Suy giảm ozon
Tổng quan về chu kỳ ozone

Có ba dạng (hoặc thù hình) của oxy tham gia vào chu trình ozon-ôxy : nguyên tử oxy (O hoặc ôxy nguyên tử), khí oxy (O
2), và khí ozone (O
3). Ozone được hình thành trong tầng bình lưu khi các phân tử ôxy phân ly do quang năng sau khi hấp thụ các photon tử ngoại. Quá trình này chuyển đổi một O
2 thành hai gốc oxy nguyên tử. Các gốc oxy nguyên tử sau đó kết hợp với phân tử O
2 để tạo ra hai phân tử O
3. Các phân tử ozone này hấp thụ tia cực tím (UV), sau đó ozone phân tách thành phân tử O
2 và một nguyên tử oxy. Nguyên tử ôxy sau đó tham gia với một phân tử ôxy để tạo ra ozone. Đây là một quá trình liên tục, kết thúc khi một nguyên tử oxy tái kết hợp với một phân tử ozon để tạo ra hai phân tử O
2.
O + O
3 → 2 O
2
Tổng lượng ozone trong tầng bình lưu được xác định bởi sự cân bằng giữa sản xuất quang hóa và việc tái tổ hợp trên.
Ozone có thể bị phá hủy bởi một số chất xúc tác gốc tự do; quan trọng nhất là gốc hydroxyl (OH·), gốc oxit nitric (NO·), gốc clo (Cl·) và gốc brom (Br·). Dấu chấm là ký hiệu để chỉ ra rằng mỗi gốc có một electron chưa ghép đôi và do đó phản ứng cực kỳ mạnh. Tất cả những gốc tự do này đều có nguồn gốc tự nhiên và nhân tạo; hiện tại, hầu hết OH· và NO· trong tầng bình lưu là tự nhiên, nhưng hoạt động của con người đã làm tăng đáng kể hàm lượng clo và brom. Các nguyên tố này được tìm thấy trong các hợp chất hữu cơ ổn định, đặc biệt là chlorofluorocarbon, vốn có thể đi đến tầng bình lưu mà không bị phá hủy ở tầng đối lưu do khả năng phản ứng thấp. Khi ở trong tầng bình lưu, các nguyên tử Cl và Br được giải phóng khỏi các hợp chất mẹ do tác động của tia cực tím, ví dụ:
CFCl
3 + bức xạ điện từ → Cl· +·CFCl
2
Ozone là một phân tử có khả năng phản ứng cao, dễ dàng khử thành dạng oxy ổn định hơn với sự hỗ trợ của chất xúc tác. Các nguyên tử Cl và Br phá hủy các phân tử ozon thông qua nhiều chu trình xúc tác khác nhau. Trong ví dụ đơn giản nhất của một chu kỳ như vậy, một nguyên tử clo phản ứng với một phân tử ozone (O
3), lấy một nguyên tử oxy để tạo thành clo monocide (ClO) và để lại một phân tử oxy (O
2). ClO có thể phản ứng với phân tử ozone thứ hai, giải phóng nguyên tử clo và tạo ra hai phân tử ôxy. Viết tắt hóa học cho các phản ứng pha khí này là:
Cl· + O
3 → ClO + O
2 Một nguyên tử clo loại bỏ một nguyên tử oxy khỏi phân tử ozon để tạo ra phân tử ClO
ClO + O
3 → Cl· + O
2 ClO này cũng có thể loại bỏ một nguyên tử ôxy từ một phân tử ozon khác; clo tự do lặp lại chu trình hai bước này
Ảnh hưởng tổng thể của hai phản ứng này là làm giảm lượng ozone, mặc dù tốc độ của các quá trình này có thể giảm do tác động của các chu kỳ rỗng. Các cơ chế phức tạp hơn cũng đã được phát hiện dẫn đến sự phá hủy ozone ở tầng bình lưu thấp hơn.
Một nguyên tử clo duy nhất sẽ liên tục phá hủy ozone (do là chất xúc tác) trong tối đa hai năm (quy mô thời gian để vận chuyển trở lại tầng đối lưu) ngoại trừ các phản ứng loại bỏ nó khỏi chu trình này bằng cách hình thành các chất chứa như hydro clorua (HCl) và clo nitrat (ClONO
2). Brom thậm chí còn hiệu quả hơn clo trong việc phá hủy ozone theo tỷ lệ trên mỗi nguyên tử, nhưng lượng brom trong khí quyển hiện nay ít hơn nhiều. Cả clo và brom đều góp phần đáng kể vào sự suy giảm tổng thể tầng ozone. Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cũng chỉ ra rằng các nguyên tử flo và iốt tham gia vào các chu trình xúc tác tương tự. Tuy nhiên, các nguyên tử flo phản ứng nhanh với nước và metan để tạo thành HF liên kết mạnh với tầng bình lưu của Trái Đất, trong khi các phân tử hữu cơ chứa iốt phản ứng rất nhanh trong tầng thấp của bầu khí quyển nên chúng không đến được tầng bình lưu với số lượng đủ lớn.
Một nguyên tử clo có thể phản ứng với trung bình 100.000 phân tử ozon trước khi nó bị loại bỏ khỏi chu trình xúc tác. Thực tế này cộng với lượng clo thải vào khí quyển hàng năm thông qua các chất chlorofluorocarbon (CFCs) và hydrochlorofluorocarbon (HCFCs) cho thấy sự nguy hiểm của CFC và HCFC đối với môi trường.