地球の成層圏におけるオゾン層の構造と役割

オゾン層（オゾンそう、英: ozone layer, ozonosphere）とは、地球の大気層の一つであり、地球の大気中でオゾンの濃度が高い部分を指す言葉です。

一般的には、大気中のオゾンの9割が存在する成層圏の高濃度オゾン帯を指し、高度約10kmから50km付近の領域とされています。

定義と高度分布

オゾンは、高度約10–50 kmほどの成層圏に多く存在し、特に高度約25 km付近で最も密度が高くなります。オゾン濃度が最も高いのは高度20 km付近で、1立方センチメートルあたり約10¹³個のオゾン分子が存在します。また、乾燥空気に対する質量比であるオゾンの混合比が最も高いのは高度30 km付近であり、9–10 ppmです。

オゾンの発生とチャップマン機構

成層圏内では、酸素分子が太陽からの242 nm以下の波長の紫外선을吸収して光解離し、酸素原子になる反応が進行します。

この酸素原子が別の酸素分子と結びついてオゾンが生成されます。生成されたオゾンは320 nm以下の波長を持つ紫外線を吸収し、再び酸素分子と酸素原子に分解するという反応が同時に進行します。

一連の反応メカニズムは1930年にチャップマンによって提唱され、チャップマン機構と呼ばれています。

オゾン層の役割と紫外線吸収

オゾン層は、太陽からの有害な波長の紫外線の多くを吸収し、地上の生態系を保護する極めて重要な役割を果たしています。

• UV-C（280 nm未満）: 最も波長が短く有害な紫外線であり、大気中のオゾンや酸素分子によって完全に吸収されて地場に届くことはありません。
• UV-B（315–280 nm）: そのほとんどがオゾン層によって吸収されますが、一部が地表に到達し、皮膚の炎症や皮膚がんの原因となります。
• UV-A（400–315 nm）: 大半が吸収されずに地表に到達しますが、有害性はUV-Bよりも小さく、しわやたるみの原因になります。

ドブソン単位

地球上のある地点における大気中のオゾン量を表す単位として、ドブソン単位（Dobson units、略称: DU）が用いられます。これは計測地点における地上から上空までの大気中に存在する全オゾンを集積し、0℃・1気圧に換算したときの厚さ（1 mmの1/1000であるm atm-cm）として表現されます。赤道付近では約250 DUと少なく、中〜高緯度地域では300–450 DU程度となります。