden joukko pitää otsonipitoisuuden tasapainossa niin kauan kuin ulkoiset tekijät eivät vaikuta tasapainoon.. Tätä herkkää tasapainoa kuitenkin muuttavat helposti tietyt ihmisen toiminnan mukanaan tuomat molekyylit ja radikaalit.
Voit lukea lisää otsonikerroksen muodostumisesta tästä artikkelista..
Otsonikerroksen ekologinen merkitys
Otsonikerros on välttämätön elämälle sellaisena kuin me sen tunnemme.. Se toimii suojana, joka suodattaa suurimman osan Auringon ultravioletti-B- ja -C-säteilystä estäen sitä pääsemästä Maan pinnalle. Ilman tätä luonnollista suodatinta UV-säteily olisi tappavaa useimmille eläville olennoille ja vaikuttaisi sekä maa- että vesiekosysteemeihin.
Otsonikerroksen heikkenemisen aiheuttaman UV-B-säteilyn lisääntymisen seurauksia ovat:
- Ihosyöpä- ja kaihitapausten lisääntyminen ihmisillä.
- Immuunijärjestelmän muutos, mikä johtaa sairauksien lisääntymiseen.
- Maatalouden ja metsätalouden tuottavuuden lasku viljelykasvien ja metsien vahingoittumisen vuoksi.
- Vaikutus vesiekosysteemeihin, erityisesti säteilylle herkkien planktonisten organismien.
- Ravintoketjun ja fotosynteesin häiriöt kasviorganismeissa.
Lisäksi, Stratosfäärin otsoni on vastuussa stratosfäärin lämpötilan nousustaabsorboimalla UV-säteilyä ja muuttamalla sen lämmöksi, mikä määrää maapallon ilmakehän lämpörakenteen ja ilmaston vakauden.
Troposfäärin otsoni: unohdettu saaste
Toisin kuin stratosfäärin otsoni, troposfäärissä oleva otsoni on fotokemiallisten reaktioiden tuottama toissijainen epäpuhtaus. typpioksidien (NOx), haihtuvat orgaaniset yhdisteet (VOC) ja auringonvalon vaikutus. Nämä lähtöaineet ovat peräisin pääasiassa tieliikenteestä, teollisista prosesseista ja biogeenisistä päästöistä.
Troposfäärin otsoni:
- Edistää fotokemiallisen savusumun muodostumista, erityisesti kesällä ja antisyklonisilla alueilla.
- Se on myrkyllistä ihmisten terveydelle, aiheuttaen silmien ja kurkun ärsytystä, hengitystieongelmia ja pahentaen sairauksia, kuten astmaa.
- Aiheuttaa vahinkoa kasvillisuudelle ja vähentää satomääriä.
- Edistää ilmaston lämpenemistä kasvihuonekaasuna.
Sen tasot nousevat vuorokauden keskiaikoina, erityisesti maaseudulla ja suurten kaupunkien laitamilla., koska siellä on vähemmän liikennettä ja siten myös syntyvän otsonin kulutusta.
Otsonikerroksen tuhoutuminen: syyt ja seuraukset
Suuren osan 1900-lukua otsonin syklin tasapainon uskottiin pysyvän muuttumattomana. Uusien kemikaalien, erityisesti kloorifluorihiilivetyjen (CFC-yhdisteiden), halonien ja bromidien, käyttöönotto kuitenkin muutti tätä tasapainoa radikaalisti.
CFC-yhdisteet – klooria ja fluoria sisältävät yhdisteet – joita käytetään laajalti jäähdytyksessä, ilmastoinnissa, aerosoleissa ja vaahdoissa, ovat osoittautuneet erittäin stabiileiksi ja kykeneviksi saavuttamaan stratosfäärin hajoamatta.. Siellä ultraviolettisäteily hajottaa ne vapauttaen erittäin reaktiivisia kloori- ja bromiatomeja.
Yksi klooriatomi voi tuhota jopa 100.000 XNUMX otsonimolekyyliä ennen kuin se häviää ilmakehän prosessien kautta.. Nämä reaktiot tapahtuvat katalyyttisissä sykleissä, joissa katalyytti (halogeeni) poistuu ehjänä ja voi jatkaa otsonin tuhoamista:
- Cl + O3 → ClO + O2
- ClO + O → Cl + O2
Sykli alkaa alusta, aiheuttaen ajan myötä moninkertaisia vahinkoja.
Voit selvittää, mistä otsonikerroksen tuhoutuminen koostuu..
Otsonikerroksen reikä
80-luvulta lähtien Etelämantereen satelliitit ja mittausasemat havaitsivat otsonikerroksen paksuuden huolestuttavaa vähenemistä eteläisen kevään aikana.. Otsonipitoisuudet etelänavan yllä laskivat jopa 70 prosenttia syys- ja lokakuussa.
Termiä "otsoniaukko" käytetään kuvaamaan alueita, joilla otsonin kokonaispitoisuus laskee alle 220 Dobson-yksikköä. (SINÄ). Satelliittikuvat osoittavat, kuinka joka kevät suuri osa Etelämantereesta on tämän "tyhjiövyöhykkeen" peitossa, mikä vaikuttaa jopa eteläisen pallonpuoliskon asuttuihin alueisiin.
Otsoniaukko on ulottunut yli 25 miljoonan kilometrin pintoihin useiden viikkojen ajan.2, lähes kaksi kertaa Etelämantereen mantereen kokoinen. Syyskuussa 2006 mitattiin kaikkien aikojen alhaisin arvo, vain 85 DU Itä-Antarktiksen yllä.
Lisätietoja otsoniaukon kehityksestä.
Vaikutukset terveyteen ja ekosysteemeihin
Stratosfäärin otsonin ohenemisella on vakavia seurauksia kansanterveydelle ja ympäristölle.. Suodattamaton ultravioletti-B-säteily voi tunkeutua pintaan ja lisätä seuraavien riskiä:
- Ihosyöpä (melanooma ja ei-melanooma)
- Kaihi ja silmävauriot
- Immuunijärjestelmän heikkeneminen
- Herkkien viljelykasvien sadon väheneminen ja vesiekosysteemien kiertokulkujen muutokset
- Ongelmia merielämässä, erityisesti kasviplanktonin ja kalojen toukkavaiheissa
Troposfäärissä otsonin läsnäolo liittyy hengityselin- ja sydän- ja verisuonisairauksiin, erityisesti haavoittuvilla ryhmillä, kuten vanhuksilla, lapsilla, raskaana olevilla naisilla ja kroonisesti sairailla.
Euroopan unioni ja Maailman terveysjärjestö ovat asettaneet raja-arvot ympäröivän ilman otsonille altistumiselle ja suosittelevat, että arvo ei ylitä 100 µg/m².3 päivittäisenä keskiarvona, koska suuremmat pitoisuudet voivat aiheuttaa yskää ja ärsytystä sekä heikentää keuhkojen toimintaa ja lisätä kuolleisuutta herkillä henkilöillä.
Keskeiset kemialliset reaktiot otsonin tuhoutumisessa
Otsonin kiihtynyt hajoaminen stratosfäärissä johtuu pääasiassa katalyyttisistä sykleistä, joihin liittyy reaktiivisia kemiallisia yhdisteitä.. Nämä reaktiot ovat olennaisia ymmärrettäessä, miten otsonikerros heikkenee ja mitkä tekijät sitä kiihdyttävät.
- Halogenoidut radikaalit (Cl, Br, ClO, BrO)
- Typpiradikaalit (EI EI2)
- Hydroksyyliradikaalit (OH) ja peroksyyli (HO)2)
Otsonin tuhoutumiseen eniten vaikuttavat ClO:n ja BrO:n kanssa tehdyt reaktiot.. Katalyyttiset syklit mahdollistavat yhden kloori- tai bromimolekyylin tuhota tuhansia tai jopa 100.000 XNUMX otsonimolekyyliä ennen kuin se poistetaan tai neutraloidaan.
Voit keskustella ilmakehän kerroksista ja niiden vaikutuksesta otsoniin..
Otsonikerroksen mittaus ja seuranta
Ilmakehän otsonin mittaus suoritetaan pääasiassa käyttämällä parametria ”Dobson-yksikkö” (DU), joka ilmaisee paksuuden, jonka otsonin kokonaismäärä muodostaisi, jos se puristuisi kokoon normaaleissa paine- ja lämpötilaolosuhteissa. Yksi UD vastaa 2,69 × 1020 otsonimolekyylejä neliömetriä kohden.
Vertikaalisia otsoniprofiileja saadaan otsonodien ja spektrofotometrillä varustettujen satelliittien, kuten Envisatiin asennetun GOMOSin, avulla. Normaaliarvot vaihtelevat 200 ja 500 UD:n välillä, ja maailmanlaajuinen keskiarvo on lähellä 300 UD:tä.
Kansainväliset toimet: Montrealin pöytäkirja ja Kigalin muutos
Otsonikerroksen ohenemisongelman vakavuus johti ennennäkemättömiin kansainvälisiin toimiin.. Vuonna 1985 allekirjoitettiin Wienin yleissopimus otsonikerroksen suojelusta, mikä tasoitti tietä otsonikerroksen suojelua koskevan yleissopimuksen hyväksymiselle. Montrealin pöytäkirja vuonna 1987. Lähes kaikki maailman maat ovat ratifioineet sopimuksia, jotka kieltävät tai sääntelevät tiukasti otsonikerrosta heikentävien aineiden (ODS) tuotantoa ja kulutusta.
Montrealin pöytäkirjan menestys on ollut valtava.CFC-yhdisteiden, halonien ja muiden yhdisteiden asteittainen poistaminen käytöstä on pysäyttänyt otsonikerroksen heikkenemisen ja aloittanut sen elpymisen 2000-luvun alusta lähtien. Korvaavat aineet, kuten HCFC- ja HFC-yhdisteet, vaativat kuitenkin edelleen lisäsääntelyä, erityisesti koska ne voivat edistää ilmaston lämpenemistä.
Kansainvälinen yhteistyö on ollut avainasemassa otsonikerroksen suojelemisessa.
Otsonikerroksen toipuminen ja tulevaisuudennäkymät
Viimeisimmät mittaukset osoittavat positiivista suuntausta otsonikerroksen toipumisessa., vaikka tämä prosessi onkin hidas ilmakehässä olevien emittoivien yhdisteiden pitkän säilymisajan vuoksi. On arvioitu, että jos nykypolitiikkaa jatketaan, täysi elpyminen vuoden 1980 tasolle voitaisiin saavuttaa noin vuonna 2075.
Ilmastonmuutos vaikuttaa myös elpymiseen, koska kasvihuonekaasujen lisääntyminen voi muuttaa stratosfäärin kiertoa ja lämpötilaa, mikä vaikuttaa otsonin jakautumiseen. Kansainvälinen yhteistyö ja tiukka ympäristöpolitiikka ovat välttämättömiä tämän kehityksen ylläpitämiseksi ja kiihdyttämiseksi.
Mitä me kansalaiset voimme tehdä suojellaksemme otsonikerrosta
Me kaikki voimme osallistua otsonikerroksen hoitoon pienillä päivittäisillä teoilla ja vastuullisten elämäntapojen omaksumisella:
- Valitse tuotteita, joissa on merkintä ”CFC-vapaa” tai ”otsoniystävällinen”.
- Suosi sammuttimia ja jäähdytysjärjestelmiä, jotka eivät sisällä haloneja, CFC-yhdisteitä tai HCFC-yhdisteitä.
- Vältä haitallisia ponneaineita sisältävien aerosolien käyttöä; Saatavilla on voide-, puikko- tai mekaanisuihkemuotoisia tuotteita.
- Pidä kylmä- ja ilmastointilaitteesi hyvässä kunnossa ja käytä huoltoon sertifioituja teknikkoja.
- Älä käytä metyylibromidia kotitalouksien tai maatalouden kaasutuskäsittelyyn.
- Vähennä auton käyttöä, käytä julkisia kulkuvälineitä, kävele tai pyöräile.
- Jaa aiheen tärkeyttä perheessäsi, opiskelupiireissäsi ja työpiireissäsi.
- Osallistu kampanjoihin ja tapahtumiin, jotka lisäävät tietoisuutta ympäristönsuojelusta.
Koulutuksen ja yhteiskunnallisen tietoisuuden rooli
Ympäristökasvatus on avainasemassa otsonikerroksen suojelussa.. Uusien sukupolvien tiedottaminen ja kouluttaminen tämän luonnollisen suojan tärkeydestä, sen heikkenemiseen liittyvistä riskeistä ja sen estämiseksi tarvittavista toimista on olennaista, jotta vältetään menneisyyden virheiden toistaminen.
Koulutuslaitoksilla, medialla ja yhteiskunnallisilla järjestöillä on keskeinen rooli tiedon levittämisessä ja kollektiivisen tietoisuuden luomisessa.
Jokainen asioista perillä oleva ihminen osallistuu planeettamme puolustamiseen.
Otsonikerroksen kemia on esimerkki elämää ylläpitävien suurten ympäristöjärjestelmien monimutkaisuudesta ja haavoittuvuudesta. Vaikka haasteet ovat olleet valtavia, ihmiskunta on osoittanut, että kansainvälinen yhteistyö ja kansalaisten osallistuminen voivat kääntää vaaralliset trendit. Menestys ei kuitenkaan ole taattu: se riippuu jatkuvasta valppaudesta, innovaatioista ja jaetusta vastuusta jokaisessa ympäristöömme vaikuttavassa päätöksessä.