Kaiken takana on kemia

Onko kaikilla kaasuilla merkitystä ympäristön kannalta?

Monet ilman sisältämistä kaasuista eivät ole kemialliselta kannalta kovin tärkeitä. Monet hivenkaasut, kuten hiilidioksidi ja dityppioksidi, eivät reagoi helposti ilmassa, ja tästä syystä ne on luokiteltu pitkäikäisiksi kaasuiksi. Ilman tärkein ainesosa, typpi, on ilmakehässä enimmäkseen reagoimatonta. Pitkäikäisten hivenkaasujen pitoisuudet ovat suurin piirtein samat kaikkialla maailmassa. Jos pohjoiselta ja eteläiseltä pallonpuoliskolta otettaisiin näyte, näiden kaasujen määrä ilmassa ei vaihtelisi paljoakaan.

Sen sijaan muiden kaasujen, kuten rikkidioksidin, ammoniakin ja otsonin kaltaisten auringonvalolle herkkien hapettimien pitoisuudet vaihtelevat paljon enemmän. Nämä kaasut ovat vaaraksi ympäristölle ja ihmisten terveydelle, ja koska ne reagoivat niin nopeasti ilmakehässä, ne eivät säily kauan alkuperäisessä muodossaan. Ne reagoivat nopeasti muodostaen muita yhdisteitä tai poistuvat laskeumina maan pinnalle, ja niitä kutsutaan lyhytikäisiksi kaasuiksi. Sen vuoksi niitä esiintyy lähellä niitä paikkoja, joissa ne ovat joutuneet ilmaan tai muodostuneet reaktiossa. Kaukokartoitussatelliittikuvissa näkyy alueita, joilla näitä lyhytikäisiä kaasuja esiintyy runsaasti tietyissä maanosissa, yleensä teollisuusalueilla.

Miten lyhytikäiset kaasut voivat aiheuttaa ilmanlaatu- ja ympäristöongelmia?

Monet lyhytikäiset kaasut ovat myrkyllisiä ihmisille ja kasvillisuudelle. Ne muuttuvat myös ilmakehässä herkästi muiksi saasteiksi, jotkut niistä auringonvalon vaikutuksesta. Aurinkoenergia pystyy hajottamaan monet näistä reaktiivisista lyhytikäisistä kaasuista uusiksi kemiallisiksi yhdisteiksi. Typpidioksidi on tästä hyvä esimerkki. Typpidioksidia syntyy pääasiassa polttoaineen palamisesta joko bensiinikäyttöisissä autoissa tai kaasu- ja hiilikäyttöisissä sähköntuotantolaitoksissa. Altistuessaan auringonvalolle typpidioksidi jakautuu kahdeksi uudeksi kemialliseksi yhdisteeksi: typpioksidiksi ja aineeksi, jota kemistit kutsuvat atomaariseksi hapeksi. Atomaarinen happi tarkoittaa yksinkertaisesti yhtä happiatomia. Atomaarinen happi reagoi molekyylisen hapen (kahden happiatomin liitoksesta muodostuva O2-molekyyli) kanssa muodostaen otsonia (O3), joka on myrkyllistä ekosysteemeille ja ihmiselle ja on yksi merkittävimmistä saasteista kaikissa teollisuusmaissa.

Eikö 1980-luvulla kuitenkin todettu, että otsonia tarvitaan suojaamaan meitä liialta auringonsäteilyltä?

Aivan oikein. Otsonikerroksen otsoni on kuitenkin stratosfäärissä 10–50 kilometrin korkeudessa maanpinnasta, jossa se antaa suojan ultraviolettisäteilyltä. Alemmissa kerroksissa oleva otsoni, jota kutsutaan yleisesti alailmakehän otsoniksi, on kuitenkin vaaraksi ihmisten terveydelle, viljelykasveille ja muulle herkälle kasvillisuudelle.

Otsoni on voimakas hapetin. Se kulkeutuu kasveihin lehtien pienten huokosten kautta. Se imeytyy kasviin synnyttäen vapaita radikaaleja, jotka ovat solukalvoja ja proteiineja vahingoittavia epästabiileja molekyylejä. Kasvi selviytyy vapaista radikaaleista monimutkaisten mekanismiensa avulla, mutta jos sen on käytettävä osa auringonvalosta ja yhteyttämällä keräämästään energiasta vapaiden radikaalien aiheuttamien soluvaurioiden korjaamiseen, sillä jää vähemmän energiaa kasvuun. Viljelykasvien altistuessa otsonille niiden tuottavuus siis vähenee. Otsoni pienentää satoja Euroopassa, Pohjois-Amerikassa ja Aasiassa.

Otsonin kemiallinen vaikutus ihmisissä muistuttaa varsin paljon sen kemiallista vaikutusta kasveissa. Mutta toisin kuin kasveilla, joihin otsoni kulkeutuu pintahuokosten kautta, ihmisellä se imeytyy keuhkojen limakalvojen kautta. Se muodostaa vapaita radikaaleja keuhkojen limakalvolla ja vahingoittaa keuhkojen toimintaa. Otsoni on siis vaarallisinta niille, joilla on hengitysvaikeuksia. Tilastojen mukaan ihmisten päivittäinen kuolleisuus lisääntyy ajanjaksoina, jolloin otsonipitoisuus on korkea.

Koska nämä kaasut ovat lyhytikäisiä, eikö typpidioksidipäästöjen selvän vähentämisen pitäisi johtaa otsonitasojen nopeaan laskuun?

Periaatteessa kyllä. Voisimme vähentää päästöjä, jolloin otsonitasot alkaisivat laskea. Otsonia kuitenkin muodostuu hyvin lähellä maanpintaa aina kymmenen kilometrin korkeuteen saakka, joten taustaotsonin määrä noissa korkeuksissa on edelleen varsin suuri. Jos lopettaisimme kaikki päästöt, otsonitasojen palautuminen normaaliksi kestäisi noin kuukauden.

Vaikka Euroopassa toteutettaisiin kyseiset päästönvähennystoimet, otsonille altistuminen ei tosiasiassa vähenisi. Osa Euroopassa olevasta otsonista on lähtöisin Euroopasta, mutta Eurooppa altistuu kuitenkin myös Kiinasta, Intiasta ja Pohjois-Amerikasta kulkeutuvalle otsonille. Typpidioksidi on lyhytikäinen kaasu, mutta sen synnyttämä otsoni voi säilyä pidempään ja levitä siksi tuulen mukana eri puolille maailmaa. EU voisi yksipuolisella päätöksellä vähentää osaksi Euroopan yllä muodostuvia otsonin huippupitoisuuksia, mutta se ei vaikuttaisi paljonkaan maailmanlaajuiseen taustatilanteeseen, koska Eurooppa on vain yksi monista otsonipäästöihin vaikuttavista alueista.

Otsoni on ongelma niin Euroopassa, Pohjois-Amerikassa, Kiinassa, Intiassa kuin Japanissakin. Se on ongelma jopa nopeasti kehittyville maille, kuten Brasilialle, jossa biomassan poltto ja ajoneuvot synnyttävät otsonia muodostavia kaasuja. Puhtaimpia alueita otsonin muodostumista ajatellen ovat syrjäiset merialueet.

(c) Cesarino Leoni, ImaginAIR/EEA

Onko otsoni ainoa huolenaihe?

Toinen pääasiallinen ja otsonia merkittävämpi saaste ovat aerosolit. Tässä tapauksessa aerosolit eivät ole samoja kuin ne, joita kuluttajat yleensä pitävät aerosoleina, kuten valintamyymälöiden valikoimiin kuuluvia deodorantteja ja huonekalukiillokkeita. Kemisteille aerosolit ovat ilmakehän pienhiukkasia, joita kutsutaan myös PM-hiukkasiksi. Ne voivat olla kiinteitä tai nestemäisiä, ja osa näistä hiukkasista muodostaa kosteassa ilmassa pieniä pisaroita ja palautuu jälleen kiinteään muotoon ilman kuivuessa. Aerosolit ovat yhteydessä ihmisten kuolleisuuden lisääntymiseen, ja kaikkein suurimmassa vaarassa ovat hengitysongelmista kärsivät henkilöt. Ilmakehän hiukkasten terveysvaikutukset ovat suuremmat kuin otsonin.

Monet ihmisen toiminnan aiheuttamista saastepäästöistä ovat kaasuja. Esimerkiksi rikkipäästöt ovat yleensä rikkidioksidia (SO2), kun taas typpipäästöt ovat typpidioksidia(NO2) tai ammoniakkia (NH3). Ilmakehään joutuessaan nämä kaasut kuitenkin muuttuvat hiukkasiksi. Tässä prosessissa rikkidioksidi muuttuu vain mikrometrin murto-osan kokoisiksi sulfaattihiukkasiksi.

Jos ilmassa on riittävästi ammoniakkia, sulfaatti reagoi sen kanssa muodostaen ammoniumsulfaattia. Ammoniumsulfaatti oli todella hallitseva ainesosa Euroopan ilmassa 50 vuotta sitten. Rikkipäästöjä on kuitenkin vähennetty Euroopassa voimakkaasti: noin 90 prosenttia 1970-luvulta lähtien.

Vaikka rikkipäästöjä onkin vähennetty, ammoniakkipäästöjä ei ole vähennetty läheskään yhtä paljon. Näin ollen ilmakehässä oleva ammoniakki reagoi muiden aineiden kanssa. Ilmakehässä oleva typpidioksidi esimerkiksi muuttuu typpihapoksi, ja typpihappo reagoi ammoniakin kanssa muodostaen ammoniumnitraattia.

Ammoniumnitraatti on erittäin helposti haihtuvaa. Korkeammalla ilmakehässä ammoniumnitraatti on hiukkasina tai pisaroina, mutta lämpimänä päivänä ja lähellä maanpintaa se hajoaa typpihapoksi ja ammoniakiksi, jotka laskeutuvat erittäin nopeasti maan pinnalle.

Miten typpihapon laskeutuminen maan pinnalle vaikuttaa?

Typpihappo lisää typen määrää maan pinnalla ja on tehokas kasvilannoite. Tällä tavoin lannoitamme Euroopan luontoa ilmakehästä käsin samalla tavoin kuin viljelijät lannoittavat viljelysmaata. Luontoa lannoittava ylimääräinen typpi aiheuttaa happamoitumista ja lisää typen oksidien päästöjä, mutta se myös lisää metsien kasvua ja on siis sekä uhka että hyöty. Luontoon kertyneen typen suurin vaikutus on se, että se lisää luonnon ekosysteemien ravinnepitoisuuksia. Sen seurauksena typpeä runsaasti tarvitsevat kasvit kasvavat hyvin nopeasti ja menestyvät syrjäyttäen hitaasti kasvavat lajit. Tämä johtaa sellaisten erikoistuneempien lajien häviämiseen, jotka ovat sopeutuneet menestymään vähän typpeä sisältävässä ilmastossa. Muutokset, joita ilmakehästä käsin tapahtuva lannoittaminen aiheuttaa kasvien biologisessa monimuotoisuudessa, ovat jo nähtävissä kaikkialla Euroopassa.

(c) Cesarino Leoni, ImaginAIR/EEA

”Kukin meistä yrittää luoda ympäristöönsä hyvinvointimme kannalta mahdollisimman hyvät olosuhteet. Hengittämämme ilman laatu vaikuttaa keskeisesti elämäämme ja hyvinvointiimme.” Cesarino Leoni, Italia

Olemme selvinneet rikkipäästöjen ja otsonikerroksen aiheuttamista ongelmista, mutta miksi ammoniakkiongelma on edelleen ratkaisematta?

Ammoniakkipäästöt ovat lähtöisin maataloudesta ja erityisesti intensiivisestä lypsykarjataloudesta. Pelloilla oleva lehmien ja lampaiden virtsa ja lanta aiheuttavat ammoniakkipäästöjä ilmakehään. Ammoniakki reagoi erittäin herkästi ja kertyy nopeasti ympäröivään luontoon. Se muodostaa myös ammoniumnitraattia ja lisää merkittävästi ilmakehän hiukkasia sekä niihin liittyviä terveysongelmia. Suurin osa Euroopan ammoniakkipäästöistä laskeutuu Eurooppaan. Ammoniakkipäästöjen vähentämiseen tarkoitetut valvontatoimet edellyttävät vahvempaa poliittista tahtoa.

Yllättävää kyllä, rikkipäästöjen hillitsemiseen löytyi selvää poliittista tahtoa. Luultavasti tähän oli osasyynä suuria päästöjä aiheuttaneiden Euroopan maiden moraalinen velvoite niitä Skandinavian maita kohtaan, joihin päästöt lopulta päätyivät ja joissa valtaosa happamien laskeumien aiheuttamista ongelmista ilmeni.

Ammoniakkipäästöjen vähentäminen tarkoittaisi maatalouteen kohdistuvia toimia, ja maatalouden eturyhmillä on varsin paljon poliittista vaikutusvaltaa. Pohjois-Amerikassa tilanne on aivan sama. Sielläkin ammoniakkipäästöt ovat suuri ongelma, mutta toimia niiden hillitsemiseksi ei toteuteta.

Lisätietoja

• Ilmakehän kemiasta: ESPERE Climate Encyclopaedia