산성비와 오존층 파괴

 

산성비

산성비는 황산화물, 질소산화물 등 대기 중으로 배출된 산성 물질이 비에 용해되어 내리는 것을 말한다. 산성비는 1853년 Robert Angus Smith가 영국 맨체스터시 주변 빗물의 특성에 대해 발표한 것에서 시작된 것으로 알려져 있다. 스웨덴의 Svante Oden은 1961년 지표수 측정망을 통해 산성비의 원인이 대기오염물질의 장거리 이동임을 알아내었으며, 빗물의 주요 이온과 산성도가 계절에 따라 변화한다고 발표하였다. 스웨덴은 1972년 유엔환경회의에서 산성비에 대해 발표하였고, 그 이후 산성비는 전세계적으로 관심의 대상이 되었다. 산성비 문제는 지구환경 문제로 분류되고 있지만, 엄격히 말하면 지역 환경 문제로 볼 수 있다. 산성비의 원인물질은 이산화황과 질소산화물이 대표적인데, 이들 물질이 대기 중에서 이동, 확산하며 황산, 질산으로 변화하여 빗물을 산화시킨다.

 

대기 중의 이산화탄소(약 350 ppm)와 평형관계에 있는 빗물의 pH는 5.6이다. 따라서 pH 5.6을 빗물의 자연상태의 pH라고 하며 빗물의 산성 여부를 판단하는 기준으로 사용하고 있다. 그러나 대기 중에는 이산화탄소 외에도 빗물의 산성도에 영향을 미칠 수 있는 수많은 요인이 존재하기 때문에 빗물의 pH는 장소에 따라 변한다. 예를 들어, 암모니아가 많거나 토양입자가 많은 지역의 빗물의 pH는 보통 5.6보다 크며, 화산의 영향권에 있는 지역은 pH가 5.6보다 작아질 수 있다. 따라서 인간의 활동의 영향을 받지 않은 지역의 빗물의 pH는 5.6이 아닐 수 있다. 실제로 오염원으로부터 멀리 떨어진 지역에서 pH가 약 5.0인 비가 관측되는 경우가 많다. 1980년대에 들어 연구자들은 산성비의 기준을 pH 5.0으로 하는 것이 타당하다고 주장하고 있다. 그 근거는 산성비의 피해가 나타나기 시작하는 빗물의 pH가 5.0 이하라는 것과 빗물의 pH가 5.0보다 작으면 인간의 활동에 영향을 받았다고 볼 수 있다는 것이다.

 

오존층 파괴

산업 발달로 인해 대기 중에 배출된 미량의 할로겐 물질들이 자연적인 기후현상에 의해 성층권 오존층에 유입되어 오존층의 오존농도가 낮아지는 현상을 오존층 파괴라 한다. 오존은 18세기에 처음 발견되었는데, 물리학자들의 전기 방전 실험 시에 발생하는 이상한 냄새의 원인으로 그리스어의 ozein(냄새가 나다)을 따서 ozone이라고 이름 붙였다. 이후 프랑스의 과학자 Soret는 오존이 3개의 산소 원자로 구성된 분자라는 것을 밝혀내었다.

 

오존이 생성되는 원인은 여러 가지가 있으며, 중간 과정을 생략하면 3개의 산소분자(3O2)가 2개의 오존분자(2O3)로 전환된다. 오존의 생성에는 150~240nm의 자외선이 관여하고, 오존의 파괴에는 280~320nm의 자외선이 관여한다. 오존에 의해 흡수되지 않는 320nm보다 큰 파장의 자외선을 UV-A라 하고, 오존을 파괴하며 흡수되는 280~320nm의 파장을 가지는 자외선을 UV-B라 하며, 오존 생성에 관여하며 흡수되는 240nm보다 작은 파장의 자외선을 UV-C 자외선이라 부른다. 산소분자(O2)에 UV-C 자외선을 쪼여주면 2개의 산소 원자(O)로 분해되는데, 이렇게 분해된 산소 원자가 다른 산소 분자와 결합하여 오존(O3)이 생성된다. 이렇게 생성된 오존에 UV-B 자외선을 쪼여주면 오존 분자는 O2와 O로 분해되고, O가 O3와 재결합하여 2O2가 생성된다.

 

 

 

생성되는 오존의 양은 가해주는 빛의 강도와 산소 분자의 밀도에 영향을 받으며, 파괴되는 오존의 양 또한, 가해주는 빛의 강도와 오존의 밀도에 영향을 받는다. 지표로부터 멀리 떨어질수록 빛의 강도가 강하고, 지표에 가까울수록 산소 분자의 밀도가 크다. 성층권의 오존층이 존재하는 고도는 빛의 강도와 산소 분자의 밀도가 적절하여 생성되는 오존의 양과 파괴되는 오존의 양이 동적 평형을 이루고 있다.

 

오존의 양은 밀도 또는 농도로 나타낸다. 오존의 밀도를 나타내는 단위는 Dobson unit(DU)으로 단위 ㎤당 오존 분자의 개수를 나타내며, 1DU는 약 27,000,000개/㎤이다. 미국의 오존 밀도는 300DU이고, 오존의 밀도가 가장 낮은 남극은 최소 117DU에 해당한다. 오존의 농도를 측정하는 단위는 ppm이나 ppb를 사용한다. 대기 중 오존의 농도는 매우 낮기 때문에 ppm보다 ppb를 많이 사용하는데, ppb는 대기 중에 있는 10억 개의 분자 중 1개가 오존 분자라는 것을 의미한다.

 

오존은 산소 원자 세 개가 결합한 구조이며, 산소 원자로 분해되기가 쉬워 산화력이 매우 큰 것이 특징이다. 오존의 산화력은 박테리아 같은 미생물에게 치명적이어서 살균제로 사용될 수 있고, 악취가 나는 분자들과 결합해서 악취가 나지 않는 분자로 산화시킬 수 있어 탈취제로 사용된다. 또한, 강한 산화제가 필요한 분야에서 공업 원료로도 많이 사용된다. 하지만 오존의 산화력은 인체에 직접 노출되는 경우 건강상의 문제를 일으킬 수 있다. 이와 같이 지표면의 오존은 인간의 건강에 해로운 물질이나, 성층권 내에 존재하는 오존은 태양으로부터 방출되는 자외선을 흡수하여 인간을 비롯한 지구의 생명체를 자외선으로부터 보호해 준다. 오존층의 파괴로 인해 태양으로부터 지구에 도달하는 UV-B(280~320nm)는 인체의 눈과 피부에 해로우며 또한 비타민 D의 합성과 면역체계에 악영향을 끼친다. 그 외에도 UV-B가 증가하면 해양 생태계에서 먹이 사슬의 중요한 역할을 맡고 있는 플랑크톤의 체질이 변화하여 생산량이 감소하고 먹이 사슬이 파괴되어 생태계에 큰 악영향을 끼친다.

 

 

오존층을 파괴하는 물질로는 CFCs, 할론, 1,1,1-트리클로로에탄 등이 있다. 이들 물질은 화학적으로 매우 안정하여 분해되지 않고 성층권에 도달한 후 단파장의 자외선(280~320nm)에 의해 화학적으로 광분해되어 염소원자를 방출한다. 방출된 염소원자는 오존의 분해에 촉매 역할을 하여 오존층을 연쇄적으로 파괴한다.

오존층의 농도 관측이 이루어지는 곳은 세계적으로 많지 않지만 남극 오존이 1980년경부터 급격히 감소하고 있는 것이 영국 헬리베이 기지(남위76)와 미국의 아문젠 스코츠기지(남극점)에서 관측되고 있다. 인공위성 Nimbus호에 오존을 관측하는 센서가 탑재되어 우주에서 오존분포를 볼 수 있게 되었는데, 남극대륙 상공의 오존이 구멍이 뚫린 것처럼 보였다. 이를 남극오존홀이라 부르고 있는데, 남극오존홀이 갈수록 커지고 있는 것이 확인되고 있다.

 

오존홀은 오존 농도가 220DU 이하인 지역 또는 1975년 기준으로 오존 농도가 33% 감소하는 지역으로 정의된다. 첫 번째 정의는 1950~1960년대 오존홀이 처음 연구되는 시점에 사용되었고, 두 번째 정의는 남극의 오존홀의 면적이 증가 추세에 있게 되면서 사용되었다. 오존홀은 북극에서도 미약하게 존재하지만 남극에서만 국지적으로 발생하는 현상이고 전 세계적인 영향은 미약한 수준으로 알려져 있다. 하지만 오존홀의 면적이 해마다 지속적으로 증가하고 있어 많은 전문가들이 오존홀 문제에 관심을 가지고 있다. 1950년대부터 CFC가 널리 사용되기 시작하였고, 그 후 15년이 지난 1975년부터 전 세계적으로 오존 농도의 감소가 가시적으로 드러났으며 남극에서는 다른 어느 곳보다 그 양상이 심했다. 1990년대에는 남극의 오존홀이 뉴질랜드까지 확장되기도 했으며 남극의 대기를 가두고 있던 회오리가 사라지는 순간 남반구 전역의 오존 농도가 급격히 감소하여 순간적으로 최대 10％까지 감소하는 것으로 나타났다. 이 때문에 남반구에는 북반구에 비해 자외선에 의한 피해가 더 크게 나타나고 있는 실정이다.