Otsonikerros

Otsonia esiintyy ilmakehässä kaikilla korkeuksilla, mutta sen pitoisuus on suurimmillaan 15–30 kilometrin korkeudella niin sanotussa otsonikerroksessa. Otsonin pitoisuus ilmakehässä on kuitenkin pieni, suurimmillaan ainoastaan noin kuusi miljoonasosaa tilavuudesta. Näin ollen myös otsonin kokonaismäärä ilmakehässä on pieni. Jos kaikki ilmakehän otsoni tuotaisiin maanpinnalle, siitä muodostuisi vain noin kolme millimetriä paksu kerros.

Otsonin muodostuminen käynnistyy, kun Auringon säteily pilkkoo happimolekyylin happiatomeiksi. Muodostuneet happiatomit (O) voivat reagoida happimolekyylin (O₂) kanssa, jolloin muodostuu kolmiatominen otsonimolekyyli (O₃). Otsonin luontaiseen jakaumaan ilmakehässä vaikuttaa lisäksi keski-ilmakehän kiertoliike, joka tuo otsonia napa-alueille, sekä reaktiot typpi- ja vety-yhdisteiden kanssa.

Polaarialueiden otsonikato

1980-luvun puolessavälissä otsonikerroksessa havaittiin Etelämantereen yllä huomattava ohenema, otsoniaukko. Jo 1970-luvulla oli ennustettu, että otsonikerros ohenisi kloori- ja bromiyhdisteiden käytön takia, mutta voimakas polaariotsonikato tuli yllätyksenä. Löytö herätti huolen koko otsonikerroksen kohtalosta ja otsonikadon aiheuttamasta uhasta biosfäärille. Pian osoitettiinkin, että havaittu otsonikato oli seurausta halogenoitujen hiilivetyjen eli klooria ja bromia sisältävien yhdisteiden käytöstä teollisuudessa: niistä vapautuu klooria ja bromia, joiden katalyyttiset reaktiot otsonin kanssa tuhoavat otsonia. Reaktiosyklin päätteeksi halogeeniyhdisteet vapautuvat, jolloin kato voi jatkua.

Otsonikato on erityisen voimakasta juuri polaarialueilla polaaristratosfääripilvien vuoksi: näiden napa- eli polaaripyörteen sisällä erittäin kylmissä olosuhteissa syntyvien pilvien pilvipartikkelit katalysoivat reaktioita, jotka vapauttavat klooria ja bromia aktiiviseen muotoon. Etelämantereen ylle talvella muodostuva polaaripyörre on vahva ja kylmä ja luo siten suotuisat olosuhteet polaaristratosfääripilvien kehittymiselle sekä niiden aiheuttamalle otsonikadolle. Pohjoinen polaaripyörre on epävakaampi ja siten pienempi ja lämpimämpi kuin eteläinen. Se myös hajoaa keväällä eteläistä vastinettaan nopeammin. Näistä syistä otsonikato on pohjoisella napa-alueella vähäisempää kuin etelässä.

Polaaristratosfääripilvet

Polaaristratosfääripilviä esiintyy talvella polaarialueiden stratosfäärissä 15–30 kilometrin korkeudella. Polaaristratosfääripilvet voidaan luokitella kahteen tyyppiin huurrepisteen mukaan. Huurrepistettä (noin –85 °C) kylmemmissä olosuhteissa esiintyy jääkidepilviä eli helmiäispilviä. Pastellinsävyiset helmiäispilvet näkyvät parhaiten aamu- tai iltahämärän aikaan, jolloin horisontin alapuolella oleva aurinko valaisee korkealla olevia pilviä. Helmiäispilvien tunnusomainen väriloiste johtuu pienten, noin 10 mikrometrin kokoisten pilvikiteiden aiheuttamasta auringonvalon taipumisesta eli diffraktiosta.

Jopa noin 7 °C huurrepisteen yläpuolella (–78 °C) voi esiintyä polaaristratosfääripilviä, jotka koostuvat typpihaposta, vedestä ja rikkihaposta. Pilvipartikkelit voivat olla nestemäisiä (typpihappo, vesi ja rikkihappo) tai kiteisiä (typpihappo ja vesi). Nämä pilvet näkyvät utumaisina ja niitä on huomattavasti vaikeampi havaita kuin värikkäitä helmiäispilviä.

Suomessa havaitaan usein helmiäispilviä voimakkaan länsivirtauksen eli föhn-tuulen yhteydessä. Kun ilmavirtaus nousee Skandien yli, myös stratosfäärin ilmamassat nousevat ylöspäin. Vuorijonon itäpuolella muodostuu aaltoliikettä eli vuoristoaaltoja. Kun ilmamassa nousee, sen lämpötila laskee. Mikäli lämpötila laskee huurrepisteen alapuolelle, voi muodostua helmiäispilviä. Kosteutta ei nouse tässä yhteydessä troposfääristä stratosfääriin. Ilman vuoristoaaltojen vaikutusta helmiäispilviä esiintyy harvoin pohjoisen pallonpuoliskon stratosfäärissä.

Polaaristratosfääripilvet edistävät otsonikatoa sekä vapauttamalla klooria aktiiviseen muotoon että poistamalla typpihappoa ilmakehästä. Vapautunut kloori tuhoaa tehokkaasti otsonia. Tilanteessa, jossa ei ole polaaristratosfääripilviä, typpihappo voi reagoida kloorin kanssa, jolloin otsonikato pysähtyy.

Otsonikerroksen suojelu

Otsoniaukon löytyminen vauhditti toimia otsonikerroksen suojelemiseksi. Jo vuonna 1987 laadittiin Montrealin pöytäkirja otsonia tuhoavien aineiden tuotannon ja käytön rajoittamiseksi ja lopettamiseksi. Pöytäkirjaa on myöhemmin täydennetty. Vuonna 2009 siitä tuli ensimmäinen sopimus, jonka kaikki maailman maat ovat allekirjoittaneet.

Sopimuksella estettiin otsonituhon paheneminen, mutta otsonikerros palautuu 1980-lukua edeltäneelle tasolle vasta tämän vuosisadan puolivälin tietämillä. Montrealin pöytäkirjassa sovitut päästövähennykset ovat myös tuoneet merkittävää ilmastohyötyä. Kansainvälistä otsonikerroksen suojelupäivää vietetään Montrealin pöytäkirjan allekirjoituspäivänä 16. syyskuuta.