4. Otsonikato

Auringon UV-säteily ja strafosfäärin O3

• Pistävä tuoksu suomeksi "ozien", kreikan kielen sana ja käsite jonka ovat tunteneet jo muinaiset kreikkalaiset
• Huomattavasti toisistaan poikkeavat kemialliset tekijät, jotka vaikuttavat O3:n stratos- ja troposfäärissä
• Materiaaleihin, hengityselimiin ja kasvillisuuteen hapetuskykynsä kautta voimakkasti vaikuttava alailmakehän O3

Mitkä tekijät vaikuttavat otsoniin?

• Meteorologia ja kemia
• Nuorempi meteorologiaa tieteenalana on ilmakemia

Säätekijät

•  Coriolisvoima, maan pyörimisliike ja lämmitys, joka aiheutuu auringon säteilystä vaikuttavat ilmakehän toimintaan
• Troposfääristä poikkeavasti käyttäytyy stratosfääri
• Säteily auringosta sekä ylöspäin heijastavista troposfäärin sääilmiöistä muodostuu energiaa stratosfäärille
• Tropiikissa tehokkaimpia nielu- ja syntyreaktioita otsonille
• 27 kuukauden jaksoissa vaihtelu itä-länsi virtaussuunnassa

Ilmakemia

• Stratosfäärin otsonin kannalta tärkeitä ovat sekä heterogeeniset reaktiot, jotka esiintyvät stratosfäärin aerosolien pinnoilla että homogeeninen fotokemia
• Stratosfäärin otsonin tuhoutuminen ja synty Chapmanin teorian mukaan
• O2 + hν —> 2 O(3P), λ< 242 nm (1)
  2 (O + O2 + M —> O3 + M) (2)
  nettona: 3 O2 —> 2 O3 (3)
•  λ=valon aaltopituus, M=molekyyli, joka absorboi reaktiossa syntyneen ylimääräisen energian, N=typpi, O2=happi
• Trooppisilla leveysasteilla syntyy O3:sta eniten, koska intensiivinen säteily, ja yläpuolisessa ilmakehässä esiintyy alle 242 nm:n säteilyä (1). 
• Valokemiallinen O3:n tuhoutuminen:
• O3 + hν —> O2 + O, 240 nm < λ < 320 nm (4)
  O3 + O —> 2 O2
• On olemassa myös muita nielurekatioita, jotka poikkeavat Chapmanin teorioista. 
•  X + O3 —> XO + O2 (6)
  XO + O —> X + O2 (7)
  nettona: O + O3 —> 2 O2
• Br, Cl, NO, OH tai H voi olla X=katalyytti 
• Stratosfäärissä merkittävä typen oksidien lähde on N2O
• 1985 saatiin selville otsonikatokemia Etelämantereella, joten se ei sisälly edellä esitettyihin

Otsonikatoilmiö napa-alueilla

• Pahentunut otsonikato kevätkaudella, joka havaittiin 1979 Etelämantereella
• Tutkijapiirit hämmentyivät raporteista
• Pilvien synty stratosfäärissä johtuu siitä, että esiintyy erittäin kylmiä stratosfäärisiä olosuhteita, mitkä edellyttävät otsonikadon syntyä
• Cl tuhoaa katalyyttisesti O3:sta, jos polaaripyörre kestää koossa auringon valon saapumiseen asti

Muutokset ja jakaumat otsonissa

• Ihmistoiminta saattaa vaikuttaa maailmanlaajuisessa otsonijakaumissa sekä troposfäärissä että stratosfäärissä
• Freoni- ja halopäästöjen takia kasvanut Br ja Cl-pitoisuudet stratosfäärissä 1980 alkaen->otsonimäärä muuttunut ilmakehässä

Mitkä tekijät vaikuttavat Auringon UV-säteilyyn?

• UV-A, UV-B ja UV-C: kolme aallonpituutta UV-säteilyä maan ilmakehään Auringosta
• UV-säteilyn vaihteluun vaikuttavat monet tekijät, vaikka UV-B säteilysuojan kannalta biosfäärille on välttämätöntä, että ilmakehässä on O3:sta 

1. 1. Vuodenajan vaihtelut, vuorokaudet ja maantieteelliset vaihtelut johtuvat auringon kulmasta
2. 2. Tehontaa sirontaa ja vaimentaa säteilyä: pilvisyys
3. 3. UV-säteilyn voimakkuuteen vaikuttaa myös maanpinnan laatu
4. 4. Riippuen hiukkasmääristä, nekin vaimentavat UV-säteilyä

• UV-säteilyä maailmanlaajuisesti voimistaa O3:n väheneminen ilmakehässä
• Säteily muita voimakkaampaa ohuen ilmakehän alueilla, eli vuoristoalueilla->UV-säteilyyn vaikuttaa maanpinnan korkeus
• Siroaminen, heijastuminen ja vaimentaminen sisältyvät säteilyn kulun prosessiin
• Säteilyn kuljetusmalli simuloi UV-säteilyn käyttäytymistä ilmakehässä

Muutokset ja jakauma

• Lähtötietona meteorologiset havainnot, sateelliittimenetelmät ja UV-mittauksilla arvioidaan pitkäaikaismuutoksia

Tulevan kehityksen arvioita

• Ilmakehän kaasujen pitoisuudet ja tietokonemallit ja kuvanteet antavat arvioita kehityksestä stratosfäärin otsonitilanteesta
• Muuttuva ilmasto ja kemialliset muutokset stratosfäärissä on otettava huomioon tehtäessä otsoniarvioita pitkällä aikavälillä

Halonit ja freonit

• O3:sta tuhoava vaikutus kaasuilla Br ja Cl ilmakehässä (6-8 reaktiot)
• 1970-luvulla keksittiin 
• 50 vuotta odotetaan esiintyvän otsonikatoilmiötä napa-alueilla huolimatta Montrealin sopimuksesta

Ilmastonmuutos stratosfäärissä

• Olosuhteiden synty, joka olisi otsonikadolle suotuinen, vaikuttaa säätekijät

Tulevien vuosikymmenien otsonikato

• Otsonikadon voimakkuutta säätelevät stratosfäärin ilmasto ja haloni- ja freonipäästöt
• Paranemista ei havaittu vielä 2004 mennessä otsonikadossa, vaikka onnistuneesti on rajoitettu päästöjä 

Tulevan UV-säteilyn arvioita

• Huomattavaa voimistumista keväisellä UV-säteilyllä