1985年，英国南极考察站的科学家J.法曼（Joseph Farman）领导的研究组报道了他们从1957年起在哈雷湾观测到的臭氧柱总量在晚冬到早春期间减少的现象，其中，1980～1984年10月的臭氧柱总量比1957～1973年减少了大约30%。这一报道引起了科学家的极大关注。如此大幅度的臭氧减少是过去各模式计算从未预测到的。1986年，斯托拉斯基（Stolarski）等分析了用装载在雨云七号（Nimbus 7）卫星上的紫外反射仪（SBUV）和臭氧总量测绘光谱仪（TOMS）测到的数据，证实了1979年至1985年10月在南极地区的确出现了总臭氧大幅减少的情况。这样显著的臭氧减少已经超出了由气候变化引起的变化范围，其他季节没有出现类似的现象。Angell进一步分析了地面测得的总臭氧和臭氧探空仪获得的资料，提出，在9～11月出现了全球性的臭氧减少，而南极地区最严重。10月的南极臭氧均值从1979年的290 DU减少到1985年的170 DU，南极上空的臭氧层已极其稀薄，与周围相比，好像形成了一个“洞”。于是，南极大陆的大部分地区上空在春季存在臭氧洞的现象成为事实。随后的观测表明，北极地区某些年也会出现臭氧快速损耗的现象，但其没有达到南极臭氧洞的程度和范围（见北极臭氧洞）。并且，臭氧的减少不止局限于极地区域，已逐年显著向赤道方向扩展。

采用查普曼循环（Chapman cycle）机制可以模拟出平流层臭氧层的存在，但实际观测的平流层臭氧含量要显著低于模拟值，这是因为平流层的氮氧化物循环、氢氧自由基循环和卤素循环可破坏一部分臭氧。这种臭氧破坏在南极的春季可达到最强烈程度，这与南极平流层的物理化学条件密切相关。由于南极上空冬季极度寒冷，可形成由冰晶构成的极地平流层云（PSC）。极夜条件下，氯原子的临时储库分子（和）和等物质可以在这些冰晶表面发生非均相分解反应，释放出活性氯（和）等。其主要机理可以用以下反应表示：

 …（1）

 …（2）

 …（3）

 …（4）

 …（5）

式中为固相，为气相。

总之，在黑暗条件下，平流层的化学过程实际上是含氮、含卤素和含氢化合物均参与的复杂过程，使得卤化合物以活性分子形态富集。原来以惰性的储库分子存在的含氯化合物，通过非均相反应，以极易光解的和等形式释放出来，暂时存留在云中。当南极早春到来时，极地太阳升起，和等氯的活性物种在可见光和近紫外光的作用下，快速释放出大量氯离子，起到了氯循环，促进臭氧的催化循环分解，导致大面积的、大量的臭氧损耗。含溴（）化合物也有类似的机制。在南极极涡的隔离作用下，中纬度富含臭氧的空气难以快速补充到南极上空，造成了南极臭氧洞的形成和扩大。上述非均相催化过程大约持续到南极10月底至11月初。此后，由于气温回升，南极极涡被破坏，中纬度地区富含臭氧的空气补给到南极，南极臭氧洞暂时消失。