|
5-2. 오존층의 역할과 파괴
5-2-1. 오존층의 형성
지구에 생명체가 탄생하고 얼마 간의 시간이 지난 후, 광합성이 광범위하게 진행되면서 지구 대기에는 자유 산소(free oxygen)이
집적되었다. 이 자유 산소는 생물의 진화 측면에서 크게 두가지 중요한 역할을 하는데, 그 하나는 호기성 생물의 출현이고, 다른 하나는 오존층의
형성이다. 호기성 생물은 자유 산소로 호흡을 하는 생물인데, 이전의 혐기성 호흡 방식에 비해 그 효율이 월등해, 곧 바로 자유 산소가 존재하는
환경을 지배하며 폭발적인 발전을 이룩하게 되었다.
오존(ozone)은 세 개의 산소가 결합된 분자로 지구의 대기에 자유 산소가 있기 때문에 존재하는 분자이다. 오존은 크게 성층권
오존(stratosphere ozone)과 대류권 오존(troposphere ozone)으로 나눌 수 있는데, 이렇게 구분하는 이유는 오존의 생성 이유와 환경적 역할이
판이하게 다르기 때문이다. 흔히 오존층(ozone layer)라 하면 바로 이 성층권 오존을 가리키는 것이다. 대류권 오존에 대해서는 나중에
“5-7. 기타 환경 문제”에서 설명하도록 하고, 여기서는
먼저 이 성층권 오존 즉 오존층을 이루는 오존에 대해 다루어보도록 하자.
오존층은 지상으로부터 10-50km의 대기의 성층권 내에 상대적으로 좀 더 많이 존재하는 오존을 집합적으로 가리키는 말인데,
특히 고도 20km 높이 부근에 농집되어 있어 이 부분의 오존을 특정적으로 지칭하기도 한다 (그림 5-2-1). 이 부분에 오존이 특히 많은 이유는
태양으로부터의 자외선 (특히, 파장 240nm 보다 짧은 자외선)이 본격적으로 산소로부터 오존을 이 고도에서 주로 만들기 때문이다. 이 보다
상위의 중간권이나 열권은 산소 분자가 너무 적어서, 하위의 대류권에서는 자외선이 그 위에서 흡수되어버려 충분히 닿지 못하기 때문에 오존의
함량이 상대적으로 낮다.
 |
| 그림 5-2-1. 고도에 따른 오존의 함량 변화와 자외선 흡수량. DU=Doson unit,대기 중 미량
개스의 농도를 나타낼 때 흔히 사용하는 단위로, 0oC 1 bar의 조건에서 이 개스를 차곡 차곡 쌓았을 때 1μm의 두께를 갖는 양을 말한다.
오존 1Du는 대략평방 센티미터 당 2.69*1016 개의 분자량에 해당한다(그림 출처: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Ozone_altitude_UV_graph.svg).
|
오존은 다음과 같은 반응을 통해 형성된다:
| O2 + 자외선 (파장 < 240 nm) → 2 O |
(R5-2-1) |
| O +O2 + M → O3 + M |
(R5-2-2) |
위 식에서 M은 잉여 반응에너지를 수용하는 물질로서, 보통은 대기중에 가장 흔한 질소와 산소가 이 역할을 한다. 위와 같이 형성된
오존은 다시 자외선을 흡수하면서 아래와 같이 산소 분자와 원자로 나뉘며, 이때 생성된 산소 원자는 반응 (R5-2-2)를 통해 다시 오존을 만든다:
| O3 + 자외선 → O2 + O |
(R5-2-3) |
오존은 대기 중에서 아래와 같은 반응을 통해 자연스럽게 파괴된다:
위 오존 파괴 반응 (R5-2-4)는 촉매에 의해 매우 빨리 진행될 수 있는데, 이러한 촉매로는 산화수소(OH) 및 산화질소(NO) 래디컬,
그리고 염소(Cl)와 브롬(Br)같은 할로겐 원자들이 있다.
대기 중에서는 위 반응들이 동시에 진행되면서 주어진 조건, 그 중에서도 산소 분자의 양 및 자외선 조사량에 따라 오존의 생성량과
소모량이 군형을 맞추어 일정량의 오존을 꾸준히 유지하게 된다(그림 5-2-2). 이렇게 유지되는 오존량이 성층권, 특히 고도 20km 부근을 중심으로
가장 많아, 지구를 둘러싸고 있는 이 부분을 오존층이라고 부른다.
 |
| 그림 5-2-2. 대기 중 오존의 생성과 소멸 순환 반응
(그림 출처: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Ozone_cycle.svg).
|
5-2-2. 오존층의 역할
위 오존의 생성 반응에서 살펴본 것처럼, 오존은 자외선을 흡수한다. 자외선은 10-400nm 정도의 파장을 갖는 전자기파로,
가시광선(visible light)보다 파장이 짧아 우리 눈에는 보이지 않는다. 자연적으로 지구에 도달하는 자외선은 대부분 태양으로부터 오는데,
태양이 방출하는 태양광의 50%는 적외선, 40%는 가시광선이며 10% 정도만이 자외선이다. 자외선은 파장에 따라 극자외선(extreme
ultraviolet, 10-121 nm), 원자외선(far ultraviolet, 122-200 nm), 중자외선(middle ultraviolet; 201-300 nm), 및 근자외선(near infrared,
301-400 nm)으로 나뉜다. 극자외선을 제외한 영역의 자외선을 자외선 A, B, C로(파장 영역 각각, 400-316, 315-281, 280-100 nm)로 나누기도
한다.
극자외선과 원자외선은 대기 중의 산소나 다른 분자에 의해 대부분 흡수되어 대기를 통과하지 못하며, 오존층이 흡수하는
자외선은 200-315nm 파장대의 중자외선 영역의 자외선이다. 즉, 자외선 C의 일부와 자외선 B 전영역의 빛을 대부분 오존이 흡수한다
(그림 5-2-1).
자외선은 짧은 파장으로 인해 매우 높은 에너지를 갖기 때문에 생물에게는 큰 위협이 된다. 일례로, 자외선 B는 식물 및
동물 모두의 유전자에 손상을 줄 정도의 에너지를 갖고 있다. 만일 오존층이 없었다면, 극자외선 및 원자외선은 대기 분자에 의해 차단되었겠지만
자외선 B를 포함한 그 외의 자외선은 상당량 지구 표면까지 투과하여 생물에게 심각한 피해를 입혔을 것이다. 이런 상황이라면, 아예 육상 생물이
나타나지 못했을지도 모른다. 자외선은 이들 해로운 자외선을 흡수하여 차단함으로써, 생물에게는 일종의 방어막이 되는 것이다.
오존층에 의한 흡수에도 불구하고, 극히 적은 양이기는 하지만 자외선 B의 일부가 대기를 통과해서 지구표면에 도달한다. 햇빛에
우리의 피부가 그을리는 것은 바로 이 자외선 B 때문이며, 또한 피부 아래에서 햇빛을 받아 생성되는 비타민 D도 바로 이 자외선 때문이다.
오존층이 거의 흡수하지 않는 자외선 A는 파장이 충분히 길어 생명체에 큰 위협이 되지 못한다.
5-2-3. 대기 오염에 의한 오존층의 파괴
현재 성층권 오존층의 농도는 오존의 생성 속도(반응 R5-2-2)와 소멸 속도(반응 R5-2-4)의 균형에 의해서 정해진다. 만일 이 중
생성 반응 속도가 빨라지면 오존층의 오존 농도가 증가된 상태에서, 반대로 소멸 반응의 속도가 빨라지면 오존층의 오존 농도가 감소된 상태에서
다시 균형이 맞추어져서 일정한 상태를 유지하려고 할 것이다.
자연 상태에서 오존층의 생성량은 산소 분자의 양, 자외선 조사량, 그리고 반응에너지를 받아들일 수 있는 분자의 양에 따라 결정된다.
태양이 현재와 같이 활동하고 지구가 계속 태양 주위를 공전한다면, 이와 같은 요인들은 매우 일정하기 때문에 실상 오존 농도가 지금보다 더
증가하기는 어려울 것이다. 반면, 오존의 파괴는 오존과 산소 원자의 양에 따라 결정될 뿐만 아니라, 특히 앞에서 언급했던 것처럼 촉매의 종류와
양에 따라 크게 좌우된다. 대기 중 촉매의 양이 일정하게 유지된다면 오존 농도가 크게 줄 일은 없겠으나, 문제는 대기 오염에 의해 이들 촉매 중
할로겐 원소, 특히 Cl의 양이 증가할 수 있다는 점이다. 촉매의 양이 점점 증가하면, 오존의 파괴 속도 증가로 오존층이 점점 얇아질 것이며,
결국에는 더 이상 자외선으로부터 보호받지 못하게된 지표상의 생물들이 모두 사라질 수도 있을 것이다.
오존층의 파괴를 촉진시키는 대표적인 대기오염물은 프레온(freon) 및 할로겐염알케인(halones)를 포함하는 염화불화탄소화합물(CFC;
carbofluorocarbons)이다. 이 화합물들은 과거에 주로 냉매, 소화기, 스프레이, 일회용 용기의 발포제, 전자부품 세정제 등에 광범위하게
쓰이던 것으로, 1987년 몬트리올 규약(Montreal protocol)을 통해 그 사용이 크게 줄게 되었으며, 현재 유럽연합 국가들은 CFC 제품의 생산을
금지하고 있다. 우리나라도 2040년이면 CFC의 사용을 전면 금지하게 된다.
대기 오염에 의한 오존층의 파괴는 심각하게 인식되지 못하다가, 남극의 오존 구멍이 커지는 것을 관찰한 후에 위기의식을 갖고
지켜보게 되었다 (그림 5-2-3). 그림 5-2-4는 미국우주항공국에 의한 오존층 파괴에 대한 모의 실험 결과를 보여주는 것으로, 만일 CFC의 규제가
이루어지지 않는다면 2040년쯤에는 오존층이 거의 사라지게 될 것임을 보여준다.
 |
| 그림 5-2-3. 2006년 9월 21일부터 30일까지 위성에 의해 관측된 오존 농도를 바탕으로 작성된
남극 상공의 오존 구멍. 이 당시의 오존 구멍은 위성 관측 이래 사상 최대의 크기였다. (그림 출처:
http://www.nasa.gov/vision/earth/lookingatearth/ozone_record.html).
|
 |
 |
| 그림 5-2-4. CFC의 배출에 대한 규제가 전혀 이루어지지 않을 경우, 대기 중 오존 농도가 어떻게
될지를 보여주는 모의 실험 결과. (그림 출처: http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=38685).
|
|