Wysoko w stratosferze, około 32 kilometry (20 mil) nad powierzchnią Ziemi, warunki są w sam raz do utrzymania stężenia 8 części ozonu na milion. To dobrze, ponieważ ozon silnie pochłania promieniowanie ultrafioletowe, które w przeciwnym razie stworzyłoby warunki nieprzyjazne dla życia na Ziemi. Pierwszym krokiem do zrozumienia znaczenia warstwy ozonowej jest zrozumienie, jak dobrze ozon pochłania promieniowanie ultrafioletowe.
Warstwa ozonowa
Ozon powstaje, gdy wolny atom tlenu zderza się z cząsteczką tlenu. Jest to trochę bardziej skomplikowane, ponieważ inna cząsteczka musi znajdować się w sąsiedztwie, aby popchnąć reakcję tworzenia ozonu. Cząsteczka tlenu składa się z dwóch atomów tlenu, a cząsteczka ozonu z trzech atomów tlenu.
Cząsteczki ozonu pochłaniają promieniowanie ultrafioletowe, a kiedy to robią, dzielą się na dwuatomową cząsteczkę tlenu i wolny atom tlenu. Kiedy ciśnienie powietrza jest odpowiednie, wolny tlen szybko znajdzie kolejną cząsteczkę tlenu i wytworzy kolejną cząsteczkę ozonu.
Na wysokości, na której tempo tworzenia się ozonu pokrywa się z tempem absorpcji promieniowania ultrafioletowego, istnieje stabilna warstwa ozonowa.
Promieniowanie ultrafioletowe
Promieniowanie ultrafioletowe lub UV jest często nazywane światłem UV, ponieważ jest to forma promieniowania elektromagnetycznego tylko nieznacznie różniąca się od światła widzialnego. Ta niewielka różnica jest jednak bardzo ważna, ponieważ wiązki światła UV zawierają więcej energii niż światło widzialne. Widmo UV zaczyna się tam, gdzie kończy się widmo widzialne, o długości fali około 400 nanometrów (mniej niż 400 miliardowych części jarda). Widmo UV obejmuje obszar długości fal do 100 nanometrów. Im krótsza długość fali, tym wyższa energia promieniowania. Widmo UV jest podzielone na trzy regiony, zwane UV-A, UV-B i UV-C. UV-A obejmuje od 400 do 320 nanometrów; UV-B spada do 280 nanometrów; UV-C zawiera resztę, od 280 do 100 nanometrów.
UV i materia
Interakcja światła i materii to wymiana energii. Na przykład elektron w atomie może mieć dodatkową energię, której można się pozbyć. Jednym ze sposobów, w jaki może zrzucić tę dodatkową energię, jest emitowanie maleńkiej wiązki światła zwanej fotonem. Energia fotonu odpowiada dodatkowej energii, której pozbywa się elektron. Działa to również w drugą stronę. Jeśli energia fotonu dokładnie odpowiada energii potrzebnej elektronowi, foton może przekazać tę energię elektronowi. Jeśli foton ma za dużo lub za mało energii, nie zostanie pochłonięty.
Światło ultrafioletowe ma więcej energii niż światło radiowe, podczerwone czy widzialne. Oznacza to, że niektóre promieniowanie ultrafioletowe – zwłaszcza krótsze fale – mają tak dużo energii, że mogą oderwać elektrony od ich macierzystych atomów lub cząsteczek. Jest to proces zwany jonizacją i właśnie dlatego fale ultrafioletowe są niebezpieczne: jonizują elektrony i uszkadzają cząsteczki. Najbardziej niebezpieczne są fale UV-C, następnie UV-B i wreszcie UV-A.
Absorpcja ozonu
Okazuje się, że poziomy energetyczne elektronów w cząsteczce ozonu odpowiadają widmu ultrafioletowemu. Ozon pochłania ponad 99 procent promieni UV-C – najniebezpieczniejszej części widma. Ozon pochłania około 90 procent promieni UV-B, ale 10 procent, które przechodzą, jest ważnym czynnikiem wywołującym oparzenia słoneczne i wywoływanie raka skóry. Ozon pochłania około 50 procent promieni UV-A.
Liczby te zależą od gęstości ozonu w atmosferze. Emisje chlorofluorowęglowodorów zmieniają równowagę tworzenia i niszczenia ozonu, przechylając go w kierunku zniszczenia i zmniejszając gęstość ozonu w stratosferze. Gdyby ten trend miał trwać w nieskończoność, NASA wyjaśnia, jak poważne byłyby konsekwencje: „Bez ozonu intensywne promieniowanie UV Słońca wysterylizowałoby powierzchnię Ziemi”.