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オゾン層またはオゾンシールドは、地球の成層圏にある領域で、太陽からの紫外線放射の大部分を吸収します。成層圏の他のガスと比較するとオゾン（O₃ ）の濃度は高いですが、成層圏の他のガスと比較するとまだ低いです。オゾン層のオゾン濃度は8～ 15ppmでピークに達しますが[ 1 ]、地球の大気全体の平均オゾン濃度は約0.3ppmです。オゾン層は主に成層圏の下部、地球上空約15～35キロメートル（9～22マイル）に存在しますが、その厚さは季節や地域によって異なります[ 2 ] 。
オゾン層は、1913 年にフランスの物理学者シャルル・ファブリーとアンリ・ビュイソンによって発見されました。太陽の測定では、太陽表面から放出され地球の地表に到達する放射線は、通常、5,500 ～ 6,000 K (5,230 ～ 5,730 °C)の温度範囲の黒体のスペクトルと一致していることが示されましたが、スペクトルの紫外線端の約 310 nmより低い波長の放射線はありませんでした。欠落した放射線は、大気中の何かに吸収されていると推測されました。最終的に、欠落した放射線のスペクトルは、既知の化学物質であるオゾンのみと一致しました。[ 3 ]その特性は、イギリスの気象学者G. MB ドブソンによって詳細に調査され、彼は地上から成層圏オゾンを測定できる単純な分光光度計(ドブソンメーター) を開発しました。 1928年から1958年にかけて、ドブソンは世界中にオゾン観測所のネットワークを構築し、それらは現在も稼働を続けている。「ドブソン単位」（DU）は、上空のオゾン量を表す便利な単位であり、彼の功績を称えて名付けられた。
オゾン層は、太陽の中周波紫外線（波長約200nm～315nm）の97～99パーセントを吸収します。そうでなければ、地表付近の露出した生命体に損傷を与える可能性があります。[ 4 ]
1985年、大気研究により、オゾン層が主にクロロフルオロカーボン（CFC）などの産業界から放出される化学物質によって破壊されていることが明らかになりました。オゾン層の破壊による紫外線の増加が、人間の皮膚がんの増加やその他の生態学的問題など、地球上の生命を脅かすという懸念[ 5 ]から、これらの化学物質が禁止され、最新の証拠ではオゾン層の破壊は減速または停止していることが示されています。国連総会は、9月16日を国際オゾン層保護デーに指定しました。
地球のオゾン層は約5億年前に形成され、新原生代の酸素化イベントによって大気中の酸素の割合が約20%になった。[ 7 ]
オゾン層を生成する光化学的メカニズムは、1930年にイギリスの物理学者シドニー・チャップマンによって発見されました。地球の成層圏のオゾンは、紫外線が2つの酸素原子（O₂ ）を含む通常の酸素分子に当たると、酸素分子が個々の酸素原子（原子状酸素）に分解されることで生成されます。原子状酸素は、分解されていないO₂と結合してオゾン（ O₃）を生成します。オゾン分子は不安定であり（ただし、成層圏では長寿命です）、紫外線がオゾンに当たると、O₂分子と個々の酸素原子に分解されます。このプロセスは、オゾン-酸素サイクルと呼ばれ、継続的に繰り返されます。化学的には、次のように説明できます。
大気中のオゾンの約90%は成層圏に存在します。オゾン濃度は高度約20～40キロメートル（66,000～131,000フィート）で最も高く、その濃度は約2～8ppmです。もしすべてのオゾンを海面気圧まで圧縮すると、厚さはわずか3ミリメートル（1/8インチ）になります。[ 8 ]
オゾン層におけるオゾンの濃度は非常に低いものの、太陽から来る生物に有害な紫外線（UV）を吸収するため、生命にとって極めて重要です。極めて短い波長、すなわち真空紫外線（10～100 nm）は窒素によって遮蔽されます。窒素を透過できる紫外線は、波長に基づいて3つのカテゴリーに分けられ、それぞれUV-A（400～315 nm）、UV-B（315～280 nm）、UV-C（280～100 nm）と呼ばれます。
すべての生物にとって非常に有害なUV-Cは、高度約35キロメートル（115,000フィート） で酸素（< 200 nm）とオゾン（> 約200 nm）の組み合わせによって完全に遮断されます。UV-B放射線は皮膚に有害であり、日焼けの主な原因です。過剰な曝露は白内障、免疫系の抑制、遺伝子損傷を引き起こし、皮膚がんなどの問題につながる可能性があります。オゾン層（約200 nmから310 nmまでを吸収し、約250 nmで最大吸収）[ 9 ]はUV-Bを遮断するのに非常に効果的です。波長290 nmの放射線の場合、大気圏最上部での強度は地表の3億5000万倍です。それにもかかわらず、特に最も長い波長のUV-Bの一部は地表に到達し、哺乳類の皮膚でのビタミンDの生成に重要です。
オゾンはほとんどのUV-Aに対して透明であるため、この長波長の紫外線放射の大部分は地表に到達し、地球に到達する紫外線の大部分を占めています。このタイプの紫外線放射はDNAに対しては著しく有害性が低いものの、物理的な損傷、皮膚の早期老化、間接的な遺伝子損傷、皮膚がんを引き起こす可能性は依然としてあります。[ 10 ]
オゾン層の厚さは世界中で異なり、一般的に赤道付近では薄く、極付近では厚くなっています。[ 11 ]厚さとは、特定の面積の柱状構造に含まれるオゾンの量を指し、季節によって変化します。これらの変化の原因は、大気循環パターンと太陽の強度によるものです。[ 12 ]
オゾン層は徐々に消滅していくが、一般的にその上限は、紫外線がオゾンをほとんど生成できないほど空気が薄くなる場所であり、下限は、生成されたオゾンが十分な紫外線を遮断し、オゾン生成の大部分を停止させる場所である。
均質圏では、相対的なガス重量よりも風による移動の方が重要です。オゾンの大部分は熱帯で生成され、成層圏の風のパターンによって極に向かって運ばれます。北半球では、ブリューワー・ドブソン循環として知られるこれらのパターンにより、オゾン層は春に最も厚くなり、秋に最も薄くなります。[ 11 ]熱帯で太陽紫外線によってオゾンが生成される場合、循環によってオゾンの少ない空気が対流圏から成層圏に持ち上げられ、そこで太陽光が酸素分子を光分解してオゾンに変えます。その後、オゾンが豊富な空気は高緯度に運ばれ、大気の下層に落下します。[ 11 ]
研究によると、米国のオゾン濃度は春の4月と5月に最も高く、10月に最も低いことがわかっています。オゾンの総量は熱帯から高緯度に向かうにつれて増加しますが、濃度は高緯度北緯の方が高緯度南緯よりも高く、春の高緯度北緯のオゾンカラムは時折600 DUを超え、平均450 DUであるのに対し、人為的なオゾン層破壊以前の南極では400 DUが通常の最大値でした。この違いは、北半球の大きな山脈と陸と海の温度差が大きいため、北半球の極渦が弱く、ブリューワー・ドブソン循環が強いために自然に発生しました。[ 13 ]北緯と南緯の高緯度の差は、1970年代以降、オゾンホール現象により拡大しています。[ 11 ]オゾンの量は、春の3月と4月に北極で最大となるが、夏の9月と10月には南極でオゾンの量が最も少なくなる。
オゾン層は、一酸化窒素（NO）、亜酸化窒素（N₂O ）、ヒドロキシル（OH）、塩素原子（Cl）、臭素原子（Br）などのフリーラジカル触媒によって破壊される可能性があります。これらの種はすべて自然発生源がありますが、塩素と臭素の濃度は、特にクロロフルオロカーボン（CFC）やブロモフルオロカーボンなどの人工有機ハロゲン化合物が大量に放出されたため、ここ数十年で著しく増加しました。[ 14 ]大気成分は、オゾン層よりはるかに高い高度約90 kmまで風による混合が及ぶため、同質大気中で重量によって分離されません。そのため、二原子窒素や酸素よりも重いにもかかわらず、これらの非常に安定した化合物は成層圏に上昇し、そこで紫外線の作用によりClラジカルとBrラジカルが放出されます。それぞれのラジカルは、10万個以上のオゾン分子を分解できる連鎖反応を開始および触媒する自由を持つ。2009年までに、亜酸化窒素は人間の活動によって排出される最大のオゾン層破壊物質（ODS）となった。[ 15 ]
成層圏のオゾン層の破壊により、紫外線の吸収が減少します。その結果、吸収されずに残った危険な紫外線が、より高い強度で地表に到達します。オゾン層は、1970年代後半以降、世界平均で約4%減少しています。北極と南極周辺の地表の約5%では、季節的な減少がはるかに大きく、「オゾンホール」と呼ばれています。「オゾンホール」とは、実際にはオゾン層の中でオゾンが薄くなっている部分です。オゾンが最も薄い部分は、地球の自転軸の極点にあります。[ 16 ]南極上空のオゾン層の年間減少の発見は、ジョー・ファーマン、ブライアン・ガーディナー、ジョナサン・シャンクリンによって、1985年5月16日にネイチャーに掲載された論文で初めて発表されました。
規制の試みには、米国環境保護庁が施行した大気浄化法が含まれるが、これに限定されるものではない。大気浄化法は、国家大気質基準（NAAQS）の要件を導入し、オゾン汚染は6つの基準汚染物質の1つとなっている。この規制は、郡、市、部族地域がこれらの基準を遵守しなければならず、EPAが各地域に汚染物質の規制に関する支援も提供しているため、効果的であることが証明されている。[ 17 ]オゾン層破壊と汚染物質の存在と規制について一般の人々を教育するためには、情報の効果的な提示も重要であることが証明されている。シェルドン・ウンガーは、オゾン層破壊、気候変動、およびさまざまな関連トピックに関する情報がどのように伝達されるかを調査および研究した科学論文を執筆した。オゾンの事例は、「大衆文化から派生した理解しやすい橋渡しメタファー」を使用して一般の人々に伝えられ、「日常に関連する差し迫ったリスク」に関連付けられた。[ 18 ]議論で使用された具体的な比喩（オゾンシールド、オゾンホール）は非常に有用であることが証明され、地球規模の気候変動と比較して、オゾン問題ははるかに「ホットな問題」であり、差し迫ったリスクとして認識されました。一般の人々は、オゾン層の破壊と皮膚がんのリスクについて慎重でした。
地球の大気圏に再突入して燃え尽きる衛星は、数十年にわたって大気中に残留する酸化アルミニウム（Al 2 O 3）ナノ粒子を生成します。 [ 19 ] 2022年だけでも推定で約17トン（ 約250kgの衛星1基あたり約30kgのナノ粒子 ）でした。[ 19 ]衛星群の増加は、最終的に深刻なオゾン層破壊につながる可能性があります。[ 19 ]
「悪い」オゾンは、呼吸器系への影響（呼吸困難）など健康に悪影響を及ぼす可能性があり、喘息、COPD、肺気腫などの呼吸器疾患を悪化させることが証明されています。[ 20 ]そのため、多くの国では、「良い」オゾンを改善し、都市部や住宅地での「悪い」オゾンの増加を防ぐための規制を設けています。オゾン保護（「良い」オゾンの保全）に関しては、欧州連合は、特定の地域で購入、流通、または使用が許可されている製品について厳格なガイドラインを設けています。[ 21 ]効果的な規制により、オゾンは時間の経過とともに回復すると予想されます。[ 22 ]
1978年、米国、カナダ、ノルウェーはオゾン層を破壊するCFC含有エアロゾルスプレーを禁止したが、欧州共同体は同様の提案を拒否した。米国では、1985年に南極オゾンホールが発見されるまで、クロロフルオロカーボンは冷凍や工業用洗浄などの他の用途で引き続き使用された。国際条約（モントリオール議定書）の交渉後、CFC生産は1986年レベルに制限され、長期的な削減が約束された。[ 23 ]これにより、発展途上国には10年間の段階的導入が可能になった[ 24 ]（議定書の第5条で特定されている）。その後、条約は改正され、1995年以降は先進国で、その後発展途上国でCFC生産が禁止された。[ 25 ]世界の197か国すべてがこの条約に署名している。 1996年1月1日以降、米国などの先進国では、リサイクルまたは備蓄されたCFCのみが使用可能となった。生産の段階的廃止は、すべてのODS用途に代替化学物質と技術を確保するための努力によって可能になった。[ 26 ]
2003年8月2日、科学者たちは、オゾン層破壊物質の国際規制により、地球規模のオゾン層破壊が減速している可能性があると発表した。アメリカ地球物理学連合が主催した調査では、3つの衛星と3つの地上局が、上層大気のオゾン破壊速度が過去10年間で大幅に減速したことを確認した。禁止していない国々が使用するオゾン層破壊物質や、すでに成層圏に存在するガスのため、ある程度の破壊は続くと予想された。CFCを含む一部のオゾン層破壊物質は、50年から100年以上という非常に長い大気寿命を持つ。オゾン層は21世紀半ば頃に1980年レベルまで回復すると推定されている。[ 27 ] 2016年には、「回復」への緩やかな傾向が報告された。[ 28 ]
C–H結合を含む化合物（ハイドロクロロフルオロカーボン、HCFCなど）は、特定の用途でCFCの代替として設計されています。これらの代替化合物は反応性が高く、成層圏に到達してオゾン層に影響を与えるほど大気中に長く留まる可能性が低くなっています。HCFCはCFCよりも有害性は低いものの、オゾン層に悪影響を与える可能性があるため、段階的に廃止されています。[ 29 ]これらは、成層圏オゾンを全く破壊しないハイドロフルオロカーボン（HFC）やその他の化合物に置き換えられています。
大気中に蓄積されたCFCの残留効果により、大気と海洋の間に濃度勾配が生じます。この有機ハロゲン化合物は海洋の表層水に溶け込み、時間依存トレーサーとして機能します。このトレーサーは、生物学的、物理的、化学的な経路を追跡することで、科学者が海洋循環を研究するのに役立ちます。[ 30 ]
大気中のオゾン層がほとんどの高エネルギー紫外線放射が地球の表面に到達するのを妨げているため、これらの波長の天文データは、大気とオゾン層の上を周回する衛星から収集する必要があります。若い高温の星からの光のほとんどは紫外線領域にあるため、これらの波長の研究は銀河の起源を研究する上で重要です。銀河進化探査機（GALEX）は、2003年4月28日に打ち上げられ、2012年初頭まで運用された軌道上の紫外線宇宙望遠鏡です。[ 31 ]
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