上級 · 20分

UVの盾としてのオゾン層

大気上端と地表の太陽紫外線を比較し、オゾンの吸収断面積を読み取る。

目的

オゾン層が UV-C と UV-B をどれだけ取り除くかを定量化し、その落ち込みをハートレー帯・ハギンス帯に結びつける。

器具と試薬

2つのスペクトルパネル：オゾンあり・なしの 200–400 nm の太陽放射照度と、対数目盛の $\ce{O3}$ 吸収断面積。

手順

最初の表示で 280 nm 以下の2曲線を比べる：地表の曲線はほぼゼロ — UV-C は届かない。
280–315 nm（UV-B）で地表曲線を追う：急に立ち上がるが大気上端の曲線を大きく下回る。
断面積表示に切り替え、255 nm 付近のハートレー極大と 350 nm 方向の弱いハギンス裾を見つける。

観察すること

UV-C（< 280 nm）はほぼ 100 %、UV-B は約 90 % が地表に届く前に除去され、UV-A はほとんどそのまま通過する。
断面積は 255 nm 付近で $\sigma \approx 10^{-17}$ cm²/分子に達する — STP でわずか約 3 mm の層が地球全体を守れるほど大きい。

解説

吸収された UV はオゾンを光分解する： $\ce{O3 + h\nu -> O2 + O}$ （ハートレー帯、λ < 310 nm）、続いて $\ce{O + O2 + M -> O3 + M}$ で再生する — チャップマンサイクル。各光子のエネルギーは熱になるため成層圏は上空ほど暖かい。 $\ce{O3}$ が減れば（例：CFC 由来の塩素触媒）、吸収はベール–ランベルト則 $I = I_0 e^{-\sigma N l}$ に従うため透過 UV-B は指数関数的に増え、オゾン 10 % 減で地表 UV-B は約 12 % 増える。

ゆかりの化学者

パウル・J・クルッツェンマリオ・モリーナ F・シャーウッド・ローランド