오존층
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1. 개요
오존층은 지구 대기 중 오존 농도가 높은 부분으로, 주로 성층권에 위치하며, 태양으로부터 오는 유해한 자외선을 흡수하여 생명체를 보호하는 역할을 한다. 오존층은 자외선에 의해 산소 분자가 분해되어 생성되며, 오존의 생성과 분해 과정은 시드니 채프먼에 의해 밝혀졌다. 1970년대 이후 프레온 등 인위적인 화학 물질 사용으로 오존층이 파괴되기 시작했으며, 이는 피부암, 백내장, 생태계 파괴 등 다양한 문제로 이어졌다. 1985년 남극 오존홀 발견 이후 몬트리올 의정서와 같은 국제적 노력을 통해 오존층 파괴 물질 규제가 이루어졌으며, 그 결과 오존층 파괴 속도가 감소하고 21세기 중반에는 회복될 것으로 예상된다.
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오존홀은 오존층의 오존 농도가 감소하여 자외선 투과율이 높아지는 현상으로, 프레온 가스에 의해 파괴되며, 몬트리올 의정서를 통해 오존층 회복을 위한 노력이 진행되고 있다. - 오존층 파괴 - 염화 플루오린화 탄소
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| 오존층 | |
|---|---|
| 지도 정보 | |
| 일반 정보 | |
| 명칭 | 오존층 |
| 영어 명칭 | ozone layer, ozonosphere |
| 구조 및 위치 | |
| 고도 범위 | 15 ~ 35 km |
| 온도 | 5500 ~ 6000 K |
| 오존 | |
| 역할 | 태양으로부터 오는 자외선을 흡수하여 지구 생명체를 보호 |
| 기타 행성 | |
| 금성 | 금성에도 오존층 존재 |
2. 오존층의 정의 및 특성
오존층은 지구 대기 중에서 오존(O₃)의 농도가 상대적으로 높은 부분을 의미하며, 주로 성층권(고도 10~50km)에 위치한다. 오존층의 두께는 전 세계적으로 다르며, 일반적으로 적도 근처에서는 얇고 극지방 근처에서는 두껍다.[9] 두께는 주어진 지역 상공의 오존량을 나타내며 계절에 따라 변한다. 이러한 변화의 원인은 대기 순환 패턴과 태양의 강도 때문이다.[10]
1930년 시드니 채프먼이 광화학 메커니즘을 이용하여 오존을 발생시키는 방법을 밝혔다. 지구 성층권 내의 오존은 자외선에 의한 산소분자의 분리에 의해 생성된다. 대기 중 오존의 10%는 대류권에 포함되어 있는데 그곳에서 우리 기상의 모두가 발생한다. 대류권 오존은 두 가지 근원이 있다. 약 19%는 성층권에서 내려온 것인 반면 나머지는 다른 메커니즘으로 더 적은 비율로 발생된 것이다.
일반적으로 대기 중 오존의 90%가 존재하는 성층권의 고농도 오존대를 가리키며, 고도 10~50 km 부근으로 여겨진다.[31] 오존층에 대한 정의는 다음과 같다.
| 정의 | 출처 |
|---|---|
| 고도 10~50 km의 성층권 | 유엔환경계획(UNEP)의 Q&A집[30] 및 환경부 자료[31] |
| 고도 15~60 km | 미국기상학회 용어집[32] |
| 대기경계층(고도 약 1 km) 이상의 대기 오존층 | 오존층 보호를 위한 빈 협약[33] |
오존 농도가 가장 높은 곳은 고도 20 km 부근이며, 1세제곱센티미터(cm²)당 약 10¹³개(= 10조 개)의 오존 분자가 존재한다. 오존의 혼합비(건조 공기에 대한 질량 비)가 가장 높은 곳은 고도 30 km 부근으로 9~10 ppm이다.[32]
오존층은 46억 년 전 지구가 탄생했을 당시부터 존재했던 것은 아니다. 탄생 초기 지구의 원시 대기는 주로 이산화탄소로 이루어져 있었고, 산소 분자는 거의 존재하지 않았기 때문에 오존 또한 거의 존재하지 않았다. 대기 중 산소 분자의 양이 증가하기 시작하면서 오존도 증가하기 시작했다.
원시 대기에는 자외선을 흡수하는 물질이 없었기 때문에 지상까지 강한 자외선이 내리쬐었지만, 산소 농도가 상승하면서 오존이 증가하여 지상에 내리쬐는 자외선의 양은 급격히 감소했다. 당시 오존 농도가 높은 오존층은 성층권이 아니라 지표면 근처에 존재했다. 이는 산소 농도가 낮아 산소를 광분해시키는 자외선이 지표면 근처까지 도달했기 때문이다. 산소 농도가 상승함과 동시에 자외선이 도달할 수 있는 한계 고도가 높아졌고, 이에 따라 오존층도 상층으로 이동해 갔다.
원시 대기에서는 산소 농도 상승 속도에 비해 오존 농도 상승 속도가 훨씬 더 컸다. 예를 들어 산소가 현재의 100분의 1 수준으로 희박했던 20억 년 전 대기에서도 오존은 현재의 5분의 1 수준이었다. 오존 농도는 산소에 비해 매우 희박하지만, 산소가 적은 원시 대기에서도 자외선의 양은 과거에도 큰 변화가 없었기 때문에, 현재와 비교하여 적지 않은 양의 오존이 생성되었다.[37][38]
5억 4천만 년 전~5억 3천만 년 전 캄브리아기 대폭발이나 4억 년 전 척추동물의 육지 진출(양서류 탄생)과 관련해서도, 생물에 유해한 자외선을 감소시키는 오존층과의 관계가 거론된다. 이 무렵에는 산소 농도 상승으로 오존층 고도가 높아져 지표면 근처 오존 농도가 저하된 시기와 오존 농도가 높아져 지상의 자외선이 더욱 감소한 시기가 일치한다. 하지만 캄브리아기 대폭발의 원인을 다세포 생물의 접착 분자 생합성에 필요한 산소 농도 상승이나, 천해역 확대로 인한 생물 서식 범위 증가에 두는 설도 있어, 오존층과 캄브리아기 대폭발의 관련성은 증명되지 않았다.[39]
최근 화석 연료 소비에 따라 대기 중 산소 농도가 감소하고 있다는 보고가 있다. 평형 관계에 있는 산소 감소는 오존 농도 저하로 이어진다. 하지만 산소 감소량은 2005년 시점에서 매우 작은 값(연평균 0.0004%, 224억 톤)에 머물러 있다.[40]
2. 1. 오존의 생성과 소멸
1930년 시드니 채프먼이 밝혀낸 광화학 메커니즘에 의해 지구 성층권 내에서 오존이 생성된다. 이 과정은 자외선이 산소분자를 분해하면서 시작된다.[36]분해된 산소 원자는 부서지지 않은 다른 산소 분자와 결합하여 오존을 생성한다. 오존 분자는 불안정하지만 성층권에서는 수명이 길다. 자외선이 오존과 부딪히면 다시 산소 분자와 산소 원자로 나뉘는 '오존-산소 순환(Ozone-oxygen cycle)' 과정이 반복된다. 이러한 작용을 통해 성층권 내, 지표로부터 약 10km에서 50km 영역에 오존층이 형성된다.[36]
대기 중 오존의 약 90%가 성층권에 존재하며, 오존 농도는 지표로부터 15~40km 부근에서 최대가 된다. 이 영역에서 오존 농도는 2~8ppm이다. 만약 이 오존을 해수면 공기압력으로 압축하면 수 mm 두께에 불과하다.[36]
오존 생성 및 소멸의 화학 반응식은 다음과 같다.[36]
- 자연계에서 오존을 생성하는 유일한 반응
:
- 생성된 오존은 자외선을 흡수하여 해리
:
(M은 주로 질소나 산소 분자이며, 반응 에너지를 받는 역할을 한다.)
위의 두 반응은 매우 빠르게 진행되어 O₃와 O는 평형 상태를 이루며, 이 둘의 합인 홀수 산소(Ox = O₃ + O)는 변하지 않는다. Ox를 변화시키는 아래의 두 반응은 상대적으로 느리게 진행된다.[36]
- 생성 반응
:
- 분해 반응
:
이러한 반응 메커니즘은 시드니 채프먼이 1930년에 고안했으며, '''채프먼 메커니즘'''이라고 불린다. 성층권 오존층의 농도는 2–8 ppm으로 지표의 0.03 ppm에 비해 매우 높다.[36]
산소 분자 밀도는 고도가 높아질수록 낮아지는 반면, 산소 분자가 흡수하는 자외선은 고도가 높을수록 강하다. 오존 생성은 이 두 요인에 모두 의존하기 때문에 특정 고도(성층권 중부 20–30km 부근)에서 오존 밀도가 최대가 된다.[36]
2. 2. 오존의 분포
오존은 주로 적도 부근에서 생성되어 브루어-돕슨 순환이라는 대기 순환에 의해 극지방으로 이동한다. 따라서 오존층의 두께는 위도와 계절에 따라 달라지며, 일반적으로 적도보다 극지방에서 더 두껍다.[9]대부분의 오존은 열대 지방에서 생성되며 성층권의 바람 패턴에 의해 극지방으로 이동한다. 북반구에서는 브루어-돕슨 순환으로 인해 오존층이 봄에 가장 두껍고 가을에 가장 얇다.[9] 열대 지방에서 태양 자외선 복사에 의해 오존이 생성될 때, 대류권에서 오존이 부족한 공기를 성층권으로 들어 올리는 순환 작용을 통해 이루어진다. 태양이 산소 분자를 광분해하여 오존으로 변환시킨다. 그런 다음 오존이 풍부한 공기가 고위도로 이동하여 대기의 하층으로 내려온다.[9]
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오존은 주로 일사량이 많은 적도 상공의 열대 성층권 하부에서 가장 활발하게 생성된다. 생성된 오존은 적도에서 양극으로 향하는 브루어-돕슨 순환에 의해 고위도 성층권으로 운반되므로, 중·고위도 지역이 열대 지역보다 오존량이 많아진다.
브루어-돕슨 순환은 성층권 하부(고도 20km 부근)에서 일 년 내내 계속되기 때문에 오존 수송은 연중 끊이지 않는다. 하지만 겨울철 성층권에는 극 부근에 극소용돌이라는 제트 기류대가 있으며, 극소용돌이의 남북을 넘나드는 열이나 물질 수송이 어려워 열 수송이 차단되고 저온이 된다. 특히 남극에서는 겨울 동안 다량의 극성층권운(PSC)이 생성된다.
2. 3. 오존의 농도 단위 (도브슨 단위)
지구상의 어떤 지점에서 대기 중 오존량을 나타내는 단위로 '''도브슨 단위'''(Dobson units)가 자주 사용된다. 도브슨 단위는 측정 지점에서 지상부터 상공까지의 대기 중에 존재하는 전체 오존을 집적하여, 0℃, 1기압 상태로 환산했을 때의 두께로 표현된다. 1cm의 두께라면 1 atm−cm이지만, 일반적으로는 이것의 1/1000인 m atm−cm(밀리에이텀센티미터)를 사용하며, 이것을 도브슨 단위라고 하고 DU로 줄여쓰기도 한다.오존량은 위도 또는 계절 등에도 크게 좌우되지만, 적도 부근에서는 약 250 DU로 적고, 중위도∼고위도 지역에서는 300–450 DU 정도가 된다. 극 지역에 오존홀이 생성된 경우 중심부가 100 DU 정도가 되는 경우도 있다.
3. 오존층의 발견과 역사
성층권의 발견은 19세기 후반에 열기구를 이용한 대기 중의 태양광 분석 실험이 실시되기 시작하면서 이루어졌다.
대기 중에서는 파장이 150~320nm인 자외선을 관측할 수 있지만 지표에서는 거의 관측되지 않았다. 이로써 과학자들은 대기 중에 파장이 150nm~320nm인 자외선을 흡수하는 것이 있다는 것을 추론할 수 있었다. 그 후 여러 과학자들에 의해 오존의 생성과 파괴 시 150~320nm의 자외선을 흡수한다는 것이 밝혀졌다.
1839년에 스위스의 화학자 크리스티안 프리드리히 쇤바인은 오존을 발견하고, 그 특유의 냄새에서 그리스어로 "냄새"를 의미하는 "ozein"을 기반으로 명명했다. 1879년에 마리 알프레드 코르뉴는 태양광의 스펙트럼 관측에서 300 나노미터(nm)보다 짧은 파장의 자외선이 지표 부근에서 관측되지 않고, 대기가 자외선을 차단하고 있음을 발견했다. 1881년에 아일랜드의 화학자 월터 노턴 하틀리는 실험실에서 300 nm보다 짧은 파장의 자외선이 오존에 의해 강하게 흡수되는 것을 발견했고(하틀리 밴드 흡수), 대기가 자외선을 차단하는 원인이 오존이라고 제안했다. 1913년에 존 윌리엄 스트럿(제3대 레일리 남작)은 하층 대기에서는 자외선의 흡수가 없다는 것을 발견했다. 같은 해 샤를 파브리와 앙리 부아송 두 명의 프랑스 과학자에 의해 "오존층"의 존재가 발견되었다. 1920년에는 고든 밀너 도브슨이 과학적 측정을 통해 오존층의 존재를 증명했다.[34][35][36]
4. 오존층의 역할: 자외선 차단
오존층은 성층권에 위치하며, 태양으로부터 오는 해로운 자외선을 흡수하여 지구의 생태계를 보호하는 중요한 역할을 한다. 오존층은 특히 생명체에 유해한 UV-B와 UV-C를 대부분 흡수한다.
오존층은 자외선을 흡수하는 과정에서 오존 분자가 산소 분자와 산소 원자로 분해되고, 다시 결합하여 오존을 생성하는 과정을 반복한다. 이러한 '오존-산소 순환'을 통해 자외선 에너지를 열에너지로 변환시켜 성층권의 온도를 상승시키는 역할도 한다.
캄브리아기 대폭발(5억 4천만 년 전~5억 3천만 년 전)이나 척추동물의 육지 진출(양서류의 탄생, 4억 년 전)과 관련하여, 생물에 유해한 자외선을 감소시키는 오존층의 역할이 주목받고 있다.
4. 1. 자외선의 종류와 영향
자외선은 파장에 따라 UV-A (400–315 nm), UV-B (315–280 nm), UV-C (280–100 nm)로 나뉜다.[7]모든 생물에게 매우 유해한 UV-C는 약 35km 고도에서 산소 분자(< 200nm)와 오존(> 약 200nm)의 결합에 의해 완전히 차단된다.[7] UV-B는 피부에 해롭고 일광화상의 주요 원인이며, 과도한 노출은 백내장, 면역 체계 억제 및 유전적 손상을 일으켜 피부암과 같은 문제를 야기할 수 있다. 오존층은 UV-B를 차단하는 데 매우 효과적이다. 290nm 파장의 방사선의 경우, 대기 상단의 강도는 지구 표면의 3억 5천만 배 더 강하다. 그럼에도 불구하고, 특히 가장 긴 파장의 일부 UV-B는 지표면에 도달하며, 포유류의 비타민 D 생성에 중요하다.[7]
오존은 대부분의 UV-A에 대해 투명하므로, 이 더 긴 파장의 자외선 대부분이 지표면에 도달하며, 지구에 도달하는 자외선의 대부분을 차지한다. 이러한 유형의 자외선은 DNA에 대한 해로움이 상당히 적지만, 여전히 잠재적으로 물리적 손상, 조기 피부 노화, 간접적인 유전적 손상 및 피부암을 일으킬 수 있다.[8]
5. 오존층 파괴
1970년대 후반 이후 전 세계적으로 오존 수치는 약 4% 감소했다. 지구 표면의 약 5%를 차지하는 북극과 남극 주변에서는 훨씬 더 큰 계절적 감소가 관찰되었으며, 이는 오존홀로 설명된다. 오존홀은 실제로 오존층이 더 얇은 부분을 말하며, 지구 축의 극점에 위치한다.[14] 1985년 5월 16일 ''네이처''에 실린 조 파만, 브라이언 가디너, 조너선 샹클린의 논문은 남극 상공의 오존 연간 감소 현상을 처음으로 발표했다.
오존층 파괴는 성층권에서 자외선 흡수 감소를 일으켜, 더 많은 양의 위험한 자외선이 지표면에 도달하게 한다.
미국 환경보호청(EPA)이 시행한 청정대기법은 오존 오염을 규제하는 대표적인 시도이다. 이 법은 국가 환경 대기 질 기준(NAAQS)을 설정하여 카운티, 도시, 부족 지역이 기준을 준수하도록 하고, EPA가 각 지역의 오염 물질 규제를 지원한다.[15]
셸던 언가르의 연구에 따르면, 오존층 파괴와 기후 변화에 대한 정보는 "대중 문화에서 파생된 이해하기 쉬운 중개적 은유"와 "일상 생활과 관련된 즉각적인 위험"을 통해 효과적으로 전달될 수 있다.[16] 특히 '오존 보호막', '오존 구멍'과 같은 은유는 대중에게 오존층 문제의 심각성을 알리는 데 큰 역할을 했다.
지구 대기권에 재진입하는 위성은 산화알루미늄(Al2O3) 나노입자를 생성하여 수십 년 동안 대기 중에 남아있게 한다.[17] 2022년에만 약 17톤의 나노입자가 생성되었으며, 위성 집단의 증가는 오존층 파괴를 심화시킬 수 있다.[17]
"나쁜" 오존은 천식, COPD, 폐기종과 같은 호흡기 질환을 악화시킨다.[18] 많은 국가에서 "좋은" 오존을 보호하고 "나쁜" 오존 증가를 방지하기 위해 노력하고 있으며, 유럽 연합은 특정 제품의 구매, 유통, 사용에 대한 엄격한 지침을 마련했다.[19] 효과적인 규제를 통해 오존층은 회복될 것으로 예상된다.[20]
1978년 미국, 캐나다, 노르웨이는 CFC 함유 에어로졸 스프레이를 금지했지만, 유럽 공동체는 유사한 제안을 거부했다. 미국에서는 1985년 남극 오존 구멍 발견 전까지 프레온이 다른 용도로 계속 사용되었다. 몬트리올 의정서 체결 후, 프레온 생산은 1986년 수준으로 제한되었고, 이후 단계적 감축이 이루어졌다.[21] 개발도상국은 10년간의 유예 기간을 가졌다.[22] 조약은 1995년(선진국)과 이후 개발도상국에서 프레온 생산을 금지하도록 개정되었고,[23] 197개국이 서명했다. 1996년 1월 1일부터 미국 등 선진국에서는 재활용되거나 비축된 프레온만 사용 가능했으며, 대체 화학 물질 및 기술 개발 노력으로 생산 감축이 가능했다.[24]
2003년 8월, 과학자들은 오존층 파괴 물질 규제로 인해 오존층 파괴 속도가 감소하고 있다고 발표했다. 미국 지구물리학 연합 연구에서 위성과 지상 관측소 자료를 통해 상층 대기 오존층 파괴 속도 감소가 확인되었다. 그러나 오존층 파괴 물질의 잔류와 긴 수명으로 인해 파괴는 계속될 것으로 예상되었다. 21세기 중반에 오존층이 1980년대 수준으로 회복될 것으로 추정되었으며,[25] 2016년에는 "치유" 추세가 보고되었다.[26]
하이드로클로로플루오로카본(HCFC)은 C-H 결합을 포함하여 프레온 대체 물질로 설계되었지만, 반응성이 높아 성층권에 도달하기 전에 분해될 가능성이 높다. 하지만 HCFC도 오존층에 부정적 영향을 미쳐 단계적으로 폐지되고 있으며,[27] 수소불화탄소(HFC) 등 오존층을 파괴하지 않는 물질로 대체되고 있다.
대기 중 프레온의 잔류 효과는 대기와 해양 간 농도 기울기를 유발한다. 유기 할로겐 화합물은 해양 표면수에 용해되어 시간 의존 추적자 역할을 하며, 과학자들의 해양 순환 연구에 활용된다.[28]
5. 1. 오존층 파괴 물질
자유 라디칼 촉매를 포함한 질소산화물(NO), 아산화질소(N₂O), 하이드록실(OH), 원자 염소(Cl), 원자 브롬(Br)에 의해 오존층은 파괴될 수 있다. 이러한 모든 화학종에는 자연적인 발생원이 있지만, 최근 수십 년 동안 인공적으로 만들어진 유기할로겐 화합물, 특히 프레온(CFCs)과 브롬불화탄화수소의 대량 방출로 인해 염소와 브롬의 농도가 현저하게 증가했다.[12] 이러한 매우 안정적인 화합물은 성층권까지 상승하여 자외선의 작용으로 Cl과 Br 라디칼이 방출된다. 그러면 각 라디칼은 10만 개가 넘는 오존 분자를 분해할 수 있는 연쇄 반응을 시작하고 촉매 작용을 한다. 2009년까지 아산화질소는 인간 활동을 통해 배출된 가장 큰 오존층 파괴 물질(ODS)이었다.[13]"나쁜" 오존은 호흡기 질환(호흡 곤란)과 같은 부정적인 건강 위험을 야기할 수 있으며, 천식, COPD 및 폐기종과 같은 호흡기 질환을 악화시키는 것으로 입증되었다.[18]
오존은 수산화 라디칼, 일산화질소, 염소 원자 등의 존재에 의해 분해된다. 이들은 성층권에서 자연적으로도 발생하는 것이며, 오존의 생성과 분해의 균형이 유지되어 왔다. 그러나 20세기에 들어서, 냉장고, 에어컨 등의 냉매나 인쇄회로기판의 세척제로 사용되어 온 프레온 가스 등, 염소를 포함하는 화학물질이 대기 중에 배출되었다.
1974년 미국의 대기화학자 프랭크 셔우드 로울랜드와 마리오 몰리나는 성층권에서 활성화된 염소 원자는 오존을 분해한다는 것을 지적했고(두 사람은 독일의 파울 크뤼첸과 함께 1995년에 노벨 화학상을 수상)[41], 1985년 영국의 Joe Farman, Brian G. Gardiner, Jon Shanklin이 남극 상공의 오존이 봄철에 감소하는 현상을 논문으로 발표함으로써 이것이 국제적인 문제로 부상했다.
프레온은 매우 안정된 물질이기 때문에, 거의 분해되지 않은 채 성층권에 도달하여, 태양으로부터의 자외선에 의해 분해되어 오존을 분해하는 작용을 하는 염소 원자가 생성된다. 평소 성층권에서는 염소 원자는 메탄이나 이산화질소 등과 화합물을 만들어 불활성화하지만, 이것이 브루어-돕슨 순환을 통해 양극으로 운반되고, -80℃ 전후의 저온의 겨울 극 상공에 생성되는 극성층권구름이 촉매가 되어 염소 분자가 생성·집적된다. 그리고, 봄철에 이것이 녹았을 때 활성화된 염소 원자가 대량으로 발생한다. 극성층권구름은 이산화질소(NO₂)를 포함하고 있으므로 이것이 녹는 여름까지 반응이 계속된다.
일산화질소(NO)도 오존의 분해에 기여하지만, 아산화질소(N₂O)는 자외선에 의해 분해되는 등 하여 일산화질소를 생성하기 때문에, 아산화질소의 증가도 오존층 파괴로 이어진다. 특히, 염소에 의한 파괴의 영향이 없는 환경하에서 일산화질소에 의한 반응이 강하게 작용한다.[43] 또한, 미국 NOAA의 연구팀의 추산에 따르면, 오존의 분해력은 프레온보다 약하지만 수명이 길다는 점과 프레온 가스의 농도가 저하되고 있다는 점 등으로부터, 21세기 중의 오존층 파괴에 대한 기여도는 프레온보다 아산화질소가 더 클 것이라고 생각된다.[44]
산업 활동이나 자동차 배기가스에 포함되는 대기 오염 물질이며, 화산 가스에도 포함되는 황산화물이 반응하여 생성되는 황산 에어로졸도, 촉매로서 오존의 분해에 기여한다.
오존층을 파괴하는 물질로는, 클로로플루오로카본(CFC), 하이드로클로로플루오로카본(HCFC), 브롬화메틸, 사염화탄소, 할론, 트리클로로에탄 등이 있다.
5. 2. 오존층 파괴 메커니즘
프레온(CFCs)과 브롬불화탄화수소 등의 유기할로겐 화합물은 매우 안정적이기 때문에 성층권까지 상승하여 자외선의 작용으로 염소(Cl)와 브롬(Br) 라디칼을 방출한다.[12] 이 라디칼들은 연쇄 반응을 통해 오존 분자를 분해하는 촉매 역할을 한다. 2009년까지 인간 활동으로 배출된 가장 큰 오존층 파괴 물질(ODS)은 아산화질소였다.[13]성층권에서 오존 분해의 주요 메커니즘은 다음과 같다.
| 반응 단계 | 화학 반응식 |
|---|---|
| 1단계 | |
| 2단계 | |
| 3단계 | |
| 4단계 | |
| 순반응 |
| 반응 단계 | 화학 반응식 |
|---|---|
| 1단계 | |
| 2단계 |
프랭크 셔우드 로울랜드와 마리오 몰리나는 성층권에서 활성화된 염소 원자가 오존을 분해한다는 것을 지적했다. (두 사람은 파울 크뤼첸과 함께 1995년 노벨 화학상을 수상했다.)[41]
극성층권구름은 염소 분자를 생성·집적하는 촉매 역할을 하며, 봄철에 활성화된 염소 원자가 대량으로 발생하여 오존 농도가 급격히 저하되는 오존홀 현상을 일으킨다.[41]
아산화질소(N₂O)는 자외선에 의해 분해되어 일산화질소를 생성하기 때문에, 아산화질소의 증가도 오존층 파괴로 이어진다.[43] NOAA 연구팀은 21세기 중 오존층 파괴에 대한 기여도는 프레온보다 아산화질소가 더 클 것이라고 예상했다.[44]
황산 에어로졸도 촉매로서 오존 분해에 기여한다. 피나투보산 분화 후 1992년·1993년에는 북반구 오존 농도가 크게 저하되었다.[41]
5. 3. 오존홀
오존홀은 극지방, 특히 남극 상공에서 봄철에 오존층의 농도가 급격히 감소하는 현상이다. 이는 극성층권 구름의 표면에서 오존 분해 반응이 촉진되기 때문이다.[14]
오존층은 자유 라디칼 촉매를 포함한 질소산화물(NO), 아산화질소(N2O), 하이드록실(OH), 원자 염소(Cl), 원자 브롬(Br)에 의해 파괴될 수 있다. 이러한 모든 화학종에는 자연적인 발생원이 있지만, 최근 수십 년 동안 인공적으로 만들어진 유기할로겐 화합물, 특히 프레온(CFCs)과 브롬불화탄화수소의 대량 방출로 인해 염소와 브롬의 농도가 현저하게 증가했다.[12]
브루어-돕슨 순환은 성층권 하부 고도 20km 부근에서 일 년 내내 계속되기 때문에 오존 수송은 연중 끊이지 않는다. 하지만 겨울철 성층권에는 극 부근에 극소용돌이라는 제트 기류대가 있으며, 그 남북을 넘나드는 열이나 물질의 수송이 일어나기 어렵기 때문에 열 수송이 차단되어 저온이 된다. 남극에서는 겨울 동안 다량의 극성층권운(PSC)이 생성된다. 봄부터 초여름에 걸쳐 이 얼음 구름이 녹으면서 동시에 염소 원자가 다량 발생한다. PSC의 표면에서는 오존 분해 반응이 촉진되어 오존 농도가 급격히 저하되고, 봄철에 오존홀이 발생하는 주요 원인이 된다.[41]
6. 오존층 파괴의 영향
오존층은 생물학적으로 유해한 자외선을 흡수하여 생명체를 보호하는 중요한 역할을 한다. 하지만 오존층이 파괴되면 지표면에 도달하는 자외선(UV-B)이 증가하여 피부암, 백내장, 면역계 억제, 유전적 손상 등 인체에 해로운 영향을 미칠 수 있다.[46] 특히, UV-B는 유극세포암과 백내장의 주요 원인 중 하나로 알려져 있다.
자외선 증가는 인체뿐만 아니라 생태계에도 부정적인 영향을 미친다. 식물의 생장을 저해하고, 플랑크톤을 감소시켜 해양 생태계의 균형을 파괴할 수 있다.
프레온 가스 등 염소를 포함하는 화학물질은 오존층 파괴의 주요 원인으로 지목된다. 프랭크 셔우드 로울랜드와 마리오 몰리나는 성층권에서 활성화된 염소 원자가 오존을 분해한다는 사실을 밝혀냈으며, 1995년 노벨 화학상을 수상했다.[41] Joe Farman, Brian G. Gardiner, Jon Shanklin은 남극 상공의 오존층 감소 현상을 발견하여 국제적인 문제로 부각시켰다.
이러한 문제 해결을 위해 오존층 보호를 위한 빈 협약과 몬트리올 의정서가 채택되어 프레온 가스 규제가 시작되었다. 최근 연구에 따르면 프레온 가스 규제가 효과를 거두면서 오존층 파괴 속도가 둔화되고 있다.[47][48]
7. 오존층 보호를 위한 국제적 노력
오존층 파괴 문제는 국제적인 문제로 인식되어, 1985년 빈 협약이 체결되었고, 1987년에는 몬트리올 의정서가 채택되어 오존층 파괴 물질의 생산과 사용을 규제하기 시작했다.[54] 몬트리올 의정서는 프레온 가스 등 오존층을 파괴하는 물질을 단계적으로 줄이고, 대체 물질 개발을 목표로 하였다.
1997년을 기점으로 오존층은 회복 경향을 보이기 시작했다.[51] 2006년 연구에 따르면, 1979년부터 1997년까지 오존층 파괴가 계속되었지만, 1997년 이후 오존량이 증가 추세로 전환되었다.[51] 이러한 오존량 증가는 프레온 가스 등의 배출 규제 효과 덕분으로 분석되었다.[51]
2006년에는 남극 상공의 오존홀이 기온 변동으로 인해 과거 최대 크기를 기록하기도 했다.[52] 이는 성층권 기온이 평년보다 낮았던 것이 원인으로, 프레온 가스는 감소 추세였지만, 대기 중에 오래 남아있기 때문에 기온 변동의 영향이 더 크게 나타난 것이다.[52]
2008년 기상청 보고에 따르면, 1980년대를 중심으로 오존량이 감소하여 현재도 적은 상황이며, 남극 오존홀의 최대 면적은 여전히 큰 상태였다.[53] 그러나 오존 총량 감소와 오존홀 확대는 정체되거나, 바닥을 치고 완만한 회복 경향을 보였다.[53]
2023년 국제연합 환경계획(UNEP) 등은 오존층 파괴 물질 규제가 계속된다면 남극 상공의 오존층이 2066년경에 회복될 것이라는 예측을 발표했다.[54] 오존층이 1980년 수준으로 회복되는 시기는 남극은 2066년경, 북극은 2045년경, 그 밖의 지역은 2040년경으로 예상된다.[54]
| 연도 | 크기 (km²) | 비고 |
|---|---|---|
| 1980년 | 3,000,000 | 남극 대륙의 0.2배 |
| 1992년 | 25,000,000 | |
| 2005년 이후 | 25,000,000 ~ 30,000,000 | 남극 대륙의 2.2배 |
8. 오존층의 현황과 미래
몬트리올 의정서 등 국제적인 규제 노력으로 오존층 파괴 물질 배출량이 감소하면서 오존층은 점차 회복되는 추세를 보이고 있다.[51] 1997년을 기점으로 오존층 파괴가 멈추고 회복 경향을 보인다는 연구 결과도 발표되었다.[51]
하지만 오존층 파괴 물질의 대기 중 잔류, 기후 변화 등 복합적인 요인으로 인해 오존층 회복은 더디게 진행될 것으로 예상된다. 2006년 연구에서는 2050년경에 오존홀이 1980년 수준으로 회복될 것이라는 예측이 있었지만,[50] 프레온가스 등이 예상보다 많이 사용될 경우 회복이 더 늦어질 수 있다고 언급되었다.[50]
2006년에는 기온 변동으로 인해 남극 상공의 오존홀이 과거 최대로 커지기도 했다.[52] 이는 성층권 기온이 낮았던 것이 원인으로, 프레온가스 감소 효과를 상쇄하는 요인으로 작용했다.[52]
2008년 기상청 보고에 따르면, 1980년대를 중심으로 오존량이 감소하여 현재도 적은 상황이며, 남극 오존홀 면적도 여전히 크다.[53] 그러나 오존 총량 감소와 오존홀 확대는 정체되거나 완만한 회복 경향을 보이고 있다.[53]
2023년 국제연합 환경계획(UNEP)은 오존층 파괴 물질 규제가 지속된다면 남극 상공의 오존층은 2066년경, 북극은 2045년경, 그 외 지역은 2040년경까지 1980년 수준으로 회복될 것이라는 예측을 발표했다.[54]
| 연도 | 내용 |
|---|---|
| 1997년 | 오존층 회복 경향 시작[51] |
| 2006년 | 2050년경 오존홀 회복 예상[50], 기온 변동으로 남극 오존홀 최대[52] |
| 2008년 | 오존량 감소, 오존홀 확대 정체 및 완만한 회복 경향[53] |
| 2023년 | 2066년경 남극 오존층 회복, 2045년경 북극 오존층 회복, 2040년경 기타 지역 오존층 회복 예상[54] |
참조
[1]
웹사이트
Ozone Basics
https://web.archive.[...]
2007-01-29
[2]
논문
Ozone: From discovery to protection
[3]
웹사이트
Ozone layer
https://web.archive.[...]
2007-09-23
[4]
인터뷰
An Interview with Lee Thomas, EPA's 6th Administrator
http://www.epaalumni[...]
2012-04-19
[5]
웹사이트
Scientists discover Ozone Layer on Venus
http://www.space.com[...]
Purch
2015-10-03
[6]
웹사이트
NASA Facts Archive
https://web.archive.[...]
2011-06-09
[7]
논문
Photolysis of Atmospheric Ozone in the Ultraviolet Region
https://web.archive.[...]
2003
[8]
논문
Review: Ultraviolet radiation and skin cancer
2010
[9]
서적
Global Warming: The Effect Of Ozone Depletion
https://books.google[...]
APH Publishing
2016-01-12
[10]
웹사이트
Nasa Ozone Watch: Ozone facts
https://ozonewatch.g[...]
2021-09-16
[11]
논문
The Antarctic ozone hole: An update
https://physicstoday[...]
American Institute of Physics
[12]
간행물
Emissions of Greenhouse Gases in the United States 1996
https://web.archive.[...]
Energy Information Administration
1997
[13]
뉴스
NOAA Study Shows Nitrous Oxide Now Top Ozone-Depleting Emission
http://www.noaanews.[...]
NOAA
2009-08-27
[14]
웹사이트
ozone layer {{!}} National Geographic Society
https://education.na[...]
2022-05-30
[15]
웹사이트
Ozone Implementation Regulatory Actions
https://www.epa.gov/[...]
2016-12-14
[16]
논문
Knowledge, ignorance and the popular culture: climate change versus the ozone hole
http://journals.sage[...]
2000-07
[17]
논문
Potential Ozone Depletion From Satellite Demise During Atmospheric Reentry in the Era of Mega-Constellations
2024-06-11
[18]
논문
Ozone Pollution: A Major Health Hazard Worldwide
2019
[19]
웹사이트
Ozone Regulation
https://ec.europa.eu[...]
2022-05-30
[20]
웹사이트
International Treaties and Cooperation about the Protection of the Stratospheric Ozone Layer
https://www.epa.gov/[...]
2015-07-15
[21]
논문
The Evolution of Policy Responses to Stratospheric Ozone Depletion
http://www.ciesin.or[...]
1989
[22]
인터뷰
An Interview with Lee Thomas, EPA's 6th Administrator
http://www.epaalumni[...]
2012-04-19
[23]
웹사이트
Amendments to the Montreal Protocol
http://www.epa.gov/o[...]
EPA
2010-08-19
[24]
웹사이트
Brief Questions and Answers on Ozone Depletion
http://www.epa.gov/o[...]
EPA
2006-06-28
[25]
서적
Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2010
WMO
2011
[26]
논문
Emergence of healing in the Antarctic ozone layer
2016-06-30
[27]
웹사이트
Ozone Depletion Glossary
http://www.epa.gov/o[...]
EPA
2008-09-03
[28]
논문
Observations of CFCs and SF6 as Ocean Tracers
https://web.archive.[...]
2011
[29]
웹사이트
ozone layer
http://www.nationalg[...]
2011-05-09
[30]
웹사이트
TWENTY QUESTIONS AND ANSWERS ABOUT THE OZONE LAYER: 2006 UPDATE
https://ozone.unep.o[...]
United Nations Environment Programme
2011-09-29
[31]
웹사이트
オゾン層を守ろう 2オゾン層の破壊とは？
https://web.archive.[...]
2011-09-29
[32]
웹사이트
ozonosphere
http://amsglossary.a[...]
American Meteorological Society
2011-09-29
[33]
웹사이트
オゾン層の保護のためのウィーン条約 和文仮訳
https://www.env.go.j[...]
環境省
2011-09-29
[34]
웹사이트
The History of the Ozone Layer
https://www.ozonedep[...]
2009-03-27
[35]
웹사이트
HISTORY OF THE OZONE LAYER
https://www.albany.e[...]
2009-03-27
[36]
서적
成層圏オゾン
東京大学出版会
[37]
웹사이트
第９講 フロンによるオゾン層の破壊
https://www.mech.nia[...]
長崎総合科学大学
2020-11-09
[38]
웹사이트
オゾン物語 オゾン層の話……地球のオゾン層の歴史
https://www.ecodesig[...]
エコデザイン株式会社
2020-11-09
[39]
서적
生命と地球の共進化
日本放送出版協会
[40]
웹사이트
大気中酸素濃度の減少量から二酸化炭素の陸域生物圏吸収量の推定に成功 -放出された化石燃料起源の二酸化炭素の30％が海洋に、14％が陸域生物圏に吸収-
https://www.nies.go.[...]
国立環境研究所
2020-11-09
[41]
웹사이트
環境科学解説「オゾン層の破壊」 フロンによるオゾン層の破壊
https://web.archive.[...]
国立環境研究所
2020-11-09
[42]
논문
Preliminary result of ozone observations at Syowa from February 1982 to January 1983
https://cir.nii.ac.j[...]
1984
[43]
웹사이트
亜酸化窒素（N2O）問題とその低減技術
https://web.archive.[...]
産業技術総合研究所
2020-11-09
[44]
논문
Nitrous Oxide (N2O): The Dominant Ozone-Depleting Substance Emitted in the 21st Century
http://www.sciencema[...]
[45]
논문
ヨウ素の地球化学と微生物: ヨウ素の揮発,濃縮,酸化,還元,吸着,脱ハロゲン化反応を触媒するバクテリア
https://www.jstage.j[...]
[46]
웹사이트
環境科学解説「オゾン層の破壊」 オゾン層と紫外線
https://www.nies.go.[...]
国立環境研究所
2020-11-09
[47]
간행물
Variability of the Antarctic Ozone Hole during the Past Decade as Dictated by the Stratospheric and Tropospheric Meteorology
https://ams.confex.c[...]
American Meteorological Society
2007-11-15
[48]
논문
Large decadal scale changes of polar ozone suggest solar influence
https://hal.science/[...]
2005-11-24
[49]
웹사이트
大気の構造と流れ
https://www.jma.go.j[...]
気象庁
2020-11-09
[50]
웹사이트
環境省・独立行政法人国立環境研究所「成層圏化学気候モデルを用いたオゾンホールの回復予測」について
https://www.nies.go.[...]
国立環境研究所
2008-07-27
[51]
웹사이트
NEDO海外レポート NO.913, 2003. 8. 20
http://www.nedo.go.j[...]
新エネルギー・産業技術総合開発機構
2008-07-27
[52]
웹사이트
昭和基地上空のオゾン全量が過去最小を記録
https://www.jma.go.j[...]
気象庁
2008-07-27
[53]
웹사이트
成層圏のオゾンは依然として少ない状態
https://www.jma.go.j[...]
気象庁
2008-07-27
[54]
웹사이트
南極のオゾン層「６６年ごろ回復」 破壊物質の９９％削減 ＵＮＥＰなど：朝日新聞デジタル
https://www.asahi.co[...]
朝日新聞
2023-01-12
[55]
뉴스
금성에도 지구처럼 오존층 존재
https://news.mt.co.k[...]
MBN
2011-10-10
본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
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