约10亿年前，随着生物的进化，地球上由于好氧生物的产生和光自养生物（主要是绿色植物）的增多，加速了大气中游离氧的含量，在平流层中逐渐形成了臭氧层。
O₂＋光（波长为242纳米）—→2O
O₂＋O—→O₃
    臭氧层主要分布在距地球表面25～40千米的平流层中，但即使在那里，10万个气体分子中也只有1个臭氧分子，总的累积厚度平均也仅0.3厘米左右，然而就是这一层薄薄的臭氧层成了生命的防线，能强烈地吸收太阳光中90％波长为220－330纳米的紫外线辐射：
O₃＋紫外线—→O₂＋O
O＋O—→O₂＋热量
    如果没有臭氧层的保护，所有紫外线会落到地面上，那么，日光晒焦的速度将比夏天的烈日下快50倍，几分钟内地球上的树木全被烧焦，所有生物都将被杀死，生机勃勃的世界就会变成荒漠及焦土。
    1985年，英国南极考察队约瑟夫·法曼在南极的哈雷兹上空用仪器观察大气中臭氧层的变化，发现出现了一个面积接近美国大陆的“臭氧层空洞”。这个“空洞”每年都在移动，面积也在扩大，到1999年，臭氧层空洞的面积接近三个中国大陆，深似珠穆朗玛峰。最近全球规模最大的臭氧层监测实验结果表明，北极上空某个高度的臭氧层已减少了60％，比最严重的1997年更糟。
    氟氯烃、氮氧化物等消耗臭氧的物质是臭氧层破坏的元凶。1987年美国老资格战斗机驾驶员巴瑞尼奥斯在2个多月中，驾驶ER－2飞机先后12次进入南极臭氧层“空洞”，采集大量气体样本，证实氟氯烃等物质是破坏臭氧层的主要物质。氟氯烃无毒、不易燃，被当作制冷剂、发泡剂和清洗剂，广泛用于家用电器、泡沫塑料、日用化学品、汽车、消防器材等领域。氟氯烃化学性质稳定，挥发并逸入大气中，大部分停留在对流层，一小部分升入平流层。在对流层相当稳定的氟氯烃上升进入平流层后，在一定气象条件和紫外线的照射下会分解生成一种氯自由基（Cl·）。这种氯自由基的反应能力极强，导致臭氧迅速分解。
CF₃Cl＋紫外线—→CF₃·＋Cl·
Cl·＋O₃—→ClO·＋O₂
    在平流层中的自由氧原子还会与ClO·自由基反应：
O＋ClO·—→Cl+O₂
    反应产生的Cl·又会进一步破坏臭氧。这种类似链式反应的过程，致使每个Cl·可以破坏成千上万个臭氧分子，所以平流层中臭氧大幅度减少，终于出现空洞。
    1970年荷兰化学家保罗·克鲁岑提出氮氧化物通过催化反应加快臭氧损失的机理：
NO＋O₃—→NO₂＋O₂
NO₂＋O—→NO＋O₂
O₂＋紫外线—→O₂＋O
    总反应：                        2O₃—→3O₂
    荷兰保罗·克鲁岑、美国马里奥·莫利纳和舍伍德·罗兰由于对臭氧层的形成和分解方面的研究作出杰出贡献，获1995年诺贝尔化学奖。在自然界中由于土壤中的微生物在代谢过程中将氮元素变成一氧化二氮，它逐渐从土壤扩散到大气中，被光解后成为NO_x。汽车尾气、工业生产也是NO_x的来源。在同温层（20千米左右）飞行的超音速喷气式飞机、火箭、导弹将大量含NO_x的废气排入高空，为氧化这些污染物，臭氧被消耗1％。

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