tr tr tr
kuvakollaasi
www.ilmanlaatu.fi Yhteystiedot ohje Linkit Palaute Sivukartta
palkki ilmanlaatu nyt tarkistetut mittaustulokset ilmanlaadun mittaaminen tietoa ilmansaasteista palkki
varjo
tr
tr tr tr tr tr
tr Ilmanlaadun mittaaminen › Syventävää tietoa › Otsoni ilmansaasteena      
tr Otsoni ilmansaasteena     Tulosta

Erikoistutkija Virpi Tarvainen, Ilmatieteen laitos

   
13.02.2008    

Otsoni on hapen kolmiatominen muoto ja se kuuluu osana ilmakehän luonnolliseen kaasukoostumukseen. Suurin osa otsonista syntyy ilmakehän yläosassa ja runsaimmin sitä onkin stratosfäärin otsonikerroksessa, yli 20 kilometrin korkeudella. Siellä se muodostaa maapallon ympärille suojaavan vaipan, joka suodattaa maahan tulevasta auringonvalosta elämälle haitalliset lyhytaaltoiset ultraviolettisäteet. Ilmakehän alimmassa 10 kilometrissä eli troposfäärissä otsonia on vain kymmenesosa koko ilmakehän otsonimäärästä. Osa tästä ns. alailmakehän otsonista eli maanpintaotsonista on kulkeutunut tänne ylemmistä ilmakerroksista, mutta paljon tärkeämpi ihmisen ja ympäristön kannalta on osa, joka syntyy maanpinnan läheisissä ilmakemiallisissa reaktioissa. Maanpintaotsonille on luonteenomaista pitoisuuksien voimakas vaihtelu vuorokaudenajan, vuodenajan ja paikan mukaan. Pitoisuudet ovat korkeita iltapäivisin ja kesäisin ja pienimmillään yöllä sekä talvisaikaan (kuvat 1 ja 2). Tämä johtuu siitä, että otsonia muodostavat reaktiot tarvitsevat käyttövoimakseen auringon valoa. Myös muut säätekijät vaikuttavat otsonipitoisuuksiin, eivätkä eri vuodet ole otsoninkaan suhteen veljiä keskenään.

Kemialliselta luonteeltaan otsoni on voimakkaasti hapettava, joten suurina määrinä esiintyessään sillä on haitallisia vaikutuksia ihmisiin, kasveihin ja materiaaleihin. Hapettimena se kuitenkin myös reagoi esimerkiksi rikki- ja typpiyhdisteiden ja muiden ilmansaasteiden kanssa muuntaen niitä helpommin ilmakehästä poistuvaan muotoon. Lisäksi sen hajoamisreaktioissa syntyy muita tehokkaita hapettimia, jotka edelleen jatkavat puhdistustyötä.

Otsonilla on myös ilmastovaikutuksia, koska se absorboi auringon säteilyn lisäksi myös lämpösäteilyä ja on siten tehokas kasvihuonekaasu: Nykyisin otsonia pidetään hiilidioksidin ja metaanin jälkeen kolmanneksi tärkeimpänä ihmisen tuottamista kasvihuonekaasuista.

Ilmansuojelussa otsoni muodostaa hankalan ongelman, koska jo vähänkin normaalista taustatasosta kohonneet pitoisuudet saattavat olla vahingollisia. Viimeisten sadan vuoden aikana keskimääräiset otsonipitoisuudet ovat ihmisen toiminnan ansiosta kolmin- tai nelinkertaistuneet niin eteläisellä kuin pohjoisellakin pallonpuoliskolla. Euroopassa tausta-alueiden keskimääräinen otsonipitoisuus on viimeisten 20-30 vuoden ajan kasvanut noin 10 mikrogrammaa vuosikymmenessä ja on nykyisin 40-70 mikrogrammaa kuutiometrissä ilmaa. Useimmissa teollistuneissa maissa, myös Suomessa, esiintyy tilanteita, joissa keskimääräinen pitoisuus nousee yli 100 mikrogrammaan kuutiometrissä. Maailman terveysjärjestön suositukseen perustuva yläraja, jota otsonipitoisuuden ei terveysvaikutusten välttämiseksi tulisi ylittää on ollut 120 mikrogrammaa kuutiometrissä, mutta järjestön uuden suosituksen mukaan tätä rajaa tulisi laskea 100 mikrogrammaan kuutiometrissä.
 

Kuva 1. Otsonipitoisuuden vuorokausivaihtelu.

Kuva 1. Otsonipitoisuuden vuorokausivaihtelu.

Kuva 2. Otsonipitoisuuden vuosivaihtelu.

Kuva 2. Otsonipitoisuuden vuosivaihtelu.

 

 

Otsonin muodostuminen ja ilmakemia

Otsonin muodostusreaktioita on ilmakehässä vain yksi: kaksiatomisen happimolekyylin ja yksinäisen happiatomin kohtaaminen, jonka tuloksena muodostuu otsonimolekyyli. Mekanismit, jotka näitä yksinäisiä atomeja tuottavat ovat kuitenkin erilaisia ilmakehän eri kerroksissa. Stratosfäärissä happiatomeja syntyy kun auringon ultraviolettisäteily hajottaa happimolekyylejä. Maanpinnalla tämä happiatomien tuotantomekanismi ei ole mahdollinen, koska sen vaatimat hyvin lyhytaaltoiset ultraviolettisäteet suodattuvat pois jo ilmakehän ylemmissä kerroksissa. Alailmakehän otsoninmuodostus perustuukin typpidioksidin hajoamiseen, jonka aikaansaamiseen maanpinnalle pääsevät ultraviolettisäteet ovat riittävän energeettisiä.

Maanpintaotsonin muodostumismekanismi koostuu kolmesta reaktiosta:

NO2 + UV-säteily  ->  NO + O
O + O2 + M  -> O3 + M                                 (M on yleensä joko N2 tai O2)
O3 + NO  -> NO2 + O2

Mikäli läsnä ei ole muita häiritseviä yhdisteitä, nämä kolme reaktiota asettuvat nopeasti tasapainoon (ns. fotokemiallinen tasapaino), jossa otsonin, typpidioksidin ja typpimonoksidin pitoisuudet pysyvät näennäisesti muuttumattomina niin kauan kuin aurinko paistaa. Näissä olosuhteissa ei siten havaita otsonin nettotuotantoa.

Jotta otsonia pääsisi alailmakehän kemiallisissa reaktioissa kertymään tarvitaan vielä yhden komponentin, hiilivetyjen (yleisemmin haihtuvien orgaanisten yhdisteiden, VOC) mukanaoloa. Hiilivetyjen reaktiotuotteina syntyvät hapetuskykyiset yhdisteet huolehtivat typpimonoksidin hapettamisesta yhä uudelleen typpidioksidiksi, jolloin otsonia ei kulu tässä reaktiossa ja sen pitoisuus kasvaa. Myös näihin reaktioihin tarvitaan auringonvaloa:

[VOC & NO & säteily] -> NO2 + muita tuotteita

Otsoni on itsekin herkkä ultraviolettisäteilylle, ja hajotessaan se mahdollistaa ilmakehän tärkeimmän hapettimen, OH-radikaalin muodostumisen:

O3 + UV-säteily -> O* + O2                         (O* on virittynyt happiatomi )
O* + H2O ->   2 OH

Alailmakehän kemiallisissa reaktioissa muodostuvan otsonin määrää säätelevät typen oksidien ja hiilivetyjen määrät  ja niiden suhde sekä auringonvalo.  Alailmakehän luonnollisia typpilähteitä ovat mm. maaperässä tapahtuvat biologiset prosessit, salamat ja metsäpalot. Hiilivetyjen luonnollisia lähteitä ovat kasvien elintoiminnot, eläinten ruoansulatus, kosteikot ja meret. Näitä luonnon päästöjä monin verroin tärkeämmiksi ovat nykyisin kuitenkin käyneet ihmisen toiminnan eli teollisuuslaitosten ja liikenteen typen oksidi- ja hiilivetypäästöt. Etenkin typpipäästöjen lisääntyminen on tärkeää alailmakehän otsoninmuodostukselle, koska maapallon taustailmassa (eli ilmassa, jonka katsotaan olevan vielä puhdasta ihmisen vaikutuksista) typpeä on hyvin vähän, ja tämä on muodostanut tehokkaan luonnollisen rajoituksen taustailman otsonin määrälle. Troposfäärin otsoninmuodostuspotentiaali on kuitenkin suuri, ja on arvioitu, että jos kaikista maailman hiilivety- ja hiilimonoksidipäästöistä voisi muodostua otsonia, sen pitoisuudet olisivat kymmenkertaiset luonnolliseen taustaan verrattuna.

Otsoniongelmia esiintyy yleensä alueilla, joilla on paljon typen oksidien ja hiilivetyjen päästöjä ja riittävästi lämpöä ja auringonpaistetta kemiallisten reaktioiden ylläpitämiseksi. Auringonpaistevaatimuksen vuoksi otsoni on nimenomaan kesäajan vitsaus. Koska otsoni voimakkaana hapettimena reagoi herkästi esimerkiksi tuoreiden liikennepäästöjen kanssa, ei korkeita otsonipitoisuuksia yleensä esiinny aivan suurkaupunkien keskustassa. Myös esimerkiksi Helsingin keskustan otsonipitoisuudet ovat alhaisempia kuin vaikkapa Vantaalla ja Espoossa. Mutta kun tämä kaupunki-ilma sitten kulkeutuu tuulten mukana ympäröivälle alueelle, alkavat otsonia muodostavat reaktiot vähitellen päästä voitolle, ja pitoisuushuiput esiintyvät ehkä vasta seuraavina päivinä satojen kilometrien päässä päästöalueelta. Näin meilläkin pääkaupunkiseudun päästöt voivat näkyä otsonipitoisuuksien kohoamisena Keski- ja Pohjois-Suomessa.

Vaikka monet otsonipitoisuuksien käyttäytymiselle tyypilliset piirteet havaitaan myös Suomessa, eivät pitoisuustasot täällä kuitenkaan kohoa samoihin lukemiin kuin eteläisemmissä suurkaupungeissa ja Keski-Euroopan tiheäänasutuilla seuduilla, missä typen oksidien ja hiilivetyjen päästömäärät ovat paljon suuremmat eikä auringonpaisteestakaan yleensä ole pulaa.

Otsoni ja sitä muodostavat yhdisteet voivat kaukokulkeutua ilmakehässä useita päiviä, ja Suomessa havaittavat normaalia korkeammat otsonipitoisuudet liittyvät tyypillisesti Keski- tai Itä-Euroopasta saapuneisiin valmiiksi saastuneisiin ilmamassoihin. Suotuisissa olosuhteissa tällaiset ‘otsoniepisodit’ voivat kestää monta päivää, ja niille on tyypillistä tilanteen jatkuva huononeminen eli päivän huippupitoisuuksien jatkuva kohoaminen. Episodi päättyy yleensä säätilanteen muuttuessa. Otsoni poistuu ilmasta kuivalaskeumana kasvillisuuteen. Otsonintuotanto ilmamassassa vähenee myös kun typen oksidit muuntuvat muutaman päivän aikaskaalassa vesiliukoiseksi typpihapoksi ja poistuvat ilmasta.

 

Kuva 3. Otsonipitoisuuden kehittyminen kulkeutumisen aikana.

Kuva 3. Otsonipitoisuuden kehittyminen kulkeutumisen aikana.

 

Otsonin haittavaikutukset

Otsonin ihmiselle aiheuttamat haitat riippuvat sen pitoisuudesta, altistuksen kestosta, fyysisen rasituksen voimakkuudesta altistuksen aikana ja altistuvan henkilön terveydentilasta. Osa oireista aiheutuu muista otsonin kanssa samanaikaisesti esiintyvistä ilmansaasteista. Haitallisia ovat sekä lyhytaikaiset suuret ilman otsonipitoisuudet, että pitkään jatkuva altistuminen normaalia korkeammille otsonipitoisuuksille. Herkkyys otsonille vaihtelee ja arvioidaan, että noin kymmenen prosenttia ihmisistä on sille erityisen herkkiä.

Otsonin terveyshaitat perustuvat sen kykyyn reagoida lähes kaikkien aineiden kanssa ja hapettaa entsyymejä, proteiineja ja rasvahappoja. Kehoon otsoni joutuu lähinnä hengityksen kautta. Se aiheuttaa vaurioita hengitysteissä ja vaikeuttaa hengitetyn ilman ja verenkierron välistä kaasujen vaihtoa. Otsonin vaikutus keuhkojen toimintaan on sitä suurempi mitä ankaramman fyysisen rasituksen alaisena sille altistuva henkilö on, koska fyysisen rasituksen aikana hengitetty ilmamäärä moninkertaistuu. Niinpä esimerkiksi urheileminen tai raskaan ruumiillisen työn teko ulkosalla ei korkeiden otsonipitoisuuksien aikana ole suositeltavaa. Sisäilmassa otsonipitoisuudet yleensä ovat ulkoilmaan verrattuna alhaisia, joten otsonilta voi suojautua myös pysyttelemällä sisätiloissa. Henkilöillä, joiden keuhkojen toiminta on jostain syystä heikentynyt, esimerkiksi astmaatikoilla tai vanhuksilla, voivat korkeiden otsonipitoisuuksien aiheuttamat haitat ilmetä muuta väestöä herkemmin.

Jo noin 160 mikrogrammaa kuutiometrissä olevina pitoisuuksina otsoni voi aiheuttaa muutoksia keuhkojen toiminnassa ja tulehdustyyppisen reaktion keuhkokudoksessa. 200 mikrogrammaa kuutiometrissä ylittävissä pitoisuuksissa voi esiintyä silmien vuotamista, hengitystieärsytystä, päänsärkyä ja hengitysvaikeuksia sekä väsymystä ja huonovointisuutta. Otsonipitoisuuden ylittäessä 240 mikrogrammaa kuutiometrissä on havaittu fyysisen suorituskyvyn heikkenemistä, astmakohtausten lisääntymistä ja keuhkokudoksen ikääntymisen nopeutumista. Otsoni tehostaa muiden ilmansaasteiden kuten esimerkiksi karsinogeenien vaikutuksia ja saattaa myös itse olla syöpää aiheuttava. Otsonista äkillisesti aiheutuvat terveyshaitat häviävät yleensä melko nopeasti altistuksen lakattua, mutta pitkäaikaisen voimakkaan altistuksen seurauksena keuhkokudokseen voi syntyä myös pysyviä vaurioita.

Ihmisten (ja eläinten) lisäksi otsoni aiheuttaa haittaa myös kasveille. Otsonin kasvillisuusvaikutukset ilmenevät huomattavasti alhaisemmilla pitoisuustasoilla kuin ihmisellä esiintyvät terveyshaitat. Otsoni vaurioittaa kasvien solukkoa ja häiritsee fotosynteesiä heikentäen siten metsän kasvua ja aiheuttaen viljelyksillä satotappioita. Tyypillinen otsonin aiheuttama kasvioire on kudoksen kuolema (nekroosi), joka esimerkiksi koivun lehdessä näkyy aluksi pieninä, mutta altistuksen jatkuessa laajenevina ruskeina pilkkuina. Näiden haittojen määrällinen arviointi on hyvin vaikeaa, koska kasvien herkkyys otsonille vaihtelee paitsi kasvilajeittain, myös kasvuolosuhteiden mukaan. Suomen oloissa herkkien viljelyskasvien kasvutappiot voivat olla 10 prosentin luokkaa, mutta otsonin vaikutusta metsiin ja yleensä ekosysteemeihin ei pystytä vielä täsmällisesti arvioimaan.

   

 

Otsonin aiheuttamien haittojen torjuminen

Ainoa keino alentaa alailmakehän otsonipitoisuuksia ja torjua otsonista aiheutuvia haittoja ovat typen oksidien ja hiilivetyjen päästövähennykset. Molemmat ovat tärkeitä, koska typen oksidit toimivat otsoninmuodostuksessa moottorina ja hiilivedyt puolestaan ovat polttoaine, joka pitää moottorin käynnissä. Otsonin ilmakemiaan liittyvät reaktiomekanismit ovat kuitenkin niin monimutkaisia, että yksioikoisten päästövähennysten vaikutukset saattavat välillä yllättää niiden suunnittelijat. Esimerkiksi Euroopasta löytyy alueita, joilla typen oksidien päästövähennykset aiheuttavat otsonipitoisuuksien kohoamista, ellei samalla vähennetä voimakkaasti hiilivetypäästöjä, sekä alueita, joilla suuretkaan hiilivetyjen päästövähennykset eivät yksinään riitä alentamaan otsonipitoisuutta juuri lainkaan. USA:ssa puolestaan otsonipitoisuuksien alentamiseen tähtäävät päästövähennystoimet olivat vähällä epäonnistua, koska laskelmissa ei aluksi osattu ottaa huomioon luonnosta tulevien hiilivetyjen suurta määrää ja sen vaikutusta otsoninmuodostukseen.

Suomi sijaitsee Euroopan reuna-alueella, jossa ilma on yleensä suhteellisen puhdasta Keski- ja Etelä-Euroopan tilanteeseen verrattuna. Omat päästömmekin ovat varsin vaatimattomia ja keskittyvät pienelle alueelle Ruuhka-Suomeen. Tämä tarkoittaa myös sitä, että täällä typen oksidien pitoisuudet ovat alhaisia, joten vaikka polttoainetta eli hiilivetyjä olisi runsaastikin, niin otsoninmuodostusta rajoittaa moottorin pieni koko. Niinpä meidän oloissamme tehokkain keino alentaa otsonipitoisuuksia olisi pienentää moottoria entisestään, eli kohdistaa päästövähennyksiä typen oksideihin.

Yhdessä pienhiukkasten kanssa maanpintaotsonia pidetään nykyisin koko Euroopan laajuisesti pahimpana ilmanlaatuongelmana. Ihmisten kokemat haitat, jotka tietysti ovat hyvin subjektiivisia, voivat myös Suomessa nopeasti lisääntyä, mikäli typen oksidien ja hiilivetyjen päästöissä meillä tai maamme lähialueilla tapahtuu voimakasta kasvua. Kansainvälisiin sopimuksiin perustuvat päästövähennykset ovat toisaalta jo alentaneet otsonin eurooppalaisia huippupitoisuuksia ja niiden odotetaan myös vähentävän pahojen otsoniepisodien esiintymistä. Otsonin taustapitoisuus sen sijaan ilmeisesti kohoaa lähitulevaisuudessa edelleen - tosin päästövähennysten ansiosta kasvun odotetaan tapahtuvan aiempaa hitaammin.

 

 
 
 
tr
alapalkki
tr