대기화학

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1. 개요

대기화학은 대기의 화학적 조성을 연구하는 학문으로, 대기 중의 다양한 화학 물질과 이들의 상호 작용, 그리고 대기 현상에 미치는 영향을 다룬다. 주요 내용은 대기 조성, 대기 구조, 대기 순환, 대기 변화, 대기 오염, 그리고 대기 화학 연구 방법 등이다. 대기화학은 산성비, 오존층 파괴, 광화학 스모그, 온실 효과, 지구 온난화 등 다양한 환경 문제를 다루며, 관찰, 실험실 측정, 모델링 등의 방법을 활용하여 연구한다. 최근에는 지구 시스템의 일부로서 기후, 생태계와의 상호 작용을 연구하는 데 초점을 맞추고 있으며, 외계 대기 화학 연구도 진행되고 있다.

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대기화학
개요
분야	대기과학, 화학
하위 분야	구름 화학, 대기 모델링, 에어로졸, 광화학, 생지화학 순환
주요 연구 분야
구성 요소	대기 중 화학 물질의 종류와 농도, 기원과 소멸 과정 연구
반응 메커니즘	대기 중에서 일어나는 화학 반응의 종류, 속도, 영향 요인 분석
오염 물질	대기 오염 물질의 생성, 확산, 변화 과정 및 인체와 환경에 미치는 영향 평가
기후 변화	대기 화학 성분이 기후 변화에 미치는 영향 연구, 온실 기체와 에어로졸의 역할 규명
모델링	대기 화학 과정을 모사하는 컴퓨터 모델 개발 및 활용, 미래 대기 질 예측
연구 방법
현장 관측	대기 중 화학 물질 농도 측정 (가스 크로마토그래피, 질량 분석법 등) 에어로졸의 물리적, 화학적 특성 분석 위성을 이용한 광역 대기 성분 관측
실험실 연구	화학 반응 속도 및 메커니즘 측정 광화학 반응 연구 에어로졸 생성 및 성장 과정 모사
모델링	화학 수송 모델 (CTM) 기후 모델 (GCM) box model
관련 학문 분야
관련 학문 분야	기상학 화학 물리학 생물학 지구과학 공학

2. 대기 조성

일반적인 상태의 평균 대기 조성
주요 기체	조성 비
질소, N₂	78.084%
산소, O₂	20.946%
미세 비율로 존재하는 기체 (ppm 단위)
아르곤, Ar	9340
이산화탄소, CO₂	400
네온, Ne	18.18
헬륨, He	5.24
메탄, CH₄	1.7
크립톤, Kr	1.14
수소, H₂	0.55
아산화질소, N₂O	0.5
제논, Xe	0.09
이산화질소, NO₂	0.02
물
수증기, H₂O	약 1%

이 때, CO₂와 CH₄의 비율은 측정하는 위치와 계절에 따라 달라진다. 그리고 오존은 일반적으로 ‘대기’에 포함되지 않는데, 그 이유는 오존이 지닌 극단적인 변덕성 때문이다.

온도나 화학적 성분의 조성에 따라 구분된 대기의 층. 대류권, 성층권, 중간권, 열권 등으로 구분된다.

해수면 높이에서 건조 공기의 조성 (ISO 2533 - 1975)
기체	조성비
질소, N₂	78.084
산소, O₂	20.9476
아르곤, Ar	0.934
이산화탄소, CO₂	0.0314 *
네온, Ne	1.818×10⁻³
헬륨, He	524×10⁻⁶
크립톤, Kr	114×10⁻⁶
제논, Xe	8.7×10⁻⁶
수소, H₂	50×10⁻⁶
아산화질소, N₂O	50×10⁻⁶

대기의 조성비는 측정하는 시간과 장소에 따라 큰 폭으로 변할 수 있다.

또한, 온도나 화학적 성분의 조성에 따라 대기를 지표면에서부터 대류권, 성층권, 중간권, 열권, 외기권의 다섯 층으로 나눌 수 있다.

가장 활발한 활동을 보이는 층은 대류권으로 두께가 가장 얇지만, 모든 기상 현상들이 이 영역에서 일어난다. 온도는 고도가 증가할수록 비례적으로 감소한다.

대류권의 위쪽 영역은 성층권으로 질소, 산소, 오존으로 구성된다. 이는 반대로 고도가 높아지면 기온도 따라 상승하는데, 태양의 자외선에 의해 유발된 발열반응에 의한 것이다. 이를 통해 생성된 오존은 자외선이 지표면에 도달하는 것을 막는다.

성층권 위에 있는 중간권에서는 기체들의 농도가 가지며 고도가 증가함에 따라 온도가 감소한다. 그 위는 열권이며, 이 영역에서는 태양으로부터 오는 전자나 양성자와 같은 고에너지 입자들에 의해 질소, 산소, 분자 및 원자와 충돌하기 때문에 온도가 올라간다.

지구 대기의 구성과 화학적 성분은 여러 가지 이유로 중요하지만, 주로 대기와 생물 간의 상호 작용 때문입니다. 화산 분출, 번개, 코로나에서 방출되는 태양 입자의 충돌과 같은 자연적 과정은 지구 대기의 구성을 변화시킵니다. 인간 활동에 의해서도 변화되었으며, 이러한 변화 중 일부는 인간의 건강, 농작물 및 생태계에 해롭습니다.

건조 대기의 평균 구성 (몰분율)
기체	[http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/earthfact.html NASA]에 따른 건조 공기
질소, N₂	78.084%
산소, O₂^[2]	20.946%
미량 성분 (ppm의 몰분율)
아르곤, Ar	9340
이산화탄소, CO₂	430
네온, Ne	18.18
헬륨, He	5.24
메탄, CH₄	1.9
크립톤, Kr	1.14
수소, H₂	0.53
아산화질소, N₂O	0.34
크세논, Xe	0.087
이산화질소, NO₂	최대 0.02
오존, O₃, 여름	최대 0.07
오존, O₃, 겨울	최대 0.02
이산화황, SO₂	최대 1
요오드, I₂	0.01
물
수증기*	변화가 심함 (약 0~3%); 일반적으로 약 1%를 차지함
참고
건조 공기의 평균 분자량은 28.97 g/mol입니다. 기체의 함량은 시간에 따라 또는 장소에 따라 상당한 변화를 겪을 수 있습니다. CO₂와 CH₄의 농도는 계절과 위치에 따라 다릅니다.

2. 1. 주요 기체

대기는 여러 기체로 구성되어 있으며, 그중 가장 많은 양을 차지하는 것은 질소(N₂)와 산소(O₂)이다.^[2] 질소는 약 78%를 차지하며, 대기 중 가장 많은 기체이다. 산소는 약 21%를 차지하며, 생명체의 호흡에 필수적인 기체이다.

질소와 산소 외에도 아르곤, 이산화탄소, 네온, 헬륨, 메탄, 크립톤, 수소, 아산화질소, 제논 등 다양한 기체들이 미량 존재한다. 이산화탄소(CO₂)와 메탄(CH₄)의 비율은 측정 위치와 계절에 따라 달라진다.^[1] 또한, 오존은 변동성이 커서 일반적인 대기 조성에는 포함되지 않는다. 건조 대기의 평균 분자량은 28.97 g/mol이다.

2. 2. 미량 기체 (ppm 단위)

대기 중 미량 기체는 ppm (백만 분율) 단위로 표시되며, 매우 적은 양이지만 대기 현상에 영향을 미친다. 주요 미량 기체는 다음과 같다.

아르곤 (Ar): 약 9340 ppm (0.934%)을 차지하는 비활성 기체이다.
이산화탄소 (CO₂): 약 400 ppm (0.04%)을 차지하며, 온실 효과의 주요 원인 중 하나이다. 이산화탄소 농도는 측정 위치와 계절에 따라 달라진다.
네온 (Ne): 18.18 ppm
헬륨 (He): 5.24 ppm
메탄 (CH₄): 1.7 ppm 메탄의 농도는 이산화탄소와 마찬가지로 측정 위치와 계절에 따라 달라진다.
크립톤 (Kr): 1.14 ppm
수소 (H₂): 0.55 ppm
아산화질소 (N₂O): 0.5 ppm
제논 (Xe): 0.09 ppm
이산화질소 (NO₂): 0.02 ppm

이 외에도 오존(O₃), 이산화황(SO₂), CFCs/HCFCs, 황화수소(H₂S) 등 다양한 미량 기체들이 존재하며, 이들의 농도는 발생원과 흡수원에 따라 크게 변한다.^[3] 특히, CFCs/HCFCs는 오존층 파괴의 주범으로 알려져 있다. 대기에는 기체 외에도 에어로졸과 같은 입자 (물방울, 얼음 결정, 박테리아, 먼지 등)도 포함되어 있다.

2. 3. 수분

수증기(H₂O)는 대기 중에 약 0~3% 정도의 변동하는 양으로 존재하며, 기상 현상에 중요한 역할을 한다. 대기 조성에서 수분 입자는 약 1%를 차지한다.

2. 4. 미량 기체 상세

대기에는 질소, 산소 외에도 여러 미량 기체들이 포함되어 있다. 이러한 미량 기체에는 오존층에 특히 해로운 CFCs/HCFCs와 썩은 계란 냄새가 특징이며 0.47 ppb만큼 낮은 농도에서도 냄새를 맡을 수 있는 H₂S와 같은 화합물이 포함된다.^[3] 기체 외에도 대기에는 에어로졸과 같은 입자가 포함되어 있으며, 여기에는 물방울, 얼음 결정, 박테리아 및 먼지와 같은 예가 포함된다.

오존 (O₃)은 주로 성층권에 존재하며, 태양의 자외선을 차단하여 지표면에 도달하는 것을 막는 역할을 한다. 하지만 지표면 근처에서는 오염 물질로 작용한다. 대류권 하층에서는 여름 반구에서 고농도가 되고, 아프리카와 남미에서 여름에 행해지는 화전에 의해 다량의 오존 전구물질이 생성되어 오존 농도가 상승한다. 오존의 부분압 비는 고도 20~25km 정도에서 최대가 된다. 또한 해양이나 열대우림보다 도시 지역이 농도가 높다.

기체	조성 (달리 명시되지 않는 한 부피 기준 ppt)
일산화탄소, CO	40-200 ppb ^p39^[3]
일산화질소, NO	16^[4]
에탄, C₂H₆	781^[4]
프로판, C₃H₈	200^[4]
이소프렌, C₅H₈	311^[4]
벤젠, C₆H₆	11^[4]
메탄올, CH₃OH	1967^[4]
에탄올, C₂H₅OH	75^[4]
트리클로로플루오로메탄, CCl₃F	237 ^p41^[3]
디클로로디플루오로메탄, CCl₂F₂	530 ^p41^[3]
클로로메탄, CH₃Cl	503^[4]
브로모메탄, CH₃Br	9–10 ^p44^[3]
아이오도메탄, CH₃I	0.36^[4]
티오카보닐설파이드, OCS	510 ^p26^[3]
이산화황, SO₂	70–200 ^p26^[3]
황화수소, H₂S	15–340 ^p26^[3]
이황화탄소, CS₂	15–45 ^p26^[3]
포름알데히드, H₂CO	9.1 ppb ^{p37, 오염된}^[3]
아세틸렌, C₂H₂	8.6 ppb ^{p37, 오염된}^[3]
에텐, C₂H₄	11.2 ppb ^{p37, 오염된}^[3]
육불화황, SF₆	7.3 ^p41^[3]
사불화탄소, CF₄	79 ^p41^[3]
총 기체 수은, Hg	0.209 ^p55^[3]

일산화탄소(CO), 일산화질소(NO), 에탄(C₂H₆), 프로판(C₃H₈) 등은 주로 인간 활동에 의해 발생하며, 대기 오염의 원인이 된다.

3. 대기 구조

3. 1. 대류권

대류권은 지표면에서 가장 가까운 층으로, 기상 현상이 일어나는 곳이다. 고도가 높아질수록 온도가 낮아진다. 대류권에서 오존은 대류권 내 광화학 반응과 성층권으로부터의 이동으로 생성된다. 대류권 오존은 대기 중 전체량의 10%에도 미치지 못하지만, 산화력이 강하고 광화학 반응에서 중요한 역할을 하며, 적외선 영역 흡수 특성으로 온실 효과를 유발하여 대기화학에서 중요하다.

대류권 오존 농도가 높아지면 인체에 영향을 미친다.

3. 2. 성층권

성층권은 대류권 위에 위치하며, 오존층이 존재하여 자외선을 흡수한다. 고도가 높아질수록 온도가 높아지는 특징을 보인다.

성층권에는 일반적으로 구름이 존재하지 않지만, 극지방의 겨울에는 영하 90℃ 가까이 되는 저온으로 인해 아주 적은 양의 수증기라도 응결하여 '''극성층운'''(PSCs)을 형성한다. 극성층운은 질산의 3수화물, 질산 및 황산의 액체 방울, 얼음 결정으로 구성되어 있다. 극성층운에서 염화수소 및 아질산이 존재하면, 다음의 화학 반응에 의해 오존이 분해된다.

:

{\rm HCl}+{\rm NO}_2+2{\rm O}_3 \to {\rm ClO} + {\rm HNO}_3 +2{\rm O}_2

성층권의 오존(오존층)은 감소하고 있지만, 대류권의 오존은 증가하고 있다. 대류권 하층에서는 여름 반구에서 고농도가 되고, 아프리카나 남미에서 여름에 행해지는 야외 소각에 의해 다량의 오존 전구 물질이 생성되어 오존 농도가 상승한다. 오존의 분압비는 고도 20~25km 정도에서 최대가 된다. 해양이나 열대 우림보다 도시 지역이 농도가 높다.

성층권의 오존은 원시 대기에 존재했던 성분이 아니다. 1930년에 채프먼에 의해 제창된 채프먼 기구에 의해, 성층권에서의 오존의 생성 과정이 제시되었다. 주로 고도 100km 이상의 성층권에서 산소 분자에 자외선이 작용함으로써 오존이 생성된다.

:

{\rm O}_2 + h\nu \to {\rm O}+{\rm O}

:

{\rm O} + {\rm O}_2+ {\rm M} \to {\rm O}_3+{\rm M}

:

{\rm O_3} + h\nu \to {\rm O}+{\rm O}_2

:

{\rm O} +{\rm O}_3 \to 2{\rm O}_2

:(

h\nu

는 자외선을 나타낸다)

그러나 실제로 성층권에서 관측되는 오존은 채프먼 기구에 의해 예측되는 오존의 존재량보다 훨씬 적다. 이것은 성층권에 존재하는 수소 화합물, 질소 화합물, 염소 화합물 등의 미량 성분에 의한 촉매 작용에 의해 오존이 소멸하기 때문이다.

3. 3. 중간권

3. 4. 열권

3. 5. 외기권

4. 대기 화학의 역사

고대 그리스인들은 공기를 자연을 이루는 네 가지 원소 중 하나라고 여겼다. 18세기에 조지프 프리스틀리, 앙투안 라부아지에, 헨리 캐번디시와 같은 화학자들이 대기 구성 성분을 최초로 측정하면서 대기 구성에 대한 과학적 연구가 시작되었다.^[5]

19세기 후반과 20세기 초에는 연구자들의 관심이 농도가 매우 낮은 미량 성분으로 옮겨갔다. 1840년 크리스티안 프리드리히 쇤바인이 오존을 발견한 것이 이 시대의 중요한 발견 중 하나이다.^[6]

20세기에 들어 대기 과학은 공기의 구성 성분을 연구하는 것에서 벗어나 대기 중 미량 기체의 농도가 시간에 따라 어떻게 변화하는지, 그리고 공기 중의 화합물을 생성하고 파괴하는 화학적 과정을 고려하는 것으로 발전했다. 시드니 채프먼과 고든 돕슨이 오존층이 생성되고 유지되는 과정을 설명한 것과 아리에 얀 하겐-스미트가 광화학 스모그를 설명한 것이 두 가지 중요한 결과이다. 오존 문제에 대한 추가 연구는 1995년 파울 크뤼천, 마리오 몰리나, 프랭크 셔우드 로울랜드가 공동으로 노벨 화학상을 수상하는 결과를 가져왔다.

21세기에 들어서는 다시 초점이 이동하고 있다. 대기 화학을 고립적으로 연구하는 대신, 이제는 나머지 대기, 생물권, 지권과 함께 지구 시스템의 일부로 간주된다. 이러한 연관성을 촉진하는 요인은 화학과 기후 사이의 관계이다. 변화하는 기후와 오존층 파괴의 회복, 그리고 대기 구성과 해양 및 육상 생태계의 상호 작용은 지구 시스템 간의 상호 의존적인 관계의 예이다.^[17] 최근에는 외계 대기 화학이라는 새로운 분야도 등장했다. 우주화학자들은 우리 태양계와 외계 행성의 대기 구성을 분석하여 천체의 형성을 규명하고 지구와 같은 생명체가 서식할 수 있는 조건을 찾는다.^[7]

5. 원시 대기

지구 진화 초기의 대기 상태를 일컫는 말로, 지구가 갓 태어났을 당시 수소와 헬륨으로 이루어졌을 것으로 추정되는 대기를 1차 원시대기라고 한다. 이 두꺼운 대기 층은 태양풍으로 인해 흩어지고, 지구 내부에서 방출된 수증기, 이산화탄소 및 질소로 이루어진 화산 가스와 온천 가스가 대기를 채운 것을 2차 원시대기라한다.

그 후 시간이 지나고, 지구가 급격하게 냉각되면서 대기 중의 수증기는 물로 변하였고, 이가 강수의 형태로 나타나 원시 해양이 생성되었다. 산성이였던 원시 해양이 차츰 중성으로 변해감에 따라 대기 중의 이산화탄소가 바다 속에 녹아들었고, 결국 이산화탄소의 대기 중 비율이 지금과 같이 줄어들었다. 이와는 별개로, 비활성 기체였던 질소는 오랫동안 변동 없이 존재하였고, 결국 현재와 같이 대기의 약 78%를 차지하게 되었다.

대기 중의 산소는 바다 속의 남조류에 의해 생성되었다. 산소의 일부가 성층권에서 강한 자외선을 받아 오존이 생성되었으며, 이 오존이 계속해서 뭉쳐감에 따라 오존층이 만들어졌다. 오존층이 유해한 자외선을 차단해 주는 역할을 했기 때문에 녹색 식물이 성장할 수 있었고, 계속해서 산소를 생성할 수 있었다. 대기 중 산소가 점점 증가하여 결국 지금과 같이 대기의 약 21%를 차지하게 되었다.

6. 대기 순환

6. 1. 질소 순환

'''질소의 순환'''은 질소가 다양한 화학 형태로 바뀌어가는 과정을 가리킨다. 이러한 변화는 생물학적인 과정과 비생물학적인 과정을 모두 거칠 수 있다. 질소 순환은 질소고정, 광화작용, 질화작용, 탈질 작용이라는 중요한 과정을 거듭한다.

질소 순환의 도식. 대기로부터 질소가 비록 무한정으로 공급되더라도 고등 식물에서 질소 고정이 일어나기 위해서는 질소가 수소나 산소와 결합해야 한다. 이렇게 고정된 질소는 동물이 섭취한다.

지구 대기권 대부분(약 78%)이 질소이나, 대기의 질소는 매우 안정해 생물학적 이용에는 사용할 수 없다는 것이 한계이다. 그러나 이런 사이클을 통해 이용가능한 질소의 부족분을 다양한 형태의 생태계로 이끌어낸다. 질소의 순환은 생태학자에게는 특히 관심을 끄는데 질소 이용 가능성은 일차 생산과 부패를 포함한 생태계 과정의 속도에 영향을 미치기 때문이다. 화석 연료 연소, 인공 질소 비료 사용, 폐수로의 질소 방출과 같은 인간 활동은 극적으로 지구 질소의 순환을 바꾸어 놓고 있다.

6. 2. 산소 순환

산소의 순환. 산소는 산소분자, 물분자, 유기-무기 화합물 등 매우 다양한 화학적 형태의 조합으로 존재하므로 그 순환이 매우 복잡하다.

'''산소의 순환'''은 산소가 대기권, 생물권 안의 생물에 들어있는 총량, 암권 안에서 움직이는 현상을 가리키는 생물지구화학적 순환이다. 수권 안에서 산소의 순환이 실패하면 저산소 지역이 나타날 수 있다. 산소의 순환을 일으키는 주된 요인은 현대 지구의 대기와 삶을 책임지는 광합성이다.

산소가 가장 많은 저장소는 지각과 맨틀의 규산염과 산화 광물안에 들어 있다. (99.5%) 극히 일부만이 자유 산소로서 생물권과 대기로 방출된다. 대기권 산소의 주 원천은 광합성이며 이산화탄소와 물로부터 당분과 산소를 만든다.

: 6CO₂ + 6H₂O + 에너지 → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

대기 산소는 광해리에서도 나온다. 여기서 고에너지 자외선은 대기의 물과 아산화질소를 분자 원자로 분리시킨다. 자유 H 및 N 원자는 대기의 O₂에서 빠져나온다.

: 2H₂O + 에너지 → 4H + O₂

: 2N₂O + 에너지 → 4N + O₂

대기에서 산소를 잃는 주된 요인은 강수와 부패이며 여기서 짐승과 박테리아는 산소를 소비하고 이산화탄소를 내보낸다.

암권 광물이 산소로 산화되어 있으므로 노출되어 있는 암석이 풍화를 일으키면 산소를 소비할 수도 있다. 풍화 작용의 한 예로 산화철(녹)의 형성이 있다.

: 4FeO + O₂ → 2Fe₂O₃

산소는 생물권과 암석권 사이에서 순환하기도 한다. 생물권의 해양생물은 산소가 풍부한 탄산칼슘 물질(CaCO₃)을 만들어낸다. 생물이 죽으면 껍질은 깊은 해저 위에 분해되어 오랜 시간 묻히면 암석권에서 석회암을 만들어낸다. 생물이 만들어낸 풍화 작용은 암석으로부터 산소를 가져오기도 한다. 식물과 짐승은 암석으로부터 영양 물질을 가져와서 이 과정이 일어나는 가운데 산소를 내보낸다.

대기에 산소가 존재하면 성층권에 오존(O₃)과 오존층을 만든다. 이 오존층은 해로운 자외선을 흡수하므로 생물에 매우 중요하다:

: O₂ + 자외선 에너지 → 2O

: O + O₂ → O₃

7. 대기 변화 및 대기 오염

아래의 예시는 대체로 기존부터 존재해 왔으나, 공업산업의 발전으로 인간이 직접적으로 개입하면서 대기 화학평형이 무너지게 되었다. 화학적 평형을 유지하던 것들에 오염원이 추가되면서 대기의 성분상태가 변화하고, 정도가 악화되어 동식물에 나쁜 영향을 주는 것을 대기가 오염되었다고 한다. 그로 인해 미처 예상하지 못했던 다양한 대기의 문제점들은 아래와 같이 존재한다.

대기화학은 환경 정책, 인체 건강, 기술 개발, 기후 과학에 영향을 미치는 광범위한 응용 분야를 가진 다학제적 분야이다. 대기화학에서 다루는 문제의 예로는 산성비, 오존층 파괴, 광화학 스모그, 온실 가스, 지구 온난화 등이 있다. 대기화학자들은 이론적 이해를 발전시킴으로써 잠재적인 해결책을 시험하고 정부 정책 변화의 영향을 평가할 수 있다. 주요 응용 분야에는 온실가스 모니터링, 대기질 및 오염 관리, 일기 예보 및 기상학, 에너지 및 배출, 지속 가능한 에너지 개발, 공중 보건 및 독성학 등이 포함된다. 녹색 대기화학 연구는 화학 물질의 지속 가능하고 안전하며 효율적인 사용을 우선시하며, 이는 CFCs와 DDT와 같은 유해 화학 물질의 사용을 최소화하는 정부 규정으로 이어졌다.^[20]

원격 감지 기술의 발전으로 과학자들은 위성과 지상 기지를 통해 대기 화학 성분을 모니터링할 수 있다. 오존 모니터링 기기(OMI)와 대기 적외선 사운더(AIRS)와 같은 기기는 오염 물질, 온실 가스 및 에어로졸에 대한 데이터를 제공하여 대기질을 실시간으로 모니터링할 수 있다.^[21]^[22]

대기화학은 화석 연료와 재생 가능 에너지원을 포함한 에너지 생산의 환경적 영향을 평가하는 데 매우 중요하다. 연구원들은 배출량을 연구함으로써 보다 청정한 에너지 기술을 개발하고 대기질과 기후에 미치는 영향을 평가할 수 있다. 또한 대기화학은 미세먼지와 휘발성 유기 화합물(VOCs)를 포함하여 공기 중의 독성 물질의 농도와 지속성을 정량화하여 공중 보건 조치와 노출 평가를 안내한다.

위 사진은 만약 클로로플루오로탄소가 금지되지 않았다면 오존의 농도가 어떻게 변화되었을지 NASA의 예측결과를 나타낸 시나리오이다.

오존층은 태양으로부터 오는 자외선을 막아 피부암 유발, 유전자 변이 등 해로운 영향을 줄여 지구의 보호막 역할을 한다.^[20] 오존(O₃)은 파장이 240nm 이하의 태양광선에 의해 산소 분자가 광분해되면서 생성된다. 산소 분자(O₂)가 나뉘어 산소 원자(O)가 되고, 반응성이 높아져 다시 산소 분자와 결합해 오존을 생성한다.^[20]

이때의 반응식은

:O+O₂+M → O₃+M

이다. (M은 반응성이 작은 화합물로, 반응 시 생기는 과량의 에너지를 흡수하고 오존 분자가 분해되는 것을 막는 역할을 한다.)^[20]

오존은 자외선을 흡수하여 다시 분해되기도 한다.

:O₃ → O+O₂

오존의 자연적 형성과 파괴는 성층권의 오존 농도를 일정하게 유자하는 동적평형이다.^[20]

1970년대 중반 이후 과학자들은 프레온(CFC)이 오존층에 미치는 유해성에 관심을 두기 시작했다. 프레온은 반응성이 낮아 분해되지 않고 성층권까지 확산되는데, 성층권에서 자외선에 의해 다음과 같이 분해된다.^[20]

:CFCl₃→CFCl₂+Cl

:CF₂Cl₂→CF₂Cl+Cl

위 반응으로 추출된 염소 원자(Cl)는 다음과 같은 반응을 거친다.^[20]

:Cl+O₃→ClO+O₂

:ClO+O→Cl+O₂

위 두 식을 합하면 실질적으로 성층권에서 오존을 제거하는 결과가 된다.

:O₃+O→2O₂

따라서 이는 오존의 자연적 생성과 분해에서 분해과정의 빈도를 높이므로, 결정적으로 오존층 파괴의 주범이 된다.^[20]

1980년대부터 '남극 오존 구멍'이 형성되어 커져가면서 오존층이 50% 이상 감소되었다는 증거들이 나타나고 있다. 세계 각국은 프레온 가스를 사용하는 상품을 줄이기 시작했다.^[20]

문제를 해결하기 위해 에테인, 프로페인 가스를 분사해 구멍을 메우거나 많은 양의 오존을 생성해 방출하자는 등의 의견이 있으나 아직까지 확정된것은 없다.^[20]

대기 중의 여러 기체들로 인해 지구 표면의 열이 가두어지는 현상을 온실 효과라고 한다. 온실의 유리지붕이 가시광선을 통과시키고 열을 가둠으로써 온도를 유지하는 것처럼, 이산화탄소나 수증기를 비롯한 온실 가스들은 지구의 열을 가두어 지구의 평균 온도를 상승시키는 주 원인이 되고 있다.^[20]

수증기의 총량은 지난 몇년간 큰 변화를 보이지 않지만, 이산화탄소는 화석 연료의 사용으로 인해 꾸준하게 증가하고 있다. 실제로 매년 이산화탄소 농도가 큰 폭으로 증가하고 있으며, 그에 따라 지구의 온도 역시 조금씩 상승하고 있다. 기상학자들은 현재의 상승 속도가 유지된다면 금세기 안에 지구의 평균 온도는 1~3^.C 상승할 것이라고 예측한다.

아주 조금 온도가 오른다고 해서 별 일 생기지 않을것처럼 보이지만, 그 정도의 상승치는 지구 상의 열적 균형을 깨트리고 극지대의 빙산을 녹이기엔 충분한 양이므로 하루빨리 온실 가스의 배출량을 줄일 필요가 있을 것으로 예상된다. 대한민국은 온실가스 감축 목표를 설정하고, 신재생에너지 확대 등 기후 변화 대응 정책을 추진하고 있다.

대기화학은 온실 가스, 지구 온난화등의 문제를 다루며, 이론적 이해를 발전시켜 잠재적인 해결책을 시험하고 정부 정책 변화의 영향을 평가할 수 있다. 주요 활용 분야에는 온실가스 모니터링, 대기질 및 오염 관리, 지속 가능한 에너지 개발이 있다.^[20] 원격 감지 기술의 발전으로 과학자들은 위성과 지상 기지를 통해 대기 화학 성분을 모니터링할 수 있다. 오존 모니터링 기기(OMI)와 대기 적외선 사운더(AIRS)와 같은 기기는 오염 물질, 온실 가스 및 에어로졸에 대한 데이터를 제공하여 대기질을 실시간으로 모니터링할 수 있다.^[21]^[22]

산성비는 산성을 띤 비로, 전 세계의 석조 건물과 유적, 조각상 등에 심각한 손상을 끼치는 대기 현상 중 하나이다.^[20] 단순히 조각상뿐만 아니라, 식물이나 수중 생물들에게도 유독하다.

산성비의 평균 pH는 4.3~5.1 정도인데, 일반적인 빗물의 pH가 5.5를 넘지 않는다는 것을 생각하면 꽤 심각한 수치이다. 산성비의 주 원인은 이산화 황(SO₂)과 배기가스에서 배출되는 질소 산화물(NOx)인데, 대기 중의 이산화 황은 보통 화산 폭발 현상이나 금속의 제련 과정 중에 발생한다. 매년 약 5~6천만 톤의 이산화 황이 대기 중으로 방출된다.^[20]

이산화 황에 의한 산성비를 줄이려면 화석 연료를 사용하기 전에 황 성분을 제거하거나 이미 형성된 이산화 황을 제거해야 한다. 이를 위해 석회를 이용하는데, 석회가 산성을 중화하는 역할을 하기 때문이다.^[20]

대기화학은 산성비, 오존층 파괴, 광화학 스모그, 온실 가스, 지구 온난화 등 다양한 문제를 다룬다.^[20]

광화학 스모그는 자동차의 배기가스가 태양빛과 접촉하면서 발생하는 화학 반응에 의해 만들어진다.^[20] NO, CO와 같이 불완전 연소된 탄화 수소들(1차 오염 물질)이 광화학적 반응에 의해서 NO₂나 O₃와 같은 2차 오염 물질로 변하고, 이것들이 광화학 스모그의 주범이 된다.^[20] 2차 오염 물질들, 특히 오존은 여러 가지 물질과 반응하면서 질산 과산화 아세틸(PAN)을 만드는데, 이는 강력한 최루성 기체로 호흡 곤란을 일으키는 물질이다.^[20]

광화학 스모그가 만들어지는 메커니즘이 알려지면서, 이를 방지하기 위한 방법이 고안되고 있다.^[20] 자동차의 촉매 변환장치는 CO와 NO를 다른 물질로 전환하면서 광화학 스모그를 사전에 차단한다.^[20] 보다 효율적인 엔진을 개발하거나, 더 나은 공공 교통수단을 확보하는 것 또한 스모그를 줄일 수 있는 방법이다.^[20] 자동차의 라디에이터나 에어컨 압축기를 백금으로 코팅하면 오존이나 일산화탄소를 산소와 이산화탄소로 전환시키면서 공기를 정화할 수 있다.^[20] 대한민국은 대도시를 중심으로 광화학 스모그 발생을 줄이기 위해 자동차 배기가스 규제, 친환경차 보급 확대 등의 정책을 시행하고 있다.

7. 1. 성층권 오존층 파괴

오존층은 태양으로부터 오는 자외선을 막아 피부암 유발, 유전자 변이 등 해로운 영향을 줄여 지구의 보호막 역할을 한다.^[20] 오존(O₃)은 파장이 240nm 이하의 태양광선에 의해 산소 분자가 광분해되면서 생성된다. 산소 분자(O₂)가 나뉘어 산소 원자(O)가 되고, 반응성이 높아져 다시 산소 분자와 결합해 오존을 생성한다.^[20]

이때의 반응식은

:O+O₂+M → O₃+M

이다. (M은 반응성이 작은 화합물로, 반응 시 생기는 과량의 에너지를 흡수하고 오존 분자가 분해되는 것을 막는 역할을 한다.)^[20]

오존은 자외선을 흡수하여 다시 분해되기도 한다.

:O₃ → O+O₂

오존의 자연적 형성과 파괴는 성층권의 오존 농도를 일정하게 유자하는 동적평형이다.^[20]

1970년대 중반 이후 과학자들은 프레온(CFC)이 오존층에 미치는 유해성에 관심을 두기 시작했다. 프레온은 반응성이 낮아 분해되지 않고 성층권까지 확산되는데, 성층권에서 자외선에 의해 다음과 같이 분해된다.^[20]

:CFCl₃→CFCl₂+Cl

:CF₂Cl₂→CF₂Cl+Cl

위 반응으로 추출된 염소 원자(Cl)는 다음과 같은 반응을 거친다.^[20]

:Cl+O₃→ClO+O₂

:ClO+O→Cl+O₂

위 두 식을 합하면 실질적으로 성층권에서 오존을 제거하는 결과가 된다.

:O₃+O→2O₂

따라서 이는 오존의 자연적 생성과 분해에서 분해과정의 빈도를 높이므로, 결정적으로 오존층 파괴의 주범이 된다.^[20]

1980년대부터 '남극 오존 구멍'이 형성되어 커져가면서 오존층이 50% 이상 감소되었다는 증거들이 나타나고 있다. 세계 각국은 프레온 가스를 사용하는 상품을 줄이기 시작했다.^[20]

문제를 해결하기 위해 에테인, 프로페인 가스를 분사해 구멍을 메우거나 많은 양의 오존을 생성해 방출하자는 등의 의견이 있으나 아직까지 확정된것은 없다.^[20]

7. 2. 온실 효과

대기 중의 여러 기체들로 인해 지구 표면의 열이 가두어지는 현상을 온실 효과라고 한다. 온실의 유리지붕이 가시광선을 통과시키고 열을 가둠으로써 온도를 유지하는 것처럼, 이산화탄소나 수증기를 비롯한 온실 가스들은 지구의 열을 가두어 지구의 평균 온도를 상승시키는 주 원인이 되고 있다.^[20]

수증기의 총량은 지난 몇년간 큰 변화를 보이지 않지만, 이산화탄소는 화석 연료의 사용으로 인해 꾸준하게 증가하고 있다. 실제로 매년 이산화탄소 농도가 큰 폭으로 증가하고 있으며, 그에 따라 지구의 온도 역시 조금씩 상승하고 있다. 기상학자들은 현재의 상승 속도가 유지된다면 금세기 안에 지구의 평균 온도는 1~3^.C 상승할 것이라고 예측한다.

아주 조금 온도가 오른다고 해서 별 일 생기지 않을것처럼 보이지만, 그 정도의 상승치는 지구 상의 열적 균형을 깨트리고 극지대의 빙산을 녹이기엔 충분한 양이므로 하루빨리 온실 가스의 배출량을 줄일 필요가 있을 것으로 예상된다. 대한민국은 온실가스 감축 목표를 설정하고, 신재생에너지 확대 등 기후 변화 대응 정책을 추진하고 있다.

대기화학은 온실 가스, 지구 온난화등의 문제를 다루며, 이론적 이해를 발전시켜 잠재적인 해결책을 시험하고 정부 정책 변화의 영향을 평가할 수 있다. 주요 활용 분야에는 온실가스 모니터링, 대기질 및 오염 관리, 지속 가능한 에너지 개발이 있다.^[20] 원격 감지 기술의 발전으로 과학자들은 위성과 지상 기지를 통해 대기 화학 성분을 모니터링할 수 있다. 오존 모니터링 기기(OMI)와 대기 적외선 사운더(AIRS)와 같은 기기는 오염 물질, 온실 가스 및 에어로졸에 대한 데이터를 제공하여 대기질을 실시간으로 모니터링할 수 있다.^[21]^[22]

7. 3. 산성비

산성비는 산성을 띤 비로, 전 세계의 석조 건물과 유적, 조각상 등에 심각한 손상을 끼치는 대기 현상 중 하나이다.^[20] 단순히 조각상뿐만 아니라, 식물이나 수중 생물들에게도 유독하다.

산성비의 평균 pH는 4.3~5.1 정도인데, 일반적인 빗물의 pH가 5.5를 넘지 않는다는 것을 생각하면 꽤 심각한 수치이다. 산성비의 주 원인은 이산화 황(SO₂)과 배기가스에서 배출되는 질소 산화물(NOx)인데, 대기 중의 이산화 황은 보통 화산 폭발 현상이나 금속의 제련 과정 중에 발생한다. 매년 약 5~6천만 톤의 이산화 황이 대기 중으로 방출된다.^[20]

이산화 황에 의한 산성비를 줄이려면 화석 연료를 사용하기 전에 황 성분을 제거하거나 이미 형성된 이산화 황을 제거해야 한다. 이를 위해 석회를 이용하는데, 석회가 산성을 중화하는 역할을 하기 때문이다.^[20]

대기화학은 산성비, 오존층 파괴, 광화학 스모그, 온실 가스, 지구 온난화 등 다양한 문제를 다룬다.^[20]

7. 4. 광화학 스모그

광화학 스모그는 자동차의 배기가스가 태양빛과 접촉하면서 발생하는 화학 반응에 의해 만들어진다.^[20] NO, CO와 같이 불완전 연소된 탄화 수소들(1차 오염 물질)이 광화학적 반응에 의해서 NO₂나 O₃와 같은 2차 오염 물질로 변하고, 이것들이 광화학 스모그의 주범이 된다.^[20] 2차 오염 물질들, 특히 오존은 여러 가지 물질과 반응하면서 질산 과산화 아세틸(PAN)을 만드는데, 이는 강력한 최루성 기체로 호흡 곤란을 일으키는 물질이다.^[20]

광화학 스모그가 만들어지는 메커니즘이 알려지면서, 이를 방지하기 위한 방법이 고안되고 있다.^[20] 자동차의 촉매 변환장치는 CO와 NO를 다른 물질로 전환하면서 광화학 스모그를 사전에 차단한다.^[20] 보다 효율적인 엔진을 개발하거나, 더 나은 공공 교통수단을 확보하는 것 또한 스모그를 줄일 수 있는 방법이다.^[20] 자동차의 라디에이터나 에어컨 압축기를 백금으로 코팅하면 오존이나 일산화탄소를 산소와 이산화탄소로 전환시키면서 공기를 정화할 수 있다.^[20] 대한민국은 대도시를 중심으로 광화학 스모그 발생을 줄이기 위해 자동차 배기가스 규제, 친환경차 보급 확대 등의 정책을 시행하고 있다.

8. 대기화학 연구 방법

대기화학의 연구 방법에는 크게 3가지의 방법이 있다.

# 관찰(observation)

# 실험실 관측(lab measurement)

# 모델링(computer modeling)

대기 화학의 발전은 이러한 방법들 사이의 상호작용에 의해 만들어지며 그 상호작용들은 하나의 통합된 연구를 이뤄낸다. 예를 들어, 우리는 ‘관찰’을 함으로써 우리가 이전에 생각했던 것보다 더 많은 화합물이 대기 중에 존재한다는 사실을 알 수 있었다. 이 사실을 토대로 관측한 사실이 납득이 갈 만한 새로운 '모델링'과 '실험실에서의 관측'을 생각해 낼 것이며, 이는 인간의 과학적 지식을 향상시킬 수 있을 것이다.^[11] 관측, 실험실 측정, 그리고 모델링은 대기화학의 세 가지 핵심 요소이다. 대기화학의 발전은 종종 이러한 요소들 간의 상호작용에 의해 주도되며, 이들은 통합된 전체를 형성한다. 예를 들어, 관측을 통해 이전에 생각했던 것보다 더 많은 화합물이 존재한다는 것을 알 수 있다. 이는 새로운 모델링과 실험실 연구를 자극하여 관측 결과를 설명할 수 있는 수준까지 과학적 이해를 높일 것이다.^[11]

8. 1. 관찰

대기 화학에서 관찰은 연구를 이해하는 데 필수적이다. 대기 조성에 대한 일상적인 관찰은 시간의 흐름에 따른 대기 조성의 변화를 알려준다. 1958년부터 현재까지 이산화탄소 농도의 지속적인 상승을 보여주는 킬링 곡선은 마우나로아 관측소에서 측정한 대표적인 예시이다.^[12] 이러한 대기 화학 관측은 마우나로아와 같은 관측소, 항공기, 선박, 열기구와 같은 이동 가능한 플랫폼에서 이루어진다.

GOME 및 MOPITT와 같은 장비를 지닌 위성을 통한 대기 구성 관측은 대기 오염과 화학에 대한 범세계적인 큰 그림을 제공한다.^[12] 지표 관측은 장기적인 기록을 제공하지만 수직/수평의 공간에서는 그 성능이 제한된다. 라이더(LIDAR)와 같은 일부 지표 관측 장비는 화학적 화합물과 에어로졸의 농도를 정리해서 제공할 수 있지만 수평 영역에서는 제한된다. 대기 화학 관찰 데이터베이스에서 많은 관측 자료들을 찾아볼 수 있다.^[13]

8. 2. 실험실 관측

실험실 측정은 오염물질과 자연 발생 화합물의 발생원과 그 사이의 연결고리를 이해하는데 필수적이다.^[14] 이러한 실험은 특정 화학 반응의 개별 평가 또는 특정 대기 구성 요소의 비율을 관측할 수 있는 통제된 환경에서 수행된다.

현재 가장 주목을 받고 있는 분석 유형은 기체상 반응과 에어로졸의 형성과 성장에 적절한 다양한 반응이다. 에어로졸이란 대기 중에 떠다니는 아주 미세한 고체 입자로, 자연적으로도 인공적으로도 형성될 수 있다. 다양한 방면에 사용되는 만큼 연구가 가지고 있는 중요성은 대단하다.^[14]

마찬가지로 중요하게 평가되는 것은 분자가 햇빛에 의해 어떻게 분리되는지와 그 결과 생산물이 무엇인지 수치화하는 대기 광화학 연구다. 또한 헨리의 법칙의 계수와 같은 열역학적 데이터도 얻을 수 있다.^[14]

8. 3. 모델링

대기 화학의 이론적 이해를 종합하고 검증하기 위해 컴퓨터 모델링을 사용한다. 수치 모델은 대기 중 화학 물질의 농도를 결정하는 미분 방정식을 풀어준다.^[17] 모델은 0차원, 1차원, 2차원 또는 3차원일 수 있으며, 각각 다양한 용도와 장점을 가지고 있다.^[18]

모델의 복잡성에 따라 단순한 모델부터 매우 상세한 모델까지 다양하다. 예를 들어 박스 모델링은 수백 또는 수천 개의 화학 반응을 나타낼 수 있지만 대기 중 혼합 현상은 상당히 저조하게 표현된다.^[16] 반면, 3D 모델은 대기의 많은 물리적 과정을 나타내지만 컴퓨터의 역량의 한계로 인해 화학 반응과 화합물이 훨씬 적게 표현된다.

화학 수송 모델(CTMs)과 같은 컴퓨터 모델은 3차원 대기 수송 및 변화에 대한 현실적인 설명을 제공한다.^[17] 3차원 화학 수송 모델은 가장 현실적인 시뮬레이션을 제공하지만 상당한 컴퓨팅 자원이 필요하다. 이러한 모델은 지구 전체의 대기 조건을 시뮬레이션하는 전 지구 모델 (예: GCM)이거나, 더 높은 해상도로 특정 지역에 중점을 두는 지역 모델 (예: RAMS)일 수 있다. 전 지구 모델은 일반적으로 수평 해상도가 낮고 더 단순한 화학 메커니즘을 나타내지만 더 넓은 지역을 다루는 반면, 지역 모델은 더 높은 해상도와 더 자세한 정보로 제한된 지역을 나타낼 수 있다.^[18]

모델링을 사용하여 관측치를 해석하고, 화학 반응에 대한 이해를 시험하며, 대기 중 화학 화합물의 시간의 흐름에 따른 농도를 예측할 수 있다. 모델 예측과 실제 관측의 차이는 모델 입력 매개변수의 오류 또는 모델의 프로세스 표현의 결함으로 인해 발생할 수 있다. 잘 알려지지 않은 매개변수를 조정하여 모델을 개선할 수 있는데, 베이지안 최적화를 통해 역 모델링 프레임워크를 사용하는 방법이 있다.^[17]

Autochem 또는 Kinetic PreProcessor와 같은 자동 코드 생성기는 화학 성분의 사용자 정의 함수를 기반으로 데이터베이스에서 관련 화학 반응을 선택하여 모델 구축 프로세스를 자동화하는 데 도움이 된다.^[19]

현재 가장 중요한 목표는 대기 화학 모듈이 지구 시스템 모델의 한 부분이 되는 것이다. 이러한 모델은 대기 화학을 다른 지구 시스템 구성 요소와 통합하여 기후, 대기 구성 및 생태계 간의 복잡한 상호 작용을 연구할 수 있게 한다.

9. 대기 현상의 규모

태양으로부터의 방사는 슈테판-볼츠만 법칙에 따라 파장 약 500nm 부근에 피크를 갖는 스펙트럼 분포를 보인다. 이들은 대기 중의 물질에 의해 흡수되므로, 지표에 도달하는 파장 성분의 일부는 기체의 흡수 스펙트럼에 맞춰 크게 감쇠하고 있다. 그 작용이 현저한 기체는 산소(O₂), 수증기(H₂O), 이산화탄소(CO₂), 오존(O₃)이다.

태양 방사의 에너지를 받음으로써, 대기 중에서는 수많은 화학 반응이 생성된다. 대기 중의 물질이 생성되고 소멸될 때까지의 평균적인 수명은 물질의 종류에 따라 크게 다르다. 물질의 수명은 공간 스케일과 거의 비례하므로, 이들은 기상 현상의 스케일과 대응되어 있다.

대기 현상은 공간 규모에 따라 다음과 같이 구분된다.

마이크로 스케일(~100m): OH 라디칼, 삼산화질소 등이 관여하며, 도시의 대기 오염과 관련된다.
로컬 스케일(~10km): 황화디메틸, 질소산화물, 과산화수소 등이 관여하며, 대류권과 성층권의 물질 교환과 관련된다.
메소 스케일(~수백 km): 오존, 에어로졸, 일산화탄소 등이 관여하며, 산성비와 관련된다.
글로벌 스케일(수백 km~): 메탄, 일산화이질소, 프레온 등이 관여하며, 에어로졸과 기후 변동의 관계, 온실 효과 가스, 성층권 오존의 감소와 관련된다.

10. 대기 중 화학 물질

대기화학은 환경 정책, 인체 건강, 기술 개발, 기후 과학에 영향을 미치는 광범위한 응용 분야를 가진 다학제적 분야이다. 대기화학에서 다루는 문제의 예로는 산성비, 오존층 파괴, 광화학 스모그, 온실 가스, 지구 온난화 등이 있다.^[20] 대기 중에는 황 화합물, 질소 화합물, 탄화수소, 할로겐화물 등 다양한 화학 물질이 존재하며, 이들은 상호 작용을 통해 대기 현상에 영향을 미친다.

대기 중의 황 화합물은 산화 환원 반응을 일으키고 비휘발성 황산 에어로졸을 형성하여 대기 중 화학 반응에 큰 영향을 미친다. 주요 물질로는 황화수소, 황화디메틸(CH₃SCH₃), 이황화탄소, 황화카르보닐, 이산화황 등이 있다. 산업혁명 이전에는 해양 플랑크톤이 황화디메틸을 매개로 대기 중 황 화합물 반응을 지배했다고 여겨진다. 이산화황 배출량과 이산화탄소 배출량에는 강한 상관관계가 있는 것으로 알려져 있다.

질소는 일반적인 상태에서는 반응성이 부족하지만, 태양 복사 에너지를 받으면 화학 반응에 기여한다. 암모니아(NH₃)를 비롯하여 생명 활동과도 밀접한 관련이 있다. 질소산화물(NOx)에는 일산화질소, 이산화질소, 일산화이질소 등이 있다. 질소산화물은 광화학 스모그의 원인이 되며, 꽃가루 알레르기는 꽃가루와 질소산화물이 결합한 물질에 의해 알레르기가 발생한다는 설도 있다.

대기에 포함된 탄화수소 중 가장 중요한 것은 메탄이며, 자연 발생 또는 화석연료 사용으로 발생한다. 대류권에서 OH 라디칼과 반응하여 황 화합물이나 할로겐 화합물의 여러 반응에 기여하며, 온실 효과 가스로서의 작용을 갖는다. 배기가스의 영향으로 메탄보다 에탄, 에텐, 프로펜, 이소프렌, 아세틸렌 등이 많은 경우가 있다. 도료나 용제의 사용으로 도시 대기 중의 휘발성 유기화합물(VOC)이 증가하고 있으며, 이는 발암성이나 광화학 반응 물질에 대한 영향이 문제가 된다. VOC는 식물에서도 발생하며, 주요한 예로 터펜류(테르펜)가 있다. VOC가 광화학 산화 반응을 거쳐 생성하는 반휘발성 유기화합물은 대기 중의 먼지에 응축되어 2차 유기 에어로졸(Secondary Organic Aerosol)을 생성하고 구름 응결핵(Cloud Condensation Nuclei)이 되므로 기후 변화에 영향을 미칠 것으로 생각되어 최근 주목받고 있다.

대기 중 할로겐화물은 플루오로카본류(FCs), 클로로플루오로카본류(CFCs), 하이드로클로로플루오로카본류(HCFCs), 하이드로플루오로카본류(HFCs), 퍼할로카본류, 할론류 등으로 분류된다. 이들은 스프레이나 소화제에 사용되었으나, 오존층을 파괴하기 때문에 사용이 규제되고 있다. 온실효과가스이기도 하다.

1989년에 캘리포니아주가 대기 중 유해 물질을 규정했다. 벤젠, 1,2-디브로모에탄, 1,2-디클로로에텐, 6가 크롬, 다이옥신, 석면, 카드뮴 등이 있다.

원격 감지 기술의 발전으로 과학자들은 위성과 지상 기지를 통해 대기 화학 성분을 모니터링할 수 있다. 오존 모니터링 기기(OMI)와 대기 적외선 사운더(AIRS)와 같은 기기는 오염 물질, 온실 가스 및 에어로졸에 대한 데이터를 제공하여 대기질을 실시간으로 모니터링할 수 있다.^[21]^[22] 유해 물질은 인체 건강과 환경에 악영향을 미칠 수 있으므로, 이에 대한 규제와 관리가 필요하다. 녹색 대기화학 연구는 화학 물질의 지속 가능하고 안전하며 효율적인 사용을 우선시하며, 이는 CFCs와 DDT와 같은 유해 화학 물질의 사용을 최소화하는 정부 규정으로 이어졌다.^[20]

11. 대기 중 광화학

대류권과 성층권에서는 태양 복사 에너지에 의해 다양한 화학 반응이 일어난다. 오존은 대류권에서는 오염 물질이지만, 성층권에서는 자외선을 차단하는 중요한 역할을 한다.

대류권의 오존은 성층권과 달리 증가하고 있으며, 여름 반구의 대류권 하층에서 고농도가 나타난다. 특히 아프리카와 남미에서 여름에 행해지는 화전으로 인해 다량의 오존 전구물질이 생성되어 오존 농도가 상승한다. 대류권 오존의 공급원은 대류권에서의 광화학 반응에 의한 생성과 성층권으로부터의 이동이다. 대류권 오존은 전체 오존량의 10%에 불과하지만, 강한 산화력과 광화학 반응에서의 중요한 역할, 그리고 적외선 흡수 특성으로 인해 온실 효과를 유발하는 등 대기화학에서 중요한 의미를 가진다. 또한, 대류권 오존 농도가 높아지면 인체에 영향을 미친다.

성층권에는 일반적으로 구름이 존재하지 않지만, 극지방의 겨울에는 영하 90℃ 가까운 저온으로 인해 극성층운(PSCs)이 형성된다. 극성층운은 질산의 3수화물, 질산 및 황산의 액체 방울, 얼음 결정으로 구성되며, 염화수소 및 아질산이 존재하면 다음의 화학 반응에 의해 오존이 분해된다.

: ${\rm HCl}+{\rm NO}_2+2{\rm O}_3 \to {\rm ClO} + {\rm HNO}_3 +2{\rm O}_2$

성층권의 오존(오존층)은 감소하고 있지만, 대류권의 오존은 증가하고 있다. 1930년 채프먼은 성층권에서 산소 분자에 자외선이 작용하여 오존이 생성되는 과정을 제시하였다.

: ${\rm O}_2 + h\nu \to {\rm O}+{\rm O}$

: ${\rm O} + {\rm O}_2+ {\rm M} \to {\rm O}_3+{\rm M}$

: ${\rm O_3} + h\nu \to {\rm O}+{\rm O}_2$

: ${\rm O} +{\rm O}_3 \to 2{\rm O}_2$

:( $h\nu$ 는 자외선을 나타낸다)

그러나 실제 관측되는 오존은 채프먼 기구에 의해 예측되는 양보다 훨씬 적다. 이는 성층권에 존재하는 수소, 질소, 염소 화합물 등의 미량 성분에 의한 촉매 작용으로 오존이 소멸하기 때문이다.

12. 구름 물리학

구름물리학은 대기 중 비와 눈의 생성 과정을 다루는 학문 분야의 하나이며, 대기화학, 기상학의 한 분야로 간주된다.

13. 행성 대기

지구 대기는 주로 질소와 산소로 구성되어 있지만, 이러한 특징은 다른 행성과 매우 다르다. 예를 들어 금성, 화성 대기의 주요 성분은 이산화탄소이고, 목성 대기의 주요 성분은 수소이다. 지구 대기에 이산화탄소가 적은 이유는 대기, 육지, 바다의 물 순환 과정에서 탄산염이 해양에 축적되는 것이 크게 작용한다. 식물의 광합성의 영향은 그다지 크지 않다.

참조

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