[사이언스프리즘] 오존의 양면성

성층권 오존은 자외선 흡수 효과 / 대류권 오존은 오염물질 탓 발생 / 노후 경유차 폐차 지원 확대 등 / 질소 산화물 배출 규제 나서야

지구에 인간이 존재하기 위해서는 많은 환경조건이 충족돼야 한다. 그중 하나가 성층권의 오존층이다. 태양에서 오는 유해 광선인 자외선을 성층권의 오존이 흡수·차단함으로써 인간을 포함한 육상 생물이 살아남을 수 있다. 오존은 반응성과 산화력이 탁월한 기체로서 인체 호흡계통에 직접 손상 및 감각기관 자극을 유발하며, 심하면 폐부종을 일으킨다고 알려져 있다.

이처럼 오존은 양면성을 지닌 독특한 물질이다. 성층권에 존재하는 오존(성층권 오존)은 ‘좋은 오존’이고, 대류권에 존재하는 오존(지표 오존)은 ‘해로운 오존’이다. 대기 중 오존의 약 10%가 지표 오존에 해당한다.

김승도 한림대 교수 환경생명공학

우선 오존이 대기권 내의 위치에 따라 구분되는데 대기권은 특성에 따라 지표면에서부터 대류권, 성층권, 중간권, 열권, 외기권의 다섯 층으로 구분하고 있다. 대류권은 지표면에 가장 인접한 대기층(지표면으로부터 약 11㎞까지의 영역)으로 지표면의 복사열에 의해 가열되므로 고도가 높을수록 온도가 낮아지는 특성이 있다. 성층권은 대류권 바로 위에 존재하며 중간 위도에서는 고도 10~50㎞ 사이의 영역이다.

그 다음으로 오존 특성에 대해 보면 오존은 산소원자 3개로 구성돼 있으며, 상온 대기압에서는 연푸른색을 띠는 기체로서 ‘냄새가 나다’라는 뜻의 희랍어 Ozein에서 유래했다. 오존은 산소의 불안정한 동소체로서 햇빛 등 주위의 전자파를 흡수해 쉽게 분해되고 이때 발생한 산소원자는 반응성과 산화력을 갖고 있어 살균, 악취 제거에 이용된다. 이러한 특성으로 오존을 흡입하게 되면 인체 건강에 해를 끼치게 된다.

성층권에서의 오존 생성 과정을 살펴보면, 성층권의 산소분자가 태양광선 중의 자외선에 의해 산소원자로 분해되고, 열역학적으로 불안정한 산소원자는 주변의 산소분자와 빠르게 반응해 오존을 생성하게 된다. 반면 성층권 오존은 다시 자외선을 흡수해 산소분자와 산소원자를 생성하면서 소멸한다. 이 과정에서 오존은 유해 태양광선인 자외선을 흡수 차단하는 효과가 있다. 자외선을 흡수해 오존이 생성되므로 고온 분위기를 형성하고, 이로 인해 오존 밀도가 낮아 성층권 오존이 대류권으로 내려갈 가능성이 없다. 그러므로 성층권에 오존층을 형성하게 된다.

1974년 몰리나와 로우랜드 박사가 성층권 오존이 프레온 가스에 의해 파괴된다고 발표했다. 프레온 가스는 매우 안정돼 성층권까지 분해되지 않고 상승한 다음 자외선을 받아 염소원자를 분해 배출하면서 염소원자가 성층권 오존과 반응해 오존층을 파괴한다. 소위 오존홀이라고 명명된 오존층 파괴가 현저하게 나타났으며 남극 15~20㎞ 고도 내에서는 오존의 약 95%가 파괴됐다고 알려졌다. 1987년 몬트리올 의정서를 기점으로 프레온 가스 사용이 전면 금지돼 오존층이 서서히 회복되고 있으며, 2050년까지 완전히 회복되리라 전망하고 있다.

지표 오존은 가정, 자동차, 사업장 등의 대기오염물질 배출원으로부터 직접 배출되는 1차 오염물질이 아니고 질소산화물, 휘발성유기화합물의 햇빛에 의한 광화학반응에 의해 생성되는 2차 오염물질이다. 그러므로 오존은 대기오염물질 배출원에 대한 직접 규제보다는 오존 유발물질인 질소산화물과 휘발성 유기화합물의 규제를 통해 대기 중 농도를 관리하고 있다.

질소산화물의 배출원은 질소 함유 연료를 연소하는 과정에서 질소가 산화 배출(디젤자동차 배기가스, 바이오매스 연소 배기가스)된다. 휘발성유기화합물의 주요 배출원은 유기용제 사용시설, 도장시설, 세탁소, 저유소, 주유소 및 각종 운송수단의 배기가스 등의 인위적 배출원과 나무와 같은 자연적 배출원이 있다. 지표 오존은 질소산화물과 휘발성유기화합물의 농도가 높은 도시 지역에서 광화학적 반응이 일어나기 쉬운 햇빛이 강한 하절기의 낮시간대에 주로 나타난다. 그러므로 오존 대기 농도가 환경기준을 초과하면 발령되는 오존 주의보도 이 시기에 집중된다.

이에 지표 오존 농도를 줄이기 위해서는 배출원에 대한 질소산화물 배출허용기준 강화, 노후경유차 조기폐차 지원 확대, 주유소 유증기 휘발성유기화합물 관리 강화가 필요하다.

김승도 한림대 교수 환경생명공학