Ilmakehän kemia — perusteet, saasteet ja vaikutukset

Ilmakehän kemia — perusteet, saasteet ja vaikutukset: selkeä opas ilmakehän koostumuksesta, saasteiden synnystä, otsonista, happosateista ja ilmastonmuutoksen vaikutuksista.

Tekijä: Leandro Alegsa

18-12-2025 23:04

Ilmakehäkemia on tieteenala, jossa tutkitaan Maan ja muiden planeettojen ilmakehän kemiaa. Se on monitieteinen tutkimusala, jossa hyödynnetään muun muassa ympäristökemiaa, fysiikkaa, meteorologiaa, tietokonemallinnusta, merentutkimusta, geologiaa ja vulkanologiaa sekä muita tieteenaloja. Tutkimus liittyy muihin tutkimusaloihin, kuten ilmastotutkimukseen. Ilmakehäkemian tavoitteena on ymmärtää ilmakehän koostumuksen muutoksia, kemiallisten reaktioiden dynamiikkaa ja sitä, miten aineet siirtyvät ilmakehän eri osiin ja takaisin biosfääriin, hydrosfääriin ja litosfääriin.

Ilmakehän koostumus ja prosessit

Ilmakehän tutkimiseen kuuluu ilmakehän ja elävien organismien välisten vuorovaikutusten tutkiminen. Maapallon ilmakehän koostumus muuttuu luonnollisten prosessien, kuten tulivuorten päästöjen, salamaniskujen ja Auringon koronasta tulevien aurinkohiukkasten pommituksen seurauksena. Ilmakehästä voidaan erottaa kerroksia (troposfääri, stratosfääri, mesosfääri jne.), joissa kemialliset reaktiot, fotokemia ja liikkeet poikkeavat toisistaan ja vaikuttavat siihen, miten aineet kulkeutuvat ja muuntuvat.

Fotokemialliset reaktiot: Auringon UV-säteily käynnistää monia reaktioita, kuten otsonin (O3) muodostumista ja hajoamista sekä radikaalien (esim. OH, NO3) syntyä, jotka ovat avainasemassa ilman puhdistumisessa ja saasteiden sekundäärimuodostuksessa.
Hapettuminen ja pelkistyminen: Esimerkiksi rikki- ja typpioksidit muuttuvat hapettumisen kautta aerosoleiksi tai happamiksi yhdisteiksi.
Aerosolit ja hiukkaset: Pisarat ja kiinteät hiukkaset vaikuttavat säteilytasapainoon, pilvenmuodostukseen ja ihmisten terveyteen.
Kulkeutuminen ja sekoittuminen: Ilmakehän virtaus siirtää emissioita kauas lähteistään, jolloin paikalliset päästöt voivat aiheuttaa ongelmia valtakunnan rajojen ulkopuolella.

Saasteet, lähteet ja nielut

Sitä on muuttanut myös ihmisen toiminta. Jotkut näistä muutoksista ovat haitallisia ihmisten terveydelle, viljelykasveille ja ekosysteemeille. Ilmakehäkemia erottaa usein:

Primaaripäästöt — suoraan lähteestä vapautuvat yhdisteet kuten hiukkaset (PM), typpioksidit (NOx), rikkioksidi (SO2), hiilimonoksidi (CO) ja haihtuvat orgaaniset yhdisteet (VOC).
Sekundäärisaasteet — ilmakehässä muodostuvat aineet, esimerkiksi troposfäärinen otsoni, sekundaariset orgaaniset aerosolihiukkaset (SOA) ja rikkihapon tai typpihappojen muodostamat pienhiukkaset.
Kasvihuonekaasut kuten CO2, CH4 ja N2O vaikuttavat ilmaston lämpenemiseen, ja niiden pitoisuuksien nousu muuttaa myös ilmakehän kemiaa.

Esimerkkejä ongelmista ovat happosateet, otsonikato, valokemiallinen savusumu, kasvihuonekaasut ja ilmaston lämpeneminen. Ilmakehäkemistit tutkivat näiden ongelmien syitä, dynamiikkaa ja seurauksia sekä etsivät keinoja haittojen vähentämiseen.

Mittaaminen ja mallintaminen

Ilmakehän kemian tutkimuksessa käytetään monipuolisia menetelmiä:

Kenttämittaukset: laboratorio- ja kenttälaitteet, koirastimet, lennokit ja satelliitit mittaavat kaasupitoisuuksia, hiukkasjakaumia ja säteilyominaisuuksia.
Kemialliset ja fysikaaliset laboratoriotestit: reaktiokinetiikan ja mekanismien selvitys kontrolloiduissa olosuhteissa.
Tietokonemallit: prosessimallit ja ilmakehämallit yhdistävät kemian, fysiikan ja meteorologian ennustaakseen pitoisuuksia, arvioidakseen toimenpiteiden vaikutuksia ja tukevat politiikkapäätöksiä.

Terveys-, ympäristö- ja ilmastovaikutukset

Ilmakehän kemian muutoksilla on laaja-alaisia vaikutuksia:

Terveyshaitat: Pienhiukkaset (PM2.5), otsoni ja muut toksiset yhdisteet heikentävät hengityselinten ja sydän- ja verisuonijärjestelmän toimintaa sekä lisäävät ennenaikaisia kuolemia.
Maatalous ja luonnon ekosysteemit: Ilmakehän typen ja rikin laskeumat voivat aiheuttaa rehevöitymistä, happamoitumista ja tuottaa ravinteiden epätasapainoa maaperässä ja vesissä.
Ilmaston vuorovaikutus: Aerosolit voivat jäähdyttää tai lämmittää ilmastoa riippuen niiden ominaisuuksista, kun taas kasvihuonekaasut pitkittää lämmitysvaikutusta.

Ratkaisut, politiikka ja sopeutuminen

Ilmakehäkemistit tarjoavat teorioita näistä ongelmista ja testaavat sitten teorioita ja mahdollisia ratkaisuja. Toimenpiteitä ovat esimerkiksi päästörajoitukset, puhtaamman teknologian käyttöönotto, liikenteen ja energiantuotannon muutokset sekä kansainväliset sopimukset (esim. otsonikerrosta suojelevat sopimukset). Ilmakehäkemistit panevat merkille myös hallitusten politiikassa tapahtuvien muutosten vaikutukset ja tukevat päätöksentekoa antamalla ennusteita ja vaihtoehtoisia skenaarioita.

Tutkimuksen nykyiset haasteet ja tulevaisuus

Ilmakehäkemian tulevia tutkimusalueita ovat muun muassa:

Monimutkaisten orgaanisten yhdisteiden (esim. biogeeniset VOC:t) roolin ymmärtäminen aerosolien muodostuksessa.
Ilmastonmuutoksen ja ilmanlaadun vuorovaikutusten kvantifiointi.
Uusien ja vähän tutkittujen päästölähteiden, kuten mikroplastin ja uudenlaisien teollisten yhdisteiden, vaikutusten selvittäminen.
Parannettujen mittaus- ja mallinnustekniikoiden kehittäminen, mukaan lukien dataintegraatio satelliiteista, maapohjamittauksista ja malleista.

Ymmärtämällä ilmakehän kemiaa paremmin voimme kehittää tehokkaampia keinoja ilmanlaadun parantamiseen, luonnon monimuotoisuuden suojelemiseen ja ilmastonmuutoksen hillitsemiseen.

Ilmakehän koostumus

Kuivan ilmakehän keskimääräinen koostumus (moolifraktiot)
Kaasu	NASA:n mukaan
Typpi, N₂	78.084%
Happi, O₂	20.946%
Argon, Ar	0.934%
Vähäiset aineosat (moolifraktiot ppm:nä)
Hiilidioksidi, CO₂	383
Neon, Ne	18.18
Helium, He	5.24
Metaani, CH₄	1.7
Krypton, Kr	1.14
Vety, H₂	0.55
Vesi
Vesihöyry	Erittäin vaihteleva; tyypillisesti noin 1 %.

Huomautukset: CO₂ ja CH ₄-pitoisuudet vaihtelevat vuodenajan ja paikan mukaan. Ilman keskimääräinen molekyylimassa on 28,97 g/mol.

Maan ilmakehän koostumus. Vesihöyryä ei ole otettu mukaan, koska se muuttuu paljon ajan myötä. Kullakin pienellä kuutiolla (kuten kryptonia edustavalla kuutiolla) on miljoonasosa koko lohkon tilavuudesta. Tiedot ovat peräisin NASA Langleystä.

Kaavio ilmakehän koostumukseen liittyvistä kemiallisista ja kuljetusprosesseista.

Historia

Muinaiset kreikkalaiset pitivät ilmaa yhtenä neljästä elementistä. Ensimmäiset tieteelliset tutkimukset ilmakehän koostumuksesta alkoivat 1700-luvulla. Kemistit, kuten Joseph Priestley, Antoine Lavoisier ja Henry Cavendish, tekivät ensimmäiset mittaukset ilmakehän koostumuksesta.

1800-luvun loppupuolella ja 1900-luvun alussa kiinnostus siirtyi hyvin pieninä pitoisuuksina esiintyviin hivenaineisiin. Yksi ilmakehän kemian kannalta tärkeä löytö oli Christian Friedrich Schönbeinin vuonna 1840 tekemä otsonin löytö.

Hivenkaasujen pitoisuudet ilmakehässä ovat muuttuneet ajan myötä, samoin kuin kemialliset prosessit, jotka muodostavat ja tuhoavat ilmassa olevia yhdisteitä. Kaksi tärkeää esimerkkiä tästä ovat Sydney Chapmanin ja Gordon Dobsonin selitys otsonikerroksen syntymisestä ja säilymisestä sekä Arie Jan Haagen-Smitin selitys valokemiallisesta savusumusta. Otsonikysymyksiä koskevat jatkotutkimukset johtivat vuoden 1995 kemian Nobel-palkinnon jakamiseen Paul Crutzenin, Mario Molinan ja Frank Sherwood Rowlandin kesken.

2000-luvulla painopiste on jälleen siirtymässä. Ilmakehän kemiaa tutkitaan yhä enemmän yhtenä maapallon järjestelmän osana. Ennen tutkijat keskittyivät ilmakehän kemiaan erillään. Nyt tutkijat tutkivat ilmakehän kemiaa yhtenä osana järjestelmää, johon kuuluvat muu ilmakehä, biosfääri ja geosfääri. Yksi syy tähän on kemian ja ilmaston väliset yhteydet. Esimerkiksi muuttuva ilmasto ja otsoniaukon palautuminen vaikuttavat toisiinsa. Myös ilmakehän koostumus on vuorovaikutuksessa valtamerten ja maaekosysteemien kanssa.

Menetelmä

Havainnot, laboratoriomittaukset ja mallintaminen ovat ilmakehän kemian kolme keskeistä osatekijää. Kaikkia kolmea menetelmää käytetään yhdessä. Havainnot voivat esimerkiksi kertoa, että jotakin kemiallista yhdistettä on olemassa enemmän kuin aiemmin on pidetty mahdollisena. Tämä kannustaa uusiin mallintamis- ja laboratoriotutkimuksiin, jotka lisäävät tieteellistä ymmärrystä niin pitkälle, että havainnot voidaan selittää.

Havainto

Ilmakehän kemian havainnot ovat tärkeitä. Tutkijat tallentavat tietoja ilman kemiallisesta koostumuksesta ajan mittaan havaitakseen mahdolliset muutokset. Yksi esimerkki tästä on Keelingin käyrä - vuodesta 1958 tähän päivään ulottuva mittaussarja, joka osoittaa hiilidioksidipitoisuuden tasaisen nousun. Ilmakehän kemiaa havainnoidaan Mauna Loan kaltaisissa observatorioissa ja liikkuvilla alustoilla, kuten lentokoneilla, aluksilla ja ilmapalloilla. Ilmakehän koostumusta havainnoidaan yhä useammin satelliittien avulla, mikä antaa maailmanlaajuisen kuvan ilmansaasteista ja ilmankemiasta. Pintahavainnoista on se etu, että niillä saadaan pitkäaikaisia tietoja suurella aikaresoluutiolla, mutta ne antavat tietoja rajoitetusta vertikaalisesta ja horisontaalisesta tilasta. Joillakin pintaan perustuvilla välineillä, kuten LIDAR-mittarilla, voidaan tuottaa kemiallisten yhdisteiden ja aerosolien pitoisuusprofiileja, mutta niiden kattama horisontaalinen alue on edelleen rajallinen. Monet havainnot jaetaan verkossa.

Laboratoriomittaukset

Laboratoriossa tehtävät mittaukset ovat olennaisen tärkeitä, jotta voimme ymmärtää luonnossa esiintyvien epäpuhtauksien ja yhdisteiden lähteitä ja nieluja. Laboratoriotutkimukset kertovat, mitkä kaasut reagoivat keskenään ja kuinka nopeasti ne reagoivat. Tutkijat mittaavat reaktioita kaasufaasissa, pinnoilla ja vedessä. Tutkijat tutkivat myös fotokemiaa, jossa mitataan, kuinka nopeasti molekyylit hajoavat auringonvalon vaikutuksesta ja mitä tuotteet ovat. Tutkijat tutkivat myös termodynaamisia tietoja, kuten Henryn lain kertoimia.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitä on ilmakehän kemia?

V: Ilmakehäkemia on tieteenala, jossa tutkitaan Maan ja muiden planeettojen ilmakehän kemiaa. Se perustuu useisiin tieteenaloihin, kuten ympäristökemiaan, fysiikkaan, meteorologiaan, tietokonemallinnukseen, merentutkimukseen, geologiaan ja vulkanologiaan.

Kysymys: Miten ilmakehän tutkimiseen kuuluu elävien organismien tutkiminen?

V: Ilmakehän kemian tutkimukseen kuuluu myös ilmakehän ja elävien organismien välisten vuorovaikutusten tutkiminen.

K: Mitä esimerkkejä ihmisen toiminnan aiheuttamista ongelmista on?

V: Esimerkkejä ihmisen toiminnan aiheuttamista ongelmista ovat happosateet, otsonikato, valokemiallinen savusumu, kasvihuonekaasut ja ilmaston lämpeneminen.

K: Mitä ilmakehäkemistit tekevät näiden ongelmien ratkaisemiseksi?

V: Ilmakehäkemistit esittävät teorioita näistä ongelmista ja testaavat sitten niiden mahdollisia ratkaisuja. He myös huomioivat näihin ongelmiin liittyvien hallitusten politiikkojen muutosten vaikutukset.

K: Miten maapallon ilmakehän koostumus muuttuu luonnollisesti?

V: Maapallon ilmakehän koostumus muuttuu luonnollisten prosessien, kuten tulivuorten päästöjen, salamaniskujen ja Auringon koronasta tulevien aurinkohiukkasten pommituksen seurauksena.

Etsiä