오존층 파괴에 의한 재해

■ 오존층 파괴원인

 

대기중에 있는 가스들은 서로 영향을 미치며 균형을 이루고 있으며, 탄소 및 질소와 같은 기초원소가 식물, 동물, 해양, 토양, 대기중으로 순환되는데 그 기능을 담당하고 있다. 오존층에는 화학반응을 촉진하는 여러종류의 가스가 존재하며, 이중에서 문제가 되는 가스는 그 자체가 화학적으로 변하지 않으면서 오존의 분해과정에 촉매로 작용하는 가스이다.

 

 

 

 

① 할론(Halon) 가스
할론가스도 오존층 파괴 물질로서 최근에는 규제대상 물질로 되어 있다. 할론 가스는 프레온 가스와 비슷한 물질로, 프레온 가스에 함유된 염소 대신 브롬이 함유되어 있다. 브롬은 잘 연소되지 않는 성질을 갖고 있기 때문에 그 불연성을 이용하여 특히, 소화기용 소화제로서 사용되고 있다.
② 프레온 가스
프레온 가스는 화장품 등 스프레이 제품의 가스, 냉장고나 냉각기의 냉매, 소화제, 반도체, 등 전자제품이나 정밀기계의 제조용 세정제 등에 폭넓게 사용 되는 물질이다. 프레온 가스가 광범위 하게 사용되는 것은 다음과 같은 우수한 성질을 지녔기 때문이다. 프레온 가스는 안정적인 물질이기 때문에 대류권에서는 거의 분해되지 않 는다. 따라서 성층권까지 확산되어 가며 그 곳에서 강한 자외선을 받아 분해되는데, 만약 자외선에 의해 분해되면 염소원자가 발생, 그 염소가 오존층을 파괴하게 된다.
③ 기타파괴 원인
기타 현재 제조되고 있는 물질 중 오존층을 파괴시킬 수 있는 원인물질로 서는, 4염화탄소, 메틸클로로포름이 있다. 이 두 물질은 프레온 가스에 필적하는 오존층 파괴능력을 갖고 있고, 규제 대상이 되어 있는 물질이다.

 

 

 

 

 

■ 남극 오존홀

 

① 오존홀의 형성

1985년, 영국의 남극관측대 대기물리학자는 남극 Halley Bay기지 상공의 오존량이 1977년부터 1984년에 걸쳐 봄철이 되면 반드시 감소하고 그 감소량 은 점감하는 경향이 있음을 발견하였다. 그 원인물질은 프레온 가스에서 기인된 염소라는 것도 분명해졌다.

② 북극 주변과 지구전체의 오존변화
오존의 감소가 일반적으로 성층권의 기온을 저하시킨다는 것이 알려져 있 기 때문에 이것이 얼음의 미립자 생성을 더욱 촉진하게 되면 오존층의 파괴가 어느 단계 이후에는 가속도적으로 진행될 가능성도 생각할 수 있다. 따라서 남 극 이외의 지역에 있어서도 그와 같은 조건이 주어지면 앞으로 남극 규모의 오존홀이 그곳에 형성될지도 모른다는 것이다.

 

 

 Antarctic ozone hole, Sept. 17, 2001.

NASA/Goddard Space Flight Center

■ 오존층 파괴에 의한 재해

 

① 인간의 건강에 대한 영향
오존에 의하여 부분적으로 흡수되는 자외선의 파장 범위는280~320nm인데 피부그을림, 시력손상, 피부암, 피부주름 및 노화 등의 원인이 된다. 자외선 중에서는 파장이 짧을수록 생물체 조직에 영향이 더욱 큰 것으로 알려지고 있다. 자외선은 피부암, 인체의 면역기능의 약화, 피부염의 발생등을 증가시킬 수 있다.

② 오존홀의 확대
오존은 이산화탄소와 마찬가지로 온실기체이다. 온실기체의 영향 이외에도 오존층파괴로 인한 태양광선 침투의 증가는 지구기온의 상승을 초래할 것으로 보고 있다. 오존층 파괴로 인한 또 하나의 기후변화 영향은 습도와 증발량의 증가에 의한 강우량을 들 수 있다. 강우량 증가에 따라 일부 지역은 홍수피해가 증가할 것이고, 일부 지역의 가뭄 피해가 증가할 것이다.

③ 지구생태계의 영향
자외선 증가는 농작물의 수확량을 감소시키고 이는 전지구적인 식량부족 문제를 야기시킨다. 자외선이 식물에 미치는 영향은 벼의 경우 오존층이 8~11.5% 감소했을 때에 상당하는 자외선을 조사한 야외실험에서는, 가장 감수성이 높은 품종의 경우 수량이 매우 감소한 것으로 나타났다. 현재 오존층파괴를 방지하기 위해 프레온의 방출량을 규제하고는 있지만 이러한 규제에 의해 대기가 원래상태로 바로 돌아가는 것은 아니다. 오존층이 원래의 상태로 회복되는 데는 약 100년이 소요되는 것으로 알려져 있다.

(1) 대기 : 지상 대기 중 화학반응이 활발해져 도시지역의 대기오염이 심해지게 된다.

(2) 건축물 : 나무 등 건축재료의 부식과 노화가 촉진된다.

(3) 식물 : 성장 저해현상이 나타난 콩 등 곡물류는 수확량과 품질이 저하된다.

(4) 바다생태계 : 식물 플랑크톤이 감소, 바다 속 먹이 연쇄가 깨진다.

(5)인체에 미치는 영향

  1. 눈 : 오존량이 10%감소땐 세계적으로 연간 1백 60만 ~ 1백 75만명의 백내장  환자가 늘어난다.

  2. 면역력 : 면역력이 약해져 말라리아 등 질병이 늘어난다.

  3. 피부 : 오존량이 10%감소 땐 백인의 경우 피부암이 26% 정도 늘 것으로 추 산된다.

④ 대류권 온실효과에 의한 성층권 오존층 파괴 촉진

성층권 자체는 태양으로부터 자외선을 오존이 흡수하여 열을 함유하는 효과를 갖고 있는데 오존층이 파괴되어 오존량이 감소하면 열원이 없어지고 결국 성층권은 냉각되어 간다. 이에 따라 성층권 곳곳에는 오존홀이 출현하게 된다.

 

■ 오존층 파괴 방지를 위한 대책

 

① 프레온 가스 규제
프레온가스와 오존층의 관계가 지적되면서 프레온 가스를 포함하는 에어로솔제품의 규제가 미국을 중심으로한 몇개 선진극을 중심으로 실시되기 시작하였다.

② 몬트리올 의정서
유엔환경계획을 중심으로 오존층 보호규제 움직임이 일기 시작하여, 오존층 보호를 위한 조약을 체결하였다. 뒤이어 최초의 국제적 프레온 규제 조약인 오존층을 파괴하는 물질에 관한 몬트리올 의정서가 채택되었다.

③ 프레온 가스의 대체물질 및 문제점
최근 규제대상 프레온가스에 대한 대체물질로서 개발되고 있는 것이 하이 드로플루오로카본과 하이드로클로로플루오로 카본류이다. 이들 물질에는 수소가 함유되어 있기 때문에 대류권에서도 분해가 일어난다는 특징을 갖고 있다. 그러나 이것의 오존층 파괴능력은 규제대상 프레온가스의 1/10 이하이지만 문제 점이 없는것은 아니다.

 

 

제목 : 오존층

출처 :  NASA?Goddard Space Flight Center/Scientific Visualization Studio
설명 : 2005년 9월 11일 두께가 그 해 최소치에 이른 북극 오존층

 

 

오존층 (대기과학)  [── 層, ozonosphere]

 

많은 양의 오존이 존재하고 온도분포가 거의 오존의 복사성질에 의해 결정되며, 약 10~50㎞ 고도에 위치하는 상부 대기층.

오존층 /2005년 9월 11일 두께가 ...
오존의 화학식은 O3이며 지구대기에 항상 미량으로 존재한다. 그러나 오존층에서는 큰 밀도를 나타낸다. 이곳에서 오존은 주로 단파인 태양의 자외선복사(파장이 242×10－9m 이하)에 의해 형성된다. 자외선은 정상적인 산소분자(O2)를 2개의 산소원자로 분리시킨다. 그후 이러한 산소원자는 분리되지 않은 산소분자와 결합하여 오존을 생성한다. 또한 일단 형성된 오존은 300×10－9m 이하의 파장을 갖는 태양의 자외선에 의해 쉽게 파괴된다.

태양의 자외선은 산소분자와 오존에 의해 강하게 흡수되기 때문에, 오존을 생성할 수 있는 자외선은 대기의 하층까지 도달할 수 없으므로 오존의 광화학 반응은 약 20㎞ 이하의 층에서는 중요하지 않게 된다. 이러한 태양 에너지의 흡수는 성층권계면(成層圈界面), 또는 중간권 최고온점(mesopeak)이라 불리는 약 50㎞ 고도에서 최대 온도를 형성하는 데 매우 중요한 역할을 한다. 또한 상층대기에 위치하는 오존층은 그 흡수 효과로 인해 290×10－9m 이하의 파장을 갖는 거의 모든 태양복사를 지표면에 도달하지 못하도록 차단시킨다. 만일 자외선이 지표면에 도달하면 대부분의 생물들은 피해를 입거나 죽을 것이다.

몇몇 대기오염 물질, 특히 클로로플루오로카본(프레온 가스), 할론(클로로플루오로브롬 화합물)과 질소산화물들이 오존층으로 확산되면 오존을 파괴한다(→ 클로로플루오로카본). 1980년대 중반에 과학자들은 남극대륙 상공의 오존층에 '구멍'이 주기적으로 나타난다는 사실을 발견했으며, 이런 곳의 오존층 밀도가 정상밀도에 비해 40~50％ 정도 감소했음을 발견했다. 이런 심한 부분적 감소는 자연적인 현상으로 설명되지만 아마도 클로로플루오로카본과 할론에 의해 가속되었을 것이다. 지구의 오존 감소현상에 대한 관심이 증가하여 프레온 가스와 할론 사용에 대한 국제적 규제가 생겼고 이들의 제조를 계획적으로 감소시키고 있으며, 자동차의 배기 가스에서 나오는 질소산화물의 허용량에 대한 규제도 생겼다. 오존층의 두께는 비록 약 40㎞이지만, 오존의 총량은 대기에 풍부한 다른 많은 가스들과 비교해볼 때 아주 미소한 양이다. 만약 전체기에 포함되어 있는 모든 오존을 수면 대기압 정도로 압축시킨다면, 그 층은 단지 수㎜ 정도의 두께밖에 되지 않을 것이다.

클로로플루오로카본 (화합물)  [chlorofluorocarbon]

탄소·플루오르·염소·수소로 이루어진 유기화합물.
CFC는 프레온이라는 상품명으로 생산된다. 1930년대에 개발된 CFC는 제2차 세계대전 후부터 널리 사용되었다. 이 할로겐화된 탄화수소, 특히 트리클로로플루오로메탄(CFC-11 또는 F-11)과 디클로로플루오로메탄(CFC-12 또는 F-12)은 에어로졸-분사기 추진제와 냉매·용매·발포제(發泡劑) 등으로 널리 쓰여왔다. 이들은 무해하고, 불연성이며, 손쉽게 액체에서 기체로, 기체에서 액체로 전환되기 때문에 여러 용도에 매우 적합하다.

상업적·공업적으로 가치가 있음에도 불구하고 CFC는 환경을 심각하게 위협한다는 것이 밝혀졌다. 대기중에 방출된 CFC가 성층권에 축적되고 거기서 오존층에 해로운 영향을 미친다는 사실이 1970년대에 여러 과학자들이 행한 연구에 의해 밝혀졌다. 성층권에 있는 오존은 지구상의 생명체를 태양의 자외선 복사의 악영향으로부터 보호해준다. 성층권의 오존 농도가 비교적 조금만 감소하더라도 인체의 피부암 발병률이 증가하며, 많은 생명체의 유전적 결함을 일으킬 확률이 높다. 성층권에 있는 CFC분자는 태양의 자외선 복사로 분해되어 그들의 구성성분인 염소 원자를 유리시키면 이 염소 원자들은 오존 분자와 반응하여 오존을 분해한다. 성층권의 오존 감소에 대한 관심의 증가로 인해, 1970년대말 미국·캐나다와 스칸디나비아 반도 국가들은 에어로졸-분사기 용기에 들어 있는 CFC 사용금지안을 제안했다. 1987년 유럽 공동체(EC) 국가들과 24개국이 CFC 사용량을 동결하고 1999년까지 CFC 사용량을 30％ 이상 줄이기로 하는 협의안에 서명했으며, 1992년에는 이 협정을 개정해 1996년 1월 1일을 기해 사용을 금지하기로 했다. 이러한 모든 조치들과 함께 바람직한 CFC 대체물질 개발에 화학약품 제조업자들이 많은 노력을 하고 있다.

프레온 (화합물)  [Freon]

탄소와 플루오르 및 많은 경우에 다른 할로겐 원소(특히 염소 원소)와 수소를 포함하고 있는 지방족 유기화합물.
프레온이라는 이름은 E. I. 뒤퐁드느무르사가 등록한 상표명이다. 프레온은 가연성·부식성이 없는 무색·무미의 화합물로 1930년대 냉각제로 사용되었던 독성이 낮은 기체 또는 액체 상태의 물질이다. 에어졸용 추진제로 유용하며 기술적 용도가 매우 많다. 프레온에 속하는 중요한 물질에는 디클로로디플루오로메탄(프레온 12)·트리클로로플루오로메탄(프레온 11)·클로로디플루오로메탄(프레온 22)·디클로로테트라플루오로에탄(프레온 114)·트리클로로트리플루오로에탄(프레온 113)이 있다. 1970년대 중반 할로겐이 들어 있는 유기 추진제는 화학반응을 일으켜 성층권의 오존을파괴한다는 사실이 밝혀졌다. 오존은 피부암을 유발하는 자외선을 흡수하므로 오존이 없어지면 지구의 생태계에 위험을 초래할 수 있다. 따라서 세계적 협약을 통해 그 사용을 규제하고 있으며, 대체물질에 대한 연구가 활발히 진행중이다.

3-3. 대기오염으로 인한 현상
[1] 오존발생과 광학스모그
 (1) 오존의 발생
 ① 자동차 배기가스 중 일산화 질소(NO)가 산소와 반응 ▶ 이산화질소(NO₂)생성
 ② 이산화질소(NO₂)는 자외선에 의해 분해 ▶ 발생기 산소([O]) 생성.
 ③ 발생기 산소(반응성 강함)는 산소와 반응 ▶ 오존(O₃) 생성
     2NO + O₂ → 2NO₂
     NO₂ →(햇빛) NO + [O](발생기 산소)
     O₂ + O → O₃

(2) 광학스모그 생성(LA형 스모그)
 ① 오존과 탄화수소가 반응하여 유해한 유기화합물(PAN 등의 과산화물, 아세트 알데히드나 아크
     롤레인 등의 알데히드, 질산알킬 등)이 생김.
  ※탄화수소 : 용제의 증발·석유화학공장·석유정제·자동차에서 생김.
 ② 오존, 이산화질소, 과산화물은 산화성이며 산화제(옥시던트)라고 총칭한다.
 ③ 사람의 눈·기관지의 점막에 자극을, 식물의 잎을 마르며 열매가 열리지 않음.        
        <광화학 스모그 발생 전 LA시>                            <광화학 스모그 발생 후 LA시>

<탐구10> 오존을 발생시키는 오염물질 발생과 발생조건 <정리> 1. NO의 농도가 오전 7시경 가장 높은 이유는?

2. NO₂의 농도가 9시경 높다가 다시 감소한다 그 이유는?

3. O₃의 농도가 12시경 가장 높은 이유는?

 (3) 오존층의 파괴.
(가) 오존층의 파괴 ☞ 자외선의 양 증가
 ① 오존 양 10% 감소 ☞ 자외선 양 20%증가
      * 피부암 발생률 ☞ 30-50% 증가
 ② 남극 지방 1985년 후 ☞ 년 3, 40%감소
      * 남극 지방의 오존층에 구멍 ☞ 오존 홀 (년 간 4%씩 확산)

※ 오존층 파괴 물질 ☞ 프레온 가스
(1) 프레온가스(염화플루오르화 탄소)=CFCs [CFCs ☞CFCl₃, CF₂Cl₂, C₂F₃Cl₃등]
 ① 프레온 가스(CFCs) : 냉동제, 발포제 세정제 등으로 이용
 ② 독성이 작고, 연소, 폭발성이 낮아 안전
 ③ 금속, 플라스틱과 반응치 않아 보관이 용이하다.
 ④ 상온에서 기화나 액화가 쉽다

(2) 오존층의 파괴
 ① 오존층 파괴 물질 프레온가스에서 나오는 염소 원자.
 ② CFCs는 화학적으로 안정하여 오존 층까지 올라감.
 ③ 화학적 변화 : CF₂Cl₂ →(자외선) CF₂Cl + Cl·
                          Cl· + O₃ → ClO + O₂
                          ClO + O₃ → 2O₂ + Cl·
       * CFCs 한 분자 : 10만개의 오존분자 파괴

*

④ 남극 지방의 오존층 파괴가 심한 이유
   * CFCs 발생 원 ▷ 북반구
   * 원인 : 남극 지방의 특이한 기상 현상 ▶ 적도 지방의 열 전도가 어려워 남극 상공은 -80℃이하
               ☞ 성층권의 기체는 승화(고체)되어 에오로졸(aerosol)이 됨.
   * CFCs가 에오로 솔에 붙으면 활성 염소의 오존 파괴 속도가 급격히 증가.
   * 북극 상공은 영하 80℃이하로 내려가지 않음 ☞ 에오로졸이 생성 안됨.

 ※ 남극지방의 년도별 오존층의 변화(가운데 붉은 부분이 오존 홀이다)         


[2] 산성비와 지구의 온난화

(1) 산성비
(가) 빗물의 pH
① 순수한 빗물의 pH =5.6(증류수 pH=7)  ※ 원인 : 대기 중의 CO2가 빗물에 녹기 때문
② 산성비: pH = 5.6이하인 빗물 (pH2.4-5.6)
    ※ 지역 (도시, 공장, 산간, 농어촌 등) 및 계절에 따라 다름.

(나) 산성비의 원인
① 원인 : 대기 중의 황산화물, 질소산화물의 영향이다.
② 황산화물(SO₂, SO₃) : 화석 연료(석유, 석탄 연소 시 발생)
   ※ S + O₂ → SO₂, 2SO₂+ O₂ → 2SO₃
      SO₃ + H₂O(빗물) → H₂SO₄
③ 질소 산화물(NOx) : 자동차 연소 시 고온, 고압 하에서 질소는 산소와 반응함
  ※ 상온에서 질소는 산소와 반응치 않음.
  ※ N₂ + O₂ → 2NO(고온, 고압)
      2NO + O₂ → 2NO₂
      3NO₂ + H2O → 2HNO₃ + NO

(다) 산성비의 영향(피해)
 ① 삼림의 황폐화
 ② 토양의 산성화
 ③ 식물의 광합성 저해(나뭇잎 손상)
 ④ 금속, 석조 물(조각품, 건축물) 부식
 ⑤ 호수나 강물의 `산성화(수중 생물 폐사)
 ⑥ 토양 속의 금속(Pb, Cu, Al, Cd 등)을 녹여 이온화하여 동식물을 중금속 오염
           

(2) 온실 효과(green house effect)
 (가) 온실효과
 ① 태양광선 ▶ 오존층에서 자외선 흡수 ▶나머지는 지구 표면에 도달함. 지구 표 면에 도달된 빛         ▶ 지표면에 흡수(더워짐)  ▶ 열에너지는 적외선으로 변함 (공기 중에 복사)
 ② 공기 중의 이산화탄소나 수증기는 적외선을 흡수하여 열이 지구 밖으로 나가는 것을 막는 현상      을 온실 효과라고 한다.

 (나) 온실기체
 ① 이산화탄소(CO₂), 메탄(CH₄), 프레온가스(CFC), 일산화이질소(N₂O), 수증기(H₂O)
 ② 이산화탄소(CO₂)의 영향이 가장 크다-대기 중에는 이산화탄소가 약 0.03% 존재
    ※  에너지 소비량이 증가 : CO₂ 농도는 매년 증가하여 온실효과가 가중됨
        CO₂의 농도가 2배 증가하면 지구의 온도가 0.8∼2.9 정도 상승함                   
 ③ 연료 소비를 줄이고, 녹색식물은 광합성을 하므로 삼림을 보존 ⇨ CO₂의 증가를 막을 수 있고,      온실 효과로 인한 피해도 줄일 수 있다.

 (다) 온실효과에 의한 현상
  ① 지구의 온난화 : 과거 100년간 기온은 1℃ 상승 ▶ 2100년경 약 2℃상승 예상
  ② 해수면의 상승 : 과거 100년간 10∼20cm 상승 ▶ 2100년경 50∼100cm상승 예상.
                             (온도상승에 의한 열 팽창 및 빙하의 융해)

 ③ 기후학적 변화(이상 기후): 강수량 및 해면기압, 토양 수분의 변화
 ④ 사막화 현상 : 자연적 요인(가뭄, 건조화현상)과 인위적요인(과도한 경작, 산림 벌채)이 복합적       으로 작용

<엘리뇨 현상>