차시명: 12주차 제1강

주제: 제 5장 화석연료, 4부 – 오존층의 역할과 파괴

동기 유발:  뜨거운 여름날 강한 햇빛 때문에 피부가 검게 타고, 심하면 물집이 잡히는 일을 경험하셨나요? 이것이 심해지면 피부암이 생길 수도 있습니다.  이와 같은 피부 손상은 바로 햇빛에 섞여 있는 자외선 때문입니다.  그나마 햇빛의 자외선량은 대기를 통과하면서 대폭 감소되어 생물에 입히는 피해가 미미한데, 이는 모두 저 대기의 높은 곳 성층권에 존재하는 오존층 덕택입니다. 이 단원에서는 이 오존층이 어떻게 만들어지고 무슨 역할을 하는지, 그리고 어떻게 파괴될 수 있는지 알아봅시다.

학습 목표: 오존층의 형성 원리 및 지구환경적 측면에서의 역할을 알아보고, 이 오존층이 어떤 대기 오염물에 의해서 파괴될 수 있는지 살펴보자

강의 타이틀: 5-2. 오존층의 역할과 파괴

안녕하십니까? 이번 시간에는 오존층의 형성 메카니즘, 이 오존층의 지구 환경적 측면에서의 역할, 그리고 오존층의 파괴가 어떻게 일어나는 지를 살펴보도록 하겠습니다.

[slide #1]

지구에 생명체가 탄생하고 얼마간의 시간이 지난 후, 광합성이 광범위하게 진행되면서 지구 대기에는 자유 산소가 집적되었습니다. 이 자유 산소는 생물의 진화 측면에서 크게 두 가지 중요한 역할을 하는데, 그 하나는 호기성 생물의 출현이고, 다른 하나는 오존층의 형성입니다. 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 되었습니다.

[slide #2]

오존은 세 개의 산소가 결합된 분자로 지구의 대기에 자유 산소가 있기 때문에 존재하는 분자입니다. 오존은 크게 성층권 오존, stratosphere ozone과 대류권 오존, troposphere ozone 또는 도시 오존, urban ozone으로 나눌 수 있는데, 이 두 오존의 생성 이유와 환경적 역할이 판이하게 다릅니다. 흔히 오존층(ozone layer)라 하면 바로 이 성층권 오존을 가리키는 것입니다. 대류권 오존에 대해서는 나중에 “5-7. 기타 환경 문제”에서 설명하도록 하고, 여기서는 먼저 이 성층권 오존 즉 오존층을 이루는 오존에 대해 다루어보도록 하겠습니다.

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 합니다.

[slide #3]

이 그래프는 대기권 고도에 따른 오존의 함량 변화와 자외선 흡수량을 보여주는 것입니다.  그래프에서 연두색 곡선이 오존의 함량인데, 가로축에 단위가 DU로 되어 있습니다.  DU는 Doson unit의 줄임말 인데, 이 단위는 대기 중 미량 개스의 농도를 나타낼 때 흔히 사용하는 단위로, 섭씨 0도 1 bar의 조건에서 이 개스를 차곡 차곡 쌓았을 때 1μm의 두께를 갖는 양을 말합니다. 오존 1Du는 대략평방 센티미터 당 2.69*1016 개의 분자량에 해당합니다

고도 20km 부근에 오존이 특히 많은 이유는 태양으로부터의 자외선, 특히, 파장 240nm 보다 짧은 자외선이 산소로부터 오존을 이 고도에서 주로 만들기 때문입니다. 이 보다 상위의 중간권이나 열권은 산소 분자가 너무 적어서, 하위의 대류권에서는 자외선이 그 위에서 흡수되어버려 충분히 닿지 못하기 때문에 오존의 함량이 상대적으로 낮습니다.

자외선은 파장에 따라 UV-a, b, c 이렇게 셋으로 구분했는데, a가 가장 길고 c가 가장 짧습니다. 우리 피부에 손상을 입히고 피부암과 같은 피해를 입히는 자외선은 b보다 파장이 짧은 자외선입니다.  이 자외선들의 양을 보면, c는 이미 오존층을 지나기도 전에 완전히 흡수되는 반면, a는 약간만 흡수되고 나머지는 지상으로 투과되며, b는 오존층에 대부분 흡수되고 극히 일부분만 지상에 도달함을 알 수 있습니다.  오존층의 환경적 중요성은 바로 이와 같이 우리에게 별 해를 주지 못하는 자외선 a는 대부분 통과시키는 반면, 해로운 b와 c는 대부분 걸러내서 지표의 생물이 안전하게 살아갈 수 있도록 한다는 점입니다.

[slide #4]

이 그림은 오존이 어떻게 형성되고 파괴되는지를 보여줍니다:

먼저 1넌 반응과 같이 자외선이 대기 중의 산소 분자를 광분해해서 두 개의 산소 원자로 나눕니다.  이렇게 형성된 산소 원자는 산소 분자와 결합해서 2번 반응처럼 오존을 만듭니다. 이 반응식에서 M은 잉여 반응에너지를 수용하는 물질로서, 보통은 대기 중에 가장 흔한 질소와 산소가 이 역할을 합니다. 이렇게 형성된 오존은 다시 자외선을 흡수하면서 산소 분자와 원자로 나뉘며, 이때 생성된 산소 원자는 다시 오존을 만드는데 사용됩니다.  오존은 3번 반응을 통해 대기 중에서 자연스럽게 파괴됩니다. 3번의 오존 파괴 반응은 촉매에 의해 매우 빨리 진행될 수 있는데, 이러한 촉매로는 산화수소(OH) 및 산화질소(NO) 래디컬, 그리고 염소(Cl)와 브롬(Br)같은 할로겐 원자들이 있습니다.

대기 중에서는 이 반응들이 동시에 진행되면서 주어진 조건, 그 중에서도 산소 분자의 양 및 자외선 조사량에 따라 오존의 생성량과 소모량이 군형을 맞추어 일정량의 오존을 꾸준히 유지하게 됩니다. 이렇게 유지되는 오존량이 성층권, 특히 고도 20km 부근을 중심으로 가장 많아, 지구를 둘러싸고 있는 이 부분을 오존층이라고 부릅니다.

위 오존의 생성 반응에서 살펴본 것처럼, 오존은 자외선을 흡수합니다. 자외선은 10-400nm 정도의 파장을 갖는 전자기파로, 가시광선(visible light)보다 파장이 짧아 우리 눈에는 보이지 않습니다.

[slide #5]

자연적으로 지구에 도달하는 자외선은 대부분 태양으로부터 오는데, 태양이 방출하는 태양광의 50%는 적외선, 40%는 가시광선이며 10% 정도만이 자외선입니다.

[slide #6]

자외선은 파장 400-316nm를 갖는 자외선 a, 315-281nm의 자외선 b, 280-100nm의 자외선 b로 나눕니다. 자외선 b보다 파장이 짧은 자외선을 극자외선이라고 부르기도 하는데, 이 극자외선과 자외선 c는은 대기 중의 산소나 다른 분자에 의해 대부분 흡수되어 대기를 통과하지 못하합니다. 오존층이 흡수하는 자외선은 200-315nm 파장대의 중자외선 영역의 자외선입니다. 즉, 자외선 c의 일부와 자외선 b 전영역의 빛을 대부분 오존이 흡수합니다.

자외선은 짧은 파장으로 인해 매우 높은 에너지를 갖기 때문에 생물에게는 큰 위협이 됩니다. 일례로, 자외선 b는 식물 및 동물 모두의 유전자에 손상을 줄 정도의 에너지를 갖고 있다. 만일 오존층이 없었다면, 극자외선 및 자외선 c는 대기 분자에 의해 차단되었겠지만 자외선 b를 포함한 그 외의 자외선은 상당량 지구 표면까지 투과하여 생물에게 심각한 피해를 입혔을 것입니다. 이런 상황이라면, 아예 육상 생물이 나타나지 못했을지도 모릅니다. 자외선은 이들 해로운 자외선을 흡수하여 차단함으로써, 생물에게는 일종의 방어막이 되는 것입니다.

오존층에 의한 흡수에도 불구하고, 극히 적은 양이기는 하지만 자외선 b의 일부가 대기를 통과해서 지구표면에 도달합니다. 햇빛에 우리의 피부가 그을리는 것은 바로 이 자외선 b 때문이며, 또한 피부 아래에서 햇빛을 받아 생성되는 비타민 D도 바로 이 자외선 때문입니다. 오존층이 거의 흡수하지 않는 자외선 a는 파장이 충분히 길어 생명체에 큰 위협이 되지 못합니다.

현재 성층권 오존층의 농도는 오존의 생성 속도와 소멸 속도의 균형에 의해서 정해집니다. 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 것입니다.

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 것입니다.

반면, 오존의 파괴는 오존과 산소 원자의 양에 따라 결정될 뿐만 아니라, 특히 앞에서 언급했던 것처럼 촉매의 종류와 양에 따라 크게 좌우됩니다. 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 점입니다. 촉매의 양이 점점 증가하면, 오존의 파괴 속도 증가로 오존층이 점점 얇아질 것이며, 결국에는 더 이상 자외선으로부터 보호받지 못하게된 지표상의 생물들이 모두 사라질 수도 있을 것입니다.

오존층의 파괴를 촉진시키는 대표적인 대기오염물은 프레온 및 할로겐염알케인를 포함하는 염화불화탄소화합물, CFC; carbofluorocarbons입니다. 이 화합물들은 과거에 주로 냉매, 소화기, 스프레이, 일회용 용기의 발포제, 전자부품 세정제 등에 광범위하게 쓰이던 것으로, 1987년 몬트리올 규약, Montreal protocol을 통해 그 사용이 크게 줄게 되었으며, 현재 유럽연합 국가들은 CFC 제품의 생산을 금지하고 있습니다. 우리나라도 2040년 CFC의 사용을 전면 금지하였습니다.

[slide #7]

대기 오염에 의한 오존층의 파괴는 남극의 오존 구멍이 커지는 것을 관찰한 후에야 위기의식을 갖고 관심을 두게 되었습니다.  이 그림은 2006년 9월 21일부터 30일까지 위성에 의해 관측된 오존 농도를 바탕으로 작성된 남극 상공의 오존 구멍입니다. 이 당시의 오존 구멍은 위성 관측 이래 사상 최대의 크기였었습니다.

[slide #8]

이 그림은 미국우주항공국에 의한 오존층 파괴에 대한 모의 실험 결과를 보여주는 것으로, 만일 CFC의 규제가 이루어지지 않는다면 2040년쯤에는 오존층이 거의 사라지게 될 것임을 보여줍니다.

지금까지 성층권 오존층의 생성, 그 역할 그리고 파괴에 대해 살펴보았습니다. 오존층은 지구 환경에서 우리가 생존해 가는데 꼭 필요하므로, 대기 오염을 최소화하여 오존층의 빠른 파괴를 막아야 하겠습니다.

다음 시간에는 화석 연료의 형성과 개발에 대해 알아보도록 하겠습니다.

안녕히 계십시오

[끝]

심화토론:

우리나라의 CFC 관련 규제 법령에 대해 찾아보고, 어떤 수준에서 이 물질의 규제가 이루어지는지 조사해봅시다.  그동안 CFC를 사용하던 곳에 어떤  대체재를 이용하고 있는지도 찾아봅시다.