Ozona slānis veido aizsargbarjeru Zemes atmosfērā. Tā absorbē lielāko daļu kaitīgā UV starojuma, kas citādi varētu radīt nopietnus draudus dzīvībai uz planētas. Ozona slāņa saglabāšana ir būtiska, lai aizsargātu cilvēkus, dzīvniekus un augus no UV starojuma negatīvās ietekmes.

Ozona nosaukums ir radies no grieķu valodas vārda ὄζειν, ozein, kas nozīmē ‘smaržot’. Šo nosaukumu 1840. gadā ieviesa vācu ķīmiķis Kristians Frīdrihs Šēnbeins (Christian Friedrich Schönbein), kad viņš atklāja, ka savdabīgā smaka, kas rodas elektrisko izlāžu laikā, ir saistīta ar specifisku vielu, nevis ar pašu elektrību. K. F. Šēnbeins šo vielu nosauca par ozonu, pamatojoties uz tās izteikto smaržu. Šī savdabīgā smarža pēc zibens izlādēm bija pazīstama jau gadsimtiem ilgi, un par to ir rakstīts Homēra (Ὅμηρος) darbos “Īliada” (Ἰλιάς) un “Odiseja” (Ὀδύσσεια). Tomēr par ozona atklājēju var uzskatīt holandiešu zinātnieku Martinusu van Marumu (Martinus van Marum), kurš 1785. gadā novēroja, ka caur skābekli izlaistas elektriskās dzirksteles rada savdabīgu smaku un ka izveidotā gāze reaģē ar dzīvsudrabu. Ozona molekula sastāv no trim skābekļa atomiem (O₃) un ir skābekļa triatomisks alotrops. Dabā skābeklis pastāv vairākās formās – gan kā molekulas, gan kā atsevišķi atomi. Visizplatītākā skābekļa forma ir divu atomu molekula O₂, kas ir būtiska dzīvības uzturēšanai uz Zemes.

Atomārais skābeklis (O) ir skābekļa atoms, kas ir ļoti reaģētspējīgs un dabā reti sastopams, jo ātri savienojas ar citām vielām.

Ozons (O₃) ir trīs skābekļa atomu molekula, zilgana gāze. Ozona slānis stratosfērā aizsargā Zemi no Saules UV starojuma, taču, kad ozons atrodas zemākajos atmosfēras slāņos, tas tiek uzskatīts par gaisa piesārņojumu.

Dabiskos apstākļos atmosfērā ozons var veidoties divējādi:

1) stratosfērā Saules emitēto UV staru ietekmē skābekļa molekulas (O₂) tiek sadalītas divos atsevišķos skābekļa atomos (O). Brīvie skābekļa atomi (O) reaģē ar molekulāro skābekli (O₂), veidojot ozona molekulas (O₃).

$$O2 → 2O$$

$$O2 + O → O3$$

2) troposfērā elektrisko izlāžu laikā (zibens) sadalās skābekļa molekulas (O₂), līdzīgi kā UV starojuma ietekmē. Tālāk atomārais skābeklis savienojas ar molekulāro skābekli un veidojas ozons.

Ozons var veidoties arī cilvēka darbības rezultātā, kad atmosfērā no automašīnu izplūdes gāzēm vai rūpniecības nonāk slāpekļa oksīdi (NO_x) un gaistošie organiskie savienojumi, kas Saules UV starojuma ietekmē rada ozonu kā sekundāro piesārņojumu.

$$NO2 → NO+O$$

$$O2 + O → O3$$

Šie procesi kopā veicina ozona veidošanos gan augšējos, gan zemākajos atmosfēras slāņos, bet tā klātbūtne un koncentrācija var būtiski atšķirties atkarībā no vietas un apstākļiem.

Ozonu var atrast visos Zemes atmosfēras slāņos. Kopējā ozona masa atmosfērā ir aptuveni trīs miljardi tonnu. Tas var šķist daudz, bet ozons sastāda tikai 0,00006 % no atmosfērā esošajām gāzēm. Taču lielākā daļa ozona (apmēram 90 %) atrodas stratosfērā, kas atkarībā no ģeogrāfiskā platuma sākas aptuveni 10–16 km augstumā virs Zemes virsmas un sniedzas līdz aptuveni 50 km augstumam. Ozona koncentrācija šajā slānī nav vienmērīga; tā mainās atkarībā no augstuma, ģeogrāfiskās vietas un sezonas. Parasti visaugstākā ozona koncentrācija ir starp 15 un 35 km virs Zemes. Ozona daudzums var mainīties arī īslaicīgu dabas parādību dēļ, piemēram, vulkāna izvirdumu gadījumā, kad atmosfērā nonāk liels daudzums dažādu savienojumu un cieto daļiņu.

Ozona slānis ir atmosfēras reģions, kas satur augstāku ozona koncentrāciju un pilda būtisku lomu Zemes ekosistēmas un cilvēku veselības aizsardzībā. Ozona slānis aiztur lielāko daļu no Saules UV starojuma, īpaši UV-B (viļņa garums 290–320 nm) un UV-C (viļņa garums zem 290 nm) starojumu, kas ir kaitīgi dzīvajiem organismiem. Tādējādi tas samazina starojuma daudzumu, kas sasniedz Zemes virsmu, un pasargā cilvēkus, dzīvniekus un augus no UV starojuma nelabvēlīgās iedarbības.

Ozona slāņa retināšanās var palielināt ādas vēža un acu slimību risku, kā arī izraisīt imūnsistēmas darbības traucējumus. Palielināta UV starojuma intensitāte var traucēt planktona attīstībai okeānos, kas savukārt ietekmē zivju barības ķēdi, tādējādi apdraudot ūdens ekosistēmas un bioloģisko daudzveidību. UV starojuma intensitātes pieaugums var negatīvi ietekmēt lauksaimniecības produkcijas ražošanu, kā arī samazināt dažādu polimēru materiālu elastību un izturību. Plastmasas izstrādājumu degradācija var izraisīt polimēru materiālu sadalīšanos sīkākās daļiņās un mikroplastmasas piesārņojuma veidošanos.

Ozona slāņa “biezuma” mērvienība ir Dobsona vienība (DV). 100 Dobsona vienības atbilst 1 mm. Normālos apstākļos ozona slānis ir 300 Dobsona vienības (~ 3 mm). Slāņa biezums virs Latvijas gada griezumā var mainīties 200–500 Dobsona vienību robežās.

20. gs. 70. gadu vidū tika atklāts, ka cilvēka radītās ķīmiskās vielas (piemēram, hlorfluorogļūdeņraži, bromfluorogļūdeņraži, haloni, oglekļa tetrahlorīds, metilbromīds) var izraisīt Zemes aizsargājošā ozona slāņa iznīcināšanu. Visizteiktākā ozona slāņa samazināšanās ir novērojama Zemes polu rajonos, īpaši virs Antarktīdas. Ozona caurumu novietojumam virs poliem ir vairāki iemesli, kas ir saistīti ar īpašiem atmosfēras un klimatiskajiem apstākļiem šajos reģionos – polārajiem virpuļiem (polar vortex) un polārajiem stratosfēras mākoņiem. Polārie virpuļi ir liela mēroga atmosfēras cirkulācijas, kas veidojas virs Zemes poliem un būtiski ietekmē polāro reģionu klimatu un laikapstākļus. Šie spēcīgie vēji apņem polāros reģionus un darbojas kā barjera, kurā gaiss tiek ieslēgts, neļaujot siltākajām, ozonu saturošajām gaisa masām no citiem platuma grādiem sajaukties ar aukstajām polārajām gaisa masām. Polārie virpuļi veidojas augšējos atmosfēras slāņos, galvenokārt stratosfērā, bet tie var ietekmēt arī troposfēru. Polāro virpuļu zemā temperatūra veicina polāro stratosfēras mākoņu veidošanos, kas ir būtiski ozona noārdīšanās procesā. Antarktīdas klimats un ģeogrāfiskie apstākļi veicina aukstāku un stabilāku polāro virpuli nekā Arktikā. Arktikas polārais virpulis ir mazāk stabils un biežāk sadalās, ļaujot siltākam gaisam sajaukties ar polāro gaisu, kas mazina ozona cauruma veidošanās intensitāti šajā reģionā. Polārajos virpuļos temperatūra pazeminās līdz pat –85 °C. Šādos apstākļos atmosfērā esošie slāpekļa oksīdi, reaģējot ar ledus kristāliem, pārvēršas par slāpekļskābi. Tās molekulas kalpo par ūdens tvaiku kondensācijas centriem. Polārajos stratosfēras mākoņos notiek reakcijas, kurās neaktīvās hlora un broma savienojumu formas (piemēram, hlorfluorogļūdeņražus, HCl un ClONO₂) pārvēršas aktīvās formās (piemēram, Cl₂ un HOCl), kas tālākās reakcijās izraisa ozona slāņa noārdīšanos. Iestājoties polārajai dienai, Saules emitētā UV gaisma sadala Cl₂ molekulas, atbrīvojot hlora atomus. Atbrīvotie hlora atomi ir ļoti reaģētspējīgi un spēj noārdīt ozona molekulas. Hloram reaģējot ar ozonu, veidojas hlora monoksīds (ClO) un skābekļa molekula (O₂). Divas ClO molekulas var reaģēt savā starpā, veidojot Cl₂O₂, kas saules gaismas ietekmē sadalās atpakaļ hlora atomos, kuri turpina reaģēt ar ozonu. Šīs reakcijas var noārdīt tūkstošiem ozona molekulu, turpinoties cikliskā veidā. Šie procesi veicina ikgadējā ozona cauruma veidošanos, īpaši virs Antarktīdas, kur polārie stratosfēras mākoņi ir visizteiktākie un noturīgākie. Katru gadu pavasarī (septembrī un oktobrī Antarktīdā) notiek intensīva ozona slāņa noārdīšanās, izveidojas liels ozona caurums. Ozona caurums tehniski nav “caurums”, kurā ozona vispār nav, bet gan ozona slāņa reģions stratosfērā, kur ozona koncentrācija ir samazināta. Polāro stratosfēras mākoņu veidošanās ir kritiska ozona noārdīšanās procesā, jo tie nodrošina virsmu ķīmiskajām reakcijām, kas pārveido neaktīvos ozona noārdošos savienojumus aktīvās formās, kas spēj noārdīt ozona molekulas polārajos reģionos, īpaši Antarktīdā.

Ozona slāņa mērījumi tiek veikti, izmantojot Dobsona spektrofotometru un nosakot intensitātes attiecību izvēlētajam UV viļņu garumu pārim, no kuriem vienu ozons spēcīgi absorbē (īsāks viļņa garums) attiecībā pret otru (garāks viļņa garums). Lielāka vai mazāka intensitātes attiecība atbilst lielākam vai mazākam ozona daudzumam atmosfērā. Ozona slāņa novērošana tiek veikta, arī izmantojot satelītus, kas ir aprīkoti ar speciāliem spektrometriem. Tie analīzē UV starojumu, ko atstaro Zeme un kas tiek izkliedēts mākoņos un Zemes atmosfērā.

Lai samazinātu ozona slāņa noārdīšanos, ir pieņemti starptautiski līgumi. Nozīmīgākie likumdošanas akti ozona slāņa aizsardzības nodrošināšanai ir: Vīnes Konvencija (Vienna Convention; Apvienoto Nāciju Organizācija, ANO) “Par ozona slāņa aizsardzību” (1985), Monreālas protokols (Montreal Protocol; ANO) “Par ozona slāni noārdošām vielām” (1987), Eiropas Savienības (ES) direktīva “Par vielām, kas noārda ozona slāni” (2000). Šo starptautisko līgumu mērķis ir aizsargāt ozona slāni, pakāpeniski izbeidzot daudzu ozona slāni noārdošo vielu ražošanu un izmantošanu.