성층권 오존 고갈

1. 염화불화물

몰리나(Molina)와 로우랜드(Rowland)는 1974년 불화염소탄화물(CFCs; Chlorofluorocarbons)에서 발생하는 염소가 성층권 오존층 파괴의 원인이 될 수 있다고 처음 보고하였다. CFCs는 1930년대에 처음 개발되었으며, 냉장고 및 에어컨 냉매, 소화기 주입액, 플라스틱 소성제, 연료 분사액 및 기타 산업 용도로 널리 사용된다. CFCs는 화학적 안정성이 높고 불이 잘 붙지 않으며 독성이 낮다는 장점이 있지만, 환경적 관점에서 보면 이러한 안정성이 오히려 단점이 될 수 있다.

CFCs 중 환경에 가장 치명적인 물질은 CFCl₃ 및 CF₂Cl₂이며, 대기 중 반감기는 각각 15년 및 11년이다. 이 화학물질들은 환경으로 유입되면 점차 상층 대기로 올라가다가 자외선에 의해 염소 가스를 방출하면서 오존층의 오존과 반응하게 된다.

ClO 그룹은 원자 상태의 산소와 결합하여 염소 그룹을 형성한다. 여기서 ClO와 Cl은 NO₂나 메탄에 의해 일시적으로 비활성화된다. 또한 대기 중 NO₂는 미생물에 의해 생성된 NO의 산화로 유입될 수 있다. 메탄은 자연적 또는 인간의 산업 활동 결과로 발생된다.

 

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2. 극지방 돌풍과의 관계

겨울에는 극지방이 성층권의 일련의 기단으로 둘러싸여 온대 지방의 따뜻한 공기와 완전히 격리된다. 이로 인해 북극 지역은 -80℃, 남극 지역은 -90℃까지 기온이 하강한다. 이렇게 낮은 온도에서 형성되는 극성층운(PSC: Polar Stratospheric Clouds)도 오존 파괴의 주범이 된다. 극지 PSC에는 두 가지 종류가 있다. PSC1은 삼수소 화합물 질산 결정으로 구성되며, PSC2는 얼음 결정으로 구성된다.

PSC1은 대기에서 자유 NO₂를 제거한다. NO₂ 농도와 활성 염소 라디칼 농도는 반비례 관계에 있으므로, 대기 중 ClO 농도는 자연스럽게 증가한다. PSC2는 불활성 염소(CIN0₃, HCl)를 활성 염소(ClO, Cl)로 전환하는 반응 표면을 제공하며, 촉매 역할을 한다. 극야(Polar Night) 지역에서 멀어질수록 다양한 활성 염소가 햇빛에 의해 염소기로 전환되어 오존과 반응하게 된다.

극지방의 낮이 길어질수록 극지방의 회오리바람 현상은 약화되고 새로운 공기의 유입이 많아진다. 이때 유입된 공기의 NO는 ClO와 결합하여 불활성 ClONO₂ 화합물을 형성한다. 이러한 현상은 극지방에서 겨울이 시작될 때 반복된다. PSC2는 ClONO₃의 분해를 촉진하여 활성 염소를 방출한다.

보도에 따르면, 오존 고갈 현상은 남극 지역 호주에서 처음 발견된 이후 다른 위도 지역으로 확산되고 있으며, 1979년 이후 남위 60도 이하의 모든 위도에서 최소 5% 이상의 오존이 고갈된 것으로 나타났다.

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3. 생물학 및 경제적 의미

성층권 오존 고갈은 지구에 도달하는 자외선 B(UV-B)의 강도뿐 아니라 파장 구성에도 영향을 미친다. 성층권의 오존 고갈은 더 유해한 단파장을 증가시키는 결과를 초래한다. UV-B의 인체 건강 및 기타 생물종에 대한 유해성은 DNA 손상 가능성을 이론적으로 산정함으로써 추정할 수 있다.

이러한 기준을 적용하면 ‘오존 파괴 물질에 관한 국제회의(International Panel on Substances that Deplete the Ozone Layer)’에서는 1979년 이후 10년간 DNA 손상이 남위 30도 및 북위 30도에서 5%, 극지에서 10%, 남위 55도에서 15%, 남위 85도에서는 40% 증가했다고 추정하였다. 적도 지역에서는 유의미한 증가가 관찰되지 않았다.

지구 표면에 도달하는 UV-B의 강도는 구름, 먼지 입자, 대류권 오존 등에 의해 감쇠된다. 고도로 산업화된 지역의 주민은 자외선의 유해한 영향으로부터 일정 부분 보호를 받고 있다.

육상 식물에 대한 오존 고갈의 영향 분석은 어렵다. 이는 지구온난화에 의한 기후 변화가 자외선 강도의 증가를 상쇄하거나 완화할 수 있기 때문이다. 식물은 종에 따라 자외선에 대한 반응이 상이하며, 실험실 실험 결과, 많은 식물은 자외선에 노출될 경우 성장, 개화 및 광합성이 저해되었다.

수중 식물에 대한 손상 범위는 일부 불확실성을 포함하지만, UV-B는 식물성 플랑크톤의 이동 메커니즘, DNA 및 광합성 조직에 상당한 손상을 줄 수 있다. 해양 식물의 성장이 감소하면 해양 포유류, 갑각류, 어류 등 먹이사슬 상위 종의 개체 수도 감소할 수 있다. 이는 해양 생태계 전체에 영향을 미치며 인류에게 제공되는 식량 자원을 감소시킬 수 있다.

또한, 바다의 식물성 플랑크톤은 지구 이산화탄소 흡수량의 절반 이상을 담당하고 있기 때문에 이들의 감소는 지구온난화를 더욱 심화시킬 수 있다.

생물학적 영향 외에도, 자외선 증가는 목재, 페인트, 플라스틱 등의 내구성을 저하시킨다. EPA에 따르면 성층권 오존이 10% 고갈되면 약 20억 달러에 이르는 물질 손상이 발생할 것으로 추정된다.

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4. 국제 공동 대응의 필요성

1987년 9월, 캐나다 몬트리올에서 오존층 감소에 따른 위험성을 논의하기 위한 국제 회의가 개최되었다. 회의에서 CFC 제조업체들은 생산량을 현재 수준으로 동결하고, 1998년까지 절반으로 감축하겠다고 결의하였다. 이에 따라 1989년 중반까지 36개국이 이 결의를 비준하였다.

그러나 몬트리올 회의에서 도출된 방안은 오존층 보존에 있어 충분하지 않다. 왜냐하면 현재 성층권에는 이미 오존을 파괴할 수 있는 양의 CFCs가 존재하기 때문이다. 따라서 CFCs의 생산을 즉시 중단하더라도, 향후 100년간 오존 파괴는 지속될 가능성이 있다. 그럼에도 불구하고, 몬트리올 회의는 지구 환경 보호를 위한 국제적 협력의 시작점으로서 매우 중요한 의미를 가진다.

1988년 5월에는 NASA(미국항공우주국)와 하버드대학교가 남극 상공의 오존 탐사 결과를 논의하기 위해 환경 회의를 개최하였다. 이 회의는 NASA, 연방해양대기청(NOAA), 연방과학재단(NSF), 유엔환경계획(UNEP), 세계기상기구(WMO), 그리고 주요 화학물질 제조업체들의 공동 지원으로 미국 콜로라도에서 열렸다.

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5. 불화수소 점진적 감산에 대한 국제 협의

몬트리올 협정에 서명한 세계 36개국의 외교관, 환경학자 및 CFC 제조업체들은 1985년 5월 핀란드 헬싱키에서 모여 CFC 및 브로모불화탄소(Bromofluorocarbons)의 전면 금지를 위한 가능성을 논의하였으며, 다음과 같은 합의에 도달하였다.

• 2000년까지 CFCs의 생산과 소비를 전면 금지한다.
• 가능한 한 빨리 할론(Halons), 사염화탄소, 메틸클로로포름 등의 생산 및 소비를 금지한다.
• 환경적으로 무해한 대체 물질을 신속히 개발한다.
• 개발도상국에는 관련 기술, 정보, 연수 기회를 제공한다.

이 협약에서 가장 눈에 띄는 진전은 세계 최대의 CFCs 생산업체인 듀폰(DuPont)이 2000년까지 이 물질의 생산을 중단하겠다고 선언한 것이다. 현재 CFCs를 사용하지 않는 대체 공정 및 발포제가 개발되고 있으며, 대표적으로 HCFC-141b(CH₃CClF₂), HCFC-123(CHCl₂CF₃), HCFC-22(CHClF₂), HFC-134a(CH₂FCF₃) 등이 있다.

이러한 수소 원자를 포함한 불화탄소류는 대부분 성층권에 도달하기 전에 산화되어 오존층에 도달하지 않는다. 그러나 EPA는 이러한 대체물질을 사용하기에 앞서, 물질 자체의 독성과 분해물의 독성에 대한 철저한 검증이 필요하다고 강조한다.

HCFC가 CFC보다 오존 파괴력이 낮지만, 성층권으로 염소를 운반하는 원리는 동일하다. 따라서 EPA는 보다 나은 대체 물질이 개발되기 전까지는 이들을 과도기적 대안으로 제한적으로 사용할 수 있다고 명시하였다.

듀폰은 유럽 전역에서 사용되는 액체 연료 추진제에서 CFCs를 대체할 디메틸에스터를 공급할 계획이며, BASF는 CFCs를 전혀 사용하지 않는 발포 공정을 도입하였다.