Plutolla yllättävä ilmiö: JWST vahvistaa usvan viilentävän vaikutuksen

KAK – Kaukainen kääpiöplaneetta Pluto on jälleen kerran yllättänyt tutkijat. Vuosikymmenen vanha arvoitus sen ilmakehän kylmyydestä on saanut ratkaisun, kiitos James Webb -avaruusteleskoopin (JWST) tarkkojen havaintojen. Tuore Nature Astronomy -lehdessä julkaistu tutkimus vahvistaa teorian vuodelta 2017: Pluton usvainen huntu ei ainoastaan lämmitä, vaan toimii myös tehokkaana jäähdyttimenä, joka selittää planeetan hyytävät olosuhteet.

Pluto New Horizons -luotaimen kuvaamana suunnilleen sellaisena kuin jos me näkisimme sen omin silmin. Kuva NASA/New Horizons.

Kaikki alkoi heinäkuussa 2015, kun NASAn New Horizons -luotain lensi Pluton ohitse ja lähetti Maahan ensimmäiset tarkat kuvat ja mittaustulokset tästä jäisestä maailmasta. Yksi suurimmista yllätyksistä oli Pluton ilmakehä. Se oli odotettua huomattavasti kylmempi.

Ilmakehämallien mukaan auringonvalon osuessa Pluton typpi- ja metaanipitoiseen kaasukehään sen olisi pitänyt lämmetä noin 100 kelviniin (noin –173 °C). New Horizonsin mittaukset paljastivat kuitenkin todellisen lämpötilan olevan vain noin 70 kelviniä (–203 °C). Jokin mekanismi siis poisti ilmakehästä lämpöä tehokkaammin kuin osasimme odottaa. Mutta mikä?

Vuonna 2017 tutkijat Xi Zhang, Darrell F. Strobel ja Hiroshi Imanaka esittivät Nature-lehdessä julkaistussa artikkelissaan selityksen. Heidän teoriansa mukaan avainasemassa ovat Pluton ilmakehän monimutkaiset hiilivety-yhdisteistä koostuvat usvahiukkaset – samat hiukkaset, jotka antavat Pluton ilmakehälle sinisen hohdon.

Pluton usvainen ilmakehä näkyy tässä osittain vastavaloisessa kuvassa. Kuva NASA/ New Horizons.

Teoria oli kaksijakoinen ja hieman paradoksaalinen:

1. Lämmitys: Kuten aiemmin oli ajateltu, usvahiukkaset imevät itseensä Auringon ultraviolettisäteilyä. Tämä prosessi lämmittää ilmakehän yläosia. Tämä oli odotettu osa yhtälöä.
2. Jäähdytys (uusi oivallus): Zhangin ja kollegoiden mullistava idea oli, että nämä samat usvahiukkaset säteilevät absorboimaansa energiaa erittäin tehokkaasti takaisin avaruuteen, mutta tekevät sen keski-infrapunan aallonpituuksilla. Tämä infrapunasäteily pääsee karkaamaan avaruuteen lähes esteettä, kuljettaen mukanaan valtavan määrän lämpöenergiaa.

Heidän mallinsa mukaan tämä jäähdytysmekanismi oli niin voimakas, että se ylitti reilusti hiukkasten aiheuttaman lämmitysvaikutuksen. Lopputuloksena oli ilmakehä, joka oli juuri niin kylmä kuin New Horizons oli mitannut. Teoria oli vakuuttava, mutta siltä puuttui vielä suora havaintotodiste – kukaan ei ollut havainnut tätä ennustettua infrapunahehkua.

Tässä kohtaa tarinaan astuu mukaan James Webb -avaruusteleskooppi. Sen MIRI-instrumentti (Mid-Infrared Instrument) on suunniteltu havaitsemaan juuri niitä keski-infrapunan aallonpituuksia, joilla Pluton usvan ennustettiin säteilevän.

Juuri julkaistussa Nature Astronomy -artikkelissa "Evidence of haze control of Pluto’s atmospheric heat balance from JWST/MIRI thermal light curves" tutkijaryhmä raportoi havainnoista, jotka osuvat naulan kantaan. JWST mittasi Pluton lämpökäyrää – eli sitä, miten planeetan lämpösäteily vaihtelee sen pyöriessä.

Havainnot paljastivat, että Pluton ilmakehä todellakin säteilee voimakkaasti keski-infrapuna-alueella, juuri kuten Zhangin ja kumppaneiden malli vuodelta 2017 ennusti. Tämä on suora todiste siitä, että usvahiukkaset toimivat Pluton ilmakehän termostaattina ja hallitsevat sen lämpötasapainoa. Usvan jäähdyttävä vaikutus on todellinen ja merkittävä.

Pluton arvoituksen ratkeaminen on merkittävä saavutus, jolla on laajempia vaikutuksia. Se osoittaa, että usvahiukkasilla voi olla yllättävän monimutkainen ja hallitseva rooli planeettojen ilmakehien energiataseessa. Tämä on otettava huomioon, kun tutkimme muita usvaisia kohteita Aurinkokunnassamme, kuten Saturnuksen kuuta Titania.

Mutta havainnon vaikutukset ulottuvat laajemmallekin kuin vain meidän Aurinkokuntaamme. Monet kaukaisista eksoplaneetoista voivat olla usvan peitossa! Pluton tapaus antaa meille uuden työkalun ja ymmärryksen siitä, miten näiden vieraiden maailmojen ilmastot voivat toimia. Usvainen ilmakehä ei välttämättä tarkoita lämmintä, vaan se voi päinvastoin viitata tehokkaaseen jäähdytykseen.

Tämä tarina on myös täydellinen esimerkki tieteellisestä prosessista toiminnassa: ensin arvoituksellinen havainto (New Horizons), sitten selittävä teoria ja ennuste (Zhang et al. 2017), ja lopulta teorian vahvistava ja ratkaiseva havainto (JWST 2025).

 

Auringon aktiivisuusminimi lähestyy

Auringon aktiivisuutta kuvataan auringonpilkkuluvulla, joka
on sitä korkeampi mitä aktiivisempi Aurinko on. Kuva SILSO.

Vaikka päivittäinen kokemuksemme kertoo, että Aurinko on muuttumaton ja loistaa taivaalla kuten ennenkin, lähempi tarkastelu kertoo Auringossa tapahtuvista valtavista muutoksista. Muutokset liittyvät Auringon aktiivisuuteen, jonka moni tuntee niin sanottuna 11-vuoden auringonpilkkujaksona. Auringonpilkkujen määrä on runsain aktiivisuuden ollessa voimakkain ja pilkut käytännössä katoavat aktiivisuusminimin aikana.

Kuten artikkelin otsikossa kerrottiin, Auringon aktiivisuus on lähestymässä minimiään. Tämä on näkynyt auringonpilkkujen vähäisyydessä, pilkuttomia vuorokausia on kertynyt tänä vuonna jo 44 eli 24 % vuoden päivistä. Määrä on huomattava varsinkin, kun olemme vasta vuoden puolivälissä. Jos tilanne jatkuu (kuten on oletettavissa) täysin samanlaisena, koko vuoden saldoksi saadaan noin 100 pilkutonta vuorokautta. Tämä puolestaan tarkoittaisi sitä, että olemme virallisesta minimistä noin vuoden puolentoista päässä, eli minimi olisi vuoden 2018–2019 vaihteessa. Jos tämä toteutuu, päättymässä olevan jakson (numero 24) pituus olisi noin 10 vuotta^[1]. Auringonpilkkujaksoksi se on sieltä lyhyimmästä päästä, joskaan ei lyhyin.

Auringossa tapahtuvat ilmiöt

Auringon havaitsijoille aktiivisuusminimit ovat tylsää aikaa, sillä monia ilmiöitä esiintyy runsaimmin ja näyttävimmin silloin, kun aktiivisuus on voimakasta. Auringonpilkut on jo mainittu ja ne liittyvät nimenomaan Auringossa esiintyviin aktiivisuusalueisiin. Pilkkujen välittömässä läheisyydessä, samoilla aktiivisuusalueilla esiintyy myös monia muita mielenkiintoisia ilmiöitä.

Tunnetuimpia aktiivisuusalueiden ilmiöitä ovat flare-purkaukset, joita Auringon magneettikenttä synnyttää. Auringon fotosfääristä nousevat magneettiset silmukat törmäilevät toisiinsa ja aiheuttavat magneettisia oikosulkuja (virallisesti uudelleen kytkeytymisen). Tapahtuman seurauksen vapautuu merkittävä määrä magneetista energiaa ja se kuumentaa ympäröivän plasman kymmenienmiljoonien asteiden lämpötilaan. Kuumana hehkuva plasma säteilee energiansa hyvin nopeasti (10–20 minuutissa) kaikilla sähkömagneettisen säteilyn alueilla. Nämä sähkömagneettisen säteilyn voimme havaita lisääntyneenä gammasäteilynä ja ultraviolettisäteilynä, hieman kohonneena lämpösäteilynä ja lopulta myös voimistuneena radiosäteilynä.

Flare-purkauksiin liittyy toinenkin ilmiö hyvin läheisesti. Hyvin usein flarepurkausten läheisyydessä tapahtuu koronamassapurkaus (CME), jossa miljardeja tonneja plasmaa syöksyy avaruuteen magneettikentän kiihdyttämänä. Avaruudessa CME-pilvi laajenee ja aivan uusimman tutkimuksen mukaan etenee kuin aivastuksen aiheuttama pisarapilvi. Enenemisvauhti voi olla jopa viisinkertainen tavallisen aurinkotuulen nopeuteen verrattuna.

Hieno silmukkaprominenssi näkyi Auringossa 19.7.2012.
Kuva © Kari A. Kuure.

Hienoimpia Auringossa ilmeneviä ilmiöitä ovat ilman muuta prominenssit, magneettikentän muodostamia kaaria joihin ajautuu plasmaa. Prominenssit näkyvät vety-alfa-viivan aallonpituudella ja voimakkaimmillaan esiintyessään ulottuvat jopa 1/3 Auringon säteen etäisyyteen avaruuteen. Tosin näin voimakkaat prominenssit ovat harvinaisia, mutta hieman vähäisemmätkin ovat hienoa katsottavaa.

Aktiivisuuskauden laantuessa minimiksi edellä kuvatut ilmiöt vähenevät ja niiden voimakkuus pienenee. Lopulta vuosi ennen minimiä ne näyttävät katoavan lähes täysin. Minimivuosien aikana niitä esiintyy vaatimattomina versioina harvakseltaan.

Minimiin kuitenkin liittyy ilmiö, jota tavallinen auringonhavaitsijan on vaikea havaita; korona-aukot. Korona-aukot ovat magneettikentän Auringosta poispäin suuntautuneita magneettikenttiä ja ne eivät sulkeudu takaisin Aurinkoon vaan etenevät aurinkokunnan ulkorajalle asti. Korona-aukossa aurinkotuulen hiukkastiheys on harventunut mutta vastaavasti hiukkasten nopeus on kasvanut. Yleensä hiukkasnopeus on noin kaksinkertainen normaaliin aurinkotuulen nopeuteen verrattuna.

Samaan aikaan maapallolla

Maapallo ei ole erillinen saareke aurinkokunnassa, vaan Auringossa tapahtuvat ilmiöt vaikuttavat suuresti moniin asioihin. Auringon ja maapallon magneettikentät eivät ole erillisiä, vaan ne kytkeytyvät yhteen joko voimakkaammin tai hieman heikommin riippuen siitä missä aktiivisuusvaiheessa ollaan.

Auringossa tapahtuvat flare-purkaukset aiheuttavat maapallon ionosfäärissä häiriöitä, jotka vaikuttavat radioliikenteeseen. Häiriöt ilmenevät jo noin 20 minuutin kuluttua Auringossa esiintyneestä voimakkaasta flare-purkauksesta ja voivat jatkua useita vuorokausia, riippuen flare-purkauksen voimakkuudesta.

Maapallo joutuu hyvin usein vastaanottamaan CME-purkauspilven tai tarkemmin pienen osan siitä. Pilven törmäyksen seurauksena maapallon magneettikenttä joutuu häiriötilaan, jolloin puhutaan magneettisesta myrskystä. Magneettinen myrsky voi jatkua useita vuorokausia, riippuen CME-pilven suuruudesta ja suunnasta avaruudessa. Tavallisesti magneettisten myrskyjen aikana pohjoisilla ja eteläisillä leveyksillä nähdään revontulia, joiden kirkkaus, kesto ja aktiivisuus riippuvat CME-pilven tuomien varattujen hiukkasten (elektronien) määrästä ja lähiavaruuden magneettikentän suunnasta.

Vaikka edellä kerrotut kaksi ilmiötä ovatkin näkyviä merkkejä maapallolla, on vielä muita ilmiötä, joihin Auringon aktiivisuuden vaihtelu vaikuttaa. Aktiivisina aikoina Aurinko säteilee runsaasti uv-sätelyä^[2]. Se imeytyy ilmakehän yläosaan ja lämmittää sitä. Seurauksena on ilmakehän laajeneminen. Tällä puolestaan on oma vaikutus maapalloa kiertäviin satelliitteihin.

Vaikka satelliitit ovat radoillaan avaruudessa, aivan täysin tyhjiö tila ei kuitenkaan ole. Vähäiset ilmakehän rippeet hidastavat^[3] aina kiertoradoilla olevien satelliittien ja avaruusalusten liikettä ja ne vajoavat hiljalleen alaspäin. Laajentunut ilmakehä voimistaa jarrutusta ja satelliitit vajoavat alaspäin entistä nopeammin. Jos ratakorjauksia ei tehtäisi, satelliitit päätyisivät lopulta niin syvälle ilmakehään että ne tuhoutuisivat. Näin käy avaruusromulle, mutta valitettavasti vain niille kappaleille, jotka ovat jo valmiiksi matalilla kiertoradoilla. Yli 600 km korkeudessa olevat avaruusromu ei käytännössä poistu lainkaan.

Auringon aktiivisuus vaikuttaa myös Auringon magneettikentän voimakkuuteen ja suuntaan. Kentän suunta vaihtuu kahden aktiivisuussyklin jaksoissa ja vaikuttaa siihen, kuinka paljon tähtienvälisestä ja galaksienvälisestä avaruudesta tulevaa kosmista säteilyä pääsee tunkeutumaan aurinkokunnan sisäosiin. Minimien aikana kosmisen säteilyn määrä kasvaa ja vastaavasti vähenee aktiivisina kausina.

Lisääntyvästä kosmisesta säteilystä on paljon haittaa esimerkiksi maapalloa kiertäville satelliiteille. Niiden vikaantuminen lisääntyy merkittävästi aktiivisuusminimien aikana ja näin aiheuttaa lisäkustannuksia niin tietoliikenne- ja sääsatelliittien ylläpitäjille. Luonnollisesti kiertoradalla olevan Kansainvälisen avaruusaseman miehistön terveys voi vaarantua lisääntyneen kosmisen säteilyn vuoksi.

Kosminen säteily lisääntyy myös ilmakehässä. Maanpinnalla siitä ei ole juuri haittaa mutta esimerkiksi korkealla lentävien lentokoneiden matkustajat ja henkilökunta joutuvat tahtomattaan vastaanottamaan lisääntyneen säteilyannoksen. Vaikka nyt ei puhuta mistään kuolemaan johtavasta säteilymääristä, pitkällä aikavälillä lentohenkilökunnan terveys saattaa pettää lisääntyneen säteilykuormituksen myötä. Silloin tällöin lentokoneissa matkustavien ei tarvitse olla huolissaan oman terveytensä puolesta!

Katso NASAn julkaisema video aiheesta https://www.youtube.com/watch?v=kBKJkU06ICQ

Huomautukset

[1] Edellinen minimi oli tammikuun 4. vuonna 2008. Jakson 24 ensimmäinen maksimi saavutettiin 2011 ja toinen maksimi 2014.

[2] Uv-säteily synnyttää maapallon ilmakehässä otsonia (O₃), joka toimii suojaavana kerroksena ja estää suurimmaksi osaksi uv-säteilyä saavuttamasta maanpintaa. Ilmakehään tunkeutunut uv-säteily myös vaikuttaa radioaktiivisen hiili-14 syntyyn, jonka perusteella pystymme määrittämään Auringon aktiivisuutta satoja tuhansia vuosia taaksepäin. Hiili-14 käytetään myös orgaanisten fossiililöydösten ikämäärityksiin.

[3] Hidastava voima syntyy osittain kitkasta ja paine-erosta satelliitin menosuunnan ja jättösuunnan välillä. Kitka syntyy ilmamolekyylien hangatessa satelliitin rakenteita. Paine-ero syntyy ilman kompressoituessa satelliitin edessä kun taas jättöpuolella on käytännössä täydellinen tyhjiö.

Yli 100-vuotias arvoitus

UV-teleskooppi sijoitetaan ISS:lle
havaitsemaan ilmakehässä
esiintyvää Cherenkovin säteilyä,
joka syntyy kosmisen säteilyn
törmätessä ilmakehän atomeihin.
Kuva JEM-EUSO. 

Tieteen historia tuntee sitkeitä arvoituksia, joiden ratkeamista saadaan odottaa pitkään. Yksi näistä on kosminen hiukkassäteily [1], jonka havaitsi ensimmäisenä itävaltalainen fyysikko Victor Hess vuonna 1912. Hän teki mittauksia kuuden tunnin ilmapallolennolla ja havaitsi hiukkassäteilyn intensiteetin kasvavan korkeuden myötä.

Kaksi tunnettua kosmisen säteilyn tutkijaa vaikutti 1900-luvun alkupuolella. Robert A. Millikan’in mielestä säteily oli ”kovaa” gammasäteilyä ja hänen kilpailijansa Arthur H. Compton puolestaan piti sitä hiukkassäteilynä. Historia osoitti Comptonin olleen oikeassa. Millikan kuitenkin piti kiinni näkemyksestään.

Aluksi kosmista säteilyä tutkineet tiedemiehet olivat hiukkasfyysikkoja. Tilanne kuitenkin muuttui merkittävästi, kun 1950-luvulla käynnistettiin ensimmäisten hiukkaskiihdyttimien rakentaminen. Vaikka vielä nykyisinkin hiukkaskiihdyttimien energiat jäävät paljon kosmisten hiukkasten energian alapuolelle, astro- ja hiukkasfyysikot ovat jälleen lähentymässä toisiaan.

Tästä lähentymisestä on hyvä esimerkki Chicagon yliopistossa työskentelevän astrofyysikko ja professori Angela Olinto’n johtama projekti, jossa Kansainväliselle avaruusasemalle ollaan rakentamassa isoa uv-teleskooppia [2]. Teleskoopin pitäisi aloittaa toimintansa vuonna 2017. Teleskooppi suunnataan – hieman tavallisuudesta poiketen – maapallonilmakehään ja sillä havaitaan kosmisen hiukkassäteilyn ilmakehässä aikaansaamia vyörypurkauksia. Hankkeessa on mukana tutkijoita ja tutkimuslaitoksia useista USAn tutkimuslaitoksista ja Nasa on tukenut sitä 4,4 miljoonan dollarilla.

Victor Hess ilmapallon korissa.

Kosmisen säteilyhiukkasen energia vastaa helposti hyvin nopeasti (~ 70 m/s) kiitävän tennispallon energiaa[3]. Hiukkasen törmätessä maapallon ilmakehään, ne aiheuttavat kymmenien miljardien alkeishiukkasten vyöryn, joita pystytään havaitsemaan uv-säteilyn aallonpituudella. Jo parin vuosikymmenen ajan tutkijat ovat havainneet ilmakehän hiukkasvyöryjä maanpinnalta, mutta nyt siis ensimmäistä kertaa niitä pyritään havaitsemaan avaruudesta.

Vaikka kosmisen säteilyn energeettiset hiukkaset eivät pysty läpäisemään ilmakehää, vyörypurkausten sekundääriset hiukkaset voivat tuottaa myös terveydellistä haittaa ihmisille. Suurimmassa vaarassa ovat yli 10 kilometrin korkeudella lentävien lentokoneiden miehistöt, sillä he joutuvat jokaisella työvuorollaan kosmisen säteilyn vaikutuksille alttiiksi. Lentomatkustajat saavat kyllä osansa säteilystä, mutta heille säteilyannokset tulevat huomattavasti harvemmin kuin lentohenkilökunnalle.

Myös Kansainvälisellä avaruusasemalla työskentelevät astronautit altistuvat säteilylle. Osa hiukkassäteilystä läpäisee aseman seinämät sellaisenaan ja osa puolestaan saa aikaan sekundäärisen hiukkasryöpyn. Vaikka maapallon magneettikenttä suojaakin osalta säteilyltä, aivan kaikkea se ei kuitenkaan pysty poistamaan. Kuuhun ja Marsiin matkustaminen lisäisi kosmisensäteilyn annoksia merkittävästi ja tällä hetkellä säteilysuojien puute tai niiden massiivisuus on suurin tekninen ongelma pitkille avaruuslennoille ja tutkimusasemien perustamiselle [4]. Ilman suojausta astronautit tuskin selviäisivät hengissä muutamaa kuukautta pitempään.

Ei ainoastaan ihmiset, vaan myös elektroniikka on erittäin herkkää kosmiselle säteilylle. Ilmakehässä syntyvän vyörypurkauksen sekundääriset hiukkaset saavat aikaa helposti häiriöitä heikosti suojatun elektroniikan toimintaa maanpinnalla. Avaruuteen vietävät laitteistojen suojauksiin kiinnitetään paljon suurempaa huomiota ja niitä ”karaistaan” kestämää hiukkaspommitus. Näistä varotoimenpiteistä huolimatta hiukkassäteily saa aikaan avaruuslaitteissa häiriöitä ja vaurioita, joiden korjaaminen on mahdotonta. Vuosittain menetetään useita satelliitteja tästä syystä.

Huomautukset

[1] Kosmisen hiukkassäteilyn alkuperää ei ole täysin varmasti pystytty osoittamaan. Syy tähän on se, että hiukkaset ovat sähköisesti varautuneita hiukkasia (useimmiten protoneja mutta joukossa on myös raskaampia atomiytimiä), joten niiden rata tähtien ja galaksienvälisessä avaruudessa muokkaantuu magneettikenttien vaikutuksesta. Erityisesti Auringon magneettikenttä muuttaa kosmisen säteilyn ratoja aurinkokunnan sisällä, joten säteilylähde on ”sumean ikkunan” takana.

Kosminen säteily saa aikaan
selundääristen hiukkasten
vyörypurkauksen. Kuva JEM-EUSO.

[2] Extreme Universe Space Observatory -teleskoopin kooksi on suunniteltu 2,5 metriä. Sen objektiivina tulee olemaan fresnel-linssi, jonka etuja ovat pieni massa ja vähäinen tilantarve. Lisäksi linssiä käyttämällä saavutetaan laaja kuvakulma (60°), joten havaintoja voidaan tehdä paljon laajemmalta alueelta kuin maanpinnalta. UV-säteily (aallonpituusalueella 330–400 nm) syntyy sekundäärishiukkasten aiheuttamasta Cherenkovin säteilystä, jota syntyy noin 45 km korkeudelta alkaen ja se suuntautuu hiukkasen liikesuuntaan poiketen siitä enintään 1,3°. Syntyneet uv-fotonit siroavat ilmakehän molekyyleistä (ja aerosoleista), joten niitä voidaan havaita muualtakin kuin vyörypurkauksen suunnasta.  Säteilyn voimakkuus on verrannollinen alkuperäisen kosmisen säteilyhiukkasen energiaan.

Ilmakehässä syntyvät
sekundääriset hiukkaset
ovat pioneja, myoneja,
elektroneja ja neutriinoja.
Lisäksi vapautuu energiaa
uv-säteilynä. Kuva JEM-EUSO.

 [3] Jopa E > 5×10¹⁹ eV. Tällä hetkellä tutkijat uskovat kaikkein energeettisimmän kosmisen säteilyn energian olevan peräisin mustien aukkojen syntyessä vapautuneesta energiasta. Kosmista säteilyä näyttäisi tulevan myös galaksien, esimerkiksi Linnunradan, ytimistä.  Suuri energisyys selittyy hiukkasten suurella, lähes valonnopeutta lähentelevällä vauhdilla. Oman osansa kosmiseen hiukkassäteilyyn antaa meidän Aurinkomme, josta merkittävä osa maapallolle saapuva hiukkasäteily on peräisin.

[4] Kts. http://avaruusmagasiini.blogspot.fi/2013/05/sateily-huomattava-terveysriski.html

Lisää tietoa kosmisesta säteilystä tästä blogista löytyy hakusanalla ”kosminen säteily”.

Hyvä ja paha otsoni

SAGE III -sensorit mittaavat ilmakehän

otsonipitoisuutta käyttäen Aurinkoa

ja Kuuta välonlähteenään niiden

"noustessa" ja valon kulkiessa ilmakehän

Stratosfäärin läpi. Kuva NASA.

Maapallon ilmakehässä oleva otsoni on joko hyvää tai pahaa, riippuen siitä, missä se sijaitsee. Pahaa otsonia on maanpinnalla, jossa se on määritelty saasteeksi. Sitä syntyy liikenteen ja teollisuuden prosessien sivutuotteina ja erityisesti sitä esiintyy toimistoissa, jossa otetaan paljon valokopioita. Hengitettynä otsoni ärsyttää hengityselimiä ja voi jopa aiheuttaa useita eri sairauksia, jos altistus on jatkuvaa.

Hyvää otsoni sijaitsee maapalon ilmakehän stratosfäärissä, noin 25 km korkeudella. Siellä sitä syntyy ilmakehän hapesta Auringon uv-säteilyn vaikutuksesta. Sama uv-säteily myös pilkkoo otsoni molekyylejä; erityisesti jos läsnä on klooria ja sen yhdisteitä, otsonin katoaminen on hyvin runsasta.  Otsonikerroksen katoaminen selittyy osittain myös sillä, että otsonia kaikkiaan on hyvin vähän, normaali-ilmanpaineessa se puristuisi vain 3 mm vahvuiseksi kerrokseksi.

Otsonikerroksen tärkeys liittyy sen kykyyn absorboida itseensä Auringosta tulevasta valosta suurimman osan uv-säteilystä. Vain hyvin vähäinen osa uv-säteilystä päätyy maanpinnalle asti, jossa se on yleisesti haitallista vaurioittaessaan eläinten kudoksia ja kasvien lehtien pintarakenteita.

Ensimmäisenä kloorin ongelmallisuuden havaitsivat kemistit Frank Rowland ja Mario Molina 1970-luvulla Kalifornian yliopistossa. Erityisesti klooratut ja fluoratut hiilivedyt (CFC), joita tuolloin käytettiin runsaasti jäähdytyslaitteissa ja aerosolivalmisteissa, päätyivät syytettyjen penkille. Ilmakehään päästessään, nämä yhdisteet tuhoavat otsonia, mikä erityisesti huoletti tutkijoita. Ilmakehän otsonipitoisuuden kansainväliset tutkimukset käynnistyivät tuota pikaa. Vuonna 1985 brittiläinen etelänavan tutkimusretkikunta havaitsi otsoniaukon Etelämantereen yläpuolella.

Tieteen historiassa ei ole toista tapausta, jossa poliitikot ja päättäjät olisivat ryhtyneet tositoimiin yhtä nopeasti. Jo vuonna 1987 Montrealissa päädyttiin kansainväliseen sopimukseen CFC-yhdisteiden valmistuksen ja käytön kieltämiseen. Sopimus allekirjoitettiin syyskuussa 1987, ja sen ratifioivat kaikki YK:n jäsenvaltiot.

Sopimuksen seurauksena ilmakehään vapautuvien CFC-yhdisteiden määrä alkoi nopeasti laskea, mutta itse otsoniaukko ei juuri vähentymiseen reagoinut. Joka kevät (syys–marraskuussa) Etelämantereen yläpuolelle syntyy uusi aukko. Vasta aivan viime vuosina jonkinlaista aukon pienentymistä on ollut havaittavissa. Hidas vaste selittyy CFC-yhdisteiden kestävyydellä, ne hajoavat hyvin hitaasti etenkin stratosfäärin olosuhteissa, jossa lämpötila on hyvin alhainen.

CFC-yhdisteiden valmistuskiellon jälkeen ne on korvattu samantapaisilla klooratuilla ja fluoratuilla hiilivedyillä. Näiden uusien yhdisteiden pitäisi olla ympäristöystävällisempiä, mutta loppujen lopuksi siitä ei ole mitään takeita. Lisäksi esimerkiksi litteiden televisio- ja tietokonemonitorien valmistuksessa käytetään kaasuja, jotka ovat paljon vaarallisempi kuin CFC-yhdisteet. Otsonikerroksen palautuminen on ehkä juuri näistä syistä hidasta. Tutkijat arvelevat otsonikerroksen palautuvan entiselleen joskus vuoden 2050 tienoilla.

Ihmisen aiheuttama päästöt eivät ole ainoa syy otsonikatoon. Luonto itse järjestää aika ajoin aerosolihiukkasten pääsyn stratosfääriin rajujen tulivuorten purkauksien aikana. Hyvin hienojakoinen vulkaaninen tuhka saattaa nousta otsonikerrokseen, jossa se leijuu vuosikausia. Tuhkahiukkaset toimivat katalyyttisenä alustana, joiden pinnalla tapahtuu otsonikatoa. Tästä syystä luonnontilainen otsonikerros ei ole vakio, vaan siinä tapahtuu vaihtelua. Rajuja tulivuorten purkauksia kun tapahtuu muutamien vuosien välein, ja niistä päätyy tuhkaa stratosfääriin ehkä noin kerran vuosikymmenessä, joskus useamminkin.

Nasan teknikko tarkastamassa SAGE III

-sensoria. Se on tarkoitus viedä vuonna

2014 Kansaiväliselle avaruusasemalle.

Kuva NASA.

Nasa on lähettänyt vuosien kuluessa kaksi SAGE-sensorein ( Startospheric Aerosol and Gas Experiment) varustettua satelliittia  vuosina 1979 (SAGE) ja 1984(SAGE II) . SAGE III -sensorit kiinnitettiin myös Venäläiseen Meteor-3M-satellittiin vuonna 2001. Se on mitannut otsonipitoisuuksia ilmakehästä hyvin suurella tarkkuudella, jollaiseen ei aikaisemmin ollut päästy.

Ensi vuona Nasa kuljetuttaa Space X -kantoraketilla Kansainväliselle avaruusalukselle uuden SAGE III -sensorin. Se käyttää valonlähteenään niin Aurinkoa kuin Kuutakin, kun jompikumpi näkyy ”nousevan” ilmakehän läpi. Sijoituspaikastaan SAGE III -sensorit voivat mitata otsonipitoisuuksia aina tropopausiin ja jopa hieman alempaakin ilmakehän kerroksista, joissa matkustajalentokoneet lentävät. Mittaustarkkuuden odotetaan olevan parempi kuin 1 %.