オゾン層｜紫外線から地球の生命を守る大気の盾

オゾン層

オゾン層は、地上からおよそ10～50kmの成層圏に分布する大気の層で、ほかの高度に比べてオゾン（O₃）の濃度が高い。濃度が最も高いのは高度20～25km付近である。この層が太陽光に含まれる有害な紫外線の大部分を吸収し、地上の生物を守っている。ただし、層の中でもオゾンは大気のわずか数ppm程度にすぎない。仮にすべてを0℃・1気圧の地表に集めると厚さは約3mmになり、この量を300DU（ドブソン単位）と表す。

発見からフロン説の提唱まで

オゾンという物質は、1840年にドイツの化学者シェーンバインが、特有のにおいをもつ気体として報告した。上空に濃い層があることは、1913年にフランスのファブリとビュイソンが紫外線の吸収スペクトルを調べて明らかにした。1920年代には英国のドブソンが分光光度計を使った定期的な観測を始めている。大きな転機となったのは1974年である。米国のモリーナとローランドは、フロン（クロロフルオロカーボン、CFC）が成層圏で分解されて塩素を出し、その塩素がオゾンを壊すという説を『Nature』誌に発表した。この研究は、のちに1995年のノーベル化学賞につながった。

オゾンが生まれ、壊れる仕組み

成層圏のオゾンは、太陽の紫外線と酸素分子の反応によって、たえず生まれたり壊れたりしている。生まれる量と壊れる量がつり合っているため、濃度はほぼ一定に保たれてきた。

チャップマン機構

1930年に英国のチャップマンが示した反応モデルは次のとおりである。まず、波長242nm以下の紫外線がO₂を2個のO原子に分ける（O₂ + hν → 2O）。このO原子が別のO₂と結びつくとO₃になる。できたO₃は、より波長の長い紫外線を吸収して、再びO₂とOに分かれる。この反応の中で、UV-C（100～280nm）はほぼすべて、UV-B（280～315nm）もほとんどが吸収される。一方、UV-A（315～400nm）は大半が地表まで届く。

塩素の連鎖反応とオゾンホール

フロンは化学的にとても安定しているため、地表に近い対流圏ではほとんど分解されない。数年かけて成層圏まで上ると、強い紫外線を受けて分解され、塩素原子が放出される。塩素原子はCl + O₃ → ClO + O₂、ClO + O → Cl + O₂という反応をくり返す。塩素原子そのものは反応の後も残るため、1個で数万個ものオゾン分子を壊すとされる。南極の上空では、冬に気温が-78℃以下まで下がると極成層圏雲という雲ができ、その表面で塩素が反応しやすい状態に変わる。春にあたる9～10月に日光が戻ると、オゾンは急激に壊される。こうしてオゾン全量が220DUを下回った範囲が、いわゆるオゾンホールである。

国際的な規制の枠組み

1985年のウィーン条約で国際協力の枠組みがつくられた。続く1987年には、具体的な削減の日程を定めたモントリオール議定書が採択された。先進国では特定フロンの生産が1995年末で全面的に廃止され、HCFCも2020年に原則として全廃された。2016年のキガリ改正では、HFCも削減の対象に加わった。HFCはオゾン層を壊さないが、温室効果が大きいためである。日本では、1988年に制定されたオゾン層保護法が製造と輸入を規制している。機器を使う段階での管理は、2015年に施行されたフロン排出抑制法が担っている。代表的な冷媒の性質を比べると、規制がどのように進んできたかがよくわかる。

※ODP（オゾン層破壊係数）は、CFC-11を1.0としたときの相対値である。

製造現場への影響と実務対応

規制の影響を最も強く受けたのは、フロン類を冷媒、洗浄剤、消火剤として大量に使っていた製造業である。1980年代の電子部品工場や半導体工場では、CFC-113が精密部品を洗浄する標準の溶剤であった。CFC-113は乾きが速く、金属を傷めにくいため、代わりの溶剤を見つけるのは難しかった。多くの工場は水系や炭化水素系の洗浄剤、変性アルコールに切り替えたが、その際に乾燥炉の増設や排水処理設備への追加投資が必要になった。消火設備では、ODPが10と非常に高いハロン1301の新規生産が1993年末に止まった。それでも、電算室や美術館のように水をかけたくない場所では、すでにあるハロンの再利用が今も認められている。そのため、回収と再充填の管理が続けられている。

冷凍空調機器の点検義務

フロン排出抑制法は、業務用の空調機や冷凍機を管理する人に、3か月に1回以上の簡易点検を義務づけている。圧縮機の定格出力が7.5kW以上の機器では、資格をもつ人による定期点検も必要になる。冷凍冷蔵機器は年1回、空調機器は50kW以上なら年1回、7.5kW以上50kW未満なら3年に1回である。現場で特に判断に迷うのがR-22を使う古い機器の扱いである。HCFCの生産が終わったため、補充には再生した冷媒を使うしかなく、その価格は年々上がっている。漏れの修理をくり返すよりも、R-32やCO₂を冷媒とする機器に更新したほうが、全体の費用を抑えられる場合も多い。

観測体制と回復の兆し

気象庁は1957年から、茨城県つくば市の高層気象台でオゾン全量の観測を続けている。南極の昭和基地では1982年、気象研究所の忠鉢繁が春にオゾンが異常に減っていることを観測し、1984年に国際学会で報告した。これは、英国南極観測局のファーマンらが1985年に『Nature』に発表した論文よりも早い記録として知られている。規制の効果はすでに数字に表れており、成層圏の塩素の量は1990年代後半を境に減り始めた。WMO（世界気象機関）とUNEP（国連環境計画）が2023年1月に公表した評価報告書は、南極上空のオゾン量が1980年の水準まで戻るのは2066年ごろと見込んでいる。HFCの削減は地球温暖化を抑えることにもつながる。こうしてオゾン層を守る取り組みは、温室効果ガスの対策と一体のものになった。