오존층(ozone layer) 파괴

                  김진국

태양 광선은 생물의 에너지원이지만 생물에 치명적인 강한 자외선(紫外線, UV, ultraviolet rays)을 포함하고 있다. 성층권(成層圈, Stratosphere)에 존재하는 오존층은 지구로 들어오는 강한 자외선을 흡수하여 차단시켜 주는 역할을 한다. 최근 들어 이 오존층이 파괴됨에 따라 강한 자외선이 지표면에 도달하여 생태계에 피해를 주고 있다. 오존층을 파괴하는 물질은 무엇이며 어떻게 파괴되는지 알아보고 방지 대책에 대하여 토의해 보자.

1. 오존층(ozone layer)의 역할

가. 자외선(紫外線, UV, ultraviolet rays)의 성질

태양 광선은 파장의 길이에 따라 파장이 짧은 자외선, 우리가 눈으로 볼 수 있는 가시광선, 파장이 긴 적외선 등으로 이루어져 있다. 이들 광선은 입자의 성질과 파동의 성질을 함께 가지는 전자기파의 일종이다. 이러한 전자기파는 일반적으로 파장이 짧을수록 높은 에너지를 가지며 생물에 심한 피해를 준다. 태양 자외선(紫外線, UV, ultraviolet rays)은 파장의 길이에 따라 장파장 자외선(UV-A), 중 파장 자외선(UV-B), 단파장 자외선(UV-C) 세 종류로 나누는데 태양의 자외선 중 가장 약한 UV-A는 대부분 지표에 도달하고 중간 세기에 해당하는 중 파장 자외선(UV-B)은 오존층에 대부분 흡수되고 일부만 도달하지만 지구 생태계를 가장 위협하며 가장 강한 단파장 자외선(UV-C)은 성층권의 오존층에 흡수되어 지구 표면에 거의 도달하지 않으므로 피해는 거의 없다.

나. 오존층(ozone layer)의 작용

 지구 대기권(大氣圈, Atmosphere)은 대류권(對流圈, troposphere), 성층권(成層圈, Stratosphere), 중간권(中間圈, mesosphere), 열권(熱圈, thermosphere)으로 구분되는데 오존층은 성층권에 존재한다. 오존층에서 단파장 자외선(UV-C)은 산소를 오존으로 변화시켜 오존을 생성한다. 단파장 자외선(UV-C)은 산소 분자를 오존으로 변환시키는 화학반응에 이용되므로 오존에 관계없이 성층권에 산소 분자만 현재와 같은 양이 있으면 오존층에서 완전히 흡수된다.
그리고 중 파장 자외선(UV-B)은 단파장 자외선(UV-C)에 의하여 생성된 오존을 산소 분자로 분해한다. 오존층에서 오존이 산소 분자로 분해될 때 중 파장 자외선(UV-B)은 대부분 흡수되고 일부분만 지표에 도달한다.

• 오존층의 오존 생성과 단파장 자외선(UV-C)의 흡수

  성층권(成層圈, Stratosphere)에서 오존이 생성되는데 그 이유는 성층권에 산소 분자가 존재하고 자외선이 들어오기 때문이다. 단파장 자외선(UV-C)의 작용으로 산소 분자는 분해되어 산소 원자로 되고, 이 산소 원자는 산소 분자와 결합하여 오존이 된다.
 그 과정을 보면 성층권의 상층에서는 태양에서 방출된 많은 양의 단파장 자외선(UV-C)에 의해 산소 분자들이 산소 원자로 분해되므로 산소 원자만 존재하게 되며 이때 방출된 열이 성층권의 온도를 높인다.

O2(g)+(UV-C)→ O(g)  +  O(g)   +  heat
(산소분자)      (산소원자) (산소원자)    (열)

  아래로 내려올수록 단파장 자외선(UV-C) 량이 점점 감소함에 따라 분해되지 않은 산소 분자 수가 많이 존재하게 된다. 그래서 산소 분자와 원자가 공존하게 됨에 따라 산소 원자와 산소 분자가 결합하여 오존으로 생성된다.

O (g)   +   O2(g)    →    O3(g)   +   heat
(원자)        (분자)            (오존)          (열)

 오존층 아래에는 산소 분자는 많지만 단파장 자외선(UV-C)이 거의 모두 흡수되고 도달하지 않아 산소 원자 수가 적어지므로 오존 생성이 별로 없으며, 오존층 위의 성층권에서는 산소 분자가 없어 오존 생성이 거의 없다. 그래서 오존층이 성층권에만 존재한다.

• 오존층의 오존량 유지와 중파장 자외선(UV-B) 흡수

 이렇게 생성된 오존의 일부는 투과하여 내려온 중파장 자외선(UV-B)에 의해 산소 분자로 분해된다. 즉 중파장 자외선(UV-B)이 작용하여 오존 분자를 산소 분자(O2)와 산소 원자(O)로 분해한다. 분해된 산소 원자(O)는 오존(O3)과 다시 결합하여 산소 분자(2O2)를 생성한다.

O3(g) + (UV-B) →O2(g) + O(g) + heat
(오존)                (산소분자) (산소원자) (열)

 O(g)      +      O3 (g)     →      2 O2(g)
 (산소원자)      (오존)                (산소분자)

  이와 같이 성층권(成層圈, Stratosphere)의 오존층에서는 단파장 자외선(UV-C)에 의하여 오존이 생성되고 중파장 자외선(UV-B)에 의하여 오존이 분해되며, 이때 생성되는 양과 분해되는 양이 거의 같기 때문에 오존층이 일정하게 유지되어 왔다. 오존이 생성될 때 단파장 자외선(UV-C)이 흡수되며 오존이 분해될 때 중파장 자외선(UV-B)이 대부분 흡수되고 일부분만 지표에 도달한다. 그래서 오존층에 의해 유해한 자외선이 차단된다.
 이와 같이 오존층은 유해한 자외선을 막는 차단막 구실을 하는 것이다. 그런데, 오존량과 지표에 도달하는 유해한 중 파장 자외선(UV-B) 양과는 서로 반비례 관계에 있으므로 지상에서 올라간 염소 원자에 의해 오존층이 파괴되면 많은 양의 중 파장 자외선(UV-B)은 지표에 도달할 것이고 생명체에 주는 피해는 늘어날 것이다.

* 성층권(成層圈, Stratosphere)은 오존층에서 오존이 자외선을 흡수하여 열을 방출하므로 위로 올라갈수록 온도가 높아지는 역전층이 된다.

※ 자외선이 적도 지방보다 극지방에 적은 양이 도달하는 이유

지구가 둥글기 때문에 햇빛이 태양의 고도가 높은 적도 지방에는 많은 양이 도달하고 태양의 고도가 낮은 극지방에 적은 양이 도달하는 것과 같은 원리로 자외선도 적도 지방에 많은 양이 도달하고 극지방에 적은 양이 도달하는 것이다.
더욱이 지구로 들어오는 자외선 중 많은 양을 오존층이 흡수하지만 일부는 대기 중의 성분이 흡수한다.
극지방으로 들어오는 자외선은 대기층을 적도 지방과 같이 직각으로 짧게 통과하는 것이 아니고 비스듬히 길게 통과하므로 대기 중에 흡수되는 양이 더 많아지는 것이다.

※ 오존(ozone, O3)이란?

오존(O3)은 3개의 산소 원자(O)가 결합한 화합물이며 연한 푸른색, 특유의 냄새가 있는 기체로서, 산화력이 강하다. 성층권의 오존은 주로 태양 자외선의 광화학 작용에 의해 생성되고 파괴되면서 자외선을 차단한다.
지표의 대기 중에 있는 오존의 발생은 자동차 배기가스가 주범이다. 고온으로 연료가 연소될 때 분해된 산소 원자가 다른 산소 분자와 결합하여 생성된다.
 또, 간접적으로는 자동차의 내연 기관과 같이 고온으로 연소되는 기관에서 석유 속에 있는 질소 성분이나 공기 중의 질소 성분이 연소되어 이산화질소가 많이 배출된다. 이산화질소에 자외선이 작용하여 오존이 생성될 수 있다.

(내연 기관의 오존 생성)
  O(g)        +      O2 (g)      →    O3(g)
(산소 원자)       (산소 분자)          (오존)
                 

(지표 대기 중 오존의 생성)
    NO2(g) +(자외선)  →  NO(g) + O(g)
(이산화질소)             (일산화질소)(산소 원자)

   O2 (g)      +      O(g)    →    O3(g)
(산소 분자)       (산소 원자)     (오존)
                   

 오존은 불안정하기 때문에 반응성이 강하다. 그래서 강한 산화력을 갖게 되어 인체를 비롯한 각종 생물에 유해하다.
 오존은 코와 목, 눈을 따갑게 하고, 병에 대한 저항성을 약화시키며, 폐 질환을 유발하고, 식물의 성장을 억제하기도 한다. 또한 여름철, 오존은 대도시에서 스모그를 유발할 수도 있다.
 오존의 산화력을 이용하여 실내 공기와 수돗물을 살균하기도 하며, 악취 제거에 이용하기도 한다.

2. 오존층(ozone layer) 파괴와 그 피해

가. 오존층 파괴 물질

 오존층을 파괴하는 물질은 염소 원자(Cl)와 브롬 원자(Br) 등이 있다. 염소 원자는 염화플루오르화탄소(CFC)가 분해되면서 나온다.
염화플루오르화탄소는 냉장고나 에어컨의 냉매, 스프레이 분사제, 쿠션이나 각종 발포 제품의 제조용 발포제, 반도체 등의 전자 부품이나 정밀 기계를 제조할 때 쓰는 세정제 등 용도에 따라 여러 종류가 개발되었다.
염화플루오르화탄소는 인위적으로 개발된 물질로 극히 낮은 비등점, 무독성, 무색, 무취, 불연성, 무 폭발성, 낮은 표면 장력, 높은 침투력 등 용도에 적합한 특징이 많고 생산비가 적게 들기 때문에 대량으로 생산되어 널리 사용되었다. 염화플루오르화탄소는 반응성이 매우 낮은 안정적인 물질이지만 사용된 후 공기 중으로 방출되었을 때의 안정성에 대한 완전한 검증 없이 대기 중으로 방출되어 오존층을 파괴하는 대표적인 물질이 되었다.
염화플루오르화탄소 이 외에도 합성 고무의 원료로 사용되는 사염화탄소(CCl4), 각종 산업용 세정제로서 사용되는 메틸클로로포름(CH3CCl3), 삼염화에틸렌(CHClCCl3) 등도 염소 원자를 포함하고 있으므로 오존층을 파괴시킨다.
곡물 훈증제로 쓰이는 메틸브로마이드(CH3Br), 소화기에 쓰이는 하론(Halon)은 브롬(Br)을 함유하고 있으며 브롬 원자는 염소 원자의 약 10배의 오존 파괴 능력을 가진다.

* 오존 파괴지수(Ozone Depletion Potential Value, ODP)
CFC-11(CFCl3) 1kg이 오존을 파괴하는 값을 1로 하여 측정 물질 1kg이 오존을 파괴하는 값을 상대적으로 나타낸 값
HCFC-141b 0.11
HCFC-123   0.6
halon      3 ~ 10

나. 오존층(ozone layer) 파괴 과정

 염화플루오르화탄소는 안정적이기 때문에 대류권을 통과하여 성층권까지 도달할 수 있다. 성층권까지 올라간 염화플루오르화탄소는 자외선에 의해 분해되어 염소 원자를 방출하게 되는데 이 염소 원자가 오존을 산소 분자로 분해시키는 촉매로 작용하는 것이다.
방출된 염소 원자와 오존이 반응하여 일산화염소와 산소 분자로 분해된다. 이때 생성된 일산화염소는 오존층에 존재하는 산소 원자와 반응하여 염소 원자와 산소 분자로 분해된다. 분해된 염소 원자는 다시 오존과 반응하여 일산화염소와 산소 분자로 분해된다. 이런 방법으로 계속해서 염소 원자는 오존을 산소 분자로 분해한다. 염소 원자 1개가 약 1만 개의 오존을 산소 분자로 분해시키는 촉매로 작용할 수 있다고 한다.
지상에서 방출된 염화플루오르화탄소가 오존층까지 도달하는 데 소요되는 기간은 약 10년 정도며, 대기 중에서 염화플루오르화탄소가 분해되어 없어지는 데는 70년에서 400년이 걸린다. 그러므로 지금부터 염화플루오르화탄소를 생산하지 않더라도 이미 대기 중에 배출된 염화플루오르화탄소에 의해 오랫동안 계속해 오존층 파괴가 일어나게 될 것이다.

※ 왜 이른 봄에 남극의 오존층이 얇아지는가?

 극지방의 겨울철에는 태양 광선(자외선 C)이 도달하지 않으므로 오존이 생성되지 않는다. 대부분의 성층권(成層圈, Stratosphere) 지역에서는 대류에 의해 다른 지역의 공기와 혼합되기 때문에 오존 농도의 차이는 별로 크지 않다. 그러나 겨울철에 남극의 오존층에는 기류의 영향으로 오존이 유입되지 않아 오존층의 오존 농도가 낮다.
 겨울철 남극의 오존층에 오존이 유입되지 않는 이유는 제트기류의 영향이다. 극 지역의 성층권에는 겨울과 봄에 걸쳐 극 소용돌이라 불리는 극 주위를 선회하는 제트기류가 존재한다. 이 극 소용돌이의 내부 대기는 외부 대기와 서로 분리되어 있으며 소용돌이가 안정되어 있을 때는 내부 대기와 외부 대기는 서로 섞이지 않는다. 남극의 겨울에서 봄까지는 극 소용돌이가 안정되어 있어 내부 대기와 외부 대기는 서로 잘 섞이지 않는다. 오존이 많은 지역의 공기가 소용돌이 내부로 이동되지 않는 것이다. 즉 태풍의 구조에서 바람이 외부에서 불어 들어와 상승하는 소용돌이로 인해 태풍의 눈에 있는 공기는 태풍밖에 있는 공기와 섞이지 않는 것과 같은 원리다.
 남극에서 이른 봄철에 오존층의 오존 농도가 감소하는 또 다른 이유는 염화플루오르화탄소의 작용으로 오존이 파괴되기 때문이다. 지구의 다른 곳에서는 일부의 염화플루오르화탄소가 오존층까지 올라가는 도중에 분해되어 없어지는 경우가 있다. 그런데 남극은 기온이 낮아서 염화플루오르화탄소가 상대적으로 쉽게 오존층까지 올라가 봄까지 분해되지 않고 남아 있다가 봄에 작용하기 때문이다.
즉, 겨울철 동안 남극의 성층권에서는 기온이 -80℃까지 내려가므로 성층권 하부에서 염화플루오르화탄소가 포함된 얼음 알갱이가 생성된다. 염화플루오르화탄소 얼음 알갱이로 이루어진 극 성층권 구름이 성층권으로 상승하여 겨울을 지내는 동안 염화플루오르화탄소는 얼음 알갱이 속에 있으므로 분해되지 않는다. 봄이 되어 얼음 알갱이가 녹으면 자외선에 의해 염화플루오르화탄소가 분해되고 이때 방출된 염소가 오존을 파괴시킨다는 것이다.
특히 봄철의 오존 감소 현상은 1980년대 이후로 매년 증가하고 있다.
북극에서 남극만큼 크게 오존층이 얇아지지 않는 이유는 북반구의 극 소용돌이는 불안정하여 대기가 잘 혼합되기 때문이다.

다. 자외선(紫外線, UV, ultraviolet rays)에 의한 피해

 자외선(紫外線, UV, ultraviolet rays)은 강한 전자기파이므로 우리 인체에 영향을 미치고 있다. 피부에 닿은 자외선은 파장에 따라 피부의 침투 정도가 다르고 영향에도 차이가 있다.
장파장 자외선(UV-A)은 파장이 길고 피부 깊숙이 진피에 침투할 수 있어서 주름과 노화에 영향을 주며 피부를 검게 그을리는 작용도 한다.
중 파장 자외선(UV-B)은 파장이 짧아 매우 강한 에너지를 가지고 있으므로 비교적 표피 반응을 심하게 일으키는데 그 증상으로 햇빛 화상, 멜라닌 색소 침착이 나타나며 심할 경우 피부 세포 내에 있는 유전자에 이상을 일으킨다. 유전자 이상을 일으킨 세포는 대부분 파괴되어 없어지지만 피부암을 유발할 수도 있다.
또, 자외선은 눈의 각막과 수정체에 손상을 주어 광 각막염, 백내장 등을 일으키는데, 세계 백내장 환자의 약 20%는 자외선(UV-B)에 의한 것으로 알려지고 있다. 자외선은 인체의 면역 체계에도 영향을 미쳐 광선 알레르기 반응, 일광 발진 등을 일으킨다.
자외선(紫外線, UV, ultraviolet rays)은 인체뿐만 아니라 미생물에 치명적이며, 건축물의 부식과 노화를 촉진시키고, 오존을 생성하여 지구 온난화, 대기 오염, 병충해를 일으킬 수 있으며, 식물의 광합성 능력을 떨어뜨려 생장을 둔화시킬 수 있다. 특히 대부분의 식물들은 태양 빛을 많이 받기 때문에 중 파장 자외선(UV-B)에 의한 피해가 크다.
각종 식물들은 모든 동물들의 1차 에너지원이므로 이들의 감소는 인간을 비롯한 모든 동물들의 생존에 위협이 되고 있다.

3. 오존층 파괴 방지 대책

가. 오존층 파괴 물질 대체

 염화플루오르화탄소는 사용에 많은 장점이 있음에도 불구하고 오존층을 파괴하는 물질로 밝혀져 대체 물질 개발에 많은 노력을 해왔다. 그 결과 플루오르화탄화수소(HFCs), 염화플루오르화탄화수소(HCFCs) 등 몇 가지 대체 물질이 개발되어 사용 중에 있다. 이들은 대기 중 수명이 짧고 오존 파괴 능력도 작다. 특히 플루오르화탄화수소는 염소 원자를 함유하지 않아 오존 파괴 능력이 없다.
 그러나, 염화플루오르화탄화수소는 염소 원자를 가지기 때문에 오존 파괴 능력이 있어 2030년까지 염화플루오르화탄화수소를 완전히 감축하기로 국제적으로 협약이 되어 있다.

나. 국제적인 노력

 오존 파괴 방지를 위한 노력으로 1977년에 유엔 환경 계획(UNEP)에 오존 문제 조정 위원회가 처음으로 구성되었으며, 1987년 9월에는 오존층 파괴 물질의 생산 및 소비 삭감을 주요 내용으로 하는 몬트리올 의정서를 채택하였다.
우리나라도 오존층 보호를 위한 특정 물질의 제조 규제 등에 관한 법률을 1991년 1월에 공포한 후 1992년에 몬트리올 의정서에 서명하였다.

다. 우리의 노력

 오존층 파괴를 방지하기 위해 기업체는 자발적으로 대체 물질 개발에 노력해야 하며, 소비자는 오존층 파괴 물질을 사용하지 않은 제품을 우선 구입하고, 구입한 상품 중 오존 파괴 물질이 포함되어 있다면 제품의 사용을 줄이려는 노력을 해야 한다.

※ 자외선 차단제(Sunscreen agents)

 피부를 햇빛에 장시간 노출시키면 자외선에 의해 피부는 심하게 그을리거나 화상을 입게 된다.
이를 예방하기 위하여 사용하는 제품을 일광 차단제라 한다. 일광 차단제는 그 성분의 성질에 따라 물리적 일광 차단제와 화학적 일광 차단제로 나눌 수 있다.
물리적 일광 차단제는 반사, 분산의 방법으로 여러 파장의 자외선과 가시광선에 대한 방어 작용을 하는데 대개 독성이 없고, 부작용이 거의 없다. 산화아연, 이산화티타늄, 적색산화제2철 등을 이용한다.
화학적 일광 차단제는 자외선을 흡수하는 물질을 이용하여 자외선을 차단하는 것이다.
자외선 차단 효과를 표시할 때 일광 차단 지수(Sun Protection Factor : SPF)를 사용하며 지수가 클수록 자외선 차단 효과가 크다는 것을 의미한다. 일광 차단 지수는 다음 공식으로 구할 수 있다.

일광차단지수(SPF)=
자외선 차단제를 바르고 홍반이 나타날 때까지 걸린 시간    
/
자외선 차단제를 바르고 않고 홍반이 나타날 때까지 걸린 시간

피부를 장시간 햇빛에 노출시킬 때 효과적으로 자외선을 차단하기 위해서는 UV-A, UV-B를 모두 잘 흡수하는 SPF 15 이상의 일광 차단제를 사용하는 것이 좋다.

오존층 파괴.hwp

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