Ясно, что эффективность катализатора будет определяться отношением всего времени его участия в цикле к скорости его взаимодействия с озоном и атомным кислородом. Здесь эффективность показывает, сколько молекул озона может разрушить один атом (или молекула) катализатора. В случае, если катализатором является атомный кислород, эффективность равна единице. Это значит, что один атом кислорода способен разрушить только одну молекулу озона. В случае других веществ, о которых речь пойдет дальше (соединений азота, хлора, водорода и др.), эффективность достигает миллионов. Эта величина безразмерная.

Очень важно, когда именно происходит обрыв цепи реакций разрушения озона, поскольку от этого зависит, сколько озона будет разрушено. Если этот обрыв происходит из-за движений, а именно турбулентной (вихревой) диффузии, то время обрыва можно определить. Для этого надо знать характеристики атмосферного газа (его температуру и средний молекулярный вес атмосферного газа на данной высоте), а также коэффициент турбулентной диффузии, который и характеризует ее скорость. Важно для таких и других реакций, в которых участвуют примеси, знать время, в продолжение которого они находятся в данном слое. Так, было показано, что в тропосфере это время составляет примерно один месяц. Чем выше, тем это время больше, поскольку уменьшается коэффициент турбулентной диффузии. Так, в стратосфере при спокойных условиях это время больше года. Это значит, что если мы забросили туда какие-либо примеси, которые разрушают озон, то они будут находиться там больше года. В реакциях с озоном они не уменьшаются, если реакции идут по каталитической схеме. Примесей в атмосфере много. Их количество в абсолютных величинах очень мало. На одну частицу примесей приходится от 100 тысяч до 10 миллиардов частиц атмосферного газа. Тем не менее их роль очень важна. Ведь одна частица катализатора способна разрушить 10 миллионов молекул озона и остаться живой и невредимой. В худшем случае она переходит в другой слой.

Было выделено несколько типов групп примесей, которые участвуют в разрушении озона. Каждая из этих групп участвует в цепи реакций, или, как принято применительно к данному случаю говорить, в каталитическом цикле. Здесь действительно имеется цикл (круг), так как в конце него появляется то же вещество-катализатор, с которого начался цикл. Это такие группы: 1) вещества, содержащие «нечетный» водород (OH, HO₂, H, H₂O₂ и т. д.); 2) вещества, содержащие «нечетный» азот (NO, HO₂, HNO₃, N, NO₃, HNO₂, N₂O₅ и др.); 3) вещества, содержащие «нечетный» хлор (их можно обозначить формулой ClOx, где x — нечетное число); и 4) вещества, содержащие бром (BrО_х).

Все указанные вещества по-разному образуются в атмосфере. Они попадают в стратосферу в результате перемешивания атмосферного газа турбулентной диффузией. Они находятся в атмосфере не только в виде газа. Так, они входят в состав аэрозолей — твердых или жидких частиц, а также могут быть в виде пара. Если это аэрозоли, то на их поверхности и проходят реакции каталитического цикла. Эти вещества могут быть не только нейтральными, но и нести на себе положительный или отрицательный заряд, то есть быть ионами. Если это аэрозоли, то говорят об аэрозольных циклах разрушения озона. Если же эти вещества находятся в виде ионов, то говорят об ионном цикле. Надо добавить, что различные каталитические вещества могут быть наиболее эффективными на разных высотах. В этом мы убедимся при конкретном рассмотрении каждого из циклов.

Пары воды H₂O разлагаются в атмосфере под действием солнечного излучения с длиной волны меньше 242 нм на атомы водорода и молекулы гидроксила ОН.

Тот факт, что в атмосфере имеются молекулы гидроксила ОН, был установлен по его инфракрасному излучению. Оно регистрируется в ночное время и входит в состав излучения ночного неба.

Образованные в реакциях Н и ОН служат катализаторами химических реакций, в которых разрушаются озон и атомный кислород. Было показано, что ниже 60 км атомы водорода и гидроксила могут образовываться и в реакциях атомного кислорода в возбужденном состоянии с метаном, водородом и водой.

Так, для стратосферного озона важным является каталитический цикл, в результате которого из каждых двух молекул озона образуются три молекулы кислорода.

На более высоких уровнях, выше 40 км, необходимо учитывать больше реакций, в которых разрушается озон.

Важным веществом, которое приводит к разрушению озона, является гидроксил ОН. В стратосфере гидроксил образуется из водяного пара, молекулярного водорода и метана. Все эти вещества заносятся в атмосферу снизу, от земной поверхности. Они переносятся вверх как в результате турбулентного перемешивания, так и путем просачивания (диффузии) их через атмосферный газ. Вода на поверхности Земли имеется в готовом виде. Метан образуется в озерах и болотах бактериями. Атомный водород участвует вместе с гидроксилом ОН и радикалом перекиси водорода пергидроксилом НО₂ в непрерывных взаимных превращениях. Это происходит, когда каждое из указанных веществ взаимодействует с атомным кислородом в возбужденном состоянии О (D). Этот кислород появляется в атмосфере при воздействии солнечного излучения с длиной волны вблизи 210 нм.

Образование атомного кислорода в возбужденном состоянии принципиально важно для жизни озона в атмосфере. Глобальное содержание озона в атмосфере ограничивается главным образом и прежде всего тем, что там имеются атомы кислорода в возбужденном состоянии. Они дают начало не только водородному, но и азотному каталитическому циклу, в которых исчезает озон. Поэтому было затрачено много усилий, чтобы количественно изучить реакцию образования атомного кислорода.

Образование гидроксила ОН происходит не только при взаимодействии молекулярного водорода, воды и метана с атомным кислородом. Оно имеет место и в реакциях атомного кислорода с Н₂О₂, NO₂ и HNO₃. Но эти реакции менее эффективны в смысле образования гидроксила ОН и НО.

Водородный каталитический цикл, в котором разрушается озон, на определенном этапе обрывается. Это происходит тогда, когда начинают образовываться молекулы воды. Образованная при этом вода может уходить из стратосферы вниз, в тропосферу, и ее участие в реакциях со стратосферным озоном прекращается.

Для того, чтобы достоверно знать, какая часть озона исчезает в реакциях водородного каталитического цикла, надо знать количество веществ, которые участвуют в этих реакциях, и их распределение с высотой. К сожалению, полных данных о таком распределении у нас нет. Поскольку это распределение должно меняться во времени, то единичные измерения этих веществ недостаточны. Они не могут дать полной картины. Нужны систематические и достаточно полные (во многих точках и на всех высотах) наблюдения за абсолютными количествами этих веществ и за их изменениями. Среди этих веществ главным является вода. Из нее образуется гидроксил ОН. Так вот, было показано, что на высотах 14–26 км количество водяного пара за пять лет увеличилось на 50 %. За последующие пять лет изменения количества водяного пара на этих высотах были незначительны, зато после 1974 года наблюдалось резкое уменьшение его количества. К сожалению, эти наблюдения проводились только в одной точке в США. Характерны ли указанные изменения водяного пара только для данного региона или точки, или же они отражают глобальную ситуацию — не ясно. Чтобы иметь глобальную, полную картину (на всех высотах), надо проводить соответствующие измерения во многих точках непрерывно в течение многих лет.

В настоящее время очень широко обсуждается проблема возможного разрушения озонного слоя веществами, поступающими с поверхности Земли и имеющими антропогенное происхождение. Но влияние веществ естественного происхождения пока что не может быть уверенно определено, так как нет необходимых для этого экспериментальных данных. Существует иллюзия, что все, что не зависит от деятельности человека, остается более или менее неизменным или же меняется незначительно. Но это на самом деле не так. Об этом говорят приведенные выше сведения о многолетних изменениях в атмосфере количества водяного пара.