オゾン層が生成されるメカニズムとフロンガスによってオゾン層が破壊されるメカニズム
オゾンは酸素の同素体
オゾンは、酸素原子が３個結合した同素体です。
同素体というのは、同じ原子の結合物質でありながら、原子の配列や結合の仕方が違っていて性質が異なるものを言います。 この場合は、酸素とオゾンがこれに当たります。
オゾン発生装置の構造
オゾンは、色は青っぽく、刺激臭があります。漂白・殺菌・消臭効果があるためにトイレ関係に使われていますから、 刺激臭に心当たりのある方も居られるかも知れませんね。また、感染症新型コロナ禍では濃度を抑えたオゾン発生器が対策商品として販売されていました。
私が始めてオゾン発生器を見たのは、熱帯魚や金魚を飼育する際に水槽の水を殺菌する装置です。タバコ１箱ぐらいの大きさで１万円ぐらいしました。
この装置で発生させたオゾンを魚を飼育している水中に入れて殺菌します。もちろん、オゾンの気泡を飼育している魚などに触れさせてはいけません。 オゾンに魚が触れないように網状の物で囲うか、飼育水槽外にオゾン浄化槽を作ります。
当時、私は熱帯魚に凝って居たのは確かですが、興味の中心は、オゾンを発生させる装置にありました。
が、筐体を開けて拍子抜け、網状電極と白い粉末が入った細いガラス管と、簡単な電子装置があっただけです。
もっと複雑な装置かと思って大枚払った私は、若かったです。
オゾン発生装置の仕組みをご存知で無い方のために説明しますと、鑑賞魚飼育用のエアーポンプからこの装置に送り込まれた空気は、先ず、ガラス管の中の乾燥剤で湿気を除かれます。
次に、その空気は網状電極の入ったガラス管の中に入ります。この網状電極には高電圧がかかっていて、放電が起きています。
放電と言っても「パチパチ」音がするものではありません（無声放電）この放電で空気中の酸素分子が原子になって、原子３個が結合したオゾンができます。
電子装置は、高電圧を作るものですが、電流が極めて小さいので簡単なものです。
オゾン層が生成されるメカニズム
紫外線領域の光（光量子）が大気中の酸素分子に衝突すると、酸素分子は（紫外線の波長×プランク定数）のエネルギーをもらい酸素原子２個に分かれます。 $O_{2}$を酸素分子、UV を紫外線のエネルギーとすると
$$O + O_{2} → O_{3} \tag{2}$$
式２の反応では触媒としてＭ分子が作用し、Ｍ分子の多くは窒素分子といわれています。
このＭ分子は、反応で起きたエネルギーをもらって活発に動き回ります。 この為に、大気上層部の気温は上がります。
この反応によって、波長２００ナノメートル以下の紫外線の殆どと、波長２００～２４０ナノメートル以下の紫外線の一部は、 オゾン$O_{3}$と熱に変えられて地上には到達しません。 このように生成されたオゾンですが、オゾン内の酸素原子の結合は酸素分子内のその結合より弱い為、オゾンは酸素分子と衝突して消滅したり、 生成時より波長の長い紫外線エネルギーをもらって再び酸素原子が離れて消滅します。
生成される量と消滅する量が均衡しているのが自然の状態です。
ここで、気を付けるべき点は、 オゾン生成に適した波長の短い紫外線より、オゾンを壊すに適した波長の長い紫外線の方が量が多いので、 常にオゾンは酸素分子より少ないのでオゾン生成の原料となる酸素分子が枯渇することはありません。
逆でしたら地球上の生命はオゾンの活性力で破壊されしまいます。
まとめますと、紫外線は、オゾンの生成時、および消滅時に使われ、また、オゾンに吸収された紫外線は熱となって大気上層部を温めます。 このために、地表に降り注ぐ紫外線量は減ります。
オゾン層が出来る高さですが、高い所は紫外線は多いが、酸素が少ない、低い所は酸素が多いが紫外線は少ない。
という理由で、地表から２０～３０キロメールの間に密度の高い部分があります。
オゾン層がフロンガスで破壊されるメカニズム
フロンガスは、フッ素・炭素・塩素が結合して出来ています。 オゾン層を壊すのは、この中の塩素です。エアゾールスプレーの噴射用ガス、廃棄された冷蔵庫やクーラーの冷媒、 部品の洗浄液などに含まれているフロンガスが大気上空に昇ると、紫外線のエネルギーでフロンガスの炭素と塩素の結合が切れて塩素原子$Cl$が離れます。
上空にはオゾン生成時に出来る酸素原子が浮遊しているので、塩素原子$Cl$と酸素原子$O$が結合して、$ClO$が出来ます。
ここまでの説明ですと、紫外線はフロンガスを分解して消耗しているので地表に降り注ぐ紫外線量も減って問題ないように思えますが、 塩素原子$Cl$は、オゾン$O_{3}$と反応して
その他、一酸化窒素など５０種類上の化学物質がオゾンと反応してオゾンを減らすように働くと言われています。