Osoonikiht (0)

Sissejuhatus
Maailmas süvenevad globaalprobleemid . Need ei mõjuta enam üksikuid inimgruppe ja ökosüsteeme, vaid hõlmavad kogu maakera.
Atmosfääris suureneb antropogeensete saasteainete hulk. Kuigi nende sisaldus õhus on suhteliselt väike, mõjutavad nad oluliselt atmosfääris toimuvaid protsesse. üheks globaalprobleemiks on kujunenud atmosfääri saastatusest tingitud osoonikihi õhenemine. Osoonikiht on kaitseekraan, mis neelab suure osa elusloodusele ohtlikust ultravioletkiirgusest. Osoon on kogu eluslooduse seisukohalt väga vastuoluline ja tähtis gaas . Stratosfääris moodustavad osooni molekulid osoonikihi, mis kaitseb elusloodust surmava annuse ultraviolettkiirguse eest. Osoonikihi tekkimine oli väga tähtsaks elusorganismide arengu eelduseks . Seepärast on väga oluline saada võimalikult palju infot osoonikihi olukorra ja seda mõjutavate tegurite kohta.
Kuna keskonnaprobleemid on üheks minu huvialaks, siis olen ma mitmete aastate vältel kogunud materjale muuhulgas ka osoonikihi olukorra ja seda puudutavate probleemide kohta. õnneks on viimasel ajal seda teemat Eestis ka küllalt sageli puudutatud. Nendest allikatest sain suurt abi antud referaati koostades. Värskete osoonikihti puudutavate andmete saamisel oli suureks abiks ülemaailmne arvutivõrk internet .
Osoonikiht
Osoon (kreeka keeles ozün - lõhnav ehk trihapnik ) on hapniku allotroopne modifikatsioon O3. Ta tekib siis , kui hapnikust juhtida läbi elektrilahendus. 1785 aastal tähendas Hollandi teadlane Martin van Marum elektrostaatilise masina töötamisel mingit erilist värskendavat lõhna. "Elektri lõhn " oli ühtlasi tugev oksüdeerija. Sedasama märkasid ka teised elektrimasinaga eksperimenteerijad. 55 aasta pärast , seega 1840 a. täheldas saksa päritolu rootsi keemik Christian Schönbein hapniku omaduste muutumist elektriväljas. Ta jõudis järeldusele , et tegu on uue seni tundmatu gaasiga ja nimetas selle osooniks.
K. Eerme (1992) andmeil on osooni olemasolu atmosfääris teada 1923 aastast. Siis avastati meteooride jälgede uurimisel umbes 50 km kõrgusel paiknev suhteliselt kõrge temperatuuriga kiht, mida nüüd tuntakse stratopausina. Sellise temperatuuri ainus mõistlik seletus oli teatava osoonihulga olemasolu stratosfääris. Temperatuuri tõusu stratosfääris põhjustab nähtava ja infrapunase kiirguse neeldumine osoonikihis. Geofüüsikaliselt on osoonikiht 10-50 km kõrgusel maapinnast Maad ümbritsev osooni ehk " trihapniku " kiht. See kiht moodustab osonosfääri, kuhu on koondunud osooni põhimass ning valitseb happer tasakaal osooni tekkimise ja lagunemise vahel. Osooni leidub atmosfääris alates maapinnast kuni 90 km kõrguseni. Samas on õhus osooni äärmiselt vähe (looduslikes tingimustes maapinna lähedal 10-6 - 10-7 mahuprotsenti. E.Kyrö (1993) andmeil on stratosfääris osooni 5-10 korda rohkem, kui maapinnal.Tema hulk hakkab kiiresti kasvama tropopausis (umbes 10 km kõrgusel). Suurim osooni kontsentratsioon (kuni 300 ģg/m3) on 20-26 km kõrgusel. Seal on osooni sisaldus kuni kuni 1000 ppb (osakest miljardi osakese kohta). Osoonikihi paksus on seal normaaltingimustele taandatult 0,2 - 0,7 cm. Edasisel kõrguse suurenemisel osooni hulk väheneb ja kõrgemal kui 60 km leidub teda väga vähe .
Osoonikihi iseloomustamiseks kasutatavad mõõtühikud
Osooni koguhulka atmosfääris iseloomustatakse kokkuleppeliselt atmosfääri sentimeetritega, see on osoonikihi paksusega , kui kogu osoon oleks taandatud merepina tasemele normaalrõhule. Keskmiselt on osoonikihi paksus 0,3 cm lähedal. Ilma komata arvude saamiseks kasutatakse viimasel ajal sagedamini 1000 korda väiksemaid, nn. Dobsoni ühikuid (DU-Dobson Unit ).
H.Kariku(1993) andmeil moodustaks kogu atmosfääris olev osoon normaaltingimustel maapinnale kokku kogutuna 3-5 mm paksuse kihi. E.Kyrö(1993) andmeil võtaks õhuhapnik samadel tingimustel enda alla 5,5 km ja kogu atmosfäär 8,8 km paksuse ala.
E.Kyrö (1993) sõnul kasutatakse lokaalsete osooni kontsentratsioonide avaldamisel tavaliselt osooni osarõhu mõistet. Osarõhu mõõtühikuks on millipaskal (mPa). ühele millipaskalile vastab osooni kontsentratsioon 20 ģg/m3. Maapinnal on osooni tüüpiline osarõhk 3-4 mPa. See number võib muutuda saastetsoonide keskustes. Osoonikihis on osooni osarõhk maksimaalselt kuni 5 korda suurem kui maapinnal , see on 15-20 mPa ehk 300 - 400 ģg/m3.
Osoonikihi keemiline tasakaal
Osoon moodustub atmosfääris fotodissotsiatsiooni käigus hapniku molekulidest. Hapniku molekul O2, neelanud sobiva suurusega kvandi (ėmolekuliga , moodustades osooni O3 molekuli.
Ülal kirjeldatud osooni sünniprotsess ei toimi E.Kyrö(1993) sõnul madalatmosfääris (0-10 km) kõrgusesl, sest vastava lainepikkusega (ė O + O lainepikkus on väiksem kui 243nm (1)
O+ O2 +M -> O3 +M M=N2 või O2 (2)
O3+ hv -> O2 + O lainepikkus on väiksem kui 1200nm (3)
O2 + O -> O2 + O2 (4)
Ultraviolettkiirgus seab endale ise atmosfääris tõkke ette. Kuna osooni hävimisel ( reaktsioon 3) , neeldub ka nähtavat ja eriti intensiivselt lähiinfrapunast kiirgust moodustub umbes 50 km kõrgusel suhteliselt kõrge temperatuuriga (üle 0 kraadi) kiht. Eerme(1993) sõnul langevad temperatuuri negatiivsed hälbed stratosfääris kokku negatiivsete hälvetega osooni kontsentratsioonis. Selline kiht on otsekui suur atmosfääri soojusreservuaar. Arvatakse, et sel kihil peaks olema kaaluv sõna kaasa rääkida atmosfääri protsessides, eriti üldises tsirkulatsioonis. Eerme(1993) andmeil oletatakse, et energia jäävuse seaduse kohaselt peaksid stratosfääris toimuvad temperatuuri muutused mõjutama naabersfääre - troposfääri ja mesosfääri , mis omakorda võib kaasa tuua muutusi kliimaprotsessides.
E.Kyrö(1993) sõnul jõuti 1960 ndatel aastatel järeldusele, et kui toimuksid vaid Chapmani reaktsioonid , oleks osoonikiht 50-60% tihedam kui ta pikkaajaliste vaatluste põhjl tegelikult on. Uurijad olid veendunud, et esineb veel mingi täiendav osooni hävimise mehhanism . M. Chanini (1993) andmei väideti, et vesinik ja selle oksiidid toimivad osooni hävimisel katalüsaatoritena. Kuni 80% osoonikihi lagunemisest toimub katalüsaatorite kaasabil.
X + O3 -> XO + O2 (5)
XO + O -> X + O2 X- H või OH (6)
kokku O + O3 -> O2 + O2 (7)
Kuna reaktsioonis 6 moodustub katalüsaator X üha uuesti võib üha uute osoonimolekulide hävimise protsess alata tuhandeid või isegi sadu tuhandeid kordi järjest. Protsess kestab seni, kuni X moodustab mingi teise ainega püsiva ühendi.
Sirkka Liisa Kaupinen (1991) esitab järgmise reaktsioonitsükli.
O3 + hv -> O + O2 (8)
O + H2O -> 2OH- (9)
Osooni molekuli fotodissotsiatsioonil (8) vabanenud hapniku aatom reageerib vee molekuliga (reaktsioon 9) ning sünnib hüdroksüülradikaal. See reageerib omakorda kõigi atmosfääris olevate molekulidega , puhastades niimoodi atmosfääri.
See reaktsioon destabiliseerib osooni ja hapniku vahelist tasakaalu, sest , sest OH reageerib ka osooni molekuliga. Sellised reaktsioonid toimuvad põhiliselt stratosfääri alaosas. K. Eerme (1993) andmeil on viimasel ajal hakanud tõusma stratosfääri ja mesosfääri niiskusesisaldus .
Kuid on leitud ka mitmeid teisi katalüsaatoreid. Neist tähtsamad on lämmastik ja selle oksiidid N,NO,NO2 ning halogeenide ühendid Br, BrO , Cl, ClO. Kõik need katalüsaatorid toimivad reaktsioonide 5 ja 6 kohaselt. Näiteks:
NO + O3 -> NO2 + O2 (10)
NO2 + O -> NO + O2 (11)
kokku O + O3 -> O2 + O2 (12) Selline looduslik osooni hävimine on alati olemas ning ta vaid tasakaalustab osooni tootmist.
E.Kyrö(1993) andmeil , pääsesid katalüsaatorid varem stratosfääri peamiselt maapinnal paiknevaist looduslikest allikatest. Kõigile nendele katalüsaatoritele on iseloomulik see , et nad on pikaealised ning ei hävi aastatepikkusel matkal läbi troposfääri. Tavaliselt moodustab katalüsaatori sisaldus vaid tuhandiku osooni hulgast.
Vesiniku ja selle oksiidide peamine lähteaine on S. Kauppineni (1991) andmeil veeaur ja metaan . R. Sepa (1994) sõnul on lämmastikradikaalid pärit N2O -st , mis on maapinnal toimuvate mikrobioloogiliste protsesside toode. Nened looduslikuks allikaks on ka äike , metsatulekahjud ja merepind(päikesekiirgus avaldab mõju merevees olevatele nitrit jm ioonidele). M.Chanini(1993) andmeil on kloori ainus märkimisväärne looduslik lähteaine ookeanide klorometaan ( CH3Cl ). Broomi looduslik allikas on ookeanide auramisel tekkiv metüülbromiid.
Tänu inimtegevusele, näitavad kõigi eelmainitud katalüsaatorite kontsentratsioonid atmosfääris kasvutendentsi.
Kui osoonikiht õheneb siis jõuab maale lühilaineline ultraviolettkiirgus, mis põhjustab inimesel nahavähki ja katarakti. Ultraviolettkiirgus hävitab nukleiinhappeid ning pidurdab rakkude paljunemist, muudab DNA struktuuri ja vähendab põllusaaki. Viimastel aastatel on paljudes riikides täheldatud nahavähki haigestumise suurenemist , mis on tingitud osoonikihi hõrenemisest ja ultraviolettkiirguse jõudmisest Maale. Teatavasti põhjustab 300-400 nm lainepikkusega ultraviolettkiirgus päevitust ja D-vitamiini teket, lühema lainepikkusega kiirgus aga kutsub esile rakkude hävinemise.

Osooni liikumine atmosfääris

E.Kyrö(1993) andmeil on osoon stratosfääris suhteliselt pikaajaline ühend. Seetõttu mõjutab atmosfääri dünaamika (tuuled) otsustavalt osooni jagunemist atmosfääris. Kõige enam tekib osooni atmosfääris ekvaatori läheduses, kust stratosfääri õhuringlus kannab osoonirikka õhu pooluste suunas. Tsirkulatsioon mõlemal poolkeral on teineteisest peaaegu sõltumatu. Nõnda kujuneb välja olukord, kus ekvaatori läheduses on osoonikihi paksus vaid 250 - 280 Dü , polaaraladel aga tublisti rohkem. Tuultesüsteem, mis kannab osooni ekvaatorilt poolustele on E.Kyrö(1993) andmeil 10-30 km. kõrgusel isosfääris (lisa 1). Voolus on tugevam talveperioodil, kui ekvatoriaalsete alade ja pooluste temperatuurierinevused on suured. See põhjustab looduslikult polaaraladel talve lõpul ja kevade algul tavatult kõrgeid osooniarve. "Polaaaraladel on atmosfääris kõige rohkem osooni talvel (2*10-6 mahu % ) ja kevadel (kuni 7*10-6 mahu%)" (EE nr. 7 1994,lk. 110). Suvel soojusvahetus ekvaatori ja polaaralade vahel nõrgeneb. Looduslikult on kõige õhem osoonikiht sügisel (põhjapoolkeral septembris, oktoobris ). Seega on osoonikihi paksuses ka suured sessoonsed erinevused. K.Eerme(1992) andmeil oleks juhul, kui ei toimuks antropogeensete saasteainete emissiooni, hilistalvel polaarjoone taga osooni sisaldus osoonikihis keskmiselt 450 Dü ja sügisene 280 Dü. Meie laiuskraadidel on osoonikihi paksus üldiselt korralik ja osoonikihi paksus on vahemikus 315 -430 Dü. Aasta sees on üsna tähelepanuväärne igapäevastest meteoroloogidest ilmingutest tulenev suur osoonikihi paksuse muutus. Tõusvad õhuvoolud õhendavad osoonikihti. Troposfääri satub osoonivaesem õhk. Sünnivad osoonimadalad ja selle ümber tekivad kõrgema osoonisisaldusega alad. Sellega seoses võib teatud paikades väheneda osoonikihi paksus päeva jooksul kuni poole võrra. Niimoodi tekivad miniosooniaugud.
Tuleb öelda, et eelöeldu kehtib ka suhteliselt terve osoonikihi kohta. Paisates õhku erinevaid kasvuhooneeffekti tekitavaid saasteaineid võib inimkond mõjutada keskatmosfääri tuultesüsteemi ja selle kaudu ka osooni liikumise dünaamikat.
Broomiühendid
Ülemaailmese Meteoroloogia Organisatsiooni (WMO) 1994 aasta ettekandes väidetakse, et ookeanide auramisel tekkiv metüülbromiid on üks suurim osoonikihi kahjustajaid. Metüülbromiid hävitab osoonikihti peaaegu samapalju kui kloorfluorsüsinik.
Määratleti ka kolm inimtegevuse tagajärjel tekkinud metüülbromiidi allikat: viljakoristusele järgnev kahjuritõrje, metsade ja kõrrepõldude põletamine ja tinaühenditega bensiini kasutavate autode heitgaasid.
Antropogeensete saasteainete hulgas paiskuvad atmosfääri ka haloonid. Neid kasutatakse tulekaitsesüsteemides. Tuntumad haloonid on CF2ClBr ja CF3Br. Haloonid mõjuvad osoonikihile põhimõtteliselt samamoodi kui CFC ühendid. Haloonides on osooni hävitav ühend kloori asemel broom.
Br + O3 -> BrO + O2 (21)
BrO + ClO -> Br + ClOO (22)
Haloonid hävitavad osooni 3-10 korda võimsamalt kui freoonid . Selle põhjuseks on Chanini(1993) arvates see, et erinevalt kloorist pole broomil atmosfääris effektiivseid sidujaid. Seetõttu ongi broomi aatom palju effektiivsem osooni hävitaja kui kloori aatom. Mõningal määral reageerivad broomi aatomid HO2 molekuliga moodustades HBr ja vabaneb O2. Kuid HBr reageerib omakorda OH molekuliga ja vabaneb jällegi broomi aatom.
Lennuliikluse mõju osoonikihile
Stratosfääri paiskub lennuki ja raketikütuse põlemisel hulgaliselt põlemisjääke, peaasjalikult lämmastikdioksiide ja veeauru ning aerosooliosakesi. Umbes ühemikromeetrilise läbimõõduga osakeste hulga pidevat kasvu pannakse praegu rakettide süüks.
Maailma kõige tihedama liiklusega lennukoridoris , mis kulgeb Atlandi ookeani põhjaosa kohal Euroopa ja Ameerika vahel on K Rohtmetsa(1994) andmeil osoonikiht 1994 aasta kevad-talvel veerandi võrra õhemaks kulunud. Iga päev kasutab seda õhuteed umbes 500 regulaarset lennuliini. Iga päev lendab üle Atlandi umbes 700 lennukit. Selline tihe lennuliiklus on aga osoonikihi jaoks väga ohtlik.
Et kahandada stratosfääri saastamist lennukikütuse põlemisjääkidega, peaasjalikult lämmastikoksiidide ja veeauruga, tuleks vähendada lennukite arvu või lennukõrgust. Lennuliinide ja reisijate arv aga kasvab järjekindlalt ning järgmise 12 aasta jooksul ilmselt kahekordistub. Ka on moodsad superülihelikiirusega lennukid konstrueeritud lendama just stratosfääris, kus õhk on hõredam ja kütusekulu on seetõttu väiksem. Saksa lennukompanii Lufthansa hinnangute kohaselt suureneb kütusekulu juhul kui lennukõrgus alandatakse troposfääri alakihtidesse, ligemale 1/10 võrra.
Osoonikihi taastamine
Viimastel aastatel on saanud üha selgemaks, et lähitulevikus ei piisa osoonikihi hävimise pidurdamiseks ainult rahvusvahelistest lepetest. Looduslikud protsessid ei suuda kompenseerida inimtegevuse mõju. Seepärast on teadlased esitanud erinevaid ideid, kuidas osoonikihti tehislikult taastada. "Üks idee on osoonigeneraatoritega lennuk, mis külvaks osooni. Välja on öeldud ka idee viia atmosfääri hapnikku, mis muutuks sel päikesekiirte toimel osooniks. Probleem on selles, et lennuki ning raketimootori põlemisgaasid on osoonikihile kahjulikud.
Venemaal toimuv konversioon on teinud ballistilised meetodid osoonikihi ökoloogiliselt puhtaks kaitsmiseks. Venemaal on loodud gigantsed 300 mm-se läbimõõduga suurtükid. Need tulistavad mürske kuni 50 km (perspektiivis kuni 100 km) kõrgusele ja seda ökoloogiliselt täiesti puhaste vahenditega- mürsku kiirendatakse näiteks elektromagnetiga.
Niznegorodski uurimisinstituudi spetsialistid on teinud ettepaneku moderniseerida juba olemasolevaid suurtükke. Selle tulemusel oleks võimalik 100km kõrgusele iga lasuga toimetada 100 kg osoonikihti taastavaid aineid. Kuna aga Antarktikas häviva osooni mass moodustab igal aastal 2 miljonit tonni, on arusaadav, et vajatakse tohutul hulgal vastavaid laskeseadmeid. Enda teatel on Venemaa spetsialistid nende seadmete tootmiseks valmis.

Kasutatud kirjandus

Internet:
http://www.va.ttu.ee/~erkie/osoon/osoonileht1.html
http://ael.physic.ut.ee/KF.Private/Piia.Post/meteo/ehitus_pilt.pdf
http://et.wikipedia.org/wiki/Osoonikiht

Sisukord

Sissejuhatus 2
Osoonikiht 2
Osoonikihi iseloomustamiseks kasutatavad mõõtühikud 3
Osoonikihi keemiline tasakaal 3
Osooni liikumine atmosfääris 6
Broomiühendid 6
Lennuliikluse mõju osoonikihile 7
Osoonikihi taastamine 7
Kasutatud krjandus 9