在高層大氣中(高度范圍約離地面15km～25km)，由氧吸收太陽紫外線輻射而生成可觀量的臭氧(O3)。光子首先將氧分子分解成氧原子，氧原子與氧分子反應生成臭氧：
O3和O2屬于同素異形體，在通常的溫度和壓力條件下，兩者都是氣體。
當O3的濃度在大氣中達到最大值時，就形成厚度約20km的臭氧層。臭氧能吸收波長在220nm～330nm范圍內(nèi)的紫外光，從而防止這種高能紫外線對地球上生物的傷害。
過去人類的活動尚未達到平流層(海拔約30km)的高度，而臭氧層主要分布在距地面15km～35km的大氣層中，所以未受到重視。近年來不斷測量的結(jié)果證實臭氧層已經(jīng)開始變薄，乃至出現(xiàn)空洞。1985年，發(fā)現(xiàn)南極上方出現(xiàn)了面積與美國大陸相近的臭氧層空洞，1989年又發(fā)現(xiàn)北極上空正在形成的另一個臭氧層空洞。此后發(fā)現(xiàn)空洞并非固定在一個區(qū)域內(nèi)，而是每年在移動，且面積不斷擴大。臭氧層變薄和出現(xiàn)空洞，就意味著有更多的紫外輻射線到達地面。紫外線對生物具有破壞性，對人的皮膚、眼睛，甚至免疫系統(tǒng)都會造成傷害，強烈的紫外線還會影響魚蝦類和其他水生生物的正常生存，乃至造成某些生物滅絕，會嚴重阻礙各種農(nóng)作物和樹木的正常生長，又會導致的溫室效應加劇。
人類活動產(chǎn)生的微量氣體，如氮氧化物和氟氯烴等，對大氣中臭氧的含量有很大的影響。引起臭氧層被破壞的原因有多種解釋，其中公認的原因之一是氟里昂的大量使用。氟里昂被廣泛用作制冷劑、發(fā)泡劑、清洗劑、氣噴霧劑等。氟里昂化學性質(zhì)穩(wěn)定，易揮發(fā)，不溶于水。但進入大氣平流層后，受紫外線輻射而分解產(chǎn)生Cl原子，Cl原子則可引發(fā)破壞O3循環(huán)的反應：
Cl O3→ClO O2
ClO O→Cl O2
由第一個反應消耗掉的Cl原子，在第二個反應中又重新產(chǎn)生，又可以和另外一個O3起反應，因此每一個Cl原子能參與大量的破壞O3的反應，這兩個反應加起來的總反應是：
O3 O→2O2
反應的最后結(jié)果是將O3轉(zhuǎn)變?yōu)?/font>O2，而Cl原子本身只作為催化劑，反復起分解O3的作用。O3就被來自氟里昂分子釋放出的Cl原子引發(fā)的反應破壞。
另外，大型噴氣機的尾氣和核爆炸煙塵的釋放高度均能達到平流層，其中含有各種可與O3作用的污染物，如NO和某些自由基等。人口的增長和氮肥的大量施用等也可以危害到臭氧層。在氮肥的分解中會向大氣釋放出各種氮的化合物，其中一部分可能是有害的氧化亞氮(N2O)，它會引發(fā)下列反應：
N2O O→N2 O2
N2 O2→2NO
NO O3→NO2 O2
NO2 O→NO O2
O3 O→2O2
NO按上述反應式循環(huán)起作用，使O3TT分解。
為了保護臭氧層免遭破壞，于1987年簽定了蒙特利爾議定書，即禁止使用氟氯烴和其他的鹵代烴國際議定書。然而，臭氧層變薄的速度仍在加快。不論是南極地區(qū)上空，還是北半球的中緯度地區(qū)上空，O3含量都呈下降趨勢。與此同時，關(guān)于臭氧層破壞機制的爭論也很激烈。例如大氣的連續(xù)運動性質(zhì)使人們難以確定臭氧含量的變化究竟是由動態(tài)漲落引起的，還是由化學物質(zhì)破壞引起的，這是爭論的焦點之一。由于提出不同觀點的科學家在各自所在的地區(qū)對大氣臭氧進行的觀測是局部和有限的，因此建立一個全球范圍的臭氧濃度和紫外線強度的監(jiān)測網(wǎng)絡，可能是十分必要的。
聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署對臭氧消耗所引起的環(huán)境效應進行了估計，認為臭氧每減少1％，具有生理破壞力的紫外線將增加1.3％，因此，臭氧的減少對動植物尤其是人類生存的危害是公認的事實。保護臭氧層須依靠國際大合作，并采取各種積極、有效的對策。