オゾンの働き（紫外線）「チャップマンサイクル」

酸素分子は主にUV-Cを吸収し、オゾン分子は主にUV-Bを吸収することで、地球上の生物を紫外線から守っています。この二つの分子が存在するおかげで、私たちは太陽からの有害な紫外線に晒されることなく、安全に生活を送ることができています。

太陽光と紫外線

太陽からは様々な波長の電磁波が放射されている。その中には、人間の目に見える可視光線だけでなく、紫外線も含まれている。紫外線は波長によってUV-A、UV-B、UV-Cの3種類に分けられ、波長が短いほどエネルギーが高く、生物にとって有害である。

大気中には約21%の酸素分子（O2）が含まれている。酸素分子は、波長が242nm以下のUV-Cを吸収する能力がある。この波長の光子エネルギーは、酸素分子の結合を切断するのに十分なエネルギーを持っている。

そのため、太陽から放射されたUV-Cは、地表に到達する前に大気中の酸素分子によって吸収される。

もし大気中で紫外線を吸収する分子が酸素分子だけだった場合、地表に住む生物は242〜320nmの範囲にある有害な紫外線（UV-B領域）に晒されてしまう。しかし、地球の大気にはもう一つの重要な分子、オゾン分子（O3）が存在する。

オゾン分子は酸素分子よりも容易に分解される。酸素分子内の原子は二重結合で繋がっているのに対し、オゾン分子内の原子間結合は一重結合と二重結合の中間の長さと強さを持っている。

そのため、オゾン分子内の結合は酸素分子内の二重結合よりも弱く、低いエネルギー（長い波長）の光子でもオゾン分子内の原子を離れ離れにすることができる。事実、波長が320nm以下の光子がオゾンの酸素間結合を切断する。

式（O₂からO₃が作られる道筋を示した）は、成層圏で起こっている化学反応の一部を示すものである。成層圏では、毎日300,000,000トン（3×10^8トン）のオゾンが生成されると同時に、同じ量が分解されている。

これは、新しい物質が作られたり壊れたりしているのではなく、オゾンの化学的な形が変わっているだけである。この自然循環によって、成層圏におけるオゾンの総量は一定に保たれている。

このような状態は、定常状態の一例である。定常状態とは、動的システムがバランスしていて、関与する主要な化学種の総量に正味の変化が生じない状態を指す。定常状態は、通常、複数の化学反応がバランスするとき、特に複数の競争反応がバランスするときに成立する。

成層圏オゾンが受ける自然進行型定常状態反応のセットとして提案されているのが、チャップマンサイクルである。チャップマンサイクルは、自然界におけるオゾンの生成反応と分解反応の両方を含む反応サイクルである。

チャップマンサイクルは、以下の4つの主要な反応で構成される。

酸素分子の光解離: O₂ + hv (λ < 242 nm) → O + O (波長242nm以下の紫外線によって酸素分子が分解され、酸素原子が生成される。)
オゾンの生成: O + O₂ + M → O₃ + M (酸素原子と酸素分子が、第三体M（通常は窒素分子または酸素分子）の存在下で反応し、オゾン分子が生成される。)
オゾンの光解離: O₃ + hv (240 nm < λ < 320 nm) → O₂ + O (波長240nmから320nmの紫外線によってオゾン分子が分解され、酸素分子と酸素原子が生成される。)
オゾンと酸素原子の反応: O₃ + O → 2O₂ (オゾン分子と酸素原子が反応し、2つの酸素分子が生成される。)

これらの反応は、成層圏におけるオゾンの生成と分解のバランスを保ち、オゾン層の維持に重要な役割を果たしている。

チャップマンサイクルは、成層圏オゾンの生成と分解のバランスを保つための重要なメカニズムである。しかし、このサイクルが何らかの理由で崩壊すると、オゾン層の破壊が進み、地上に到達する有害な紫外線量が増加する。

オゾン層破壊の主な原因としては、以下のものが挙げられる。

特定フロンガス: かつて冷媒やスプレーの噴射剤として広く使用されていた特定フロンガスは、成層圏に到達すると紫外線によって分解され、塩素ラジカルを放出する。この塩素ラジカルが触媒として働き、オゾン分子を大量に分解する。
その他のハロゲン化合物: 特定フロンガス以外にも、臭素化合物やその他のハロゲン化合物がオゾン層破壊の原因となる。
自然現象: 大規模な火山噴火など、自然現象によってもオゾン層が一時的に破壊されることがある。