３分でわかる オゾンの生成・分解プロセス｜オゾン層破壊に至るメカニズムがわかる

３．オゾン層とは

オゾン層とは、成層圏に存在するオゾン濃度の高い領域を指します。
地球の大気は、高度によっておおよそ以下のように分けられます（表１）。

【表1　地球の大気層分布】

オゾン層は主に成層圏に存在し、太陽から届く紫外線のうち、特に生物に有害なUV-BやUV-Cを吸収します。
この働きにより、地上の生物は強い紫外線から守られています。
また、オゾンが紫外線を吸収することで成層圏の大気が暖められるため、地球大気の温度構造にも大きく関係しています。

４．成層圏でのオゾン生成と分解

成層圏では、酸素分子が紫外線を吸収して酸素原子に分解し、その酸素原子が別の酸素分子と結合することでオゾンが生成されます（式1～式4）。

オゾンの量は、酸素分子の密度や紫外線の強さ、オゾンの分解反応、大気の循環などの影響を受けます。その結果、オゾン濃度の高い領域は成層圏の高度約20～30 km付近に形成されます。

まず、酸素分子が波長の短い紫外線を吸収すると、２個の酸素原子 O に分解します（式１）。

・・・・・・式1

ここでhνは、光子のエネルギーを表します。

次に、生成した酸素原子Oが別の酸素分子O₂と結合し、第三体Mの助けを借りてオゾンO₃が生成されます（式2）。

・・・・・・式2

M は主に窒素分子 N₂ や酸素分子 O₂ で、反応で生じる余分なエネルギーを受け取る役割を持ちます。

一方、生成したオゾンも紫外線を吸収して分解します（式3）。

・・・・・・式3

さらに、酸素原子 O とオゾン O₃ が反応して酸素分子に戻る反応も起こります（式4）。

・・・・・・式4

このように成層圏では、オゾンの生成と分解が常に繰り返されています。通常はこのバランスによって、オゾン層の濃度が保たれています。

【図2　自然界でオゾンの生成・分解】

５．フロンによるオゾン層破壊の仕組み

CFCは地表付近の大気中で非常に安定で、分解されにくい物質です。HCFCはCFCより大気中で分解されやすいものの、一部は成層圏まで到達します。

塩素を含むCFCやHCFCなどは、強い紫外線を受けて分解し、塩素原子Clを放出します。この塩素原子がオゾン層破壊の中心的な役割を果たします。
代表的な反応は次の通りです（式5～式8）。

・・・・・・式5

・・・・・・式6

・・・・・・式7

全体としては、式8となります。
・・・・・・式8

ここで重要なのは、塩素原子 Cl が反応後に再び生成されることです。つまり、塩素原子は消費されず、触媒のように繰り返しオゾンを分解します。
そのため、少量の塩素原子でも多数のオゾン分子を分解することができます。

６．南極上空でオゾンホールができる原因

オゾン層破壊は地球全体で起こり得ますが、特に南極上空では春にオゾン濃度が大きく低下し、オゾンホールが形成されます。
その理由には、南極特有の低温環境と大気循環が関係しています。

冬の南極成層圏では、極渦によって周囲の大気との混合が抑えられ、低温状態が続きます。
この低温環境で生じる極成層圏雲の表面では、塩化水素（HCl）と硝酸塩素（ClONO₂）が反応し、塩素分子（Cl₂）が生成されます（式9）。

・・・・・・式9

冬の間は日射がないため、塩素分子の光分解は進みにくいものの、春に太陽光が戻るとCl₂が分解し、塩素原子（Cl）が生じます（式10）。

・・・・・・式10

生じた塩素原子はオゾンと反応して一酸化塩素（ClO）になります。

・・・・・・式11

南極成層圏下部では、ClO同士が反応して二量体をつくります。

・・・・・・式12

この二量体が光で分解し、続いて反応することで、塩素原子が再生します。

・・・・・・式13

・・・・・・式14

式11の反応が2回進む分も含めると、全体としては式15の反応になります。

・・・・・・式15

この塩素原子がオゾンを連鎖的に分解することで、南極上空のオゾン濃度が急激に低下します。これがオゾンホールの主な形成メカニズムです。

７．オゾン層保護とフロン規制

オゾン層破壊が深刻な環境問題として認識されたことで、CFCやHCFCなどのオゾン層破壊物質は国際的に規制されるようになりました。
代表的な国際的枠組みが、1987年に採択されたモントリオール議定書です。

モントリオール議定書により、CFCなど多くのオゾン層破壊物質の生産・消費が段階的に削減・全廃され、HCFCも段階的な廃止が進められています。
その結果、大気中のオゾン層破壊物質は全体として減少し、成層圏オゾンは回復に向かっています。ただし、CFCなど寿命の長い物質は大気中に数十年から約100年残るものもあり、オゾン層の回復には長い時間がかかります。

また、CFCやHCFCの代替として使われてきたHFCは、オゾン層を破壊しませんが、温室効果の大きい物質があるため、2016年に採択されたモントリオール議定書のキガリ改正により、段階的な削減が進められています。

８．まとめ

オゾンは、酸素原子3つからなる反応性の高い物質です。成層圏に存在するオゾン層は、太陽からの有害な紫外線を吸収し、地球上の生物を守る重要な役割を果たしています。

成層圏では、酸素分子が紫外線によって分解され、酸素原子と酸素分子が結合することでオゾンが生成されます。一方で、オゾンも紫外線や酸素原子との反応によって分解され、通常は生成と分解のバランスが保たれています。

しかし、CFCやHCFCなどのフロン類が成層圏に到達すると、紫外線によって塩素原子を発生させます。この塩素原子が触媒のように働き、オゾンを連鎖的に分解することで、オゾン層破壊が進みます。

フロン冷媒の歴史は、CFCからHCFC、HFC、HFO・自然冷媒へと進んできました。その背景には、オゾン層保護と地球温暖化対策という2つの大きな環境課題があります。

オゾン層問題は、化学物質の利便性と環境影響をどのように両立させるかを考えるうえで、非常に重要な事例といえます。

《引用文献、参考文献》

• 1）気象庁HP「オゾン層とは」
  https://www.data.jma.go.jp/env/ozonehp/3-10ozone.html
• 2）World Meteorological Organization (WMO), WMO Ozone and UV Bulletin No. 4 – September 2026, 16 September 2026.
  URL: https://wmo.int/resources/publication-series/wmo-ozone-and-uv-bulletin/no-4-sep-2026
• 3）World Meteorological Organization (WMO) and United Nations Environment Programme (UNEP), Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2022, Executive Summary, 2022.
  URL: https://wmo.int/sites/default/files/2023-03/Scientific-Assessment-of-Ozone-Depletion-2022-Executive-Summary.pdf
• 4）NOAA Chemical Sciences Laboratory, Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2022—Twenty Questions and Answers About the Ozone Layer, Q15, 2022.
  URL: https://csl.noaa.gov/assessments/ozone/2022/twentyquestions/

（日本アイアール株式会社　特許調査部　H・L）
 

Tweet

Pocket