Otsonikadon torjuntaa voidaan pitää ympäristönsuojelun menestystarinana, sillä kaikki maailman valtiot ovat allekirjoittaneet Montrealin pöytäkirjan. Sopimus kieltää otsonikerrosta vaurioittavien yhdisteiden valmistamisen ja käytön ja sen avulla on voitu vähentää 99 prosenttia otsonikerrosta tuhoavista päästöistä. Samalla on hillitty merkittävästi ilmaston lämpenemistä.
Mekanismi, jolla kloorifluorihiilivedyt (CFC:t) tuhoavat auringon haitalliselta ultraviolettisäteilyltä suojelevaa yläilmakehän otsonikerrosta löydettiin 1970-luvun alussa. Pian sen jälkeen alkoi työ frenoneiksi kutsuttujen CFC-aineiden kieltämiseksi. Freoneja käytettiin lähinnä kylmälaitteissa, mutta myös monissa muissa tarkoituksissa. Kun etelänapamantereen yläpuolelle muodostuva otsoniaukko löydettiin 1980-luvun puolivälissä, oltiin jo valmiita ryhtymään laajamittaiseen kansainväliseen yhteistyöhön uuden uhkan torjumiseksi
Etelänapamantereen yläpuolelta vuonna otsoniaukko yllätti myös tutkijat, jotka olivat arvioineet muutokset olevan hitaampaa ja tasaisempaa. Kriittiset äänet vaimenivat: Oli selvää, että liiallinen UV-säteily oli vakava haitta sekä ihmisten terveydelle että luonnolle. Vuonna 1985 solmittiin Wienin yleissopimus, jossa valtiot sopivat keskenään lähinnä otsonikerroksen tutkimukseen liittyvästä yhteistyöstä. Vuonna 1987 solmittiin Montrealin pöytäkirja, jossa päätettiin vähentää asteittain otsonia tuhoavien aineiden tuotantoa ja käyttöä.
Sopimus astui voimaan vuonna 1989, ja sitä on myöhemmin täydennetty viisi kertaa. Viimeisin lisäpöytäkirja hyväksyttiin seitsemän vuoden neuvottelujen jälkeen Kigalissa vuonna 2016. Siinä otettiin mukaan suuri joukko vetyfluorihiilivetyjä (HFC:t) mukaan Montrealin pöytäkirjan tiukkaan säätelyyn. HFC:t eivät tuhoa otsonikerrosta, mutta osa niistä on hyvin voimakkaita kasvihuonekaasuja.
“Neuvottelut kestivät seitsemän vuotta, sillä kaikkien sopimuksessa mukana olevien maiden on hyväksyttävä pöytäkirjan muutos – päätökset tehdään konsensuksella. Työlään neuvotteluprosessin hyvänä puolena on se, että valtiot sitoutuvat hyvin yhdessä sovittuihin tavoitteisiin”, kertoo Montrealin pöytäkirjan Suomen neuvottelija Tapio Reinikainen.
“Osapuolet sitoutuvat myös valvomaan sopimuksen noudattamista omilla alueillaan.”
Kloori-ionit hajottavat otsonia
Kun CFC-yhdiste joutuu yläilmakehään, se altistuu ultraviolettisäteilylle. Silloin yhdisteestä irtoaa herkästi reagoiva klooriradikaali. Klooriradikaalit muodostavat muiden molekyylien kanssa varastoyhdisteitä, kuten kloriininitraattia ja vetykloridia. Nämä varastoyhdisteet hajoavat UV-säteilyn vaikutuksesta, ja silloin klooriradikaali vapautuu.
Vapaat klooriradikaalit tuhoavat kolmeatomisia happimolekyylejä eli otsonia muuntamalla niitä kahden eri reaktion kautta tavalliseksi kaksiatomiseksi hapeksi. Näissä reaktioissa klooriradikaali sitoutuu väliaikaisesti happiatomiin, mutta irrottuaan se jatkaa mellastustaan pitkin stratosfääriä. Yksittäinen klooriradikaali voi tuhota jopa sata tuhatta otsonimolekyyliä.
Varastoyhdisteet voivat myös väliaikaisesti sitoutua napa-alueilla talvisin muodostuviin helmiäispilviin. Pilvet muodostuvat äärimmäisen kylmissä lämpötiloissa, kun niin kutsuttu polaaripyörre estää napa-alueen kylmän ilman sekoittumisen lämpimämmän ilmamassan kanssa. Helmiäispilvien pinnalla tapahtuu reaktioita, jotka muuttavat varastoyhdisteet valoherkiksi ja aktiivisiksi yhdisteiksi. Kun kylmä ja pimeä aika päättyy, vapauttaa auringon UV-säteily klooriradikaaleja helmiäispilvistä, ja radikaalit alkavat muuttaa otsonia kaksiatomiseksi hapeksi. Tämän vuoksi napa-alueilla voidaan havaita otsonikerroksen ohentumista, jota kutsutaan myös otsoniaukoksi. Kun kevät etenee, ja polaaripyörre hellittää lämpenemisen vuoksi, ilmamassat sekoittuvat, ja myös otsonipitoisuus tasaantuu.
Klooriradikaalit ovat harmillisen pitkäikäisiä. Ne voivat reagoida hapen lisäksi myös hydroksyyliryhmien kanssa. Reaktiossa muodostunut vetykloridi on varastoyhdiste, joka voi joko hajota tai poistua hiukkasten mukana troposfääriin. Jos vetykloridi poistuu yläilmakehästä, niin samalla päättyvät klooriradikaalin tuhotyöt.
Otsonisopimus on myös ilmastosopimus
Montrealin pöytäkirjaa voidaan pitää onnistuneena kansainvälisenä ympäristösopimuksena monessakin mielessä. Otsonikerroksen kannalta kaikkien CFC-aineiden ja haloneiden käyttö on lähes lopetettu. Nykyisin näitä yhdisteitä saa käyttää ainoastaan hyvin rajoitetuissa käyttötarkoituksissa, joiden päästöt ovat vähäisiä, kuten joissakin astmalääkkeissä. Kylmälaitteissa ollaan asteittain siirrytty koko ajan parempiin ratkaisuihin.
Otsonikerrosta tuhoavia aineita on korvattu vähän kerrassaan vähemmän haitallisilla vaihtoehdoilla. Ensimmäisenä kieltolistalla olivat CFC-aineet. Tämän jälkeen kiellettiin HCFC-aineet, ja nyt ajetaan alas korkean ilmastopotentiaalin HFC-aineiden valmistusta ja käyttöä. Kylmälaitteissa käytetään yhä enemmän luonnollisia kylmäaineita, kuten isobutaania, propaania ja hiilidioksidia, teollisuudessa myös ammoniakkia sekä vetyfluoriolefiineja eli HFO-aineita.
Montrealin pöytäkirjaan viimeisimpänä lisätyt HFC-yhdisteet eivät oikeastaan ole haitallisia otsonikerrokselle. Ne ovat kuitenkin hyvin voimakkaita kasvihuonekaasuja Esimerkiksi HFC-23 (trifluorimetaani) lämmittää ilmastoa sadassa vuodessa 14 800 kertaa niin paljon kuin sama määrä hiilidioksidia. Myös monet muut otsonia tuhoavat aineet ovat erittäin kovia kasvihuonekaasuja. Äskettäin julkaistujen tutkimusten mukaan ilman Montrealin pöytäkirjan rajoituksia täällä pohjoisilla alueilla olisi jo nyt keskimäärin asteen lämpimämpää.
Vuonna 2016 tehdyllä Kigalin muutoksella ehkäistään 0,4 Celsiusastetta ilmaston lämpenemistä vuoteen 2100 mennessä. Se on suurin yksittäinen ja uskottava päästövähennystoimien tarkkaan määritelty kokonaisuus, josta on globaalisti sovittu.
“Nyt neuvotellaan energiatehokkuusvaatimusten sisällyttämisestä kylmälaitteiden valmistukseen. Mikäli tässä onnistutaan, voidaan vielä ehkäistä puoli astetta ilmaston lämpenemistä. Loput, eli suurin osa päästövähennystarpeesta, jää Pariisin sopimuksen harteille”, Reinikainen sanoo.
Yhdelläkin asteella on valtava merkitys maapallon toimintaan. Pariisin ilmastosopimuksessa pyritään rajoittamaan maapallon lämpeneminen enintään kahteen asteeseen.
Tulokset puhuvat puolestaan
Montrealin pöytäkirjan avulla on saatu vähennettyä 99 prosenttia otsonikerrolle haitallisia päästöjä.
“Jos sopimusta ei oltaisi tehty, ulottuisi otsoniaukko NASA:n mallinnustutkimusten mukaan jo keskileveysasteille, Reinikainen sanoo.
“Sillä olisi valtavan suuri vaikutus sekä ihmisten terveyteen että maailman ruokaturvaan.”
Ilmakehässä olevien CFC-yhdisteiden pitoisuudet ovat jo alkaneet laskea, ja vaikka viime aikoina on huomattu pieniä lipsumisia sopimuksen noudattamisesta, pitoisuudet pienenevät edelleen. Ylimääräiset päästöt ovat kuitenkin hidastaneet otsonikerroksen toipumista. Tällä hetkellä arvioidaan, että otsonikerros toipuisi vuotta 1980 edeltävälle tasolle vuoden 2060 tuntumassa.
Viime vuosina ongelmia on aiheuttanut Kiina, jonka teollistuneista koillisista maakunnista on löydetty useampien kiellettyjen yhdisteiden päästöjä. Alueelle on paikannettu muun muassa CFC-11:n päästöjä. Aineen valmistus ja käyttö on ollut kiellettyä vuodesta 2010 alkaen kaikissa maissa.
“Kyllä Kiinan päästöt vielä kuriin saadaan. Maan viranomaiset ovat tehostaneet ympäristötarkastuksia omalla alueellaan, ja lainrikkojille on langetettu lukuisia rangaistuksia. Myös EU on tarjonnut tukeaan, jotta päästölähteet saadaan selville ja hallintaan”, Reinikainen vakuuttaa.
Koronapandemia on hankaloittanut kansainvälisiä neuvotteluita. Maailman ensimmäinen virtuaalinen kansainvälisiin ympäristösopimuksiin liittyvä päätöksiä tekevä osapuolikokous järjestettiin marraskuussa 2020, mutta asialistalla oli lähinnä juoksevia talousasioita. Monimutkaisemmat asiat edellyttävät, että pystytään kokoontumaan fyysisesti.
“Kansainvälissä sopimuksissa tärkeät osat neuvotteluista käydään kokoussalin ulkopuolella, käytävillä ja pienryhmissä erimielisten osapuolten välillä, ja se onnistuu huonosti videoyhteyksien avulla”, Reinikainen kertoo.
“Myös päästöjen alueellista ja globaalia seurantaa on pystytty kehittämään etänä. Sen sijaan maiden tehdaslaitoksissa tehtävät kansainväliset tarkastukset ovat jääneet vähiin.
Vaikka työ otsonikerroksen suojelemiseksi on hyvällä mallilla, kansainvälistä sopimusjärjestelmää tarvitaan vielä kauan, jotta hyvä kehitys jatkuu. Päätöksiä puhtaampaan teknologiaan siirtymisestä on tehty otsonituholaisaineiden osalta melkein kaikissa maissa, mutta osa haitallisista aineista on edelleen käytössä. Käynnissä on nyt jo seuraava siirtymävaihe, jossa yritetään loikata HCFC-aineista suoraan otsonikerrosta tuhoamattomiin ja ilmastoa vain vähän lämmittäviin kylmäaineisiin.
“Ympäristöongelmat ovat luonteeltaan sellaisia, että ne kaikki pitää ratkaista, eikä yksi kysymys ole toista tärkeämpi. Sen vuoksi myöskään Montrealin pöytäkirjan tavoitteita ei voida unohtaa vielä pitkään aikaan”, Reinikainen sanoo.
Ihmeaine osoittautui ympäristöongelmaksi
Tarinan otsonia tuhoavien CFC-yhdisteistä voi aloittaa pilaantuneesta ruuasta. Vielä 1900-luvun alkupuolella ruuan kylmäsäilytys oli vaikeaa, ja ratkaisuiksi kehitettiin erilaisia jääkaappijärjestelmiä. Suurin osa niistä osoittautui teknisesti tai taloudellisesti toimimattomiksi, tai ne olivat käyttäjälleen vaarallisia. Jäähdyttämiseen käytettiin myrkyllisiä aineita, kuten ammoniakkia tai metyylikloridia.
Jääkaappi alkoi löytää tiensä kotitalouksiin vasta 1920-luvulla, kun jäähdytystä varten oli kehitetty uusia kemikaaleja, lyhytketjuisia halogenoituja hiilivetyjä, joita kutsutaan freoneiksi. Yleistynyt kylmäsäilytys ja varsinkin pakastaminen lisäsivät ruuan käyttöikää. Kuluttajille pystyttiin toimittamaan ruokaa kauempaa kuin aikaisemmin, mikä mullisti ruokamarkkinat.
Uudet yhdisteet huomattiin monikäyttöisiksi, ja ajan kuluessa niitä alettiin lisätä ponnekaasuiksi spray-pulloihin, vaahtomuoveihin ja sammutusaineisiin. CFC-yhdisteiden ongelmat huomattiin vasta noin 50 vuotta myöhemmin. Fysikaalinen kemisti Mario Molina kiinnostui CFC-yhdisteiden kertymisestä ilmakehään, ja aloitti tutkimuksensa vuonna 1973.
Molina kertoo Chemical Engineering News -lehden podcastissa, että hän valitsi aiheen sen vuoksi, että sillä saattoi olla yhteiskunnallista merkitystä.
“CFC-yhdisteitä pidettiin hyvin turvallisina ja stabiileina, mutta päätimme silti selvittää, mitä näille kemikaaleille tapahtuu luonnossa. Joten oikeastaan kysymys oli uteliaisuudesta”, hän sanoo.
Tutkimuksessa todettiin,ettei pitkäikäisille yhdisteille tapahdu alailmakehässä juuri mitään.
“Päättelimme kuitenkin, että ne lopulta löytävät tiensä yläilmakehään, otsonikerrokseen tai sen yläpuolelle.”
Kävi ilmi, että otsonikerros suojaa varsin hyvin myös CFC-yhdisteitä haitalliselta ultraviolettisäteilyltä. Kun yhdisteet joutuvat yläilmakehään, ne alkavat hajota UV-säteilyn vuoksi. Molina kollegoineen julkaisi tulokset vuonna 1974, ja aloitti samalla työn otsonia tuhoavien aineiden vähentämiseksi.
Vuonna 1995 Mario Molina sai kemian nobel-palkinnon Paul J. Crutzenin ja T. Sherwood Rowlandin kanssa otsonitutkimuksistaan. Jälkikäteen voi todeta, että hänen valitsemallaan aiheella osoittautui hyvinkin olevan yhteiskunnallista merkitystä.
Mario Molina kuoli viime vuoden lokakuussa. Hänen ehti elinaikanaan nähdä, miten hänen löytämänsä ympäristöongelma saatiin globaalilla tasolla hallintaan.
Teksti: Hanna Kaisa Hellsten. Avauskuva: Adobe Stock.
Artikkeli on julkaistu Naturassa 1/21.