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オゾン層(オゾンそう)とは地球の大気中でオゾンの濃度が高い部分のことである。オゾンは、地上から約10〜50kmほどの成層圏に多く存在し、特に地上20〜25kmの高さで最も密度が高くなる。

1840年にクリスチアン・シェーンバインによってオゾンが発見・命名されたあと、1879年にマリー・アルフレッド・コルニュが太陽光のスペクトル観測において紫外線の遮蔽があることを発見、その原因はオゾンであることを1881年にウォルター・ハートレイが発見し、1913年にジョン・ウィリアム・ストラット(レイリー卿)は下層大気では紫外線の吸収が無いことを発見した。そして、同1913年には、シャルル・ファブリとアンリ・ビュイソンの2人のフランス人科学者によって「オゾン層」の存在が発見された。1920年には、ゴードン・ドブソンが科学的測定によってオゾン層の存在を証明した[外部リンク] The History of the Ozone Layer[外部リンク] HISTORY OF THE OZONE LAYER Bob Keesee。

◆オゾンの発生

成層圏中では、酸素分子が、太陽からの242nm以下の波長の紫外線を吸収して光解離し、酸素原子になる。この酸素原子が酸素分子と結びついてオゾンとなる。また生成したオゾンは320nm以下の波長を持つ紫外線を吸収し、酸素分子と酸素原子に分解するという反応も同時に進行する(反応式のMは主に窒素や酸素の分子で、反応のエネルギーを受け取る役割をしている)。

◇オゾン生成のプロセス

各反応素過程は次のように示される。$h\backslash nu$とは光(太陽からの紫外線)のエネルギーを表している。

: 主に成層圏上部(生成反応が優勢)

: 主に成層圏下部(分解反応が優勢)

この反応のメカニズムは1930年にチャップマンによって考え出され、チャップマン機構と呼ばれる。大気中のオゾンは、その90%以上が成層圏に存在し、オゾン層では濃度は2〜8ppmと、地表の0.03ppmと比較すれば非常に高い。

酸素分子の密度は高度が高くなるほど低くなるが、紫外線は高度が高いほど強力であり、特に242nm以下と波長が短くオゾン生成に関与する紫外線量が多くなる為、オゾン濃度が最大となる高度が上空20km付近となり、成層圏中部がそれにあたる。

◇オゾンの輸送と分布

オゾンは主に、赤道上の熱帯成層圏下部で最も活発に生成されている。生成されたオゾンはブリューワー・ドブソン循環によって高緯度の成層圏に運ばれるので、極域の方が熱帯地方よりもオゾンが多くなる。ところが、近年、冷媒等に使われるフロンを起源とする活性化した塩素原子がオゾンを分解し減少させてしまう事が問題となっている(下記記述)。

ブリューワー・ドブソン循環は赤道から両極に向かう循環で、成層圏下部にあたる高度20km付近で1年中続いているため、オゾンの輸送は年中途切れない。しかし、極付近の成層圏下部には極渦というジェット気流帯があり、これにより熱の輸送が遮断されて低温になり、冬には大量の極成層圏雲(PSC)が生成される。この氷の雲が春〜夏に融解して、塩素原子を大量に発生させ、南極でオゾンホールを発生させる主因となる。

◆オゾン層と紫外線

オゾン層は、太陽からの有害な紫外線の多くを吸収し、地上の生態系を保護する役割を果たしている。

紫外線は波長によってUV-A、UV-B、UV-Cに分類される。最も波長が短く有害なUV-Cはオゾン層によって完全に吸収され、地表に届くことはない。UV-AとUV-Cの中間の波長を持つUV-Bは、そのほとんどがオゾン層によって吸収されるが、その一部は地表に到達し、皮膚の炎症や皮膚がんの原因となる。最も波長の長いUV-Aは、大半が吸収されずに地表に到達するが、有害性はUV-Bよりも小さい。UV-Aは、しわやたるみの原因になる。

◆オゾン層の破壊

オゾンはヒドロキシラジカル、一酸化窒素、塩素原子などの存在によって分解される。これらは成層圏で自然にも発生するものであり、オゾンの生成と分解のバランスが保たれてきた。

しかし冷蔵庫、クーラーなどの冷媒や、プリント基板の洗浄剤として使用されてきたフロンなどの塩素を含む化学物質が大気中に排出されたことで、成層圏で塩素原子が増加し、オゾン層の破壊が進んだ。フロンは非常に安定な物質であるため、ほとんど分解されないまま成層圏に達し、太陽からの紫外線によって分解され、オゾンを分解する働きを持つ塩素原子ができる。

成層圏における、塩素原子による触媒反応系はダイマー駆動機構(dimer-driven mechanism)と呼ばれ、その反応素過程は次のように示される。

◇オゾン分解のプロセス

正味: $2\_3\; +\; h\backslash nu\; \backslash rightarrow\; 3\_2$

この塩素原子は、たった1つでオゾン分子約10万個を連鎖的に分解していく。こうした原因からオゾンホールと呼ばれるオゾン濃度が極端に薄くなった部分が出来た。南極上空では、オゾンホールが毎年9〜10月に現れることが知られている。

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