Otsoni

Otsonimolekyylin (O3) muodostaa kolme happiatomia. Se on kaasuna vaalean sinertävää ja nesteenä voimakkaan sinistä. Sen pistävän raikas tuoksu on tuttu ukonilman jälkeen: nimi otsoni tuleekin kreikan 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:n 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 molekulaariseen 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. Hengitettynä otsoni vaurioittaa hengitysteitä.

Otsoniin liittyy kaksi ympäristöongelmaa: otsonin väheneminen yläilmakehässä ja otsonin lisääntyminen alailmakehässä. Yläilmakehän otsonikato lisää maan pinnalle tulevan UV-säteilyn määrää. Alailmakehän otsonin lisääntymisellä on puolestaan merkittävä ilmaston lämpenemistä aiheuttava vaikutus. Lisäksi alailmakehän otsoni muodostaa suurina pitoisuuksina terveysriskin etenkin astmaatikoille.

Otsonin esiintyminen 

Yli 90 % ilmakehän otsonista esiintyy stratosfäärissä 10–50 kilometrin korkeudella maanpinnasta. Tiheimmillään otsonia on 20–30 km:n 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 °C:n lämpötilassa ja normaali-ilmanpaineessa maan pinnalle yhtenäiseksi kerrokseksi, tulisi kerroksen paksuudeksi vain 2–4 mm (koko ilmakehän paksuudeksi tulisi vastaavassa tilanteessa 8,4 km).

Luonnollinen otsonitasapaino  

 Aallonpituudeltaan alle 243 nanometrin säteily hajottaa happimolekyylin O2 erillisiksi atomeiksi eli happiradikaaleiksi. 
 Nämä happiatomit yhtyvät molekylaariseen happeen muodostaen otsonia O3.
 240–320 nanometrin UV-säteily irrottaa otsonista yhden happiatomin jättäen jäljelle happimolekyylin. 
 Irrallinen happiatomi vie otsonilta yhden atomin, jolloin muodostuu kaksi happimolekyyliä 2O2.

Otsonikerroksen mittaaminen 

Otsonimäärää mitattaessa käytetään yleensä Dobsonin yksikköä (Dobson Unit, DU). Sata Dobsonin yksikköä tarkoittaa, että 1,013 baarin (1 atm) paineessa ja 15 °C:n 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.

Yläilmakehän otsonikato 

Yläilmakehän eli stratosfäärin otsonikerros suojaa Maata elämälle vaaralliselta lyhytaaltoiselta ultraviolettisäteilyltä. Otsonikato johtaa siten ultraviolettisäteilyn voimistumiseen maan pinnan tasolla. Otsonikadolla on myös pieni ilmastoa viilentävä vaikutus.

Otsonikerroksen ohentuma havaittiin ensimmäisen kerran vuonna 1985 Antarktiksen yläpuolella. Lehdistö suosii termiä ”otsoniaukko”, mutta ohentuman kohdallakin on otsonia, vaikka vähemmän kuin normaalisti. 

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.

Alailmakehän otsoni 

Troposfäärin eli alailmakehän otsonin lisääntymisellä on huomattava  ilmaston lämpenemistä aiheuttava vaikutus. Alailmakehän otsoni aiheuttaa lisäksi vaurioita eliöstölle. Yhdysvaltalaisen tutkimuksen mukaan 100 µg/m3 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/m3. 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. Otsonin 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.

Alailmakehän otsonia syntyy typen oksideista, häästä ja hiilivedyistä. Suurin syy troposfäärin otsonin lisääntymiseen ovat 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.

Otsonin terveysvaikutukset
Yläilmakehän otsonikato aiheuttaa ultraviolettivalon lisääntymistä maan pinnalla. Tämä voi aiheuttaa melanooman ja muun ihosyövän lisääntymistä sekä kaihia ja suurina annoksina akuuttia silmän sidekalvon tulehdusta (”lumisokeus”).

Alailmakehän otsoni on yksi parhaiten toteen näytetyistä terveyteen vaikuttavista ilmansaasteista. Otsoni pääsee keuhkojen syviin osiin eli keuhkorakkuloihin asti toisin kuin vesiliukoinen rikkidioksidi, joka jää pääasiassa hengitysteiden limakalvoille. Siksi otsoni ärsyttää keuhkojen limakalvoja ja vaurioittaa keuhkokudosta. Terveillä henkilöillä tulehdusta ja ärsytysoireita alkaa tulla noin 120 μg/m3 pitoisuuksista. Suomessa pitoisuudet voivat maaseudulla nousta lyhytaikaisesti näihin tasoihin. Otsonin vuosikeskiarvot ovat kuitenkin melko pieniä, se ei juuri siirry sisäilmaan, eikä nykyään ole sisälähteitä. Väestötutkimukset mm. Kanadassa osoittavat, että otsonin päivittäisvaihtelu liittyy sairaalaan ottojen lisääntymiseen hengitystiesairauksien takia. Se lienee toiseksi eniten terveyteen vaikuttava ilmansaaste pienhiukkasten jälkeen. Erityisen herkkiä otsonin aiheuttamille ärsytysoireille ovat astmaatikot ja pikkulapset. Koska otsoni on hyvin reaktiivinen, ulkoilman otsoni ei siirry erityisen hyvin sisäilmaan, joten oireet ovat sisällä vähäisempiä kuin ulkona.

Lähteet

Aiheesta muualla 

Happiyhdisteet
Kasvihuonekaasut
Seulonnan keskeiset artikkelit