オゾン層の観測には、航空機や気球を使って大気を採取し、その地点・高度のオゾンを測定する直接測定と、オゾン分子による光の散乱・吸収などを測定し、濃度を求める間接的な方法の2通りがあります。

間接測定には、太陽光を用いるもの（ドブソン分光光度計など）や、レーザー光を用いるもの（オゾンレーザーレーダー）などがあります。また、オゾン分子の出すミリ波領域の電磁波を検出し、オゾンの高度分布を得る方法もあります（ミリ波分光計）。これらの観測機器は、地上に設置されたり、航空機や衛星に搭載されたりしてオゾン層を常時見張っています。

1957から58年の国際地球観測年（IGY）に際して、各国の気象機関は全地球規模でオゾン観測を行うようになりました。オゾン層の破壊が問題になると、オゾン層のモニタリングの重要性が再認識され、1981年に世界気象機関（WMO）は、これまでの観測所網を「全球オゾン観測システム（GO₃OS：Global Ozone Observing System）」として、整備しました。

日本では、気象庁が、1957年からつくばで、58年から札幌と鹿児島で、61年から南極昭和基地で、74年から那覇で、94年から南鳥島で、オゾン観測を開始しています。

NDSC（Network for the Detection of Stratospheric Change）は、成層圏にかかわる観測機関や研究者が参加する国際観測網です。世界気象機関（WMO）や国連環境計画（UNEP）の支援を受けて、1980年頃から設立準備が進められ、1991年に正式発足しました。参加機関により得られた観測データは、NDSCデータホストコンピュータに集約され、公開されます。各国の研究者がこのデータを利用して、オゾン層をはじめ成層圏の変化の早期検出やその原因の究明、高精度な将来像追究などを行っています。

日本は、運営委員会と補助的観測に参加し、国立環境研究所がつくばで、国立環境研究所と名古屋大学とが北海道で、オゾン観測を実施しています。さらに、両研究機関では、NDSCのためのミリ波放射計の開発・観測も行っています。

人工衛星を使った観測は、全球をカバーするので、地上観測だけではカバーできない広い海洋上や、内陸地のデータを得ることができます。また、人工衛星に搭載されたセンサーの多くは、オゾンだけでなく、その他の大気微量成分の測定を同時に行っています。

日本においては、ILAS、IMGなどのオゾン層観測センサーを搭載した地球観測プラットフォーム技術衛星ADEOS（和名「みどり」）が1996年8月17日に打ち上げられましたが、太陽電池パネルの故障により1997年6月30日に運用停止となりました。しかし、北極域のオゾン減少をはじめ貴重なデータを得ることができました。また、ILAS IIを搭載したみどりIIが2002年12月に打ち上げられましたが、約10ヵ月後に電力供給の低下が生じ、運用停止となっています。南極域のオゾン減少などのデータを得ることができ、現在、解析が進められています。

オゾン層観測の標準となる手法で、1920年代から使われています。太陽からの紫外光をプリズムによって分け、オゾンに強く吸収される波長の光と吸収の少ない波長の光の強度比を測定し、その値をもとに地上から大気上端までの気柱に含まれるオゾン総量を求めるものです。

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オゾンに強く吸収される波長の紫外線と、あまり吸収されない波長の紫外線の2種のレーザーパルスを大気中に発射し、大気やエアロゾルによって散乱されて戻ってくる光を光学望遠鏡で受信します。戻ってくるまでの時間から距離（高度）が、2つの波長の信号強度の違いからオゾン濃度が求められます。

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オゾン分子はさまざまな回転のエネルギーをもっており、回転の状態が変わるとそのエネルギーの差を電波（ミリ波）として放出します。これをアンテナで集めて検出し、そのスペクトルを解析すれば、オゾンの高度分布が求められます。高度の高いオゾンから放出されたミリ波のスペクトルの幅は狭く、高度が下がるほど空気分子との衝突のためにスペクトル幅が広がるからです。

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環境省が開発した衛星搭載のオゾン層監視センサー。南極と北極を周回する衛星（みどり、みどりII）に搭載され、太陽掩蔽法（太陽を光源として、人工衛星から見た地球からの日の出、日の入り時に地球周縁大気を通ってセンサーに到達する太陽光を観測する手法）を利用する事で、南北両半球の高緯度域のオゾン層の監視を行いました。大気中に存在する微量成分物質がそれぞれ特有の光を吸収する性質を利用して、オゾンを始めオゾン層破壊と関連のある物質（硝酸、二酸化窒素、亜酸化窒素、硝酸塩素、メタン、水蒸気、エアロゾルなど）の濃度が測定されました。（ILAS、ILASIIのホームページへ）

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