Otsoni
Wikipedia
Otsonimolekyylin (O3) muodostaa kolme happiatomia. Otsoni on myrkyllistä, kaasuna vaalean sinertävää ja nesteenä voimakkaan sinistä. Sen pistävän raikas tuoksu on tuttu ukonilman jälkeen: nimi otsoni tuleekin kreikan kielen hajua tarkoittavasta sanasta (ozein). Otsonin moolimassa on 48,0 g/mol, sulamispiste –193 °C, kiehumispiste –112 °C, liukoisuus veteen 0,1 g/100 ml 0 °C lämpötilassa ja CAS-numero 10028-15-6.
Alkuainehapesta esiintyy lähinnä kolmea allotrooppista muotoa:
- Atomaarinen happi O, atomisäde 74 pm
- Happi O2, sidospituus 121 pm
- Otsoni O3, sidospituus 128 pm
- Lisäksi oletetaan, että nesteessä happea esiintyy O4 –muodossa.
Otsoni on diamagneettista, eli sen suhteellinen permeabiliteetti on 1. Otsonin löysi saksalais-sveitsiläinen kemisti Christian Friedrich Schönbein vuonna 1840.
Otsonia muodostuu ilmakehän yläosassa, stratosfäärin otsonikerroksessa, kun auringon ultraviolettisäteily hajottaa happimolekyylejä (O2) happiatomeiksi (O). Nämä sitten yhtyvät molekylaariseen happeen muodostaen otsonia. Otsonia syntyy myös salamoinnin ja kipinöinnin yhteydessä. Otsonikerros suojaa eläviä soluja Auringon ultraviolettisäteilyltä. Absorptio eli säteilyn vaimeneminen perustuu UV-säteilyn kykyyn hajottaa O2 ja O3 –molekyylejä.
Koska otsoni on molekyylinä epästabiili verrattuna happikaasuun, se luovuttaa helposti yhden happiatomin ja on siksi hyvä hapetin. Tämän ominaisuuden takia otsonia käytetään muun muassa ilmanpuhdistukseen, vedenpuhdistukseen, valkaisuun ja desinfiointiin.
Sisällysluettelo |
[muokkaa] Otsonin esiintyminen
Yli 90 % ilmakehän otsonista esiintyy stratosfäärissä 10–50 kilometrin korkeudella maanpinnasta. Tiheimmillään otsonia on 20–30 km korkeudessa, jossa se muodostaa niin kutsutun otsonikerroksen. 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 maan pinnalle yhtenäiseksi kerrokseksi, tulisi kerroksen paksuudeksi vain 2–4 mm (koko ilmakehän paksuudeksi tulisi vastaavassa tilanteessa 8,4 cm).
[muokkaa] Luonnollinen otsonitasapaino
- Aallonpituudeltaan alle 243 nm säteily hajottaa happimolekyylin O2 erillisiksi atomeiksi eli happiradikaaleiksi.
- Nämä happiatomit yhtyvät molekylaariseen happeen muodostaen otsonia O3.
- 240–320 nm UV-säteily irrottaa otsonista yhden happiatomin jättäen jäljelle happimolekyylin.
- Irrallinen happiatomi vie otsonilta yhden atomin, jolloin muodostuu kaksi happimolekyyliä 2O2.
[muokkaa] Otsonikerroksen mittaaminen
Otsonimäärää mitattaessa käytetään yleensä Dobsonin yksikköä (Dobson Unit, DU). Sata Dobsonin yksikköä tarkoittaa, että 1,013 barin (1 atm) paineessa ja 15ºC lämpötilassa olisi otsonikerroksen paksuus merenpinnan tasossa 1,0 mm. Normaalin kokonaisotsonipitoisuuden pitäisi olla pohjoisella pallonpuoliskolla 300–430 DU, päiväntasaajalla noin 260 DU ja eteläisellä pallonpuoliskolla 280–400 DU.
Mittauksissa, joissa tutkitaan otsonin määrää eri korkeuksilla, käytetään yleensä joko tiheyden yksikköä 1/cm3 tai osapaineen yksikköä mPa tai nanobar (10 nanobar = 1 mPa). Kokonaisotsonimäärää sekä otsonin sijoittumista eri korkeuksilla mitataan muun muassa säähavaintopalloilla. Otsonikerroksen paksuutta voidaan mitata myös auringon UV-säteilyn avulla maan pinnalla olevilla säteilymittareilla.
[muokkaa] Otsonikato
-
Pääartikkeli: Otsonikato
Otsonikerroksen ohentuma havaittiin ensimmäisen kerran vuonna 1985 Antarktiksen yläpuolella. Lehdistö suosii termiä "otsoniaukko", mutta ohentuman kohdallakin on otsonia, vaikka vähemmän kuin normaalisti. Otsonikato on myös näppärä suomenkielinen termi. Vuodesta 1976 lähtien, jolloin mittaukset aloitettiin, olisi otsonikerroksen ohentuma ollut havaittavissa, mutta analysoinnissa käytetty ohjelma suodatti suuret poikkeamat pois, joten otsonikato havaittiin vasta lähes kymmenen vuoden viiveellälähde?.
Pohjoisella navalla on myös havaittu selvää otsoniohentumaa, mutta tilanne ei ole niin paha kuin etelänavalla. Eräs syy napaseutujen voimakkaaseen otsonikatoon ovat tuulet, jotka kuljettavat ilmamassoja ja saasteita päiväntasaajan seudulta navoille. Antarktiksen kylmä ilmasto ja talvella esiintyvä kylmä pyörre ovat osasyynä juuri eteläisen napaseudun poikkeuksellisen ohueen otsonikerrokseen. Pienimmillään Antarktiksen otsonin määrä on mitattu jopa alle 100 DU:n (Dobsonin yksikön) 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.
[muokkaa] Troposfäärin otsoni
-
Pääartikkeli: Alailmakehän otsoni
Vaikka yläilmakehässä otsoni on edellytys nykyiselle elämälle, alailmakehässä oleva otsoni on saaste, joka aiheuttaa vaurioita eliöstölle. Yhdysvaltalaisen tutkimuksen mukaan 100 µg/cm3 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 maahan Länsi- ja Keski-Euroopasta. Suomessa suuresta otsonipitoisuudesta tiedotetaan, jos hengitysilman otsoni ylittää tunnin keskiarvona 180 µg/cm3. Tutkimusten mukaan alailmakehän otsoni on suurin yksittäinen kasveja vaurioittava epäpuhtaus ilmassa.
Troposfäärissä ei otsonin syntymiseen vaadittavaa riittävän korkeaenergiaista ultraviolettisäteilyä ole kuten yläilmakehän otsonikerroksessa, joten otsonin muodostuminen tapahtuu hieman eri tavalla.
Troposfäärin otsonin kiertokulku:
- Typpimonoksidin (NO) ja otsonin kohdatessa syntyy typpidioksidi (NO2) ja happimolekyyli. Typpimonoksidin tilalla voi olla myös vetyperoksiradikaali HO2 tai jokin orgaaninen peroksiradikaali.
- Typpidioksidin saadessa auringonvaloa se hajoaa typpimonoksidiksi ja vapaaksi happiatomiksi.
- Vapaa happiradikaali löytää happimolekyylin O2 ja syntyy otsonia.
Suurin syy troposfäärin otsonin lisääntymiseen ovat 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(1D) ja happimolekyyli O2. Tällaisen virittyneen happiatomin törmätessä vesihöyrymolekyyliin H2O syntyy hydroksyyliradikaalipari 2 OH.
