오존

1. 개요

오존은 냄새를 뜻하는 그리스어에서 유래된 이름으로, 대기 중의 오염 물질이자 강력한 산화제이다. 1785년 마르티누스 반 마룸에 의해 처음 감지되었고, 1839년 크리스티안 프리드리히 쇤바인에 의해 명명되었다. 오존은 자연적으로 자외선이나 번개에 의해 생성되며, 산업적으로는 코로나 방전, 자외선, 전기 분해 등의 방법을 통해 생산된다. 오존은 오존층을 형성하여 자외선을 흡수하는 역할을 하지만, 대류권에서는 자동차 배기가스 등에서 발생하는 오존 전구체에 의해 생성되어 스모그를 유발하며, 호흡기 질환, 심혈관 질환 등 인체 건강에 해로운 영향을 미칠 수 있다. 오존은 산업, 의료, 농업 등 다양한 분야에서 살균, 표백, 소독 등의 목적으로 활용되지만, 고농도에서는 독성을 나타내므로 주의가 필요하다. 대한민국 환경부는 오존 농도에 따라 예보 및 경보제를 운영하여 국민 건강을 보호하고 있다.

2. 명칭

일반명인 "오존"이 가장 일반적으로 사용되고 권장 IUPAC 명명법이기도 하다. "오존"이라는 이름은 냄새를 뜻하는 그리스어 중성 현재 분사인 "ozein"(ὄζειν)에서 유래했으며, 오존의 독특한 냄새를 가리킨다. 체계적인 이름인 "2λ⁴-트리옥시디엔"과 "카테나-트리옥시젠"은 각각 치환 명명법과 첨가 명명법에 따라 구성된 유효한 IUPAC 이름이다. 적절한 맥락에서 오존은 두 개의 수소 원자가 제거된 트리옥시단으로 볼 수 있으며, 따라서 치환 명명법에 따라 "트리옥시다닐리덴"을 체계적인 이름으로 사용할 수 있다.

3. 역사

1785년, 네덜란드의 화학자 마르티누스 반 마룸(Martinus van Marum)은 물 위에서 전기 방전 실험 중 특이한 냄새를 감지했다. 그는 이 냄새를 전기 반응 때문이라고 생각했으나, 자신이 오존을 생성했다는 사실은 깨닫지 못했다.

반세기 후, 크리스티안 프리드리히 쇤바인은 같은 매캐한 냄새를 맡고 그것이 낙뢰 후에 자주 나는 냄새임을 알아챘다. 1839년, 그는 기체 화합물을 분리하는 데 성공하고, ozein/ὄζειν^그리스어, "냄새를 풍기다"라는 뜻에서 "오존"이라고 명명했다. 이러한 이유로 쇤바인은 일반적으로 오존 발견의 공로를 인정받는다. 그는 또한 오존의 냄새가 흰인의 냄새와 유사하다는 것을 알아챘고, 1844년에는 흰인과 공기의 반응 생성물이 동일하다는 것을 증명했다. 이후 오존을 "전기화된 산소"라고 부르려는 시도를 그는 흰인에서 나온 오존을 "인화된 산소"라고 부르자고 제안하며 비웃었다. 1865년 자크 루이 소레(Jacques-Louis Soret)가 오존의 화학식(O₃)을 결정했고, 1867년 쇤바인이 이를 확인했다.

19세기 후반과 20세기 초반 대부분의 기간 동안, 오존은 자연주의자들과 건강을 추구하는 사람들에 의해 건강에 좋은 환경 구성 요소로 여겨졌다. 캘리포니아주 보먼트(Beaumont, California)는 "오존 지역 보먼트(Beaumont: Zone of Ozone)"라는 공식 슬로건을 가지고 있었다. 야외에서 일하는 자연주의자들은 종종 오존 함량 때문에 고지대가 유익하다고 생각했다. 해변의 공기는 오존 함량이 높다고 여겨졌기 때문에 건강에 좋다고 여겨졌지만, 이러한 믿음을 낳은 냄새는 사실 할로겐화된 해조류 대사산물과 디메틸 설파이드이다.

오존의 매력은 정화 특성과 관련된 연상을 불러일으키는 "신선한" 냄새에서 비롯된 것으로 보인다. 그러나 과학자들은 오존의 유해한 영향을 지적했다. 1873년 제임스 듀어(James Dewar)와 존 그레이 맥켄드릭(John Gray McKendrick)은 "오존화된 공기"에 노출된 후 개구리는 느려지고, 새들은 숨을 헐떡였고, 토끼의 혈액에서는 산소 수치가 감소했으며, 이는 "파괴적인 작용"을 했다는 것을 기록했다. 쇤바인 자신은 오존을 흡입한 결과 가슴 통증, 점막 자극 및 호흡 곤란이 발생했고, 작은 포유류는 죽었다고 보고했다. 1911년, 레너드 힐과 마틴 플랙(Martin Flack)은 왕립학회 회보(Proceedings of the Royal Society) B에서 오존의 건강 효과는 "단순한 반복을 통해 일반적인 믿음의 일부가 되었지만, 그 유익한 효과에 대한 정확한 생리학적 증거는 지금까지 거의 전무했습니다... 지금까지 얻어진 오존의 생리적 효과에 대한 유일하게 확실하게 알려진 지식은 상대적으로 고농도로 오존을 어느 정도 시간 동안 흡입하면 폐의 자극과 부종을 일으키고 사망에 이른다는 것입니다."라고 말했다.

제1차 세계 대전 동안, 오존은 런던의 퀸 알렉산드라 군 병원(Queen Alexandra Military Hospital)에서 상처의 소독제로 사용될 가능성이 있는지 테스트되었다. 기체는 최대 15분 동안 상처에 직접 적용되었다. 이로 인해 세균 세포와 인체 조직 모두 손상되었다. 살균제로 관개하는 등의 다른 살균 기술이 더 바람직한 것으로 나타났다.

4. 물리적 성질

오존은 무색 또는 연한 청색의 기체이며, 물에 약간 용해되지만 사염화탄소나 플루오로카본과 같은 비극성 용매에는 더 잘 용해되어 청색 용액을 형성한다. 161K에서 짙은 청색의 액체로 응축되며, 80K 이하에서는 보라색을 띤 검은색 고체가 된다.

대부분의 사람들은 공기 중에 약 0.01 μmol/mol의 오존을 감지할 수 있는데, 이는 염소 표백제와 다소 유사한 매우 특징적인 날카로운 냄새를 가지고 있다. 0.1~1 μmol/mol에 노출되면 두통, 눈이 따가움, 호흡기 자극을 유발한다. 공기 중의 낮은 농도의 오존은 라텍스, 플라스틱, 동물의 폐 조직과 같은 유기 물질에 매우 파괴적이다.

오존 분자는 대칭을 가지는 굽은 분자이며, O–O 거리는 127.2pm이고, O–O–O 각도는 116.78°이다. 중심 원자는 비공유 전자쌍 하나를 가진 sp² 혼성화를 한다. 오존은 0.53 D의 쌍극자 모멘트를 갖는 극성 분자이다. 이 분자는 한쪽에 단일 결합과 다른 쪽에 이중 결합을 갖는 두 가지 기여 구조를 가진 공명 혼성체로 나타낼 수 있다. 이 배열은 양쪽 모두에 1.5의 전체 결합 차수를 갖는다. 오존은 아질산 이온과 등전자성이다.

상온 상압에서는 연한 파란색 기체이다. 끓는점 −111.9 ℃ (161.25 K)에서 감청색 액체가 되고, 녹는점 −192.5 ℃ (80.65 K)에서 진한 자주색 고체가 된다. 중심의 산소 원자와 양 끝의 산소 원자의 결합은 모두 동등하며, 오존 분자는 두 가지 극한 구조로 이루어진 공명 혼성체로 생각된다.

오존은 불소 다음으로 강한 산화력을 가지므로, 고농도에서는 맹독성이다. 흡입하면 내장이 산화되어 미란 상태가 된다. 일본의 작업 환경 기준은 0.1ppm이다.

5. 화학적 성질

5.1. 반응

오존은 강력한 산화제 중 하나로, 보다 훨씬 강하다. 대부분의 금속(금, 백금, 이리듐 제외)을 가장 높은 산화 상태의 금속 산화물로 산화시킨다. 예를 들어 구리는 산화구리로, 은은 산화은으로 산화된다.

:$\backslash begin\{align\}$
& \ce{Cu + O3 -> CuO + O2} \\
& \ce{Ag + O3 -> AgO + O2}
\end{align}

오존은 일산화질소를 이산화질소로 산화시키고, 이 반응은 화학발광을 동반한다. 생성된 는 질산 라디칼로 더 산화될 수 있으며, 는 와 반응하여 오산화이질소()를 형성한다. 고체 과염소산니트로늄은 와 기체로부터 만들 수 있다. 오존은 암모늄 염과는 반응하지 않지만, 암모니아를 질산암모늄으로 산화시킨다. 또한 탄소와 반응하여 실온에서도 이산화탄소를 형성한다.

오존은 황화물을 황산염으로 산화시킨다. 예를 들어 황화납(II)는 황산납(II)로 산화된다. 황산은 오존, 물, 그리고 원소 상태의 황 또는 이산화황으로부터 생성될 수 있다. 기체 상태에서 오존은 황화수소와 반응하여 이산화황을 형성하지만, 수용액에서는 원소 상태의 황을 생성하는 반응과 황산을 생성하는 반응이 동시에 일어난다.

오존은 알켄, 알카인을 산화적으로 절단하는 오존분해 반응을 일으킨다. 알켄의 오존분해는 반응 후처리 단계에 따라 알코올, 알데하이드, 케톤, 카르복실산을 생성한다. 알카인의 경우 산 무수물 또는 디케톤을 생성하며, 물이 존재하는 상태에서 반응을 수행하면 무수물은 가수분해되어 두 개의 카르복실산을 생성한다.

오존은 고농도에서 불안정하여 일반적인 이원자 산소로 분해되며, 이 반응은 온도가 높아짐에 따라 더 빠르게 진행된다. 오존의 폭발은 스파크에 의해 유발될 수 있으며, 10 중량% 이상의 오존 농도에서 발생할 수 있다. 오존 분해는 촉매를 사용하여 저온에서도 효율적으로 이루어질 수 있다.

오존은 연소 반응과 가연성 기체에 사용될 수 있으며, 이산소()에서 연소하는 것보다 더 높은 온도를 제공한다. 오존은 극저온에서도 반응할 수 있는데, 77K에서 원자 수소는 액체 오존과 반응하여 수소 슈퍼옥사이드 라디칼을 형성하고, 이는 이합체화된다.

오존이 물에 대해 산화제로 작용할 때의 반쪽 반응식은 다음과 같다.

:O3{} + H2O{} + 2\mathit{e}^- -> O2{} + 2OH^-

산성 용액에서는 다음과 같은 반쪽 반응식이 나타난다.

:O3{} + 2H^+{} + 2\mathit{e}^- -> O2{} + H2O

오존을 이용한 유기 합성 반응의 예로 오존 산화가 있다. 유기 고분자를 오존에 노출시키면 열화가 일어나고, 때로는 균열이 발생하는데, 이를 오존 크랙킹(오존균열)이라고 한다.

5.2. 오존 분해

오존 분해는 열, 광화학적 방법, 촉매 등 다양한 방식으로 이루어질 수 있다. 열 분해는 250°C 미만의 온도에서는 매우 느리지만, 온도를 높이면 에너지 비용이 증가한다. 광화학적 분해는 자외선(UV)을 이용하여 오존을 분해하고 산소와 과산화 라디칼을 생성한다.

오존 분해는 복잡한 반응으로, 최종적으로 분자 상태의 산소()를 생성한다. 전체 반응식은 다음과 같다.

:2 O3 -> 3 O2

오존 분해 반응은 1차 반응 속도론을 따르며, 반응 속도 법칙은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

:$V\; =\; \backslash frac\{K\; \backslash cdot\; [\backslash ce\{O3\}]^2\}\{[\backslash ce\{O2\}]\}$

이 식에서 분자상 산소에 대한 부분 차수는 -1이고 오존에 대한 부분 차수는 2이므로, 전체 반응 차수는 1이다.

오존 분해는 다음 두 단계로 이루어진다.

* 1단계: 단분자 반응    O3 -> O2 + O
* 2단계: 이분자 반응     O3 + O -> 2 O2

첫 번째 단계는 가역적이고 빠르며, 두 번째 단계는 느리다. 따라서 속도 결정 단계는 두 번째 반응이다.

오존의 촉매 분해는 오염 감소에 매우 중요하며, 특히 고체 촉매를 사용하는 경우 저온에서 높은 전환율을 달성하고 생성물과 촉매를 즉시 분리할 수 있다는 장점이 있다. 기체상 오존의 촉매 분해에는 귀금속(Pt, Rh, Pd)과 전이 금속(Mn, Co, Cu, Fe, Ni, Ag)이 주로 사용된다.

오존의 환원은 오존화물 음이온()을 생성하며, 이 음이온의 유도체는 폭발성이 있어 극저온에서 보관해야 한다. 모든 알칼리 금속의 오존화물이 알려져 있으며, KO3, RbO3, CsO3는 각각의 초산화물로부터 제조할 수 있다.

:KO2 + O3 -> KO3 + O2

KO3는 수산화칼륨과 오존으로부터도 생성될 수 있다.

:2 KOH + 5 O3 -> 2 KO3 + 5 O2 + H2O

NaO3 및 LiO3는 CsO3를 액체 NH3에서 Na+ 또는 Li+ 이온을 포함하는 이온 교환 수지에 작용시켜 제조한다.

:CsO3 + Na+ -> Cs+ + NaO3

암모니아 중의 칼슘 용액은 오존과 반응하여 오조나이드암모늄을 생성한다.

6. 생성

오존은 자연적으로 자외선이나 번개 등에 의해 생성된다. 오존은 종종 O₂가 반응하지 않는 조건에서 자연적으로 형성된다. 카타툼보 번개 폭풍 현상, 즉 베네수엘라의 카타툼보 강에서도 유사하게 생성되지만, 오존의 불안정성으로 인해 오존층에 영향을 미친다는 것은 의심스럽다. 이는 세계에서 가장 큰 단일 자연 오존 발생원이며, 유네스코 세계유산으로 지정해야 한다는 주장이 제기되고 있다.

산업적으로는 코로나 방전, 자외선, 전기 분해 등의 방법을 통해 오존을 생성한다.
* 오존 발생기(ozone generator 또는 ozonator)는 비어 있는 방에서 공기를 정화하거나 연기 냄새를 제거하기 위해 오존을 생성하는 데 사용된다. 이 오존 발생기는 시간당 3g 이상의 오존을 생성할 수 있다.
** 오존은 다른 산업용 가스와 달리 저장 및 운송이 불가능하며(빠르게 이원자 산소로 분해되기 때문에) 따라서 현장에서 생산해야 합니다. 사용 가능한 오존 발생기는 고전압 전극의 배열 및 설계가 다릅니다.

* 코로나 방전 방식: 대부분의 오존 발생기는 코로나 방전 방식을 사용한다.
* 자외선 방식: 태양이 생성하는 자외선과 유사한 자외선 발생기를 통해 오존을 생성할 수 있다.
* 전기 분해 방식: 전기 분해를 이용하여 오존을 생성할 수 있다. 9V 건전지, 흑연 연필심 음극, 백금선 양극, 그리고 3몰 황산 전해질을 사용한다. 일어나는 반쪽 반응은 다음과 같다.

:$\backslash begin\{align\}$
& \ce{3 H2O -> O3 + 6 H+ + 6 e-} && (\Delta E^\circ = -\text{1.53 V}) \\
& \ce{6 H+ + 6 e- -> 3 H2} && (\Delta E^\circ = \text{0 V}) \\
& \ce{2 H2O -> O2 + 4 H+ + 4 e-} && (\Delta E^\circ = \text{1.23 V})
\end{align}

여기서 는 표준 전극 전위를 나타낸다.

총 반응에서 물 3당량이 오존 1당량과 수소 3당량으로 변환된다. 산소 생성은 경쟁 반응이다.

고전압 아크를 이용해서도 오존을 생성할 수 있다. 가장 간단한 형태로, 네온 사인 변압기 출력과 같은 고전압 교류 전류를 두 개의 금속 막대에 연결하고, 아크가 발생할 수 있도록 양 끝을 충분히 가깝게 배치한다. 생성된 아크는 대기 중의 산소를 오존으로 변환한다.
실험실에서 오존을 생성하는 방법중 하나는 지멘스 오존 발생기(Siemen's ozoniser)를 사용하는것이다. 이것은 위쪽에 밀봉되어 있고 바깥쪽 관의 위아래에 가스 포트가 있는 두 개의 동심원 유리관으로 구성된 장치를 사용하여 수행할 수 있다. 내부 코어에는 전원의 한쪽에 연결된 금속박이 삽입되어야 한다. 전원의 다른 쪽은 바깥쪽 관에 감싼 또 다른 금속박에 연결되어야 한다. 아래쪽 포트에 건조한 를 공급한다. 고전압이 금속박 리드에 가해지면 전기가 중간의 건조한 이산소 사이에서 방전되어 과 를 형성하고, 이는 위쪽 포트로 흘러나온다. 반응은 다음과 같이 요약할 수 있다.

: 3O2 ->[\text{electricity}] 2O3

일반적으로 공기 중에서의 자외선 조사 또는 산소 중에서의 무성방전 등 높은 에너지를 가진 전자와 산소 분자의 충돌에 의해 발생한다. 오존의 발생은 주로 다음과 같은 화학식으로 나타낼 수 있다.

: 3O2 -> 2O3

또한 오존은 불안정한 분자이기 때문에 방치해 두면 다음 화학식과 같이 산소로 변화한다.

: 2O3 -> 3O2

이 반응은 온도와 압력이 상승할수록 빨라진다.

오존 전구체라 불리는 질소산화물(NOx)이나 휘발성 유기화합물(VOC) 등이 발생에 관여하고 있다.

일부 전기 기기는 사람이 냄새를 느낄 정도의 오존을 발생시킨다. 특히 브라운관 텔레비전이나 복사기 등 고전압을 사용하는 장치에서 발생한다. 브러시에 의해 정류하는 전기 모터(정류자 전동기)는 정류자와 브러시 사이에서 반복적으로 발생하는 스파크에 의해 오존을 발생시킨다. 엘리베이터나 펌프 등에 사용되는 대형 모터는 소형 모터보다 오존 발생량이 많다. 유도 전동기·동기 전동기에서는 스파크가 발생하지 않고, 오존도 발생하지 않는다. 아크 용접 시행 시와 같이, 파장이 짧은 자외선(UVC)을 공기 중에서 발생시킨 경우에도, 공기 중에 포함된 산소 분자가 반응을 일으켜 오존이 발생한다.

6.1. 오존 발생기

오존 발생기(ozonator)는 오존을 생성하는 장치이다. 이 장치는 비어 있는 방의 공기를 정화하거나 연기 냄새를 제거하는 데 사용되며, 시간당 3g 이상의 오존을 생성할 수 있다. 산업계에서 사용되는 오존은 μmol/mol(ppm), nmol/mol(ppb), μg/m³, mg/h 또는 중량 백분율로 측정된다. 적용 농도는 공기 중 1~5%, 산소 중 6~14%이다.

* 코로나 방전 방식: 대부분의 산업 및 개인 용도에서 가장 일반적인 유형이다. 의료용 및 산업용 오존 발생기를 포함하여 다양한 변형이 존재한다. 코로나 방전관 또는 오존 플레이트를 통해 작동하며, 주변 공기를 사용하여 3~6% 농도의 오존을 생성한다. 주변 공기 변동에 따라 오존 생성이 달라지며, 질소 산화물 부산물이 발생한다. 공기 건조기를 사용하면 질산 생성을 줄이고 오존 생성량을 늘릴 수 있다. 산소 농축기를 사용하면 질산 형성 위험을 더욱 줄일 수 있다.
* 자외선 방식: 태양이 생성하는 자외선의 부분집합인 협대역 자외선을 사용하는 광원을 이용한다. 주변 공기를 사용하며 공기 전처리 시스템이 필요 없어 저렴하지만, 일반적으로 0.5% 이하의 농도로 오존을 생성하여 잠재적 생성 속도가 제한된다. 자외선 광원에 노출되지 않은 기체는 처리되지 않아, 빠르게 움직이는 공기나 물 흐름을 다루는 데는 실용적이지 않다.
* 저온 플라즈마 방식: 순수 산소 기체가 DBD에 의해 생성된 플라즈마에 노출되어 오존이 생성된다. 최대 약 24%의 오존 농도를 생성할 수 있다.
* 전기 분해 방식: 물 분자를 H₂, O₂, O₃으로 분해하여 오존을 생성한다. 대부분의 방법에서는 수소 가스를 제거하여 산소와 오존만 남긴다. 이 방식은 20~30% 농도를 달성할 수 있고, 물을 원료로 사용하여 공기 질과 무관하다.
산업적으로 오존을 사용하는 경우, 수은등을 이용한 단파장 자외선 조사나 고전압에 의한 저온 방전으로 생성된다. 저온 방전 장치는 높은 유전율을 가진 붕규산 유리나 운모와 같은 절연체로 덮인 두 장의 전극판으로 구성된다. 전극에 교류 고전압을 걸면 무성방전이 일어나고, 산소 분자가 해리되어 다른 산소 분자와 재결합하여 오존이 발생한다. 방전에 의한 생산량은 순수한 산소를 사용할 경우 약 200g/kWh이며, 공기를 원료로 사용하는 경우에는 약 100g/kWh이다.

7. 오존층

성층권의 오존은 주로 240~160nm의 단파장 자외선에 의해 생성된다. 산소 분자(O2)는 240nm 이하의 자외선에 의해 광분해되어 두 개의 산소 원자(O)로 분리된다.

:O2 -> [\ce{photon}] [(\ce{radiation}\ \lambda\ <\ 240\ \ce{nm})] 2O

이후, 생성된 산소 원자는 다른 산소 분자와 결합하여 오존을 형성한다.

:O + O2 + M -> O3 + M

여기서 "M"은 반응에서 발생하는 과잉 에너지를 전달받는 제3의 물질을 의미한다. 오존 분자는 자외선을 흡수하여 다시 산소 분자와 산소 원자로 분해될 수 있다.

:$\backslash ce\{O3\; ->\; O\; +\; O2\}\; +\; \backslash text\{운동\; 에너지\}$

이때 발생하는 과잉 운동 에너지는 성층권을 가열하는 역할을 한다. 분해된 산소 원자는 다시 다른 산소 분자와 반응하여 오존을 생성하는 순환 과정을 반복한다. 질소와 산소만 존재하는 깨끗한 대기에서는 오존이 산소 원자와 반응하여 두 개의 산소 분자(O2)를 생성하는 반응도 일어날 수 있다.

:O3 + O -> 2 O2

이러한 오존-산소 순환은 채프먼 순환(Chapman cycle)이라고 불린다. 이 과정은 특정 자유 라디칼 (수산화기(OH), 일산화질소(NO), 염소 원자(Cl), 브롬(Br) 등)에 의해 촉진될수 있다. 20세기 후반, 프레온 가스(CFC)와 같은 염소화 및 브롬화 유기 분자의 증가로 인해 성층권 오존량이 감소하였다. 이러한 오존층 파괴는 인체에 유해한 자외선 노출을 증가시켜 피부암, 백내장 등의 질병 발생률을 높이는 등 건강에 심각한 위협으로 이어졌다. 이에 국제사회는 1987년 몬트리올 의정서를 채택하여 프레온 가스 등 오존층 파괴 물질의 생산과 사용을 규제하기 시작했다. 대한민국도 1992년 몬트리올 의정서에 가입하여 오존층 보호를 위한 국제적 노력에 동참하고 있다. 몬트리올 의정서의 성공적인 이행으로 21세기 초 성층권 오존 농도는 회복되기 시작했다.

7.1. 오존-산소 순환

성층권의 오존은 주로 240~160nm의 단파장 자외선에 의해 생성된다. 산소 분자(O2)는 240nm 이하의 자외선에 의해 광분해되어 두 개의 산소 원자(O)로 분리된다.
:O2 -> [\ce{photon}] [(\ce{radiation}\ \lambda\ <\ 240\ \ce{nm})] 2O
이후, 생성된 산소 원자는 다른 산소 분자와 결합하여 오존을 형성한다.
:O + O2 + M -> O3 + M
여기서 "M"은 반응에서 발생하는 과잉 에너지를 전달받는 제3의 물질을 의미한다. 오존 분자는 자외선을 흡수하여 다시 산소 분자와 산소 원자로 분해될 수 있다.
:$\backslash ce\{O3\; ->\; O\; +\; O2\}\; +\; \backslash text\{운동\; 에너지\}$
이때 발생하는 과잉 운동 에너지는 성층권을 가열하는 역할을 한다. 분해된 산소 원자는 다시 다른 산소 분자와 반응하여 오존을 생성하는 순환 과정을 반복한다. 질소와 산소만 존재하는 깨끗한 대기에서는 오존이 산소 원자와 반응하여 두 개의 산소 분자(O2)를 생성하는 반응도 일어날 수 있다.
:O3 + O -> 2 O2
이러한 오존-산소 순환은 채프먼 순환(Chapman cycle)이라고 불린다. 이 과정은 특정 자유 라디칼 (수산화기(OH), 일산화질소(NO), 염소 원자(Cl), 브롬(Br) 등)에 의해 촉진될수 있다. 20세기 후반에는 프레온 가스(chlorofluorocarbon)(CFC)와 같은 염소화 및 브롬화 유기 분자의 증가로 인해 성층권 오존량이 감소하였다. 이러한 오존층 파괴는 건강에 대한 위협으로 이어져, 1987년 몬트리올 의정서를 통해 많은 오존층 파괴 물질의 생산이 금지되었다. 그 결과, 21세기 초 성층권 오존 농도는 회복되기 시작했다.

8. 대류권 오존

저층 오존(또는 대류권 오존)은 대기 오염 물질이다. 자동차 엔진이나 산업 시설에서 직접 배출되는 것이 아니라, 자동차 엔진이나 산업 시설에서 배출된 탄화수소와 질소산화물을 포함하는 공기가 햇빛과 반응하여 오존이 형성된다. 오존은 오염원에서 직접 생성되거나 수십 킬로미터 하류에서 생성될 수 있다.

오존은 알데하이드와 같은 일부 탄화수소와 직접 반응하여 공기 중에서 제거되기 시작하지만, 그 생성물 자체가 스모그의 주요 구성 요소이다. 자외선에 의한 오존 광분해는 하이드록실 라디칼 HO•를 생성하며, 이는 공기 중에서 탄화수소를 제거하는 데 기여하지만, 동시에 과산화 아실 질산염과 같이 눈에 강한 자극을 주는 스모그 성분 생성의 첫 단계이기도 하다. 대류권 오존의 대기 수명은 약 22일이며, 주요 제거 메커니즘은 지표면으로 침착되는 것, 위에서 언급한 HO•를 생성하는 반응, 그리고 OH와 과산화 라디칼 HO₂•와의 반응이다.

지표면 오존 증가와 오염으로 인해 농업 수확량이 크게 감소했다는 증거가 있다. 이는 광합성을 방해하고 일부 식물 종의 전반적인 성장을 저해하기 때문이다. 미국 환경보호청(EPA)은 인체 건강 보호를 위해 고안된 1차 규제 외에 농작물 피해를 줄이기 위한 2차 규제를 제안했다.

비록 오존이 산업혁명 이전부터 지표면에 존재했지만, 최고 농도는 현재 산업화 이전 수준보다 훨씬 높으며, 오염원에서 멀리 떨어진 배경 농도조차 상당히 높습니다. 오존은 온실가스 역할을 하며 지구가 방출하는 적외선 에너지의 일부를 흡수합니다. 오존의 온실가스 효능을 정량화하기는 어려운데, 그 이유는 오존이 전 세계적으로 균일한 농도로 존재하지 않기 때문입니다. 그러나 기후변화와 관련된 가장 널리 받아들여지는 과학적 평가(예: 기후변화에 관한 정부 간 협의체 제3차 평가보고서)는 대류권 오존의 복사강제력이 이산화탄소의 약 25%라고 제안합니다.

대류권 오존의 연간 지구온난화지수는 918~1022톤의 이산화탄소 환산량/톤의 대류권 오존입니다. 즉, 분자당 기준으로 대류권의 오존은 이산화탄소보다 약 1,000배 강한 복사강제력 효과를 가지고 있습니다. 그러나 대류권 오존은 수명이 짧은 온실가스로, 대기 중에서 이산화탄소보다 훨씬 빠르게 분해됩니다. 즉, 20년 동안 대류권 오존의 지구온난화지수는 훨씬 적어서 약 62~69톤의 이산화탄소 환산량/톤의 대류권 오존입니다.

대류권 오존은 수명이 짧기 때문에 전 지구적인 영향은 강하지 않지만, 지역 규모에서는 매우 강한 복사강제력 효과를 가지고 있습니다. 실제로 대류권 오존의 복사강제력이 이산화탄소의 최대 150%에 달하는 지역도 있습니다. 예를 들어, 대류권의 오존 증가는 1955년부터 2000년 사이에 남극해 상층부의 약 30%의 내부 온난화를 담당하는 것으로 나타났습니다.

오존 전구체는 주로 화석 연료 연소 과정에서 배출되는 오염 물질 그룹입니다. 지표면 오존 오염(대류권 오존)은 이러한 전구체에 대한 햇빛 UV의 작용에 의해 지구 표면 근처에서 생성됩니다. 지표면의 오존은 주로 화석 연료 전구체에서 비롯되지만, 메탄은 자연적인 전구체이며, 지표면의 매우 낮은 자연적 배경 수준의 오존은 안전한 것으로 간주됩니다.

지표면 오존이 폐 기능을 손상시키고 호흡기계를 자극할 수 있다는 것을 보여주는 많은 증거가 있습니다. 오존(그리고 오존을 생성하는 오염 물질)에 대한 노출은 조기 사망, 천식, 기관지염, 심장 마비 및 기타 심폐 질환과 관련이 있습니다.

오존에 대한 장기간 노출은 호흡기 질환으로 인한 사망 위험을 증가시키는 것으로 나타났습니다. 미국 도시에 거주하는 45만 명을 대상으로 한 연구에서는 18년간의 추적 관찰 기간 동안 오존 수준과 호흡기 질환 사이에 상당한 상관관계가 있는 것으로 나타났습니다. 이 연구에 따르면 휴스턴이나 로스앤젤레스와 같이 오존 수준이 높은 도시에 거주하는 사람들은 폐 질환으로 사망할 위험이 30% 이상 증가했습니다.

세계보건기구, 미국 환경보호청(EPA), 유럽 연합 등의 대기 질 지침은 측정 가능한 유해한 건강 영향을 일으킬 수 있는 수준을 식별하기 위해 설계된 자세한 연구를 기반으로 합니다.

EPA의 과학자들에 따르면, 민감한 사람들은 40 nmol/mol만큼 낮은 오존 수준에도 악영향을 받을 수 있습니다. EU의 경우, 현재 오존 농도의 목표 값은 약 60 nmol/mol인 120 μg/m³입니다. 이 목표는 지침 2008/50/EC에 따라 모든 회원국에 적용됩니다. 오존 농도는 8시간 평균의 일일 최대 평균으로 측정되며, 이 목표는 2010년 1월부터 연간 25일을 초과해서는 안 됩니다. 이 지침은 앞으로 120 μg/m³ 한도를 엄격히 준수해야 한다는 것을 요구하지만(즉, 연중 어느 날에도 평균 오존 농도를 초과해서는 안 됨), 이 요구 사항에 대한 날짜는 설정되지 않았으며 장기 목표로 간주됩니다.

미국에서는 청정대기법이 EPA가 지표면 오존을 포함한 여러 오염 물질에 대한 국가 환경 대기 질 기준을 설정하도록 규정하고 있으며, 이러한 기준을 준수하지 않는 카운티는 오존 수준을 줄이기 위한 조치를 취해야 합니다. 2008년 5월, 법원 명령에 따라 EPA는 오존 기준을 80 nmol/mol에서 75 nmol/mol로 낮췄다. 이 조치는 기관의 과학자들과 자문 위원회가 기준을 60 nmol/mol로 낮추는 것을 권장했기 때문에 논란이 되었다. 많은 공중 보건 및 환경 단체들도 60 nmol/mol 기준을 지지했으며, 세계보건기구는 100 μg/m³(51 nmol/mol)을 권장합니다.

2010년 1월 7일, 미국 환경보호청(EPA)은 스모그의 주요 구성 요소인 오염 물질 오존에 대한 국가 환경 대기 질 기준(NAAQS)에 대한 개정안을 발표했습니다.

2015년 10월 26일, EPA는 2015년 12월 28일 시행일을 가진 최종 규칙을 발표하여 8시간 주요 NAAQS를 0.075 ppm에서 0.070 ppm으로 개정했습니다.

EPA는 일반 대중에게 대기 오염 수준을 설명하는 데 도움이 되는 대기 질 지수(AQI)를 개발했습니다. 현재 기준에 따르면, 8시간 평균 오존 몰 분율이 85~104 nmol/mol인 경우 "민감한 그룹에 유해함", 105 nmol/mol~124 nmol/mol인 경우 "유해함", 125 nmol/mol~404 nmol/mol인 경우 "매우 유해함"으로 설명됩니다.

오존은 복사기와 같은 전자 장비로 인해 실내 공기 오염에도 존재할 수 있습니다. 뇌우로 인한 꽃가루, 곰팡이 포자 및 오존 증가와 천식 환자의 병원 입원 사이의 관계가 알려져 있습니다.

빅토리아 시대에는 바다 냄새가 오존 때문이라는 영국의 민간 신화가 있었습니다. 사실, 특징적인 "바다 냄새"는 식물성 플랑크톤이 생성하는 화학 물질인 디메틸 설파이드 때문입니다. 빅토리아 시대 영국인들은 그 결과로 나는 냄새를 "상쾌한" 것으로 여겼습니다.
오존은 광화학 산화물의 주성분이다. 최근 일본에서는 광화학 스모그 주의보를 발령하는 도도부현의 수가 증가하고 있는데, 이는 중국 대륙으로부터의 월경 대기오염에 의해 광역화되고 있다고 생각된다. 또한, 오존의 강력한 산화력 때문에 식물과 농업에 대한 악영향이 우려된다.

또한, 농업 잔재에는 질소가 많이 포함되어 있으며, 이른바 논밭 태우기를 함으로써 이산화질소가 대량으로 발생한다. 더욱이 이산화질소는 자외선 에너지를 흡수하여 일산화질소와 원자상 산소로 분해되고, 생성된 원자상 산소는 산소 분자와 결합하여 강력한 산화성 물질인 오존을 생성하여 주변 생활 환경에 대한 악영향이 우려된다.

오존은 산소를 포함하는 산화력이 높은 화학종으로, 광의의 활성산소의 하나로 여겨진다. 활성산소는 좁은 의미로는 슈퍼옥사이드 음이온 라디칼이나 하이드록실 라디칼을 가리키며 오존을 포함하지 않지만, 수중에서의 분해 과정에서는 오존의 일부가 좁은 의미의 활성산소의 하나인 하이드록실 라디칼을 거쳐 분해되는 것도 알려져 있다.

자동차 등의 타이어를 보관할 때는 전기 기기 근처를 피하라는 설명이 타이어 제조사로부터 나오고 있지만, 그 이유는 발생 항에서 설명하고 있는 바와 같이 모터에서 발생하는 오존이 타이어의 주성분인 합성고무를 손상시키기 때문이다(오존 크랙킹).

==== 도시 지역의 저층 오존 ====
도시 지역은 자동차 배기가스, 산업 시설 등에서 배출되는 질소산화물(NOx)과 VOC로 인해 오존 농도가 높아지는 경향이 있다. 특히 여름철에는 기온 상승과 함께 오존 농도가 높아져 폭염 동안 열 관련 사망률을 높인다. 도시 지역의 폭염 기간 동안 지표면 오존 오염은 평소보다 20% 더 높을 수 있다.

콜로라도주 덴버-오로라 지역은 미국에서 14번째로 오존 오염이 심한 지역이다. 덴버는 오존량이 많은 도시중 하나이며, 2004년, EPA는 1997년 8시간 오존 기준에 따라 덴버 메트로/북 프런트 레인지를 미달 지역으로 지정했지만, 2007년까지 이 지위를 연기했다. 콜로라도 오존 행동 계획이 만들어졌고, 자동차 배기가스 검사가 확대되었고, 질소 산화물(NOx)과 휘발성 유기 화합물(VOC) 배출량을 줄이기 위한 변화가 있었다. 덴버-줄스버그 분지(DJB)에 위치한 석유 및 천연가스 산업또한 높은 오존 수치에 영향을 준다. 2011년에는 NOx 배출 감소에 도움이 되는 지역 헤이즈 계획이 발표되었다.

텍사스주 휴스턴의 오존 농도는 약 41 nmol/mol이며, 멕시코 멕시코시티는 약 125 nmol/mol이다.

==== 오존 크래킹 ====

오존 가스는 고분자 중에서도 사슬 구조 내에 올레핀기 또는 이중 결합을 가지고 있는 천연 고무, 니트릴 고무, 스티렌-부타디엔 고무 등을 공격한다. 이러한 고분자를 사용하여 제조된 제품은 특히 공격에 취약하며, 시간이 지남에 따라 균열이 더 길고 깊어집니다. 균열 성장 속도는 고무 부품에 가해지는 하중과 대기 중 오존 농도에 따라 달라진다. 이러한 재료는 왁스와 같이 표면에 결합하여 보호막을 생성하거나 재료와 혼합되어 장기적인 보호 기능을 제공하는 항오존제를 첨가하여 보호할 수 있다. 오존 크랙은 과거 자동차 타이어에서 심각한 문제였지만, 현대 타이어에서는 문제가 되지 않는다. 반면에 가스켓이나 O-링과 같은 많은 중요한 제품은 압축 공기 시스템 내에서 생성되는 오존에 의해 손상될 수 있다. 강화 고무로 만든 연료 라인도 특히 전기 부품에 의해 약간의 오존이 생성되는 엔진 실내에서 공격을 받기 쉽다. DC 전동기 근처에 고무 제품을 보관하면 오존 크랙이 가속화될 수 있다. 전동기의 정류자는 스파크를 발생시키고 이는 오존을 생성한다.
자동차 등의 타이어를 보관할 때는 전기 기기 근처를 피하라는 설명이 타이어 제조사로부터 나오고 있는데, 그 이유는 모터에서 발생하는 오존이 타이어의 주성분인 합성고무를 손상시키기 때문이다.

8.1. 도시 지역의 저층 오존

도시 지역은 자동차 배기가스, 산업 시설 등에서 배출되는 질소산화물(NOx)과 VOC로 인해 오존 농도가 높아지는 경향이 있다. 특히 여름철에는 기온 상승과 함께 오존 농도가 높아져 폭염 동안 열 관련 사망률을 높인다. 도시 지역의 폭염 기간 동안 지표면 오존 오염은 평소보다 20% 더 높을 수 있다.

콜로라도주 덴버-오로라 지역은 미국에서 14번째로 오존 오염이 심한 지역이다. 덴버는 오존량이 많은 도시중 하나이며, 2004년, EPA는 1997년 8시간 오존 기준에 따라 덴버 메트로/북 프런트 레인지를 미달 지역으로 지정했지만, 2007년까지 이 지위를 연기했다. 콜로라도 오존 행동 계획이 만들어졌고, 자동차 배기가스 검사가 확대되었고, 질소 산화물(NOx)과 휘발성 유기 화합물(VOC) 배출량을 줄이기 위한 변화가 있었다. 덴버-줄스버그 분지(DJB)에 위치한 석유 및 천연가스 산업또한 높은 오존 수치에 영향을 준다. 2011년에는 NOx 배출 감소에 도움이 되는 지역 헤이즈 계획이 발표되었다.

텍사스주 휴스턴의 오존 농도는 약 41 nmol/mol이며, 멕시코 멕시코시티는 약 125 nmol/mol이다.

8.2. 오존 크래킹

오존 가스는 고분자 중에서도 사슬 구조 내에 올레핀기 또는 이중 결합을 가지고 있는 천연 고무, 니트릴 고무, 스티렌-부타디엔 고무 등을 공격한다. 이러한 고분자를 사용하여 제조된 제품은 특히 공격에 취약하며, 시간이 지남에 따라 균열이 더 길고 깊어집니다. 균열 성장 속도는 고무 부품에 가해지는 하중과 대기 중 오존 농도에 따라 달라진다. 이러한 재료는 왁스와 같이 표면에 결합하여 보호막을 생성하거나 재료와 혼합되어 장기적인 보호 기능을 제공하는 항오존제를 첨가하여 보호할 수 있다. 오존 크랙은 과거 자동차 타이어에서 심각한 문제였지만, 현대 타이어에서는 문제가 되지 않는다. 반면에 가스켓이나 O-링과 같은 많은 중요한 제품은 압축 공기 시스템 내에서 생성되는 오존에 의해 손상될 수 있다. 강화 고무로 만든 연료 라인도 특히 전기 부품에 의해 약간의 오존이 생성되는 엔진 실내에서 공격을 받기 쉽다. DC 전동기 근처에 고무 제품을 보관하면 오존 크랙이 가속화될 수 있다. 전동기의 정류자는 스파크를 발생시키고 이는 오존을 생성한다.

자동차 등의 타이어를 보관할 때는 전기 기기 근처를 피하라는 설명이 타이어 제조사로부터 나오고 있는데, 그 이유는 모터에서 발생하는 오존이 타이어의 주성분인 합성고무를 손상시키기 때문이다.

9. 오존의 응용

사람에게 안전한 수준의 오존은 곰팡이와 박테리아를 죽이는 데 효과적이지 않다. 일부 소비자용 소독 및 화장품에는 인체 건강에 해로운 수준의 오존을 방출하는 제품이 있다.

높은 수준의 오존을 생성하는 장치(일부는 이온화를 사용)는 무인 건물, 방, 덕트, 나무 창고, 보트 및 기타 차량을 소독하고 탈취하는 데 사용된다.

오존수는 옷을 세탁하고 식품, 음용수 및 가정용 표면을 소독하는 데 사용된다. 미국 식품의약국(FDA)에 따르면, "육류 및 가금류를 포함한 식품에 대한 항균제로서 기체 및 수용액 상의 오존의 안전한 사용을 규정하기 위해 식품첨가물 규정을 개정 중"이라고 한다. 캘리포니아 폴리테크닉 주립대학교(California Polytechnic State University)의 연구에 따르면, 정수된 수돗물에 용해된 0.3 μmol/mol 수준의 오존은 살모넬라균, 대장균 0157:H7 및 캄필로박터와 같은 식품 매개 미생물의 99.99% 이상을 감소시킬 수 있다고 한다. 이 양은 위에서 언급한 세계보건기구(WHO) 권장 기준치의 20,000배이다.

오존은 과일과 채소에서 농약 잔류물을 제거하는 데 사용될 수 있다.

오존은 가정과 온수 욕조에서 물 속의 박테리아를 죽이고, 자유 상태로 재활성화하여 필요한 염소 또는 브롬의 양을 줄이는 데 사용된다. 오존은 물에 충분히 오래 남아 있지 않기 때문에, 오존 자체만으로는 입욕자 간의 교차 오염을 방지하는 데 효과적이지 않으며, 할로겐과 함께 사용해야 한다. 자외선 또는 코로나 방전에 의해 생성된 기체 오존을 물에 주입한다.

오존은 수족관과 어항의 물 처리에도 널리 사용된다. 오존을 사용하면 박테리아 증식을 최소화하고, 기생충을 제어하고, 일부 질병의 전파를 없애고, 물의 "황변"을 줄이거나 없앨 수 있다. 오존은 물고기의 아가미 구조와 접촉해서는 안 된다. 자연 해수(생물체 포함)는 충분한 "즉각적 수요"를 제공하여, 제어된 양의 오존이 브롬 이온을 차아브롬산으로 활성화하고, 오존은 몇 초에서 몇 분 안에 완전히 분해된다. 산소를 공급받는 오존을 사용하는 경우, 물의 용존 산소량이 높아지고 물고기의 아가미 구조가 위축되어 산소가 풍부한 물에 의존하게 된다.

오존은 불소 다음으로 강력한 산화 작용을 가지고 있으며, 살균, 바이러스 불활화, 탈취, 탈색, 유기물 제거 등에 사용된다.

일본과 미국에서는 식품첨가물로 허가되어 있다.

9.1. 산업 분야

오존은 강력한 산화제로, 다양한 산업 분야에서 활용된다. 오존은 의약품, 합성 윤활유 등 다양한 유기 화합물 제조에 사용되며, 탄소-탄소 결합을 절단하는 오존 분해 반응에 사용되는 중요한 시약이다.

오존은 상수도 처리 과정에서 염소를 대체하여 사용될 수 있으며, 철, 망간, 황화수소 등을 제거하고 시안화물과 요소를 분해하는 데 효과적이다. 또한, 람블편모충 및 크립토스포리디움과 같은 수인성 기생충 제거에도 사용된다. 많은 지방 자치단체의 상수도 시스템에서는 염소 대신 오존으로 박테리아를 살균한다. 일본의 東京都水道局, 大阪市水道局 등 여러 지방자치단체에서 상수도 고도정수처리에 오존을 사용하고 있다.

오존은 폐수 처리, 식품 가공, 섬유 표백, 반도체 세정 등 다양한 산업 분야에서 살균, 소독, 탈취, 표백 목적으로 사용된다. 병원, 식품 공장, 요양원 등의 세탁물 소독, 화재 후 공기와 물체의 탈취, 식품 및 접촉 표면의 박테리아 살균, 저장 곡물의 해충 구제, 신선한 과일과 채소 세척 등에 활용된다. 특히, 양조장과 낙농장과 같은 물 사용량이 많은 산업체에서는 화학 살균제 대신 용존 오존을 사용하기도 한다.

목재 펄프 표백 과정에서 염소 또는 이산화염소의 대안으로 사용되기도 하며, 고품질의 흰색 종이 제조에 사용된다. 금 및 은 광산에서 발생하는 시안화물 폐기물을 해독하는 데에도 사용될 수 있다.

청바지를 오래 입은 듯한 느낌으로 만드는 오존 가공에도 사용된다.

유럽에서는 의료 분야에서 오존 활용이 다수 시도되었으며, 일본에서도 의료, 간호, 식품, 농업 등 다양한 분야에서 살균, 탈취, 폐기물 처리 목적으로 사용되고 있다. 호텔 객실 등에 설치되는 소형 탈취용 오존 발생기도 판매되고 있다. 일본과 미국에서는 식품첨가물로 허가되어 있다.

반도체 부품 세척 과정에서 발생하는 폐수 처리의 환경 부하를 줄이기 위해, 오존수를 사용한 세척 방법이 사용되기도 한다.

세탁기 중에는 물을 사용하지 않거나, 오존 기류를 이용하여 살균 및 세탁을 하는 경우도 있다.

9.2. 농업 분야

오존은 농작물 병해 방지, 농산물 저장 중 살균, 토양 내 중금속 추출 등에 활용될 수 있다. 오존은 불소 다음으로 강력한 산화 작용을 가지고 있어, 살균, 바이러스 불활화, 탈취 등에 사용되며, 일본과 미국에서는 식품첨가물로 허가되어 있다. 농약 대신 병해 방지에 사용되어 농작물에 잔류하지 않는 병해 방제로 이용될 수 있으며, 수확한 농산물의 살균에도 이용된다. 오이 흰가루병 등의 병해 방지가 가능하여 농약 저감이 기대되며, 보리, 당근의 발아율 향상 및 숙주나물, 열무, 토마토의 생육 촉진 효과도 확인되었다. EDTA를 사용하여 토양에서 Pb, Am, Pu 등의 중금속 추출을 용이하게 할 수 있다.

하지만 오존은 식물 생장에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 오존은 총 엽록소, 카로티노이드 및 탄수화물 농도를 감소시키고, 에틸렌 생성을 증가시킨다. 고추 식물을 대상으로 한 연구에서는 오존이 과일 수확량을 감소시키고 과일 품질을 변화시키는 것으로 나타났다. 2022년 연구에 따르면 동아시아는 오존 오염으로 인해 매년 630억 달러의 농작물 손실을 입으며, 중국은 잠재적인 밀 생산량의 3분의 1과 쌀 생산량의 4분의 1을 손실하고 있다.

오존을 신선하게 썬 파인애플과 바나나에 적용하면 플라보노이드와 총 페놀 함량이 증가하고, 토마토는 β-카로틴, 루테인, 라이코펜이 증가한다. 그러나 딸기에 오존을 적용하면 아스코르브산 함량이 감소한다.

9.3. 의료 분야

일부 국가에서는 오존을 의료 분야에서 활용하며, 난치성 질환 치료, 암 보조 요법 등에 효과가 있다고 주장한다. 오존은 불소 다음으로 강력한 산화 작용을 가지고 있으며, 살균, 바이러스 불활화, 탈취, 탈색, 유기물 제거 등에 사용된다. 일본에서는 1923년 오가와 마사히코(小川正彦)에 의해 의료용 오존 가스 발생기가 발명되었고, 유럽에서는 1957년 독일에서 발명되었다. 치과에서는 오존을 이용한 충치 치료법(힐 오존)이 사용되기도 한다. 의학적 상태 치료를 위한 오존 사용은 고품질 증거에 의해 뒷받침되지 않으며, 일반적으로 대체의학으로 간주된다.

10. 오존의 독성 및 건강 영향

오존은 강력한 산화제로, 고농도에서 인체에 유해하며, 특히 호흡기, 눈, 심혈관계에 영향을 미친다. 급성 오존 중독은 기침, 호흡 곤란, 폐 기능 저하 등을 유발할 수 있으며, 만성 오존 중독은 호흡기 질환, 심혈관 질환, 신경계 이상 등을 초래할 수 있다. 어린이, 노인, 호흡기 질환자, 심혈관 질환자 등은 오존에 더 취약하다.

지난 수십 년 동안 과학자들은 급성 및 만성 오존 노출이 인체 건강에 미치는 영향을 연구해 왔으며, 수백 건의 연구 결과 오존이 도시 지역에서 발견되는 수준에서 사람들에게 해롭다는 것이 밝혀졌다.

미국 폐협회(American Lung Association)는 오존 흡입의 영향에 특히 취약한 다섯 가지 인구 집단을 다음과 같이 밝혔다.

* 어린이와 청소년
* 65세 이상 고령자
* 야외에서 일하거나 운동하는 사람들
* 천식 및 만성 폐쇄성 폐 질환(COPD, 폐기종 및 만성 기관지염 포함)과 같은 기존 폐 질환이 있는 사람들
* 심혈관 질환이 있는 사람들

추가적인 증거에 따르면 여성, 비만인 사람들, 저소득층 인구도 오존으로 인한 위험이 더 높을 수 있지만, 더 많은 연구가 필요하다.

오존은 기체이므로 폐와 전체 호흡기에 직접적인 영향을 미친다. 흡입된 오존은 폐 기능의 염증과 급성(그러나 가역적인) 변화를 유발하고, 기도 과민성을 유발한다. 이러한 변화는 호흡 곤란, 천명음 및 기침을 유발하며, 천식이나 만성 폐쇄성 폐 질환(COPD)과 같은 폐 질환을 악화시켜 치료가 필요할 수 있다. 급성 및 만성 오존 노출은 호흡기 감염 위험 증가와 관련이 있다.

오존 노출은 폐 조직 내 면역 반응의 변화를 유발하여 선천성 및 적응성 면역 반응 모두를 방해하고 폐 상피 세포의 보호 기능을 변화시킨다. 이러한 면역 반응 변화와 관련된 염증 반응은 지표면 오존 오염에 노출된 후 폐 감염 위험 증가 및 천식 악화 또는 유발에 기여하는 요인으로 생각된다.

오존 흡입은 면역 체계와 폐뿐만 아니라 심장에도 영향을 미쳐 단기적인 자율 신경 불균형을 유발하여 심박수 변화와 심박수 변이도 감소를 초래한다. 고농도 오존에 단 1시간 노출되는 것만으로도 노인에게 상심실성 부정맥을 유발하고, 조기 사망 및 뇌졸중 위험을 증가시킨다. 또한 오존은 혈관 수축을 유발하여 전신 동맥압을 증가시켜 기존 심장 질환이 있는 환자의 심혈관 질환 발병률 및 사망률을 증가시킨다.

만성 오존 노출은 어린이, 특히 천식이 있는 어린이에게 해로운 영향을 미치며, 입원 위험을 증가시킨다. 어린 아이와 저소득층 아이들은 더 큰 위험에 처해 있다. 호흡기 질환(천식, 만성 폐쇄성 폐 질환(COPD), 폐암)을 앓고 있는 성인은 만성 오존 노출로 인해 사망률과 이환율이 더 높으며, 중환자는 급성 호흡곤란 증후군(ARDS)이 발생할 위험이 증가한다.

오존 전구체는 주로 화석 연료 연소 과정에서 배출되는 오염 물질 그룹이다. 지표면 오존 오염(대류권 오존)은 이러한 전구체에 대한 햇빛 UV의 작용에 의해 지구 표면 근처에서 생성된다. 지표면의 오존은 주로 화석 연료 전구체에서 비롯되지만, 메탄은 자연적인 전구체이며, 지표면의 매우 낮은 자연적 배경 수준의 오존은 안전한 것으로 간주된다. 지표면 오존은 폐 기능을 손상시키고 호흡기계를 자극할 수 있으며, 오존(그리고 오존을 생성하는 오염 물질)에 대한 노출은 조기 사망, 천식, 기관지염, 심장 마비 및 기타 심폐 질환과 관련이 있다.

세계보건기구, 미국 환경보호청(EPA), 유럽 연합 등의 대기 질 지침은 측정 가능한 유해한 건강 영향을 일으킬 수 있는 수준을 식별하기 위해 설계된 자세한 연구를 기반으로 한다.

오존은 활성산소의 하나로 여겨지며, 백혈구 및 기타 생물학적 시스템에 의해 생성되어 이물질을 파괴하는 수단으로 사용된다. 오존은 유기 이중 결합과 직접 반응하며, 오존이 이산소로 분해될 때 생성되는 산소 자유 라디칼은 매우 반응성이 높고 많은 유기 화합물을 손상시킬 수 있다. 오존의 강력한 산화력은 염증의 원인이 될 수 있다고 여겨진다.

흡입 시 오존은 폐를 감싸는 화합물과 반응하여 특정 콜레스테롤 유래 대사산물을 형성하는데, 이는 죽상 동맥 경화증 판(일종의 심장 질환)의 축적과 발병에 기여하는 것으로 생각된다.

오존은 강한 산화력 때문에 주요 자극물질이며, 특히 눈과 호흡기에 영향을 미치고 낮은 농도에서도 위험할 수 있다. 매우 낮은 농도의 오존조차도 상기도와 폐에 해로울 수 있으며, 손상의 심각도는 오존 농도와 노출 기간 모두에 따라 달라진다. 비교적 낮은 농도에 단기간 노출되더라도 심각하고 영구적인 폐 손상이나 사망을 초래할 수 있다.

여객기에서 고농도 오존 노출이 발생할 수 있으며, 그 수준은 고도와 대기 난류에 따라 달라진다. 미국 연방 항공청(Federal Aviation Administration) 규정은 250 nmol/mol의 한계를 설정하며, 최대 4시간 평균은 100 nmol/mol이다. 일부 항공기에는 승객의 노출을 줄이기 위해 환기 시스템에 오존 변환기가 장착되어 있다.

급성 중독의 경우 눈과 호흡기가 자극을 받고, 고농도가 될수록 기침과 어지러움이 발생한다. 더욱 고농도가 되면 호흡곤란과 마비, 그리고 혼수 상태가 되어 방치하면 사망한다.
만성 중독의 경우 권태감과 신경과민 등 신경 이상이나 호흡기 이상을 초래한다.

오존은 광화학 산화물의 주성분이다. 최근 일본에서는 광화학 스모그 주의보를 발령하는 도도부현의 수가 증가하고 있는데, 이는 중국 대륙으로부터의 월경 대기오염에 의해 광역화되고 있다고 생각된다. 또한, 오존의 강력한 산화력 때문에 식물과 농업에 대한 악영향이 우려된다.

11. 대한민국 환경부 오존 예보 및 경보제

대한민국 환경부는 국민 건강 보호를 위해 오존 농도에 따른 예보 및 경보제를 운영하고 있다. 오존 예보는 좋음, 보통, 나쁨, 매우 나쁨의 4단계로 구분되며, 오존 경보는 주의보, 경보, 중대 경보의 3단계로 발령된다.

미국 환경보호청(EPA)은 2010년 1월 7일 스모그의 주요 구성 요소인 오존에 대한 국가 환경 대기 질 기준(NAAQS) 개정안을 발표했고, 2015년 10월 26일에는 8시간 주요 NAAQS를 0.075 ppm에서 0.070 ppm으로 개정하는 최종 규칙을 발표했다. EPA는 대기 오염 수준을 설명하기 위해 대기 질 지수(AQI)를 개발했다.

오존 농도가 높은 날에는 야외 활동을 자제하고, 실내 환기를 최소화하며, 대중교통을 이용하는 등 오존 노출을 줄이기 위한 노력이 필요하다. 오존은 강한 산화력 때문에 낮은 농도에서도 눈과 호흡기에 자극을 줄 수 있으며, 고농도에 노출될 경우 심각한 폐 손상이나 사망을 초래할 수 있다.