Tämä blogikirjoitus tarkastelee otsonin kaksijakoista luonnetta: miten se suojaa elämää estämällä ultraviolettisäteitä yläilmakehässä, mutta vahingoittaa kasveja ja ihmisiä maanpinnan tasolla.
Otsonia (O₃) muodostuu, kun happiatomit (O) yhtyvät happimolekyylien (O₂) kanssa. Se on erittäin myrkyllinen aine, joka on laimennettuna riittävän voimakas käytettäväksi desinfiointiaineena. Pintailmakehässä sen tiedetään vahingoittavan kasvien viherhiukkasia ja ihmisen keuhkokudosta. Toisaalta otsonilla on kyky absorboida elämälle haitallista ultraviolettisäteilyä, ja se suojaa maapallon elämänmuotoja estämällä UV-säteitä yläilmakehässä.
Maanpinnalla otsonia syntyy, kun typpioksidit reagoivat kemiallisesti voimakkaan auringonvalon vaikutuksesta. Typpioksideja vapautuu polttoaineen palamisen aikana, pääasiassa typpioksidin (NO) ja typpidioksidin (NO₂) muodossa. Kuten otsoni, typpioksidit ovat kemiallisesti erittäin epästabiileja ja muuttuvat vakaammaksi typpidioksidiksi yhdistymällä happiatomeihin. Auringonvalossa typpidioksidi hajoaa jälleen typpioksideiksi ja happiatomeiksi. Nämä happiatomit yhdistyvät sitten happimolekyyleihin muodostaen otsonia. Hiilivedyt toimivat katalyytteinä tässä otsonin muodostumisprosessissa.
Yläilmakehän otsonia muodostuu pääasiassa alemmassa stratosfäärissä matalilla leveysasteilla. Happimolekyylit absorboivat ultraviolettisäteilyä ja hajoavat happiatomeiksi. Nämä hajoavat happiatomit sitoutuvat sitten muihin happimolekyyleihin muodostaen otsonia. Typpimolekyylit tai happimolekyylit toimivat myös katalyytteinä tässä prosessissa. Stratosfääri on ilmakehän kerros, joka ulottuu alimmasta troposfääristä noin 50 km:n korkeuteen. Toisin kuin troposfäärissä, jossa vertikaalinen ilmankierto on aktiivista, stratosfäärissä lämpötila nousee korkeuden kasvaessa, mikä estää konvektion. Stratosfäärin lämpötila määräytyy suhteessa otsonin absorboiman ultraviolettisäteilyn määrään. Suurin osa otsonista on keskittynyt stratosfäärin alimpaan kerrokseen, joka tunnetaan otsonikerroksena.
Otsonikerroksen ohenemiseen vaikuttavat lentokoneiden toiminnan ja ydinkokeiden aikana vapautuvat typen oksidit, mutta sen aiheuttavat pääasiassa freonikaasut (CF₂Cl₂ tai CFCl₃), jotka luokitellaan merkittäviksi kasvihuonekaasuiksi hiilidioksidin ohella. CFC-yhdisteitä on kehitetty ja käytetty 1920-luvun lopulta lähtien, ja ne ovat erittäin stabiileja eivätkä hajoa auringonvalossa troposfäärissä. Tämä mahdollistaa niiden leviämisen Maan ilmakehään pitkien aikojen kuluessa ilmakehän kierron kautta. Freonikaasut hajoavat vain altistuessaan ultraviolettisäteilylle stratosfäärissä, jolloin vapautuu klooriatomeja (Cl). Nämä klooriatomit reagoivat kemiallisesti otsonin kanssa muodostaen kloorimonoksidia (ClO), joka sitten reagoi happiatomien kanssa ja palautuu takaisin klooriatomeiksi. Tämä sykli toistuu, mikä johtaa otsonikerroksen ohenemiseen.
Talvella, kun auringonvalo on hyvin heikkoa, Etelämantereen yläpuolelle alempaan stratosfääriin muodostuu massiivinen pyöreä pyörre, jota ajavat voimakkaat pyörivät tuulet. Freonikaasuja ja vesihöyryä sisältävä ilma joutuu tähän pyörteeseen alemmilta leveysasteilta globaalin ilmakehän kierron kautta. Sisään tulevan ilman vesihöyry muuttuu jääkiteiksi, jotka vangitsevat freonikaasut niihin. Tämä prosessi toistuu, jolloin freonikaasua sisältävät jääkiteet kerääntyvät jatkuvasti pyörteeseen koko talven ajan. Kun auringonvalo saavuttaa tämän alueen keväällä, pyörre heikkenee ja haihtuu. Jääkiteiden sulaessa loukkuun jääneestä freonikaasusta nopeasti vapautuvat klooriatomit tuhoavat voimakkaasti otsonia. Syy siihen, miksi Etelämantereen otsonikerrosta ei havaittu puoleen vuosisataan CFC-yhdisteiden kehittymisen jälkeen, oli se, että CFC-yhdisteiden kulkeutuminen Etelämantereelle ja kerääntyminen sen yläpuolelle kesti erittäin kauan.
Samaan aikaan arktinen pyörre ei ole yhtä voimakas kuin antarktinen, minkä seurauksena sen muoto on mutkikkaampi. Pyörteen sisällä oleva ilma sekoittuu merkittävästi ympäröivään ilmaan, eikä sekoittuminen kestä yhtä kauan. Tämän seurauksena otsonikerroksen oheneminen on arktisella alueella lievempää kuin antarktisella alueella. Ilmaston lämpenemisen edetessä stratosfäärin lämpötilojen ennustetaan kuitenkin laskevan, mikä voi vahvistaa ja laajentaa sekä antarktisen että arktisen alueen pyörteitä. Tämä johtuu siitä, että vaikka ilmakehän lisääntyneet kasvihuonekaasupitoisuudet aiheuttavat lämpötilan nousua troposfäärissä, niiden ainutlaatuinen terminen rakenne stratosfäärissä itse asiassa viilentää sitä. Siksi, jos napapyörteiden voimakkuuden muutoksia tapahtuu ilmaston lämpenemisen rinnalla, otsonikerroksen ohenemisen malli todennäköisesti eroaa merkittävästi siitä, mitä näemme tänään.
