Ilmansuojelun perusteet 2008, luennot Tiistaisin ja torstaisin 4.3.-10.4.2008 (20.3. ja 25.3. ei opetusta) Paikka: B18, SH 5 (6.3. SH 6) Suoritus: luennot + ennakkotehtävä + harjoitustehtävät + tentti Kuulustelu ma 14.4.2008, klo 17-20 (tarkista viimeisin tieto netistä) Uusinnat 17.5. ja 14.6. (tarkista viimeisin tieto netistä) Luennoitsija: Kaarle Kupiainen, FT kaarle.kupiainen@nordicenvicon.fi tai kaarle.kupiainen@ymparisto.fi Kurssin materiaalit: http://www.nordicenvicon.fi/data/g0987ghj/ Kurssin alustava runko 1. luento (ti 4.3.) Kurssin esittelyä, ennakkotehtävä 2. luento (to 6.3.) Ilmakehä 3. luento (ti 11.3.) Ilmastonmuutos 4. luento (to 13.3.) Ilmastonmuutos, harjoitustehtävä 5. luento (ti 18.3.) Stratosfäärin otsonikato, harjoitustehtävä Huom!! To 20.3. ja ti 25.3. ei luentoja!! 6. luento (to 27.3.) Troposfäärin otsoni, 1
Stratosfää äärin otsonikato Ozone depletion 2
Ilmakehän kerrokset Stratosfääri. Nousee tropopaussista (troposfäärin yläraja) 45-55 km korkeuteen maanpinnasta. Lämpötila nousee ylöspäin mentäessä, miksi pystysuuntainen sekoittuminen on heikkoa. Otsonikerros sijaitsee stratosfäärissä (pitoisuus korkeimmillaan n. 15-30km korkeudella). Troposfääri. Ilmakehän alin kerros (n. 10-15 km maanpinnasta). Lämpötila laskee ylöspäin mentäessä. Sekoittuminen on voimakasta. Sääilmiöt tapahtuvat troposfäärissä. Troposfäärin ja stratosfäärin välillä ilman sekoittuminen on hidasta Stratosfäärissä ilman pystysuuntaiset liikkeet ja sadanta ovat myös vähäisiä. Otsoni Otsoni on hapen kolmiatominen molekyyli (O 3 ). Se on voimakas hapetin. Suurin osa auringon biologiselle elämälle haitallisesta ultraviolettisäteilystä jää otsonikerrokseen (stratosfäärissä), joten se suojaa maapallon elämää. Alailmakehän (troposfäärin) otsoni on ilmansaaste, jota syntyy ilmakemiallisesti päästöistä. 3
Mihin otsonia käytetk ytetään Voimakkaana hapettimena otsoni tuhoaa mikrobeja ja hapettaa kemiallisia yhdisteitä. Tämän vuoksi sitä käytetään mm. Juomaveden puhdistukseen ja desinfiointiin Uimahallien veden puhdistukseen Jätevesien puhdistukseen Ympäristöystävälliseen selluloosan valkaisuun Kirurgisten instrumenttien desinfiointiin Ongelmajätteiden käsittelyyn Otsoni stratosfää äärissä ja troposfää äärissä Stratosfäärissä on ilmakehän kerros, jossa on poikkeuksellisen paljon otsonia. Sitä syntyy stratosfäärissä 25-30 km korkeudella auringon ultraviolettisäteilyn käynnistämistä fotokemiallisista reaktioista. Toisaalla otsonia syntyy maanpinnan lähellä ilmansaasteiden vaikutuksesta. Noin 90% kaikesta otsonista sijaitsee stratosfäärissä, noin 10 % troposfäärissä alle 10 km korkeudella. Kuvan lähde: Ympäristön tila Suomessa, kalvosarja 4
Otsoni stratosfää äärissä ja troposfää äärissä Otsoni vähenee stratosfäärissä ja lisääntyy troposfäärissä: molemmat prosessit ovat haitallisia. Kuva: hyvä ja paha otsoni Auringosta tuleva sm-säteilyn spektri ilmakehän ulkorajalla (TOA) ja meren pinnalla Näkyvän valon aallonpituusalue 400-700 nm UV <400 Infrapuna (lämpö) >700 5
Otsonin luonnollinen kemia stratosfää äärissä (Chapman-mekanismi) 1 2 3 4 Chapman-mekanismi 1-2 otsonin synty 3-4 otsonin hajoaminen 1. reaktio: UV <242 nm 2. reaktio: mukana kolmas molekyyli (esim. N 2 ), joka stabiloi O 3 absorboimalla ylijäämäenergian (lämmittää stratosfääriä) 3. reaktio: UV 242-320 nm näitä fotoneja enemmän kuin 1. reaktion (mistä otsonikerros?) netto-otsonia syntyy, kun osa kulkeutuu alemmaksi stratosfäärissä tai napoja kohti synty voimakkainta päiväntasaajalla, eniten otsonia pohj. lev.asteilla Otsonin katalyyttinen hajoaminen Chapman-mekanismi ei yksin selitä otsonin kemiaa stratosfäärissä Katalyyttinen hajoaminen = mukana kemiallinen tekijä X, jonka määrä ei muutu, mutta on välttämätön reaktioiden tapahtumiseksi Eli aktiivinen aine X muuttaa happiatomeja ja otsonimolekyylejä happimolekyyleiksi X voi olla: H, OH, (lähteenä H 2 O) NO (lähteenä N 2 O tai lentokoneiden pakokaasut) Cl, Br (lähteenä freonit ja halonit ) 1. XO+O X+O 2 2. X+O 3 XO+O 2 Netto: O+O 3 O 2 +O 2 6
CFC-yhdisteet Kloorifluorihiilivedyt, CFC:t, freonit (Freon tuotenimike yritys DuPont tuotenimikkeitä ovat esimerkiksi Frigen, Kaltron, Arcton, Genetron, Isotron ja Algofren). Syntyvät hiilivedystä, jossa vetyatomit ovat korvautuneet halogeeneillä, kloorilla ja fluorilla. CFC:t ovat täysin halogenioituja hiilivetyjä, joissa ei ole jäljellä yhtään vetyatomia. Kloori- tai fluoriatomit ovat syrjäyttäneet ne. Halonit -> kloorin tilalla Bromi (Br) Sukulaisaineet, joiden molekyyleissä on yksi tai useampia vetyatomeja - epätäydellisesti halogenoituja ja niitä kutsutaan sen mukaan HCFCaineiksi. Pysyviä (troposfäärissä), myrkyttömiä, palamattomia (1930-l ->, 1977 tuotannon huippuvuosi) jäähdytysaineina (jääkaapit, ilmastointi) vaahtomuovin valmistuksessa aerosoli pulloissa ponneaineina liuottimina elektroniikkateollisuudessa CFC:n hajoaminen stratosfää äärissä ja kloorin otsonia tuhoavat reaktiot UV: 175-220 nm Kloori toimii katalyyttina eli sitä ei kulu reaktioissa Yksi klooriatomi voi tuhota jopa 100.000 otsonimolekyyliä ennen muuntumistaan ClO:ta havaittu stratosfäärissä välituote, joka osoittaa reaktioiden tapahtumista 7
CFC-11: CFCl 2 CFC-12: CF 2 Cl 2 CFC-113: C 2 F 3 Cl 3 Joidenkin CFC, HCFC ja HFC- yhdisteiden pitoisuuksia ilmakehäss ssä Pitoisuudet kasvaneet 1950-l eteenpäin Huippuvuosi 1990-2000 (vrt. tuotantohuippu 1977) Korvaavat yhdisteet, jotka eivät sisällä Cl (HFC) 8
Kulkeutuminen stratosfää ääriin ja prosessit stratosfää äärissä Päästöt troposfäärissä pysyviä troposfäärin olosuhteissa sekoittuvat tasaisesti (n.1-2 v) Ilmanvaihto troposfääri-stratosfääri Hadleyn solun voimakkaat pystyvirtaukset päiväntasaajalla Aineet kulkeutuvat stratosfääriin n. 5 v Otsonin muodostuminen voimakkainta päiväntasaajalla, josta sitä kulkeutuu napaalueille, jossa havaitaan suurimmat konsentraatiot Stratosfäärin kiertoliike sekoittaa myös epäpuhtaudet ilmamassaan kulkeutuvat otsonin kanssa navoille (osa aktivoituu jo matkalla) Päästöhetkestä kulunut vuosia Stratosfäärin kierto ja otsonin pitoisuus leveysasteittan, pohjoisen pp.:n talvella 9
Kloorin esiintyminen ilmakehäss ssä ClO osoituksena otsonia tuhoavasta reaktioketjusta HCl ja ClONO2 suhteellisen stabiileja kloorin varastoja (paitsi stratosfäärin pilvikiteiden pinnalla, kts. myöhemmin) Lähde: Crutzen 10
Otsonikato määritelmä ja synty Etelämantereella Otsonikato DU<220 (DU: Dobsonin yksikkö 100DU=1mm kerros maan pinnalla) Kaasufaasin reaktiot eivät yksin riitä selittämään Antarktiksen voimakasta otsonikatoa, selityksenä toimii polaaripilvien muodostuminen ja pilvikiteiden pinnalla tapahtuvat reaktiot: Talvi: polaaripyörre voimistuu, stabiloituu ja eristää ilmamassan Pyörteen sisällä lämpötila laskee ja syntyy stratosfäärin polaaripilviä (PSC = Polar Stratospheric Clouds) Pilvikiteiden pinnalla varastoyhdisteet (HCl, ClONO 2 ) muuntuvat esim. Cl2- kaasuksi, joka fotokemiallisesti hajoaa edelleen Cl-atomiksi joka aktiivinen tuhoamaan otsonia Kaamoksen aikaan ei auringon säteilyä, eikä fotokemiallisia reaktioita vielä tapahdu Kaamoksen loppuessa Ilmamassaan pääsee UV-säteilyä, joka hajottaa esim. Cl2-kaasun kahdeksi Clatomiksi otsonia tuhoutuu, eikä uutta otsonia pääse ilmamassaan (polaaripyörre) seurauksena otsonikato/-aukko Tilanne raukeaa, kun säteily kasvaa pilvikiteet sulavat, mikä estää varastoyhdisteiden muuntumisen aktiivisemmiksi yhdisteiksi polaaripyörre heikkenee (sekoittuminen ulkopuolisiin ilmamassoihin) Polaaripyörre rre ja stratosfää äärin ilman liikkeet Polaaripyörre syntyy talvipallonpuoliskolle, kun ilmaa virtaa ekvaattorilta korkeille leveysasteille ja virtaus kääntyy läntiseksi. Stratosfäärin polaaripyörre "eristää" sisäänsä ilmamassan, jossa lämpötila voi laskea niin alhaiseksi, että syntyy polaaripilviä. 11
Varastoyhdisteet Katalysoivat yhdisteet voivat muuttua passiivisiksi (varastoitua) Yhdisteiden muuntuminen passiivisiksi: Esim. Cl+CH 4 HCl+CH 3 tai ClO+NO 2 ClONO 2 Stratosfääriin syntyy pilviä (PSC), kun lämpötila alle -78ºC, tällöin varastoyhdisteet voivat jälleen aktivoitua Pilvikiteiden (tms. hiukkasten) pinnalla edellytykset otsonin katalyyttiselle hajoamiselle Otsonin hajoaminen tarvitsee kylmät olosuhteet auringon säteilyä Yhdisteiden muuntuminen aktiivisiksi pilvikiteiden vaikutuksesta: Esim. HCl (kiteen pinnalla) + ClONO 2 Cl 2 (kaasu) + HNO 3 (kiteen pinnalle) Ja edelleen otsonin tuhoutuminen Cl 2 + hv -> Cl + Cl 2[Cl + O 3 -> ClO + O 2 ] 12
Global Atmosphere Watch http://www.wmo.ch www.wmo.ch/web/arep/ozone.html Minimilämpötila 50 hpa:n (mbar) painetasolla (=15-20 km:n korkeudella) Syksyinen otsonikato eteläisellä pallonpuoliskolla (elokuun puolivälistä joulukuun alkuun, alhaisin lokakuussa; eteläisen pallonpuoliskon kevättalvi) Etelänavalla 1996 havaittu otsoniaukko 13
Pohjoisnavan yllä ei kevättalvella yhtä voimakasta otsonikatoa Mantereet ja vuorijonot aiheuttavat aaltomaisia häiriöitä ilmavirtauksiin ja estävät vastaavanlaisen polaaripyörteen rteen stabiloitumisen kuin Etelämantereen yllä. Näin otsonia pääp ääsee kulkeutumaan enemmän. n. Arktisen stratosfää äärin talvilämp mpötila keskimää äärin n. 10 astetta korkeampi kuin Antarktiksella PSC muodostuminen vähäisempää. Otsoniaukon laajuus Etelämantereen yllä 1980-1991 1991 14
Otsoniaukon laajuus eteläisellä pallonpuoliskolla 2005-2006 Otsonikadon uhkatekijöit itä 1. Yksi kloorimolekyyli voi tuhota tuhansia otsonimolekyylejä 2. CFC-yhdisteet (freonit) ja halonit pitkäikäisiä 3. Vasta osa otsonia tuhoavista aineista on noussut stratosfääriin 4. Otsonikato on itseään voimistava reaktio: se johtaa stratosfäärin jäähtymiseen ja siten pidentää kriittisen kylmää kautta keväisin Edellä sanotusta seuraa, että vaikka päästöt lopetetaan kokonaan, otsonikato ei heti poistu. Viivyttely päästöjen vähentämisessä aiheuttaa vakavan uhkan. 15
Otsonikerroksen ohenemisen vaikutukset Otsonikerroksen ohenemisen seurauksena maan pinnalle kulkeutuvan UV-säteilyn määrä kasvaa. Lisää ääntyneellä UV-säteilyll teilyllä on vaikutuksia eliöille ille ja kasveille. Otsonikerroksen oheneminen ja ihosyöpä Lähde: http://www.heureka.fi/exhibitions/avoimet/envisat/fin/ozon/index.html.html UV-säteily vaikuttaa ihon väriainetta muodostaviin soluihin, melanosyytteihin. Iho ruskettuu altistuessaan UV-säteilylle. Rusketus on ihon suojakeino, joka pyrkii estämään vahingollisten UV-säteiden pääsyn ihon syvempiin kerroksiin. Iho voi palaa, jos säteilyä tulee liikaa. Ihosyöpäriski lisääntyy iholle tulevan säteilyn takia. Suomen Syöpärekisterin tietojen mukaan, yleisimpiä ihosyöpiä - tyvisolusyöpää, melanoomaa ja okasolusyöpää - todetaan n. 6000 suomalaisella vuosittain. Ihomelanoomista noin 95 % voitaisiin ehkäistä suojaamalla iho palamiselta. Ihon lisäksi myös silmät ovat herkkiä UV-säteilylle. Pitkäaikainen altistus säteilylle aiheuttaa silmän mykiössä hitaasti kehittyviä samentumia, mahdollinen kaihi alkaa kehittyä entistä nuoremmalla iällä. Osa UVsäteilystä voi tunkeutua aina silmän pohjaan asti, jolloin verkkokalvon solut alkavat pikkuhiljaa rappeutua. 16
Otsonikerroksen oheneminen ja ihosyöpä Auringon UV-säteilyn voimistuminen lisää suuresti ihosyöpäriskiä. Mikäli sopimuksia noudatetaan, otsonikato alkaa lieventyä lähivuosina, mutta säilyy vielä vuosikymmeniä lisäten ihosyöpäriskiä. Lähde: Nature 386 (1996) Otsonikerroksen oheneminen ja eliöt Luonnonvaraiset eliöt eivät voi suojautua ultraviolettisäteilyltä. Erityisesti meren pintakerroksen plankton on alttiina UVsäteilylle. UV-B voi tunkeutua merivedessä jopa metrin syvyydelle. Lisääntynyt UVsäteily voi vaarantaa merten perustuotannon ja johtaa kalakantojen heikentymiseen. Eläinten ihosyöpä sekä harmaakaihi yleistyvät, ja vauriot viljasadoissa lisääntyvät. 17
UV-säteily ja kasvit A. Yksi perusedellytys kasvien siirtymiselle merestä maankamaralle oli kyky suojautua ilmakehän UV-säteilyä vastaan. Suo-jautumiseen liittyy säteilyä absorboivien pigmenttien tuotanto ja DNA-vaurioiden korjausmekanismit. Kasvit, jotka kasvavat alueilla, joilla on paljon UV-säteilyä (päiväntasaaja, vuoristot) ovat parhaiten sopeutuneita UV-säteilyyn. Vain noin 10 % kasvin pinnalle tulevasta säteilystä heijastuu takaisin ilmakehään. Kasvin ulommainen solukerros eli epidermisolukko sisältää yleensä UV-B -säteilyä sitovia pigmenttejä, jotka pysäyttävät säteilyn etenemisen ja suojaavat yhteyttäviä solukerroksia. Havupuilla UV-B -säteilystä yli 95 % pysähtyy epidermisolukerrokseen; Ruohomaisilla kasveilla epidermin saattaa läpäistä jopa 40 % UV-B -säteilyä. Ruohomaiset kasvit ovat puita herkempiä UV- B -säteilylle. UV-säteily ja kasvit B. UV-säteilyllä on monenlaisia vaikutuksia kasveihin. Koska eri kasvilajit reagoivat eri tavoin UV-B -säteilyyn tästä seuraa muutoksia kasvilajien välisessä kilpailukyvyssä. Lajit, jotka pystyvät parhaiten sopeutumaan lisääntyvään UVsäteilyyn pärjäävät kilpailutilanteessa parhaiten. Täten UV-B -säteilyn lisääntymisellä voi olla ekosysteemitason vaikutuksia (mm. biodiversiteettiin). UV-säteilyn lisääntyminen pienentää viljelykasvien satoja. 18
Otsonikadon torjuminen - kansainväliset sopimukset 1972 Tukholma, YK:n ympäristökonferenssi: otsonikato lisätutkimusta vaativa ongelma 1985 Otsonikerros Etelämantereen yllä oli ohentunut keväällä 40 prosenttia 1987 Montrealin pöytäkirjalla rajoitetaan freonien ja halonien käyttöä 191 maata allekirjoittaneet Tarkistettu neljä kertaa (Lontoo, Kööpenhamina, Montreal, Peking) Esim. 1992 Kööpenhamina: käytön lopettamisen takarajaksi 1996 (Group I, Annex A) Toiminut hyvin (esimerkkinä toimivasta kansainvälisestä sopimuksesta), mutta täydellinen käytöstä luopuminen vaikeaa http://ozone.unep.org Otsonikadon torjuminen Montrealin sopimus 1987 (ja sen tarkistukset) Group I, Annex A aineet (CFC-11, -12, -113, - 114, -115): käyttö ja tuotanto loppuu 1996 mennessä Päämääränä kaikkien halonien ja CFC:den käytön lopettaminen 2010 mennessä; HCFC:t 2030 mennessä Joitakin poikkeuksia käytön lopetukselle (inhalaattorit, sukellusveneiden ja lentokoneiden palontorjunta) Kierrätys aineiden talteenotto Kehitysmaiden toimenpiteiden rahoittamista varten perustettu erillinen rahasto Korvaavat yhdisteet esim. HFC:t -> eivät sisällä klooria (ilmastovaikutus!) 19
CFC-yhdisteiden korvaaminen ja käyttökohteet Käyttökohteet säilyneet suurin piirtein samoina Korvaavat aineet saatu tehokkaasti käyttöön Korvaavilla aineilla ilmastovaikutus Ilmastovaikutusta voidaan vähentää Estämällä vuotoja Käyttömääriä tehostamalla Elinkaaren lopussa aineiden talteenotolla, kierrätyksellä ja tuhoamisella Lisäämällä korvaavien, ilmastovaikutuksettomien aineiden käyttöä Ottamalla käyttöön uutta erilaista tekniikkaa Otsonikato tulevaisuudessa Globaali keskimääräinen otsonikato on tasaantunut Mikäli Montrealin sopimusta noudatetaan, keskimääräinen otsoni takaisin 1980-tasolla n. 2040-luvulla Vuosien välinen vaihtelu voimakasta 20
21