Otsonikerros

Otsonia esiintyy kaikilla ilmakehän korkeuksilla, mutta suurimmat pitoisuudet esiintyvät 15-30 km korkeudella niin sanotussa otsonikerroksessa. Otsonin pitoisuus ilmakehässä on kuitenkin pieni, suurimmillaan ainoastaan noin kuusi miljoonasosaa tilavuudesta. Näin ollen myös otsonin kokonaismäärä ilmakehässä on pieni, eli jos kaikki ilmakehän otsoni tuotaisiin maanpinnalle, siitä muodostuisi vain noin kolmen millimetrin 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

Etelämantereen yllä havaittiin 1980-luvun puolessa välissä voimakas ohenema otsonikerroksessa, eli otsoniaukko. Yllättävä ilmiö herätti huolen otsonikerroksen kohtalosta ja otsonikadon aiheuttamasta uhasta biosfäärille. Voitiin pian osoittaa, että halogenoidut hiilivedyt, eli klooria ja bromia sisältävät yhdisteet, olivat aiheuttaneet havaitun otsonikadon. Halogenoiduista hiilivedyistä vapautuu klooria ja bromia, joiden katalyyttiset reaktiot otsonin kanssa aiheuttavat otsonikatoa. Katalyyttisissä reaktioissa halogeeniyhdisteet vapautuvat reaktiosyklin päätteeksi, jolloin kato voi jatkua.

Jo 1970-luvulla oli ennustettu, että otsonikerros ohenisi kloori- ja bromiyhdisteiden takia, mutta voimakas polaariotsonikato tuli kuitenkin yllätyksenä. Polaarialueiden voimakas otsonikato johtuu polaaristratosfääripilvistä, jotka syntyvät talvinavan kylmissä olosuhteissa. Talvella navan ympärille muodostuu napapyörre, joka eristää tehokkaasti napa-alueen ilmakehän muusta ilmakehästä. Lämpötilat laskevat auringonsäteilyn puuttuessa erittäin alhaisiksi, jopa alle -80 °C 20 kilometrin korkeudella. Polaaristratosfääripilvet muodostuvat vedestä, typpihaposta ja rikkihaposta. Koostumus ja olomuoto riippuvat lämpötilasta. Pilvipartikkelit katalysoivat reaktioita, jotka vapauttavat klooria ja bromia aktiiviseen muotoon, jonka takia otsoniaukko kehittyy.

Etelämantereen yllä oleva polaaripyörre on vahva ja kylmä ja antaa siten mahdollisuuden suuriin otsonikatoihin. Pohjoinen polaaripyörre on epävakaampi, siten pienempi ja lämpimämpi, ja hajoaa aikaisemmin keväällä kuin eteläinen ja otsonikato jää vähäisemmäksi.

Polaaristratosfääripilvet

Polaaristratosfääripilviä esiintyy nimensä mukaisesti talvella polaarialueiden stratosfäärissä 15-30 kilometrin korkeudella. Polaaristratosfääripilvet voidaan luokitella kahteen tyyppiin huurrepisteen mukaan. Huurrepisteen (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 myös 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 ovat huomattavasti vaikeammin havaittavissa kuin värikkäät helmiäispilvet.

Suomessa havaitaan usein helmiäispilviä voimakkaan länsivirtauksen, eli föhn-tuulen yhteydessä. Kun ilmavirtaus nousee Skandien yli, myös stratosfäärin ilmamassat nousevat ylöspäin ja muodostuu aaltoliikettä vuorijonon itäpuolelle, 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 1987 sovittiin Montrealin Pöytäkirjassa otsonia tuhoavien aineiden tuotannon ja käytön rajoittamisesta ja lopettamisesta. Pöytäkirjaa on myöhemmin täydennetty, ja 2009 siitä tuli ensimmäinen sopimus, jonka kaikki maailman maat ovat allekirjoittaneet.

Sopimuksella estettiin otsonituhon paheneminen, mutta otsonikerros palautuu 1980-lukua edeltävälle tasolle vasta neljän seuraavan vuosikymmenen aikana. Montrealin Pöytäkirjassa sovitut päästövähennykset ovat myös tuoneet merkittävää ilmastohyötyä. Kansainvälistä otsonikerroksen suojelupäivää vietetään Montrealin Pöytäkirjan allekirjoituspäivänä 16. syyskuuta.