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산성비

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목차

1. 개요

산성비는 화석 연료 연소, 화산 폭발 등으로 인해 대기 중의 황 산화물, 질소 산화물 등이 황산, 질산으로 변하여 pH 5.6 미만의 산성을 띠는 비를 말한다. 산성비는 숲, 호수, 토양 등 생태계에 광범위한 피해를 유발하며, 건축물과 문화재를 부식시키고, 인간의 건강에도 악영향을 미친다. 산성비 문제 해결을 위해 기술적, 정책적 노력이 이루어지고 있으며, 국제 협력과 배출량 감축 정책, 친환경 에너지 전환을 통해 대응하고 있다.

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산성비
지도 정보
개요
정의비정상적으로 산성인 비
원인대기 오염 물질
화석 연료 연소
공장 배출
자동차 배기 가스
주요 산성 물질황산
질산
pH일반적으로 5.0 미만
정상 빗물약 pH 5.6
영향
환경호수 및 강 산성화
토양 산성화
산림 파괴
생태계 파괴
건물 및 문화재 부식
금속 부식
건강호흡기 질환 악화
식수 오염
수은 중독 위험 증가
발생 과정
배출화석 연료 연소 시 발생되는 황 산화물 및 질소 산화물
대기 중 반응황산화물과 질소산화물이 햇빛, 수분, 산소와 반응하여 황산과 질산으로 변환
강수산성 물질이 빗물에 녹아 지표면에 도달
자연적 원인
화산 폭발이산화황 배출
번개 방전질소 산화물 생성
역사
처음 보고1852년, 로버트 앵거스 스미스
심각성 인지1960년대 후반
연구 시작1970년대 초반
규제1990년대 미국 산성비 프로그램 도입
감소 노력
규제탈황 장치 설치 의무화
청정 에너지재생 에너지 사용 증가
자동차 배출 규제촉매 변환 장치 사용
국제 협력장거리 이동 대기 오염 물질 협약
기타
관련 연구대기화학
환경화학
지구화학

2. 정의 및 원인

산성비는 황산화물(SOx)이나 질소산화물(NOx)과 같이 화석 연료 연소 과정에서 발생하는 물질, 또는 대기 중에서 생성된 황산, 황산염, 질산염 등을 포함하여 수소 이온 지수(pH) 5.6 미만의 비를 의미한다.[8] 넓은 의미에서는 비, 눈, 안개, 이슬뿐만 아니라 마른 입자 형태의 산성 성분 침착까지 포함하며, 더 정확한 용어는 산성 강하물이다.

일반적인 비는 약산성을 띤다. 이는 대기 중의 이산화탄소가 빗물에 녹아 탄산을 형성하기 때문이다.

:

하지만, 최근 문제가 되는 산성비는 pH 값이 5.6보다 훨씬 낮은 경우가 많다. 이는 이산화황과 질소산화물이 대기 중 수증기와 반응하여 강산성인 황산과 질산을 형성하기 때문이다.[66] 산업 지역에서는 비와 안개의 pH가 2.4보다 훨씬 낮은 경우도 보고되었다.[11]

산성비의 주요 원인 물질은 이산화황이며, 질소산화물 배출도 점차 중요해지고 있다. 이산화황은 주로 화석 연료 연소와 산업 공정에서 발생하며, 산불이나 화산 폭발과 같은 자연적인 원인으로도 발생한다.[53]

일반적으로 빗물의 pH 값이 5.6 이하일 때 산성비라고 부르지만,[109] 이 기준에 대해서는 이견도 있다. 화산 활동 등으로 인해 자연적으로 빗물의 pH가 낮아지거나, 해염 입자 등 자연적인 요인으로 빗물의 pH가 지역에 따라 크게 달라질 수 있기 때문이다. pH 5.6을 밑돌아도 즉시 피해가 나타나는 것은 아니며, 기준치를 완화하여 pH 5.0으로 설정한 미국과 같은 나라도 있다.

일본 국립환경연구원에서는 산성비 발생원을 조사하기 위해 pH뿐만 아니라 황산 이온, 질산 이온 등 다양한 오염 물질을 측정하고 있다. 현재로서는 pH 5.6이 "하나의 기준"이 되고 있지만, 정확한 기준 설정은 추가적인 조사가 필요하다.

2. 1. 자연적 원인

화산 폭발과 같은 자연적인 요인으로도 산성비가 발생할 수 있다.[55] 예를 들어, 포아스 화산의 라구나 칼리엔테 분화구에서 나오는 분기공은 pH 2에 달하는 매우 높은 산성도의 산성비와 산성 안개를 생성하여 주변 지역의 식물을 제거하고, 인근 주민들의 눈과 폐를 자극하는 경우가 빈번하다. 육지, 습지, 해양에서 발생하는 생물학적 과정에 의해서도 산성 가스가 생성된다. 황 화합물의 주요 생물학적 공급원은 디메틸 설파이드이다.

빗물 속의 질산은 식물 생장에 중요한 고정 질소의 공급원이며, 번개와 같은 대기 중의 전기 활동에 의해서도 생성된다.[56]

2. 2. 인위적 원인

황산화물(SOx)과 질소산화물(NOx)은 화석 연료 연소 과정에서 발생하며, 대기 중 수증기와 반응하여 황산과 질산을 형성한다. 이 강산성 물질들이 산성비의 주요 원인이다.[8][66]

인간 활동이 주요 발생원이며, 발전, 축산, 공장, 자동차 운행 등이 포함된다.[57] 발전소는 대기 중 질소산화물의 4분의 1, 이산화황의 3분의 2를 배출하는 주요 배출원이다.[58]

오하이오주 체셔에 있는 게빈 발전소(Gavin Power Plant)


중국, 러시아[59][60] 등 석탄 연소 의존 지역은 산업성 산성비 문제가 심각하며, 발생한 오염물질은 바람을 타고 넓은 지역으로 확산된다.[61] 높은 굴뚝을 통한 오염물질 배출은 지역 오염을 줄일 수 있지만, 장거리 이동으로 광범위한 생태계 피해를 유발한다.[62][63]

일본의 경우, 산업 활동 외 화산 활동도 산성비 원인 물질 발생원으로 작용하며, 편서풍을 타고 동아시아에서 오는 오염 물질, 특히 중국 기원 황산화물이 상당 부분을 차지한다. 국립환경연구소 조사에 따르면, 일본 관측 황산화물의 49%가 중국에서 발생했고, 일본 자체 발생은 21%, 화산 발생은 13%이다.

3. 역사

산성비 문제는 1960년대 유럽에서 처음으로 체계적으로 연구되었고, 이후 10년 동안 미국과 캐나다에서도 연구되었다. 세계 최초로 산성비의 존재가 밝혀진 것은 산업혁명이 정점에 달했던 19세기 영국이며, 1878년 R. Smith의 논문 “맨체스터의 스모그”에서 언급되었다.[111] 19세기 영국의 석탄과 코크스 소비량 증가는 배출가스에 의한 강수의 산성화를 진행시켰다.[112]

1950년대 초 스웨덴과 노르웨이 남부 등 북유럽에서 호수와 강의 물고기가 죽거나, 오래된 교회의 청동상이 녹는 등의 이상 현상이 발생했다. 그 원인은 pH 4~5의 산성비였는데, 두 국가에서는 오염원을 찾을 수 없었다. 스웨덴의 토양학자 S. 오덴 박사가 오염 물질이 유럽 중부에서 날아온 것임을 밝혀냈고, 1967년 산성비 연구 논문을 발표했다.[113]

산업혁명 이후, 석탄을 대량으로 사용한 영국과 독일 등이 스칸디나비아반도의 숲에 큰 영향을 미쳤다. 1980년대까지 동독, 체코슬로바키아, 폴란드를 중심으로 한 국가들도 석탄을 계속 사용한 결과, 동유럽에 걸쳐 있는 광대한 침엽수림이 멸망했다. 당시 정권은 주민들의 건강 피해를 은폐하여 피해를 더욱 심각하게 만들었다.[114]

일본에서도 대기오염의 영향으로 1970년대 전반 간토 지방에서 강한 산성비가 내렸다. 1980년대 이후에는 중화인민공화국(중국)을 비롯한 아시아 여러 국가들의 경제 발전에 따라 동아시아 전체에서 산성비가 문제시되고 있다.[111]

중국은 석탄 매장량이 풍부하고 가격이 저렴하여 사용량이 많으며, 베이징을 비롯한 내륙의 공업 지역에서는 산성비와 대기오염이 확산되고 있다.[115]

3. 1. 유럽

산업혁명 이후 대기 중으로 이산화황과 질소산화물 배출량이 증가했다.[11][12] 1852년 로버트 앵거스 스미스(Robert Angus Smith)는 영국 맨체스터에서 산성비와 대기 오염 간의 관계를 최초로 밝혔으며, 1872년 "산성비"라는 용어를 만들었다.[13][14]

1960년대 후반, 과학자들은 산성비 현상을 광범위하게 관찰하고 연구하기 시작했다.[15] 처음에는 산성비의 지역적 영향에 초점을 맞추었으나, 발데마르 크리스토퍼 브뢰거가 영국에서 노르웨이로 국경을 넘는 오염 물질의 장거리 수송을 처음으로 인지했다. 이 문제는 1970년대에 브린율프 오타르(Brynjulf Ottar)가 체계적으로 연구했다.[16] 스반테 오덴(Svante Odén)은 유럽의 산성비 문제를 대중 신문에 널리 알리고 1968년 이 주제에 대한 획기적인 논문을 발표하여 오타르의 연구에 큰 영향을 주었다.[17][18][19][20]

세계 최초로 산성비의 존재가 밝혀진 것은 산업혁명이 정점에 달했던 19세기 영국이며, 1878년 R. Smith의 논문 “맨체스터의 스모그”에서 언급되었다.[111] 19세기 영국의 석탄과 코크스 소비량 증가는 배출가스에 의한 강수의 산성화를 진행시켰다.[112]

1950년대 초 스웨덴과 노르웨이 남부 북유럽에서 호수와 강의 물고기가 죽거나, 오래된 교회의 청동상이 녹는 등의 이상 현상이 발생하기 시작했다. 그 원인은 pH 4~5의 산성비였는데, 두 국가에서는 오염원을 찾을 수 없었다. 스웨덴의 토양학자 S. 오덴 박사가 오염 물질이 유럽 중부에서 날아온 것임을 밝혀냈고, 1967년 산성비 연구 논문을 발표했다.[113]

산업혁명 이후, 석탄을 대량으로 사용한 영국과 독일 등이 스칸디나비아 반도의 숲에 큰 영향을 미쳤다. 1980년대까지 당시 동독, 체코슬로바키아, 폴란드를 중심으로 한 국가들도 석탄을 계속 사용한 결과, 동유럽에 걸쳐 있는 광대한 침엽수림이 멸망했다. 주민들의 건강 피해도 막대했음에도 불구하고 당시 정권은 이를 은폐하여 피해를 더욱 심각하게 만들었다.[114]

3. 2. 북미



미국에서 산성비에 대한 최초의 보고는 허버드 브룩 계곡에서 수집된 화학적 증거에서 나왔으며, 1970년대에 ''뉴욕 타임스(The New York Times)''가 이러한 발견에 대해 보도한 후 미국에서 산성비에 대한 대중의 인식이 높아졌다.[22][23]

1972년, 진 라이컨스(Gene Likens)를 포함한 과학자 그룹은 뉴햄프셔주 화이트 마운틴에 내린 비가 산성임을 발견했다. 허버드 브룩에서 측정된 시료의 pH는 4.03이었다.[24] 허버드 브룩 생태계 연구는 산성비의 환경적 영향을 분석하는 일련의 연구를 수행했다. 토양의 알루미나가 허버드 브룩에서 하천수와 섞인 산성비를 중화시켰다.[25] 이 연구 결과는 산성비와 알루미늄 사이의 화학 반응이 토양 풍화 속도를 증가시킨다는 것을 나타냈다. 실험 연구는 하천의 산성도 증가가 생태 종에 미치는 영향을 조사했다. 1980년 과학자들은 뉴햄프셔주 노리스 브룩의 산성도를 변경하고 종의 행동 변화를 관찰했다. 종 다양성 감소, 군집 우점종 증가, 먹이 그물 복잡성 감소가 나타났다.[26]

1980년 미국 의회는 산성비 저감법(Acid Deposition Act)을 통과시켰다.[27] 이 법은 국가 산성 강수 평가 프로그램(NAPAP)의 지휘 아래 18년간의 평가 및 연구 프로그램을 수립했다. NAPAP는 산성 강수의 정도를 결정하기 위해 모니터링 사이트 네트워크를 확장하고 장기적인 추세를 결정하고 건조 침착 네트워크를 구축했다. 통계적 기반 표본 설계를 사용하여 NAPAP는 연구 및 조사를 통해 담수 및 육상 생태계에 대한 산성 강수의 영향을 식별하고 정량화함으로써 지역적 기준으로 산성비의 영향을 정량화했다. NAPAP는 또한 산성비가 역사적 건물, 기념물 및 건축 자재에 미치는 영향을 평가했다. 또한 대기 과정과 잠재적인 관리 프로그램에 대한 광범위한 연구에도 자금을 지원했다.

초기부터 모든 측면의 정책 옹호자들은 자신의 특정 정책 옹호 노력을 지지하거나 상대방의 노력을 폄하하기 위해 NAPAP 활동에 영향을 미치려고 시도했다.[27] 미국 정부의 과학적 사업에 있어 NAPAP의 중요한 영향은 상당수의 과학자, 프로그램 관리자 및 대중에게 평가 과정과 환경 연구 관리에서 얻은 교훈이었다.[28]

1981년 미국 국립과학원(National Academy of Sciences)은 산성비와 관련된 논란이 되는 문제에 대한 연구를 조사하고 있었다.[29] 로널드 레이건 대통령은 미국 중서부(US Midwest)에서 발생한 굴뚝의 오염 물질이 이동하면서 캐나다 국경이 피해를 입고 있다는 사실을 캐나다 방문을 통해 확인할 때까지 산성비 문제를 무시했다.[30] 레이건은 캐나다 총리(Canadian Prime Minister) 피에르 트뤼도(Pierre Trudeau)의 반오염 규정 시행에 대한 합의를 존중했다.[31] 1982년 레이건은 윌리엄 니렌버그(William Nierenberg)에게 국립과학위원회(National Science Board)에 합류할 것을 의뢰했다.[32] 니렌버그는 진 라이컨스(Gene Likens)를 포함한 과학자들을 선정하여 산성비에 대한 보고서 초안을 작성하는 패널을 구성했다. 1983년 과학자 패널은 산성비가 실제 문제이며 해결책을 찾아야 한다는 결론을 내린 보고서 초안을 작성했다.[33] 백악관 과학기술정책실(Office of Science and Technology Policy)은 보고서 초안을 검토하고 산성비의 원인에 의문을 제기하는 프레드 싱어(Fred Singer)의 제안을 보냈다.[34] 패널 위원들은 싱어의 입장에 대한 거부를 밝히고 4월에 니렌버그에게 보고서를 제출했다. 1983년 5월, 하원은 황 배출량을 통제하는 법안에 반대표를 던졌다. 니렌버그가 보고서 발표를 지연시켰는지 여부에 대한 논쟁이 있었다. 니렌버그는 보고서를 은폐했다는 말을 부인하고 하원의 투표 후 보고서가 발표 준비가 되지 않았기 때문에 보류했다고 밝혔다.[35]

1991년 미국 국가 산성 강수 평가 프로그램(National Acid Precipitation Assessment Program)(NAPAP)은 미국 산성비에 대한 첫 번째 평가를 제공했다.[36] 뉴잉글랜드 호수의 5%가 산성이며 황산염이 가장 일반적인 문제라고 보고했다. 그들은 호수의 2%가 더 이상 무지개송어(Brook Trout)를 지탱할 수 없으며 호수의 6%가 많은 납자루 종의 생존에 적합하지 않다고 지적했다. 그 후 의회 보고서는 토양과 담수 생태계의 화학적 변화, 질소 포화, 토양 영양소 감소, 일시적 산성화, 지역 스모그, 역사적 기념물의 피해를 기록했다.

1990년 미국 의회는 청정대기법에 대한 일련의 개정안을 통과시켰다.[37] 이러한 개정안의 제4조는 이산화황과 질소산화물의 배출을 통제하기 위해 설계된 배출권거래제(cap and trade) 시스템을 수립했다.[38] 제4조는 발전소의 SO2 배출량을 약 1000만 톤, 약 50% 감축할 것을 요구했다.[38] 이는 두 단계로 시행되었다. 1단계는 1995년에 시작되었으며 가장 큰 발전소 110곳의 이산화황 배출량을 870만 톤으로 제한했다. 뉴잉글랜드의 한 발전소(메리맥)가 1단계에 포함되었다. 다른 네 개의 발전소(뉴잉턴, 마운트 톰, 브레이턴 포인트, 세일럼 하버)가 다른 프로그램 조항에 따라 추가되었다. 2단계는 2000년에 시작되었으며 전국의 대부분의 발전소에 영향을 미친다.

1990년대에 연구가 계속되었다. 2005년 3월 10일, EPA는 청정대기 주간 규칙(CAIR)을 발표했다. 이 규칙은 주에 한 주에서 다른 주로 이동하는 발전소 오염 문제에 대한 해결책을 제공한다. CAIR은 미국 동부의 SO2와 NOx 배출량을 영구적으로 제한할 것이다. 완전히 시행되면, CAIR은 28개 동부 주와 컬럼비아 특별구의 SO2 배출량을 2003년 수준보다 70% 이상, NOx 배출량을 60% 이상 감소시킬 것이다.[40]

전반적으로 이 프로그램의 배출권 거래 프로그램은 목표 달성에 성공했다. 1990년대 이후 SO2 배출량은 40% 감소했으며, 태평양 연구소(Pacific Research Institute)에 따르면 산성비 수준은 1976년 이후 65% 감소했다.[41]

2007년 SO2 총 배출량은 890만 톤으로 2010년 법정 기한보다 앞서 프로그램의 장기 목표를 달성했다.[43]

2007년 EPA는 2010년까지 사업체와 소비자의 프로그램 준수 비용이 연간 10억달러에서 20억달러가 될 것으로 추산했는데, 이는 초기 예측의 4분의 1에 불과하다.[41] 포브스는 "2010년까지, 배출권 거래 시스템이 조지 W. 부시 행정부의 청정대기 주간 규칙에 의해 보강되었을 때, SO2 배출량은 510만 톤으로 감소했다"고 말한다.[44]

시민 과학(citizen science)이라는 용어는 1989년 1월 오듀본 협회의 산성비 측정 캠페인까지 거슬러 올라갈 수 있다. 과학자 무키(모르데차이) 하클레이(Muki (Mordechai) Haklay)는 윌슨 센터의 '시민 과학과 정책: 유럽 관점'이라는 정책 보고서에서 1989년 1월 MIT 테크놀로지 리뷰(MIT Technology Review)에서 R. 커슨이 '시민 과학'이라는 용어를 처음 사용했다고 언급한다.[45][46] 윌슨 센터 보고서를 인용하면 다음과 같다. "과학 참여의 새로운 형태는 '시민 과학'이라는 이름을 얻었다. 이 용어를 사용한 최초의 기록된 사례는 1989년으로, 미국 전역의 225명의 자원봉사자가 산성비 인식 제고 캠페인에서 오듀본 협회를 지원하기 위해 강우량 샘플을 수집한 방법을 설명하고 있다. 자원봉사자들은 샘플을 수집하고 산도를 확인하고 조직에 보고했다. 그런 다음 이 정보를 사용하여 현상의 전체 범위를 보여주었다."[45][46]

3. 3. 아시아

일본에서는 1970년대 전반, 간토 지방에서 강한 산성비가 내렸다.[111] 1980년대 이후에는 중화인민공화국(중국)을 비롯한 아시아 여러 국가들의 경제 발전에 따라 동아시아 전체에서 산성비가 문제시되고 있다.[111]

중국은 석탄 매장량이 풍부하고 가격이 저렴하여 사용량도 막대하며, 베이징을 비롯한 내륙의 공업 지역에서는 산성비와 대기오염이 확산되고 있다.[115] 거리에서는 마스크를 쓴 사람들을 볼 수 있다.

4. 피해

산성비는 숲, 담수 및 토양에 악영향을 미치고, 곤충과 수생 생물을 죽이며, 건물에 피해를 입히고, 인간의 건강에도 영향을 미친다.

산성비의 주요 영향은 다음과 같다.


  • 생태계 피해: 호수와 늪을 산성화시켜 어류의 생육을 위협하고, 토양을 산성화시켜 식물 생존에 필요한 칼슘 이온과 마그네슘 이온을 용해, 유실시킨다. 또한, 식물에 유해한 알루미늄과 중금속 이온을 용출시켜 식물을 고사시키고, 용출된 금속 이온은 하천으로 유입되어 수생 생물에도 피해를 준다.
  • 삼림 피해: 유럽과 북미를 중심으로 숲을 고사시키고 있으며, 독일의 슈바르츠발트가 대표적인 피해 지역이다. 일본에서는 군마현 아카기산, 가나가와현 탄자와산지 등에서 숲 고사 현상이 나타나고 있다.
  • 건축물 및 문화재 피해: 야외에 있는 동상이나 역사적 건조물을 용해시키고, 철근 콘크리트 구조물과 교량 등에 사용되는 철근의 부식을 가속화한다.

4. 1. 생태계 피해

산성비는 삼림이나 농작물에 직접적으로, 또는 토양 변화를 통해 간접적으로 피해를 준다. 호수나 늪, 하천을 산성화시켜 어류를 감소시키는 등 생태계에 큰 영향을 미친다.[116] 1960년대부터 피해가 뚜렷해져 1980년대에는 유럽 전역으로 확대되었으며, 유럽에서는 삼림에 심각한 피해를 주는 산성비를 '녹색 페스트'라고 불렀다.[117]

산성비는 식물에 심각한 영향을 줄 수 있다. 유럽의 블랙 트라이앵글 지역의 숲


산성비의 영향으로 고사한 탄자와산지의 너도밤나무

  • 토양 산성화: 산성비는 토양을 산성화시켜 식물 생장에 필수적인 칼슘 이온과 마그네슘 이온을 용해시키고, 빗물에 의해 지하 깊숙이 또는 지하수로 유실되게 한다. 또한 식물에 유해한 알루미늄과 중금속 이온을 용출시킨다. 용출된 금속 이온, 특히 알루미늄 이온은 하천으로 유입되어 수생 생물에게도 피해를 준다.[116]
  • 호수와 하천 산성화: 산성비는 호수와 늪을 산성화시켜 어류의 생육을 위협한다.[116] pH 농도가 5 미만이 되면 대부분의 어류 알이 부화하지 못하며, 더 낮은 pH에서는 성체 어류도 죽을 수 있다.
  • 삼림 고사: 산성비는 식물을 말라죽는다는 원인이 된다. 유럽과 북미를 중심으로 숲을 고사시키고 있다. 독일의 슈바르츠발트는 산성비 피해가 심각한 숲으로 유명하며, 서독 숲의 절반 이상이 산성비 피해를 입었다고 알려져 있다.
  • 일본 군마현 아카기산, 가나가와현 탄자와산지 등에서 숲 고사 현상이 나타나고 있다. 이는 좁은 의미의 "산성비"뿐만 아니라, 광화학 산화물과 같은 넓은 의미의 산성 강하물의 영향이 큰 것으로 보인다.[117]


고산 지대 숲은 비보다 산성도가 높은 구름과 안개에 노출되어 있어 특히 취약하다.[83] 산성 안개와 구름은 나무 잎에서 영양분을 고갈시켜 잎과 바늘을 변색시키거나 죽게 하고, 나무의 햇빛 흡수 능력을 저해하여 나무를 약화시키고 추위에 견디는 능력을 감소시킨다.[87]

4. 1. 1. 토양

토양 생물학 및 화학은 산성비에 의해 심각하게 손상될 수 있다. 일부 미생물은 낮은 pH 변화를 견딜 수 없어 죽는다.[71] 이러한 미생물의 효소는 산에 의해 변성(형태가 변하여 더 이상 기능하지 않음)된다. 산성비의 히드로늄 이온은 알루미늄과 같은 독소를 이동시키고 마그네슘과 같은 필수 영양소와 무기물을 용탈시킨다.[72]

:2 H+ (aq) + Mg2+ (점토) 2 H+ (점토) + Mg2+ (aq)

칼슘과 마그네슘과 같은 염기성 양이온이 산성비에 의해 용탈될 때 토양 화학은 극적으로 변할 수 있으며, 이는 단풍나무(Acer saccharum)와 같은 민감한 종에 영향을 미친다.[73]

높은 토양 산도에서 토양 내 영양소 용탈 다이어그램


산성수와 토양 산성화가 식물에 미치는 영향은 미미하거나 대부분의 경우 심각할 수 있다. 식물의 생존에 치명적인 결과를 초래하지 않는 대부분의 경미한 경우는 식물이 산성 조건에 덜 민감하거나 산성비가 덜 강력하기 때문일 수 있다. 그러나 경미한 경우에도 식물은 결국 산성수로 인해 식물의 자연적인 pH가 낮아져 죽게 된다.[74] 산성수가 식물에 들어가 중요한 식물 광물을 용해시켜 제거하고, 궁극적으로 식물이 영양분 부족으로 죽게 된다. 더 극심한 주요한 경우에는 경미한 경우와 같은 손상 과정, 즉 필수 광물의 제거가 훨씬 빠른 속도로 발생한다.[75] 마찬가지로 토양과 식물 잎에 떨어지는 산성비는 잎의 왁스 큐티클을 건조시켜 궁극적으로 식물에서 외부 대기로의 빠른 수분 손실을 유발하고 결국 식물의 죽음으로 이어진다.[76] 토양 산성화는 pH 변화로 인해 토양 미생물 감소로 이어질 수 있으며, 이는 영양분 접근을 위해 토양 미생물에 의존하는 식물에 부정적인 영향을 미친다.[77][78][79] 식물이 토양 산성화의 영향을 받고 있는지 확인하려면 식물 잎을 자세히 관찰할 수 있다. 잎이 녹색이고 건강해 보이면 토양 pH가 정상이고 식물 생육에 적합하다. 하지만 식물 잎의 잎맥 사이가 노랗게 변하면 식물이 산성화로 고통받고 건강하지 않다는 것을 의미한다.[80] 또한 토양 산성화로 고통받는 식물은 광합성을 할 수 없다. 산성수 유발 식물 건조 과정은 엽록체 소기관을 파괴할 수 있다.[81] 광합성을 할 수 없으면 식물은 자신의 생존을 위한 영양분이나 호기성 유기체의 생존을 위한 산소를 생성할 수 없으며, 이는 지구상의 대부분의 종에 영향을 미치고 궁극적으로 식물의 존재 목적을 끝낸다.[82]

4. 1. 2. 호수와 하천

산성비는 황산과 질산으로 인해 발생하며, 이는 수생태계에 다양한 영향을 미친다. 여기에는 산성화, 질소 및 알루미늄 함량 증가, 생지화학적 과정의 변화가 포함된다.[68] 낮은 pH와 높은 알루미늄 농도는 지표수에서 어류 및 기타 수생 동물에게 피해를 줄 수 있다. pH가 5 미만이면 대부분의 어란이 부화하지 않으며, 더 낮은 pH에서는 성체 어류가 죽을 수도 있다. 호수와 강이 산성화되면서 생물다양성이 감소한다. 산성비는 곤충과 일부 어종을 멸종시키기도 하는데, 예를 들어 미국 애디론댁 산맥과 같이 지리적으로 민감한 지역의 일부 호수, 하천 및 개울에서는 무지개송어가 멸종되었다.[69]

그러나 산성비가 유역에서의 유출을 통해 호수와 강의 산도에 기여하는 정도는 주변 유역의 특성에 따라 달라진다. 미국 환경보호청(EPA)에 따르면, 조사된 호수와 하천 중 산성비로 인해 산성화된 호수는 75%, 산성화된 하천은 약 50%이다.[69] 규산염 기반암에 위치한 호수는 탄산염 성분(예: 대리석)을 가진 석회암이나 기타 기반암 내의 호수보다 탄산염 광물의 완충 효과가 적어 산성도가 더 높다. 이는 같은 양의 산성비가 내리더라도 마찬가지이다.[70]

4. 1. 3. 삼림

산성비는 삼림에 직접적으로, 또는 토양 변화를 통해 간접적으로 피해를 준다. 1960년대부터 피해가 두드러지기 시작하여 1980년대에는 유럽 전역으로 확대되었으며, 유럽에서는 '녹색 페스트'라고 불릴 정도로 삼림에 심각한 피해를 주었다.[117]

고산 지대 숲은 비보다 산성도가 높은 구름과 안개에 노출되어 있어 특히 취약하다.[83] 산성비는 토양에서 알루미늄을 용탈시켜 식물에 해를 끼치고, 나무 성장에 필요한 미네랄과 영양분을 제거한다. 고지대에서는 산성 안개와 구름이 나뭇잎의 영양분을 고갈시켜 잎과 바늘을 변색시키거나 죽게 하고, 나무의 햇빛 흡수 능력을 저해하여 나무를 약화시키고 추위에 대한 내성을 감소시킨다.[87]

산성비의 영향을 받는 지역에서는 죽거나 죽어가는 나무가 자주 관찰된다. 붉은 가문비나무의 경우, 바늘에서 칼슘이 용탈되면 추위에 대한 내성이 떨어져 겨울철 피해를 입거나 죽을 수 있다.[88][89]

식물은 산성비에 적응할 수 있지만, pH 3.5 이하에서는 부정적인 영향을 받기 시작한다.[84] 산성비는 잎의 엽록소 감소를 통해 광합성에 부정적인 영향을 미치고,[85] 세포 수준에서 잎의 변형을 일으키며, 큐티클 두께를 감소시킨다.[85][86] 이는 식물의 수관 피복 능력을 저해하여 질병에 취약하게 만든다.[77]

경작지에서는 석회와 비료를 사용하여 산성비로 인한 영양분 손실을 보충하고 토양 pH를 안정적으로 유지할 수 있지만, 황야 지역에서는 이러한 방법이 어렵다.[88]

일본에서는 아카기산, 탄자와산지 등에서 숲이 고사하는 피해가 나타나고 있는데, 이는 광화학 산화물과 같은 넓은 의미의 산성 강하물의 영향이 큰 것으로 여겨진다.[117]

4. 2. 건축물 및 문화재 피해

산성비는 석회암과 대리석처럼 탄산칼슘을 많이 함유한 암석으로 만들어진 건물, 역사적 기념물, 조각상 등을 손상시킬 수 있다. 빗물 속의 산은 돌 속의 칼슘 화합물과 반응하여 석고를 생성하고, 이는 벗겨져 나간다.

:CaCO3 (s) + H2SO4 (aq) CaSO4 (s) + CO2 (g) + H2O (l)

오래된 묘비에서 이러한 영향을 흔히 볼 수 있는데, 산성비로 인해 비문이 완전히 판독 불가능해질 수 있다. 산성비는 금속, 특히 철, 강철, 구리 및 청동의 부식 속도를 증가시킨다.[96][97] 야외에 있는 동상이나 역사적 건조물을 용해시키는 등, 문화재에 피해를 주고 있다. 철근 콘크리트 구조의 건물, 교량 등에 사용되는 철근의 부식도 진행된다.

산성비의 조각상 피해


산성비와 풍화작용

4. 3. 인간 건강 피해

산성비는 산성비에서 방출되는 입자를 사람들이 흡입할 때 인체 건강에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.[1] 산성비가 인체 건강에 미치는 영향은 복잡하며, 장기간 노출에 따른 호흡기 질환이나 오염된 식수 및 식품 섭취를 통한 간접적 노출 등 여러 방식으로 나타날 수 있다.

이산화질소(NO2) 같은 산성비 관련 대기오염 물질에 노출되면 호흡기 건강에 악영향을 미칠 수 있다.[2] 물에 잘 녹는 이산화질소는 미세 기도에 축적되어 질산과 아질산으로 변환된다.[3] 질산에 의한 폐렴은 기도를 덮고 있는 상피세포에 직접적인 손상을 입혀 폐부종을 유발한다.[5] 이산화질소에 노출되면 세균 감염에 대한 반응으로 염증성 사이토카인 생성을 억제하여 면역 반응이 감소한다.[7] 동물 연구에 따르면, 이러한 오염 물질은 하부 호흡기에 있는 점액섬모 청소작용을 감소시켜 호흡기 감염 제거 능력을 떨어뜨림으로써 호흡기 면역력을 더욱 감소시킨다.[9]

삼산화황(SO3)과 황산(H2SO4)의 영향은 유사하다. 둘 다 피부나 호흡기계의 젖은 표면과 접촉하면 황산을 생성하기 때문이다.[94] 입으로 흡입하는 SO3의 양이 코로 흡입하는 양보다 많다.[94] 사람이 삼산화황을 흡입하면, 입자 크기에 따라 황산의 작은 물방울이 체내에서 생성되어 호흡기를 거쳐 폐로 들어간다.[94] 삼산화황이 호흡기에 미치는 영향으로 인해 천식 증상이 있는 사람은 호흡 곤란을 겪는다. 또한 삼산화황은 특정 농도에 직접 노출되거나 장기간 노출될 경우 피부, 눈 및 위장관에 매우 강한 부식성과 자극을 유발한다.[94] 진한 황산을 섭취하면 구강과 인후가 화상을 입고, 위에 구멍이 생기며, 피부에 접촉하면 화상을 입고, 눈에 들어가면 눈물이 나고, 심하면 사망에 이를 수 있다.[94]

인체의 산성 pH 수치는 탈모, 낮은 요 pH, 심각한 무기질 불균형, 변비, 섬유근육통 및 기저 세포 암과 같은 많은 만성 질환을 유발한다.[64]

미국 환경보호청(EPA)은 대기 중으로 배출될 수 있는 이산화황의 양을 제한한다. 이는 삼산화황과 황산으로 변하는 대기 중 이산화황의 양을 줄인다.[10] 미국 직업안전보건청(OSHA)은 작업장 공기 중 황산 농도를 1mg/m3으로 제한한다. 또한 미국 국립 직업안전위생연구소(NIOSH)는 시간가중평균(TWA) 한계치를 1mg/m3으로 권고한다.[94]

5. 대책 및 해결 방안

1979년, 산성비 피해에 대처하기 위해 각국을 중심으로 대기오염조약이 체결되었다.[101] 스웨덴은 자국 내 85,000개의 호수 가운데 18,000개의 호수에서 대부분의 어류가 멸종하거나 급격히 줄어드는 피해를 겪었다. 1972년 스웨덴 스톡홀름에서 개최된 유엔인간환경회의는 지구 환경 위기가 전 세계의 공통 화제로 거론된 최초의 국제회의였다. 스웨덴 정부는 이 회의를 자국으로 초청하여 산성비 피해를 전 세계에 널리 알리고자 했다.

1996년 독일 식량농업산림부는 관찰 중인 5,000곳에서 산성비로 인해 나무의 60%가 나뭇잎 또는 침상엽을 잃어 손상받고 있음을 발견했다. EU 역내 숲의 상태를 조사해온 유럽위원회는 몇몇 특정 지역에서 나무의 20%가 잎에 손상을 입은 사실을 확인했는데, 손상이 가장 광범위한 곳은 중부유럽이었다.

미국 뉴햄프셔주 하버드 브룩 시험림에서 30년 동안 수행되어 1996년 발간된 연구 결과에 따르면, 미국, 캐나다, EU 국가들에서 이산화황 방출량은 줄어들었으나 지표수의 산성도는 기대했던 것만큼 줄지 않았다. 그 원인을 조사한 결과 산성 물이 토양의 기반이 되는 무기물 이온을 씻어내 결과적으로 완충 효과를 줄이는 사실을 발견했다.

5. 1. 기술적 해결 방안

대기오염조약 체결 등의 노력에도 불구하고, 산성비 문제는 여전히 심각하다. 산성비의 주요 원인 물질은 이산화황이며, 질소 산화물도 질산을 형성하여 산성비에 영향을 준다.[53] 연료 연소와 광석 제련 과정에서 발생하는 이산화황과 질소 산화물은 황산과 질산으로 전환된다.[65]

기체 상태에서 이산화황은 다음과 같은 반응을 통해 황산으로 산화된다.

:

이산화질소는 수산화 라디칼과 반응하여 질산을 형성한다.

:NO2 + OH· → HNO3

대기 중으로 배출되는 대기 오염 과정과 영향을 받는 지역을 보여줍니다.


이러한 반응은 물, 미량의 철, 망간, 오존, 과산화수소, 산소 등 다양한 요인에 의해 영향을 받는다.[13]

기술적 해결 방안으로는 배연탈황(FGD), 유동층 연소, 자동차 배출가스 제어 등이 있다.

  • 배연탈황(FGD): 많은 석탄 화력 발전소에서 배기가스 중 황 함유 가스를 제거하기 위해 사용된다. 일반적인 석탄 화력 발전소의 경우, FGD는 배기가스 중 SO2의 95% 이상을 제거한다. 습식 세정기는 FGD의 한 예로, 석회 또는 석회석 슬러리를 이용하여 이산화황과 결합시켜 황산칼슘을 생성하고 제거한다.
  • 유동층 연소: 발전 과정에서 배출되는 황의 양을 줄이는 기술이다.
  • 자동차 배출가스 제어: 자동차에서 배출되는 질소 산화물의 배출량을 줄이는 기술이다.

5. 2. 정책적 해결 방안

산성비 피해에 대처하기 위해 1979년 각국을 중심으로 대기오염조약이 체결되었다.[101] 서구 국가들은 대기오염물질의 장거리 이동에 관한 국제 조약을 오래전부터 체결해 왔다. 1979년부터 유럽 국가들은 UNECE 협약에서 논의된 일반 원칙을 비준하기 위해 회의를 열었는데, 그 목적은 장거리 국경을 초월하는 대기오염을 방지하기 위한 것이었다. 장거리 국경을 초월하는 대기오염에 관한 협약에 따른

2000년에는 아시아 최초로 산성비를 예방하기 위한 국제 협력이 시작되었다. 아시아 전역의 10개국 외교관들이 모여 산성비를 예방하는 방법을 논의했다.[104] 이러한 논의에 이어 2001년에 동아시아 산성비 모니터링 네트워크(EANET)가 정부 간 이니셔티브로 설립되어 의사 결정자를 위한 과학적 근거를 제공하고 동아시아의 산성비 문제에 대한 국제 협력을 증진시켰다.[105] 2023년 현재 EANET 회원국은 캄보디아, 중국, 인도네시아, 일본, 라오스, 말레이시아, 몽골, 미얀마, 필리핀, 대한민국, 러시아, 태국, 베트남이다.[106]

산성비의 영향을 줄이기 위한 정부의 조치


이 규제 방식에서는 현재 오염 시설마다 지정된 오염 물질 배출량 단위당 배출권이 주어지거나 공개 시장에서 구매할 수 있다. 운영자는 오염 방지 설비를 설치하고, 더 이상 자체 운영에 필요하지 않은 배출권을 판매하여 해당 설비 투자 비용의 일부를 회수할 수 있다. 목적은 운영자에게 오염 방지 설비 설치에 대한 경제적 인센티브를 제공하는 것이다.

최초의 배출권 거래 시장은 1990년 미국 청정대기법 개정안 제정으로 설립되었다.[107] 법률에 의해 설립된 산성비 프로그램[108]의 전반적인 목표는 이산화황(SO2)과 질소산화물(NOx) 배출 감소를 통해 상당한 환경 및 공중 보건상의 이점을 달성하는 것이다. 이 목표를 사회적 비용을 최소화하면서 달성하기 위해 이 프로그램은 대기 오염을 통제하기 위한 규제 및 시장 기반 접근 방식을 모두 사용한다.

5. 3. 국제 협력

1979년, 산성비 피해에 대처하기 위해 각국을 중심으로 대기오염조약이 체결되었다.[101] 1985년 헬싱키 의정서(황산 배출 감소에 관한)는 장거리 국경을 초월하는 대기오염에 관한 협약의 결과를 더욱 발전시켰다.[102] 1991년, 캐나다와 미국은

2000년에는 아시아에서 최초로 산성비를 예방하기 위한 국제 협력이 시작되었다. 아시아 전역의 10개국 외교관들이 모여 산성비를 예방하는 방법을 논의했다.[104] 이러한 논의에 이어 2001년에 동아시아 산성비 모니터링 네트워크(EANET)가 정부 간 이니셔티브로 설립되어 의사 결정자를 위한 과학적 근거를 제공하고 동아시아의 산성비 문제에 대한 국제 협력을 증진시켰다.[105] 2023년 현재 EANET 회원국은 다음과 같다.[106]

EANET 회원국
캄보디아, 중국, 인도네시아, 일본, 라오스, 말레이시아, 몽골, 미얀마, 필리핀, 대한민국, 러시아, 태국, 베트남


5. 4. 대한민국의 노력

대한민국은 1979년 대기오염조약 체결에 참여하여 국제적인 산성비 문제 해결 노력에 동참하고 있다.[1] 1972년 스웨덴은 유엔인간환경회의를 스톡홀름에서 개최하여 산성비 피해를 국제 사회에 알리는 데 중요한 역할을 했다.[1]

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