오존층 파괴 문제는 산성비 문제와 더불어 1980 년대의 가장 큰 환경 이슈였습니다. 1987 년 몬트리얼 의정서가 체결된 이후 원인이 된 프레온 가스등 CFCs 의 규제가 이루어지면서 다행히 최악의 사태는 막을 수 있었다고 생각하고 있지만 2011 년 초 봄에 북극권에 역사상 가장 큰 오존층 파괴가 관측되어 사태가 아직도 현재 진행형임을 보여주고 있습니다. 왜 원인물질을 규제했음에도 불구하고 현재까지 문제가 되는지와 앞으로의 전망을 수회에 걸쳐서 포스팅 합니다.
1. 오존층이란 ?
오존층은 지구 역사의 초기 생명체가 산소를 대기중에 방출한 후 대기중에 축적된 산소가 태양의 자외선에 의해 오존으로 변형되면서 생성되었습니다. 따라서 그 역사는 사실 수십억년 된 것으로 봐야겠죠. 하지만 인간이 그 존재를 알게 된 것은 그렇게 오래된 일이라고 할 수는 없습니다.
1930 년대 영국의 수학자이자 지구 물리학자인 시드니 챔프만 (Sydney Chapman) 는 오존층의 존재를 처음으로 알아냈습니다.
오존층이 발생하는 원인은 지구 대기의 20.8% 를 차지하는 산소가 성층권에서 자외선 (UV : Ultraviolet light) 으로 인해 산소 분자 O2 가 각각의 산소 원자로 분리되고 이 산소 원자가 아직 분해되지 않은 다른 산소 분자 O2 와 결합하여 세개의 산소 분자가 모인 오존 원자 O3 가 되기 때문입니다.
위의 그림을 참조로 설명을 드리면
1) 산소 분자가 광분해 되서 2개의 산소 원자로 분해 (서서히 일어남)
2) 그 다음 산소 원자는 매우 불안정하고 급격히 반응하기 때문에 다른 산소 분자와 결합 산소 원자 세개가 모인 오존을 형성. 이 오존은 지표근처에서 형성되면 매우 불안정하고 산화력이 높아 생명체에 해로운 기체임. 그러나 성층권 (대략 지표에서 최저 10 km 에서 최고 50 km) 에서는 상대적으로 오랜 시간 견딜 수 있음.
일단 오존은 형성되면 자외선을 받아 다시 산소 원자 (O) 와 산소 분자 (O2) 로 분해되었다가 다시 생성된 산소 원자 하나가 다른 산소 분자와 결합 오존 (O3) 을 형성하는 일을 반복함. 이 과정에서 결국 자외선은 화학 반응을 일으키는 에너지로 전환되면 이 에너지는 최종적으로 열에너지로 전환. 결국 자외선이 성층권을 덮히는 역활을 하게 됨.
3) 일부 오존 가스는 오존 가스 및 산소 원자끼리의 반응으로 그 손실되어 산소 원자가 됨. 그리고 일부 오존은 자연적 혹은 인위적으로 생성되는 염소 화합물에 의해 손실됨.
결국 오존이 성층권에서 하는 일은 자외선을 열에너지로 전환시켜 주는 것입니다. 결과적으로 자외선의 대부분이 지표에 도달하지 않게 만드는 역활을 하게 됩니다. 오존은 어디에나 존재할 수 있지만 지구 대기에서는 성층권에 90% 가 존재하게 되며 그 농도는 지표에서 20 - 40 km 사이에서 2-8 ppm 까지 다양하게 존재합니다. 다만 오존 전체의 양은 아주 많지는 않아서 만약 이를 모두 압축해서 지표에 깔면 3 mm 에 불과한 두께일 것입니다.
대개 오존층 하면 생각하는 오해 가운데 하나는 성층권 어딘가에 오존층이라고 부를 수 있는 오존들만 모여 있는 층이 있다고 생각하는 것입니다. 실제로는 오존은 성층권 대기에 넓고 희박하게 분포되어 있습니다. 그리고 그 농도 역시 지역과 고도별로 큰 차이가 있습니다. 또 실제로는 항상 고정된 농도가 존재하는 것이 아니라 계절 별로도 큰 차이가 납니다. 이부분에 대해서는 나중에 오존 사이클에 대해서 설명하면서 다시 이야기 합니다.
2. 자외선과 오존층
오존은 앞서 말했듯이 결국 태양에서 오는 자외선을 열에너지로 변환시키는 역활을 합니다. 하지만 사실 우리가 그냥 자외선이라고 부르는 방사선은 사실 파장에 따라 세개로 더 세분됩니다.
UV-A : 400 - 315 nm
UV-B : 315 - 280 nm
UV-C : 290 - 100 nm
좀 더 깊이 들어가면 태양에서 나오는 방사선 중 자외선에 해당되는 것은 더 세분될 수 도 있습니다. (ISO-DIS-21348) 물론 지구상으로 내려쬐는 자외선은 대부분 태양에 의한 것입니다. 태양 보다 온도가 더 높은 청색이나 백색으로 표면에 빛나는 별들은 더 강력한 자외선을 방출하지만 다행히 태양은 그보다는 덜한 자외선을 방출합니다.
(자외선의 subgroup 출처 : http://en.wikipedia.org/wiki/Ultraviolet_radiation )
( Extreme ultraviolet imaging Telescope 로 찍은 자외선 영역의 태양의 가상 컬러 사진. This file is in thepublic domain because it was created by NASA. )
여기서는 이야기를 단순화 하기 위해 자외선을 그냥 A,B,C 로만 분류합니다. 자외선은 가시광 (Visible light) 보다 더 파장이 짧은 전자기 방사선 (Electromagnetic radiation) 으로 그 파장은 10 - 400 nm 정도이고 에너지는 3 - 124 eV 입니다.
태양에서 나오는 자외선 중에 에너지가 높고 특히 오존층에서 거의다 열에너지로 전환되는 것은 UV - C 입니다. 반면 에너지가 낮고 파장이 긴 UV - A 는 상대적으로 지표에 많이 도달해 지표에 도달하는 자외선 가운데 98.7% 는 UVA 입니다.
이것이 다행인 이유는 UV - C 가 매우 에너지가 높고 DNA 에 가장 큰 손상을 입일 수 있기 때문입니다. 이 방사선은 모든 생명체에 아주 해롭지만 다행히 지표에서 약 35km 정도 위치에서 차단됩니다. UV - C 가 지표에 도달해 생명체의 DNA 에 지대한 손상을 입히는 대신 오존층에서 분자들과 놀기 때문에 지상의 생명체가 안전할 수 있습니다.
이런 이유로 아마도 산소가 없었던 시기의 초창기 지구 생명체는 깊은 바다에서 발생했을 것이며 지표로 나올 수 있게 된 것은 대기 중 산소가 증가되고 오존층이 형성된 이후라고 생각되고 있습니다. 그런데 오존 자체는 사실 생명체에 유해합니다. 오존은 지표에 가까운 대기에서는 대기 오염의 일종이며 동물의 호흡기 계통과 식물에 손상을 입힐 수 있습니다. 이런 이유로 소독용으로도 오존이 사용됩니다. 그러나 아이러니 하게도 이 오존이 지표에 다양한 생명체가 발달하는데 기여했습니다.
UV - B 의 경우 UV - C 보다 더 유해하진 않지만 일부분이 지표에 도달해서 심하면 피부를 태우는 sunburn (햇빛화상) 을 일으킵니다. 그냥 피부가 그을리는 정도는 그다지 유해하지 않겠지만 심하게 노출되면 역시 DNA 에 손상을 일으킬 수 있으며 이로 인해 궁극적으로는 심한 경우 피부암이 발생합니다. 피부암에 대해서는 나중에 다시 설명합니다.
UV - A 는 앞서 이야기 했듯이 지표에 도달하는 자외선의 대부분을 차지합니다. 그러나 이것을 UV - C/B 는 오존층에 의해 차단되는데 A는 차단되지 않는다고 생각하면 곤란합니다. 실제로는 전체 자외선의 97-99 % 가 오존층에서 차단 됩니다. (다른 말로 말하면 열로 변환) UV - A 는 과거에는 인체에 거의 무해한 것으로 생각되었지만 피부 노화 및 피부암에도 연관될 수 있는데 역시 인체에 미치는 영향은 나중에 한꺼번에 설명합니다.
오존층은 특히 짧은 파장의 자외선을 막는데 효과적입니다. 예를 들어 290 nm 파장의 자외선은 대기층 맨 꼭대기와 지표에서 강도의 차이가 무려 3억 5000 만배 입니다. 즉 대부분 차단 되는 것입니다. 지표에는 UV - B 및 UV - A 일부만 도달합니다. 그런데 이정도로도 인체에 많은 영향을 미칠 수 있습니다.
오늘 이야기한 내용을 요약하면 성층권에 오존층이 있어 이것이 대부분의 자외선을 흡수한다는 이야기 입니다. 일단 처음에는 오존층과 자외선에 대해서 기본 개념만 소개했습니다. 그러면 구체적으로 자외선이 생명체에 미치는 영향 및 인체에 해로울 수 있는 이유를 다음에 설명해 보겠습니다.
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