☞ 인공 화학물질에 의한 오존층 위협

인공 화학물질에 의한 오존층 위협

오존층은 왜 위협을 받는가? [TOP]

공기 중에 방출되었을 때, 염소와 브롬 등을 함유한 매우 안정된 인공 화학물질들 중 몇몇은 성층권을 포함한 대기권의 모든 부분에 파고든다. 이 물질들은 낮은 대기권에서는 안정된 물질이지만 성층권에서는 태양에서 나오는 높은 수준의 UV-B 복사에 의해 분해되어 매우 반응능력이 큰 염소나 브롬원자를 방출한다. 이렇게 생성된 염소나 브롬 원자들은 오존붕괴를 일으키는 일련의 복잡한 반응에 참여한다. 오존붕괴 과정의 주요단계를 간략히 요약하면 다음과 같다.

* 자유 염소와 자유 브롬 원자는 오존 분자와 반응하여 그것에서 산소 원자 하나를 취하고 오존분자를 산소분자로 변환시키며 일산화염소나 일산화브롬을 형성한다.

* 이렇게 형성된 일산화염소나 일산화브롬 분자는 오존으로부터 얻어낸 산소 원자를 다른 자유 산소 원자와 결합시켜 산소 분자를 형성시키고 다시 염소 또는 브롬 원자가 된다.

이렇게 새로이 분리된 염소와 브롬 원자는 또 다른 오존 분자를 파괴시키는 반응을 시작한다. 이런 식으로 염소나 브롬 원자 하나가 수 천 개의 오존 분자를 파괴시키며, 바로 이런 이유 때문에 낮은 농도의 염소와 브롬이 엄청난 양의 오존층을 파괴시킬 수 있는 것이다. 참고로 1985년도에 성층권에서 염소 농도는 2.5ppb(십억분의 일, parts per billion)이었다.

어떤 화합물이 오존을 파괴하는가? [TOP]

여러 가지 인공 화합물이 성층권을 파괴시킬 수 있으며, 이런 물질들은 공통적으로 두 가지 특성을 갖고 있다. 우선 이것들은 대기권의 하부에서 놀라울 정도로 안정성을 띄고 있으며, 대부분이 물에 용해되지 않고 물리적, 생물학적 반응에 대해 저항력을 갖고 있다. 이러한 물질들은 자유 상태에서 매우 활발히 반응하는 원소인 염소와 브롬을 포함하고 있고 따라서 오존을 파괴시킬 수 있다.

이러한 이유들로 인해 오존붕괴물질들은 오랫동안 공기 중에 남아 있다가 천천히 성층권을 포함한 대기권의 여러 부분으로 확산된다. 그리고 이곳에서 태양으로부터의 강한 복사 에너지에 의해 오존을 파괴시키는 염소와 브롬 원자들을 방출하게 된다.

CFC는 오존붕괴물질 중 가장 중요한 것이다. CFC는 1928년 처음 합성되어 생산된 이래 많은 분야에서 사용되어 왔으며, 그 예를 들자면 다음과 같다. 냉장고와 에어컨에서 쓰이는 냉매, 에어로솔 스프레이 캔의 분사제, 쿠션과 매트리스 안의 부드러운 폼 제작에 쓰이는 블로우잉제, 전자회로판 등의 장치들을 세척하기 위한 세정제 등이다. 현재 열 다섯 가지의 CFC가 폐기되고 있다.

HCFC는 CFC와 관련이 있으며 대개 CFC의 대체물로 개발되었다. 이 물질들은 대부분 냉매와 블로우잉제로 사용되고 있다. HCFC는 그 안의 부가적인 산소 원자로 인해 대기권의 하부에서도 분해되기 쉽고, 그 결과 그 안에 들어 있는 염소의 대부분이 성층권에 도달하지 못하기 때문에 CFC에 비해 오존 파괴 정도가 낮다.

하지만, HCFC의 오존붕괴지수(ODP)는 여전히 높은 편이어서 장기간 이들을 사용할 수는 없다. 현재 사십여 개의 HCFC가 국제적으로 규제를 받고 있으며 결국은 영원히 폐기될 것이다.

염소를 포함하는 두 개의 또 다른 화합물 역시 매우 높은 오존붕괴지수를 갖고 있으며 따라서 이들 역시 국제적인 규제를 받고 있다. 사염화탄소와 메틸클로로폼(1,1,1-트리클로로에탄)이 바로 이들이다. 이 두 물질은 용매나 엔지니어링 제조 공정 중에 금속을 세정하기 위해 폭넓게 사용되어 왔다.

할론은 오존을 파괴하는 브롬을 포함하는 중요한 화합물이다. 이 물질은 BFC라 불리며 대부분 소화제로 사용되어 왔다. 어떤 종류의 할론은 오존 파괴 능력이 매우 커서 오존 파괴 물질인 CFC보다도 그 파괴 능력이 열 배 이상이나 되는 것도 있다. 선진국에서는 이미 1994년에 세 종류의 할론 생산이 중단됐고, 서른 네 가지의 HBFC가 몬트리얼 의정서에 따라 폐기될 것이다.

최근에는 브롬을 포함하고 있어 심각한 오존 파괴 지수를 지닌 메틸브로마이드라는 또다른 화학물질에 관심이 쏠리고 있는데, 이 물질은 주로 농약으로 사용되고 있다. 이 물질의 오존 파괴 지수가 높기 때문에 몬트리얼 의정서 참여국들의 제 7차 회의에서 선진국은 2010년까지 이 물질을 전면 폐기하고 개발도상국은 2002년에 사용량을 동결하기로 동의했다.

인공 화학물이 오존을 붕괴시킨다는 주장이 얼마나 신빙성이 있는가? [TOP]

인간의 활동이 오존층에 손상을 입힐 수 있다는 가정이 처음으로 대두된 것은 1970년대였다. 그 후 몇 년 동안 오존붕괴가 실제로 일어나는지, 그렇다면 인간의 활동이 그것에 얼마나 영향을 미치는지 등은 확실히 밝혀지지 않은 채 남아있었다. 초기에는 고공 비행을 하는 초고속 비행기가 방출하는 질소 산화물이 주요 위협 요인으로 생각되었다. 또 다른 이들은 화산 분출물과 같은 자연적인 오존붕괴물질과 비교해 볼때 인공 화학물이 미치는 영향이 그와 별로 다르지 않을 것이라고 주장했다. 그러나 최근 들어 성층권에서의 직접적인 측정을 통하여 오존붕괴를 관측한 결과 인공 화학물에 의한 염소와 브롬이 오존붕괴에 우선적으로 책임이 있다는 사실이 증명되었다. 오존붕괴의 화학적 메커니즘에 대한 과학적 이해가 진보됨에 따라, 이같은 결론은 더욱 더 지지를 얻고 있다.

인공 화학물질이 오존을 파괴시킨다는 것을 증명하는 도표:
         오존의 감소량과 염화 일산화물의 증가량이 상관관계를 갖고 있다.

: 오존의 감소량과 염화 일산화물의 증가량과 상관관계를 갖고 있다.

화산 폭발이 오존붕괴율을 가속화시킬 수 있지만 그 효과는 상대적으로 단시간에 걸쳐 나타났다. 1991년에 필리핀의 피나투보 화산의 폭발로 이천만 톤의 아황산가스가 대기 중에 방출되었다. 물론 이것은 1992년과 1993년에 기록된 오존붕괴에 한 몫을 차지했다. 대기권내에서 아황산가스는 황산 에어로솔로 빠르게 전환되어 오존붕괴율을 증가시킨다.

그러나 성층권에서의 에어로솔 농도는 2년 내에 최고 수치의 20% 이하로 떨어진다. 참고로 어떤 종류의 CFC는 대기권에서 100년 이상의 수명을 갖는다. 예를 들어 CFC-115의 대기권 내 수명은 1700년이다.

26개국에서 온 295명의 과학자들로 구성된 국제 패널은 염소와 브롬을 포함하고 있는 인공 화학물, 즉 CFC와 할론이 오존붕괴의 주요 원인이라고 그들의 보고서에서 강하게 주장하고 있다.

오존층은 얼마나 빠르게 붕괴되고 있는가? [TOP]

지상에서의 오존층 관측은 1957년에 시작되었다. 1970년 이래로 과학자들은 지상에서의 관측, 기구를 이용한 관측, 그리고 인공위성을 이용한 관측 등을 통해 다각적으로 오존층을 관측해왔다. 이런 관측을 통해 얻게된 측정치들은 전 세계적으로 오존층이 감소하고 있음을 확실히 보여주고 있다. 1979년에서 1994년 사이에 지구의 남반구와 북반구의 중위도지방(30°∼60°)의 오존은 매 10년당 평균 4∼5% 정도 감소된 것으로 나타났다. 또한 1970년대 보다 1980년대에 오존층이 더 빠르게 줄어들고 있으며, 이 사실은 오존붕괴가 가속화되고 있음을 시사해 준다.

오존붕괴는 어디서, 언제 가장 심각한가? [TOP]

* 오존붕괴는 위도에 따라 다르다. 적도 지방이 가장 낮고 극지방으로 갈수록 증가한다. 적도 상공(북위 20°~남위 20°)은 총 오존량에 있어서 어떤 심각한 변화를 보이지 않는다. 피나투보 화산의 폭발 후 6개월간은 총 오존량이 3∼4%정도 감소한 적이 있다. 북극 상공에서는 20%에 달하는 총 오존붕괴가 일부 고도에서 나타났으며, 남극에서의 오존 손실은 이보다 더 많았다.

* 오존붕괴는 계절에 따라 다르다. 1979년에서 1994년 사이에 북반구의 중위도에서 측정된 수치를 살펴보면, 여름과 가을에 비해 겨울과 봄에 오존 수치가 두 배나 감소했다. 남반구에서는 계절적 변화가 덜하다. 오존붕괴가 계절에 따라 가장 많이 변화한 것은 남극 상공에서 측정되었다.

* 오존붕괴는 고도에 따라 다르다. 1979년에서 1991년 사이의 관측 결과는 오존붕괴가 고도 25km에서 30km사이의 상공에서는 그리 심각하지 않음을 보여주고 있다. 같은 기간에 35∼45km 상공에서 측정된 결과는 적도 상공을 포함해 매 10년당 5∼10% 붕괴를 보여주었다. 20km 이하의 고도에서는 관측소마다 다른 경향을 보였고, 일부 연구에 따르면 중위도에서 오존이 매 10년당 20%나 감소된다고 한다.

1981년 이후에 전 세계적으로 오존층은 약 6% 감소했다.

최근의 경향을 기초로 해서 계산해보면, 최대 오존붕괴 수치는 앞으로 몇 년 후에 나타날 것으로 예상된다. 과학자들은 북반구의 중위도 상공에서 여름과 가을에는 6∼7%, 겨울과 봄에는 12∼13% 정도의 최대 오존 수치 감소가 나타날 것으로 예상하고 있다. 남반구의 중위도 상공의 최대 오존 수치 감소는 모든 계절에서 약 11%에 이를 것으로 예상되고 있다. 이러한 예상치들은 단지 오존붕괴의 최대 수치가 얼마가 될 것인가만을 보여줄 따름이다. 특히, 이런 예상치들로 인해 오존붕괴 화학물의 폐기를 위한 보다 강력한 국제 협력이 이루어질 것으로 추측된다.

남극의 '오존 구멍'이란 무엇인가? [TOP]

대개 오존붕괴는 적도에서 중위도로 갈수록 증가하며, 매우 높은 붕괴 수치가 남극 상공에서 9월과 10월에 관측되었다.

이런 현상을 '오존 구멍'이라 일컬으며, 매년 남반구의 봄 두 달 동안에 총 오존 감소 수치가 남극 상공에서는 60%에 달한다. 오존 구멍의 존재는 1985년 처음으로 언론화되었으며, 이것은 오존층 보호를 위한 몬트리얼 의정서의 국제적인 합의를 가속화시키는데 중요한 역할을 한 하나의 사건이었다.

오존 구멍은 남극 상공에서만 발견되는 특별한 요인들이 복합되어 발생한다. 매년 겨울, '극와류'는 남극 성층권의 많은 부분을 고립화시킨다. 겨울에는 태양이 이같이 고립된 공기를 비추어주지 못하기 때문에 공기는 극도로 차갑게 된다. 낮은 온도는 얼음 구름의 성장을 가속화시키고, 얼음 구름은 특별한 화학 반응을 일으키게 하는 표면을 제공한다. 햇빛이 없음에도 불구하고 염소를 포함한 이 '비활성'의 화학물질은 오존을 붕괴시킬 수 있는 '활성화'된 형태로 전환된다. 봄이 되어 태양이 다시 비추게 되면 이 반응과정은 가속화되고 극와류가 분해될 때까지 적도 지방으로 분산되면서 오존층을 매우 빠르게 파괴시킨다.

최근에 북극에서 진행된 실험은 매우 빠르게 오존붕괴를 야기시키는 일부 메커니즘이 북극에서도 존재한다는 것을 보여주고 있다. 다행히 오존 구멍이 완전히 성장하기 전, 즉 태양 빛에 의해 많은 양의 오존이 파괴되기 전인 이른 봄에 이 극와류는 분해된다.

오존붕괴와 기후 변화는 어떤 관계가 있는가? [TOP]

성층권의 오존붕괴와 기후 변화는 지구의 대기권에서의 인간의 활동에 영향을 미친다. 이 둘은 서로 다른 차원의 환경 문제이지만 여러 면에서 서로 관련되어 있다. 이들의 상호 작용 중 주된 몇 가지는 다음과 같다.

오존붕괴 화학물은 지구 온난화에 영향을 미친다.

* 오존붕괴 화학물은 대개가 온실 효과 가스이기 때문에 오존층뿐만 아니라 지구의 열적인 균형에도 영향을 미친다. 예를 들어, CFC11과 CFC12(오존을 파괴하는 두 가지의 주요 클로로플루오로카본 화합물)은 100년을 기준으로 살펴보았을 때 이산화탄소보다 각각 4000배와 8600배의 강력한 온실 효과를 내는 가스들이다. CFC의 대체물로서 개발된 플루오로카본 또한 강력한 온실 효과 가스이다.

대부분의 오존붕괴물질들은 또한 온실 가스이기도 하다.

오존붕괴는 기후에 영향을 미칠 수 있다.

* 오존은 그 자체가 온실 가스이며, 오존층은 지구 전체의 온도 균형을 유지하는 역할을 한다. 현재는 오존층의 붕괴가 온실 효과를 감소시키는 것으로 생각되고 있다.

* 그러나 한편으로는, 오존붕괴로 인해 지구 표면이 UV-B에 더 많이 노출됨으로써 이산화탄소 같은 온실 효과 가스의 순환이 변경될 수 있으며, 이로 인해 지구 온난화가 증가 될 수도 있다. 특히, 증가된 UV-B는 육지 식물과 해양 식물 플랑크톤의 활동을 억제시키는 경향이 있으며, 그 결과 이것들이 대기 중에서 흡수하는 이산화탄소의 양이 줄어들게 된다.

지구 온난화는 오존붕괴를 악화시킬 수 있다.

* 지구 온난화는 대기권 하부의 평균 온도를 증가시킬 것으로 예상되며, 성층권을 냉각시킬 수도 있다. 또한 지구 온난화는 성층권에 이르는 인공 화학물들의 농도가 같다할지라도 오존붕괴를 증가시킬 수 있는데, 그 이유는 아주 낮은 기온이 오존을 붕괴시키는 특별한 반응을 돕기 때문이다.

UV수준은 지표면에서 어떻게 바뀌는가? [TOP]

UV-B 복사수준을 직접 측정하는 것은 기술적으로 매우 복잡한 일이다. 그러나 오존붕괴가 지표면에 도달하는 UV-B 양을 증가시킨다는 것을 보여주는 명백한 과학적 증거가 있으며, 오존 수준의 경향으로부터 UV-B의 양을 예측할 수 있다. 이것을 기초로 해서 중위도의 UV-B는 15년동안 8∼10% 증가된 것으로 계산되었다. 이 계산은 310 나노미터의 파장을 갖는 UV-B 복사에 대한 것으로 1979-1994년 사이에 북반구와 남반구의 45˚위도 지역에 대해 계산된 것이다. 최근까지 측정된 결과를 보면 UV-B의 증가가 고위도에서 그리고 짧은 파장에서 더 많았던 것으로 나타났다.

인구 고밀도 지역에서 오존붕괴로 인해 UV-B가 지속적으로 증가한 것은 1992년과 1993년에 처음으로 측정되었다. 몇몇 연구들은 북반구의 중위도와 고위도 지역에서 UV-B가 크게 증가했다는 것을 밝혀냈다. 캐나다 터론토에서 측정된 결과들은 300 나노미터의 파장을 갖는 UV-B가 4년 전에 비해 무려 35%나 증가했음을 보여준다.

매해 발생하는 오존 구멍으로 인해 대규모의 UV-B 증가가 남극 지방에서 발생했다. 오존붕괴가 특별히 심했을 때인 1992년에, 남극의 UV-B(298∼303 나노미터 범위)의 양은 1991년에 비해 무려 네배나 더 많았다. 극와류가 소멸된 봄에는 오존이 부족한 많은 양의 공기가 낮은 위도를 향해 흘러들어 주변 지역 또한 영향을 받아왔다.

남부 아르헨티나에 있는 측정 기지에서 관측된 결과를 살펴보면, 1991년 12월의 경우에 '생물학적으로 가중치를 둔 UV수준'(짧은 파장이 더 큰 피해를 일으키는 것을 고려해서 계산한 수치)은 같은 위도 상에서 일상적으로 측정되는 값보다 45% 정도 더 높았다. 이같은 수준은 그 지역을 적도 쪽으로 20% 정도 옮겼을 때 얻게되는 수치와 거의 같은 것이다.

시뮬레이션 모델에 기초하여 예측해 보면, 오존붕괴로 인해 지표면에 이르는 '생물학적으로 가중치를 둔 UV-B'의 최고수준은 지금까지 측정된 것보다 현저하게 더 높을 것으로 기대된다. 아래 표에는 1960년대와 비교하여, 중위도에서 발생하는 홍진과 DNA 파괴에 대한 최고 증가량이 나열되어 있다. 위에서 주어진 최고 오존붕괴의 예측치와 마찬가지로, 이 표에 있는 수치에도 불확실성이 있다. 하지만 이 수치들은 오존붕괴물질을 줄여나가려는 전 세계의 모든 참여국이 의정서를 충실히 이행한다는 가정 하에 예측된 것이다.

계절별 홍진의 발병과 DNA 파괴의 최고 증가량을 예측하여 1960년대의 수치와 비교함.
 

토의 요점

· 오존붕괴물질은 공통적으로 어떤 화학적 특성을 갖고 있는가?

· 당신의 국가에서 오존붕괴물질은 어떻게 사용되고 있는가? 집이나 일터, 그 외 여러 산업체에서 CFC나 할론 그리고 이러한 물질들을 사용하는 생산품이 어떻게 사용되는가 알아 보라.

· 당신이 살고 있는 지역의 오존수준은 어떤 경향을 띄고 있는가?

· 지역적 UV-B 수준이란 무엇을 의미하는가? 당신의 국가에서는 UV-B 수준을 지속적으로 측정하는가? 이 정보는 어떻게 이용되고 있으며, 이용될 수 있는가?

· 당신의 국가에서 여러 종류의 오존붕괴물질을 방출하는 양은 얼마나 되는가?

· 당신의 국가에서 여러 그룹의 사람들의 오존붕괴에 관한 지식은 어느 정도인가? 어떤 일반적인 오해가 있는가?

· 오존붕괴와 기후 변화. 어떤 활동이 이 두 가지에 영향을 미치는가? 어떤 환경 정책이 이 두 가지 문제를 모두 고려할 수 있는가?

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