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オゾン・酸素サイクルとは、地球の成層圏で紫外線（UV）を熱に変換することでオゾンが継続的に再生される過程のことである。1930年、シドニー・チャップマンはこの過程に関わる化学反応を解明した。この過程は、大気科学者の間では一般的にチャップマンサイクルと呼ばれている。
オゾン生成の大部分は、熱帯の上部成層圏と中間圏で起こります。地球全体で1日に生成されるオゾンの総質量は約4億トンです。地球全体のオゾン質量は約30億トンで比較的安定しており、これは太陽が毎日オゾン層の約12%を生成していることを意味します。[ 1 ]
チャップマンサイクルは、成層圏のオゾン濃度を第一近似的に自然に決定する主な反応を説明しています。これには、酸素原子と分子、および紫外線が関与する 4 つのプロセスと、重要度の低い 5 番目のプロセスが含まれます。[ 2 ]
酸素分子は、高周波の紫外線（UV-B、UV-Cの上限以上）によって分解（光分解）され、2つの酸素原子に分裂します（図を参照）。
それぞれの酸素原子は、酸素分子と結合してオゾン分子を形成する。
（上記の）反応によって生成されたオゾン分子は、UV-CとUV-Bの間の適切な波長の放射線を吸収します。三原子オゾン分子は、二原子分子酸素と遊離酸素原子になります（図を参照）。
生成された原子状酸素は、別の酸素分子と反応して、オゾン生成反応（上記の反応2）によってオゾンを再生する可能性がある。
これらの2つの反応はオゾン-酸素サイクルを形成し、オゾン生成によって放出される化学エネルギーが分子運動エネルギーに変換されます。このサイクルの最終的な結果は、オゾンの正味損失なしに、透過するUV-B光が熱に変換されることです。このサイクルは、オゾン層を安定したバランスに保ち、下層大気を有害な紫外線から保護するだけでなく、成層圏における2つの主要な熱源の1つも提供します（もう1つは、O₂が光分解されて個々のO原子になるときに放出される運動エネルギーです）。
酸素原子とオゾン分子が出会うと、それらは再結合して2つの酸素分子を形成する。
2つの酸素原子が反応して1つの酸素分子を形成する可能性がある。
反応5は成層圏では最も重要性が低いことに注意してください。なぜなら、通常の状態では、酸素原子の濃度は二原子酸素分子の濃度よりもはるかに低いからです。したがって、この反応はオゾン生成（反応2）よりも頻繁には起こりません。
成層圏におけるオゾンの総量は、太陽放射による生成と除去のバランスによって決まる。遊離酸素原子の濃度が非常に低いため、除去速度は遅い。
これら5つの反応に加えて、特定のフリーラジカル（最も重要なのはヒドロキシル（OH）、一酸化窒素（NO）、塩素原子（Cl）、臭素原子（Br））が 再結合反応を触媒し、触媒が存在しない場合よりも薄いオゾン層が形成される。
ほとんどのOHとNOは成層圏に自然に存在しますが、人間の活動、特にクロロフルオロカーボン（CFC）やハロンの排出によってClとBrの濃度が大幅に増加し、オゾン層破壊につながっています。ClまたはBr原子は、成層圏から除去されるまでに、数万もの分解反応を触媒することができます。
与えられた相対反応物濃度に対して、オゾン生成と酸素再結合の速度（反応2と5）は空気密度の3乗に比例し、オゾン変換の速度（反応4）は空気密度の2乗に比例し、光解離反応（反応1と3）は空気密度に線形依存します。したがって、空気密度が非常に低く光子束が高い上部熱圏では、酸素の光解離は速く、オゾン生成は低いため、その濃度は低くなります。したがって、最も重要な反応は酸素の光解離と酸素再結合であり、ほとんどの酸素分子は酸素原子に解離します。[ 3 ]
下部熱圏（例えば高度100 km以下）に行くと、 酸素光解離反応（反応1）における酸素による吸収のため、170 nm未満の波長の光子束が急激に減少します。この波長領域では、この反応の断面積が最大（酸素分子あたり10 −17 cm 2）であるため、酸素分子あたりの酸素光解離速度は、100 kmでは毎秒10 −7以上（約1ヶ月に1回）から、80 kmでは毎秒 10 −8（約数年に1回）へと、これらの高度で大幅に減少します。 [ 4 ]その結果、原子状酸素濃度（相対濃度と絶対濃度の両方）が急激に減少し、オゾン生成（反応2）が継続するため、少量ではあるものの無視できないオゾンが存在します。[ 5 ]
高度が低くなるにつれて気温も低下することに注意してください。これは、光子の光解離率が低下すると、空気分子あたりの発熱量が少なくなるためです。
奇数酸素種（原子状酸素とオゾン）は、酸素解離（反応1）によってのみ正味生成され、オゾン変換または酸素再結合（反応4および5）によって正味消滅する。定常状態ではこれらのプロセスは平衡しており、これらの反応速度は次の式に従う。
定常状態では、オゾン生成とオゾン除去は平衡状態にある。したがって：
したがって、次のことが言える。
右側は、酸素またはオゾンのいずれかの光解離速度の合計値です。
熱圏の下では、原子状酸素の濃度は分子状酸素に比べて非常に低い。[ 6 ]そのため、酸素原子は他の酸素原子と衝突するよりも酸素（二原子）分子と衝突する可能性がはるかに高く、酸素の再結合（反応5）はオゾン生成（反応2）よりもはるかにまれである。反応速度間の定常状態の関係に従うと、次のように近似できる。[ 7 ]
中間圏では、酸素の光解離がオゾンの光解離よりも優勢であるため、おおよそ次のようになります。[ 4 ]
このように、オゾンは主にオゾン変換によって除去されます。オゾンの生成と変換はどちらも酸素原子濃度に比例しますが、オゾン生成では酸素原子が酸素分子と別の空気分子（通常は窒素）に同時に遭遇する必要があるのに対し、オゾン変換では酸素原子はオゾン分子にのみ遭遇すれば済みます。したがって、両方の反応が平衡状態にあるとき、オゾン濃度と分子状酸素濃度の比は空気密度にほぼ比例します。
したがって、空気密度が高い低高度では、相対オゾン濃度が高くなります。この傾向は成層圏の下部でもある程度継続し、高度が60 kmから30 kmに下がると、空気密度と相対オゾン濃度はともに約40～50倍に増加します。[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]
中間圏および熱圏における酸素による吸収（酸素光解離反応）により、酸素光解離がシューマン・ルンゲ帯と連続スペクトルによって支配され、断面積が最大で 10 −17 cm 2となる 200 ナノメートル以下の波長の光子束が減少します。この吸収により、成層圏ではこれらの波長の光子束が非常に低くなるため、酸素光解離は 200～240 nm の光子波長のヘルツベルグ帯によって支配されるようになりますが、このプロセスの断面積は 10 −24～ 10 −23 cm 2と低くなります。オゾン分子あたりのオゾン光解離速度の断面積は、220～300 nm の波長範囲で 6 桁高くなります。オゾン濃度が分子状酸素に対して10⁻⁶～10⁻⁵のオーダーになると、オゾンの光解離が主要な光解離反応となり、成層圏の熱の大部分はこのプロセスによって生成されます。分子あたりの熱生成率は成層圏の上限（成層圏界面）で最大となり、そこではオゾン濃度がすでに比較的高く、紫外線束もこれらの波長で高いままですが、その後、同じ光解離プロセスによって減少します。
オゾンの光解離がより支配的な除去反応となることに加えて、フリーラジカル（主に原子状水素、ヒドロキシル、一酸化窒素、塩素、臭化物）による触媒的オゾン破壊により、オゾン変換反応の実効速度が増加します。これらのプロセスはどちらもオゾン除去を促進するため、空気密度は増加し続けても、高度が低下するにつれてオゾンの相対濃度の増加はより緩やかになります。[ 4 ]
高度が低くなるにつれてオゾンと酸素の密度が増加するため、波長 300 nm 未満の紫外線光子束は大幅に減少し、酸素の光解離速度は30 km で分子あたり毎秒10 −9 未満に低下します。[ 4 ]酸素の光解離速度が低下すると、奇数酸素種 (原子状酸素とオゾン分子) は de novo でほとんど生成されず (他の反応によって互いに変換されるのではなく)、オゾン生成に必要な原子状酸素のほとんどは、オゾンの光解離によるオゾンの除去からほぼ完全に得られます。したがって、高度 30 km を下回るとオゾンは減少し、対流圏界面 では非常に低い濃度になります。[ 8 ]
対流圏では、オゾンの生成と破壊はもはやオゾン-酸素サイクルによって制御されていません。むしろ、今日の対流圏のオゾン化学は、産業汚染物質や火山起源のガスによって支配されています。[ 4 ]