대기과학(Atmospheric Science) 문답 #15. 대기 오염

#1. 대기 오염 물질을 흔히 3가지 기준에 따라 분류하곤 한다. 각각의 기준은 무엇이며, 각 기준 하에서 대기 오염 물질은 어떻게 분류되는가?

대기 오염 물질은 흔히 화학 조성, 물리적 상태, 대기 유입 과정을 기준으로 분류할 수 있다.

화학 조성을 기준으로 대기 오염 물질을 분류하는 경우, 대기 오염 물질은 황 화합물, 탄소 화합물, 질소 화합물, 염소 화합물 등으로 분류 가능하다.

물리적 상태를 기준으로 대기 오염 물질을 분류하는 경우, 고체, 액체, 기체 오염물로 분류 가능하다.

반면 대기 오염 물질은 그 오염 물질이 대기에 유입된 과정에 따라 1차 오염 물질과 2차 오염 물질로 나눌 수 있다. 1차 오염 물질은 오염원으로부터 직접적으로 대기로 유입된 오염 물질을 말한다. 석탄을 태울 때 발생하는 황 화합물이나 산불에서 발생한 연기는 대표적인 1차 오염 물질이라 할 수 있다. 2차 오염 물질은 오염원으로부터 직접적으로 유입되는 오염 물질이 아니라, 대기 중의 전구 물질에서 화학 반응을 통해 생성되는 오염 물질이라 할 수 있다. 대표적인 2차 오염 물질로는 오존 등이 있다.

#2. 기준 규제 물질이란 무엇인가? 기준 규제 물질에는 어떤 대기 오염 물질들이 있는가? 각각은 어떤 특징을 가지며, 인체에 어떤 영향을 미치는가?

인체의 건강에 악영향을 주어 법적으로 규제 대상이 되는 대기 오염물을 기준 규제 물질이라 한다. 기준 규제 물질에는 다음의 대기 오염물들이 있다.

• 일산화탄소
• 이산화황
• 질산화물 (일산화질소 및 이산화질소)
• 납
• 미세먼지 (PM10, PM2.5)
• 휘발성 탄소화합물(VOCs)
• 오존

#2-1. 일산화탄소($CO$)

일산화탄소는 무색 무취의 기체로, 주로 헤모글로빈과 결합하여 질식을 일으킬 수 있다. 일반적으로 불완전 연소 반응 등에서 잘 발생함이 알려져 있다.

#2-2. 이산화황($SO_{2}$)

이산화황은 무색의 기체로, 주로 석탄 등의 연소에서 발생함이 알려져 있다.

이산화황 등 황산화물은 대기 중의 수증기나 물과 결합하여 황산을 형성하여 산성비의 주된 원인이 됨이 알려져 있으며, 런던 스모그의 주된 원인이었다.

이산화황은 폐 등에 부정적 영향을 끼칠 수 있다. (수증기와 결합하여 대기 중에서 황산이 되면, 황산이 폐로 들어간다고 하면…)

#2-3. 질산화물 ($NO_{x}$) – 이산화질소($NO_{2}$) · 일산화질소($NO$)

이산화질소나 일산화질소 등의 질산화물은 주로 자동차에서 연료의 고온 연소 중에서 발생하여 배기 가스의 형태로 주로 방출된다.

일반적으로 이들 질산화물은 오존 파괴나 LA형 스모그 등 광화학적 스모그의 원인이 된 것으로 알려져 왔다.

특히 LA형 스모그는 이산화질소의 광학적 분해 반응에 의하여 적갈색으로 보인다. 이는 이산화질소의 다음 분해 반응에서 흡수하는 광의 파장 특성 때문이다.

• $NO_{2} \xrightarrow{hv} NO + O$

위 이산화질소의 분해 반응에서 흡수하는 광(hv)의 파장대는 주로 VIS 영역에서 청색광 영역인 단파장대이다. 이 청색광 영역이 대기 중의 이산화질소에 의하여 흡수되므로, 주로 이산화질소가 다량으로 분포하는 LA형 스모그 등은 그 스모그의 색상이 보색인 적갈색으로 보이게 된다.

#2-4. 납($Pb$)

납은 주로 고체상태로 방출되는 기준 규제 물질로, 주로 중추신경계에 중독을 일으키는 것으로 알려져 있다.

#2-5. 미세먼지 (PM10, PM2.5)

직경 10㎛ 이하의 아주 작은 입자, 먼지, 티끌, 염분 등을 미세 먼지로 통칭한다. 일반적으로 미세먼지보다 더 작은 초미세먼지가 논해지기도 하는데, 이는 직경이 2.5㎛ 이하로 발달한다.

일반적으로 미세먼지는 그 직경이 10㎛보다 더 작다고 해서 PM10 입자로, 초미세먼지는 그직경이 2.5㎛보다 더 작다고 해서 PM2.5 입자로 불리워진다.

#2-6. 휘발성 탄소화합물(VOCs)

휘발성 탄소화합물은 주로 오존 $O_{3}$의 전구 물질로 작용한다. 일반적으로 이러한 휘발성 탄소화합물은 식물에서 가장 많이 방출되는데, 대표적으로 피톤치드는 VOCs에 해당한다.

#2-7. 오존 ($O_{3}$)

일반적으로 오존은 1차 오염 물질이 아닌, 주로 VOCs(휘발성 탄소화합물)과 같은 전구 물질에서 화학 반응을 통하여 헝성되는 2차 오염 물질이다.

오존은 성층권에 있는 경우는 태양발 자외선을 흡수하기 때문에 지상 생물체를 보호해주는 중요 기능을 담당하지만, 지상에 있는 경우는 생명체의 호흡기나 눈 등에 영향을 미칠 수 있는 유독한 기체이다.

일반적으로 지상에서 오존의 형성 과정은 주로 일산화질소와 VOCs와 관계된다. 다음 반응을 거치기 때문이다.

• $NO + VOCs \xrightarrow NO_{2}$
• $NO_{2} \xrightarrow{hv} NO + O$
• $O + O_2 \xrightarrow O_3$

즉, 휘발성 탄소 화합물과 일산화질소의 결합으로 탄생한 이산화질소가 가시광(청색 VIS)를 흡수하면서 해리되어 활성 산소를 내놓고, 이 활성 산소가 다시 대기 중의 산소 기체와 결합하여 오존을 형성한다.

오존의 경우 계절 변화와 일변화가 있다. 주로 오존이 형성되기 위해서는 전구 물질인 VOCs와 NO 등의 공급도 필요하지만, 일반적으로는 활성 산소를 만드는 위 2번째 반응이 중시되기 때문에, 지표로 유입되는 태양복사선량이 많을수록 오존의 농도가 높다.

따라서 오존의 경우 그 일변화는 태양 복사선량이 많은 주간 중, 특히 정오 이후 오후 2 ~ 3시 경에 극대를 보이고(오존이 형성되는데에는 태양복사선속 Peak 이후 조금 시간이 걸린다) 이후 야간 중에는 저농도대를 거의 일정하게 유지하는 모습을 보인다.

반면 오존의 경우 그 계절적 변화의 경우, 연중 태양복사선속이 높은 여름철(4 ~ 8월)에 높게 나타난다.

#3. 대기 오염에는 어떤 요인들이 영향을 줄 수 있나? 가능한 주된 요인 3가지를 뽑고, 그 요인들을 발생시킬 수 있는 부차적 요인들을 각각 열거하면?

대기 오염에는 다음의 요인들이 주된 영향을 줄 수 있다.

• 바람 (수평)
• 대류혼합층고(행성경계층고) (연직)
• 오염 물질의 양

우선 바람과 대류혼합층고는 수평과 연직 방향으로의 대기 오염 물질의 확산 정도를 결정하기 때문에, 이들 대기 오염 물질의 농도를 결정하게 된다. 같은 양의 대기 오염 물질이 방출되어도, 그것이 고농도로 밀집된 것과 확산되어 저농도 상태에 있는 것은 엄연히 다르다.

한편, 대기 오염 물질의 농도에는 그 방출된 대기 오염 물질의 양도 당연히 영향을 미칠 수 있다.

#3-1. 방출된 오염 물질의 양

방출된 대기 오염 물질의 양은 대기 오염에 영향을 미칠 수 있으며, 그 양을 결정하는 요소에는 크게 다음 2가지가 있다.

• 오염원의 개수
• 태양복사선속 양

이 중에서 태양복사선속 양은 이산화질소의 해리 반응이나 오존의 형성 반응 등에 영향을 미친다.

#3-2. 바람

바람은 주로 수평 방향의 대기 오염물의 확산에 영향을 미치며, 따라서 대기오염물의 농도에 영향을 줄 수 있다.

바람에 영향을 미칠 수 있는 요소로는 다음이 있을 수 있다.

• 수평 바람
• 정체성 고기압

#3-3. 대류혼합층 두께 (행성경계층고)

대류혼합층, 즉 자유롭게 공기가 대류할 수 있는 대류혼합층의 두께, 달리 말하여 행성경계층고는 연직 방향의 대기 오염물의 확산에 영향을 미치며, 따라서 대기오염물의 농도에 영향을 줄 수 있다.

행성경계층고에 영향을 미칠 수 있는 요소로는 다음이 있을 수 있다.

• 대류혼합층의 두께
• 역전층
  • 침강역전층
  • 골짜기에서의 온난대
  • 복사역전층 (야간 지표 복사로 인한 복사 역전의 발달)

#4. 정상적인 비의 pH는 어느 정도이며 왜 그러한가? 산성비는 무엇으로 정의되며, 산성비의 원인은 무엇이고, 산성비는 어떤 피해를 가져올 수 있는가?

정상적인 비의 pH는 약 5.6 정도로, 이는 자연적인 비의 경우 대기 중의 $CO_2$로 인하여 이산화탄소가 빗물에 용해되어 탄산을 형성하기 때문에 약산을 띠는 것이다.

산성비는 이 pH 5.6의 정상적인 비보다 훨씬 더 산성인 비를 말하며, 이들 산성비는 주로 대기 중의 황산화물($SO_x$)이나 질산화물($NO_x$)에 의하여 발생함이 알려져 있다. 이들 황산화물과 질산화물은 물과 결합하는 경우 황산이나 질산을 형성하기 때문이다.

산성비는 석고 조각상 등의 부식 피해를 유발할 수 있으며, 생태계의 산성화를 가져와 삼림 고사나 수괴 산성화 등을 유발할 수 있다.

#5. 지구의 오존은 성층권과 대류권에 어떻게 분포하는가? 오존층의 평균 두께는 얼마이며, 이는 위도에 따라 어떻게 다른가? 오존의 평균 양을 측정하는 단위는 무엇이며, 어떻게 정의되는가? 지구 평균 오존 양과 위도에 따른 양은? 그러한 분포가 나타나는 이유는?

지구의 오존은 그 중 약 90%가 성층권에 분포하며, 성층권에서는 2개의 고도대에 나누어 오존층이 분포한다. 오존층의 평균 두께는 STP 상태로 보내는 경우, 적도에서 약 2mm, 극지방서 약 4mm 정도이다.

오존의 평균 양을 측정하는 단위로는 오늘날 Dobson이 사용된다. 1 Dobson은 STP 상태의 오존 기체($O_3$)가 전지구를 약 0.01mm 두께로 덮을 때의 오존의 양을 말한다. 따라서 전-지구 평균적인 오존의 양은 300 Dobson 정도이며, 적도 지역에서는 200 Dobson, 극 지역에서는 400 Dobson 정도가 된다.

이러한 오존의 위도에 따른 분포가 나타나는 이유는 주로 오존의 형성은 자외선 등의 유입이 많은 적도 부근에서 많이 일어난다는 점을 생각해볼 때 역설적이다. 그러나 오존은 분명 저위도에서 많이 형성되기는 하지만, 상층에는 저위도에서 고위도로 오존이 수송되는 기작이 존재하기 때문에, 고위도로 오존이 축적되므로 고위도에서의 오존의 양이 더 많은 것이다.

#6. 자외선은 그 파장에 따라 3종으로 분류된다. 각 파장을 명명하고, 그것이 오존층에 흡수되는 정도와 생명체에 미치는 영향을 서술하면? 주로 오존에 의한 자외선 피해는 무엇을 측정하는가?

자외선은 그 파장에 따라 3개의 종류, 즉 UV-A, UV-B, UV-C로 분류된다.

UV-C는 가장 단파장의 자외선으로, 단파장이어서 생명체에 중대한 위험이 될 수 있는 자외선이다. UV-C는 성층권의 오존층에 거의 대부분이 흡수되어, 사실상 지상에는 거의 도달하지 않는다.

UV-B는 중파장 영역대의 자외선으로, 오존층에 일부 흡수된다. 오존층의 두께 변화에 가장 영향을 많이 받는 자외선 영역대로, 따라서 지표에서는 주로 오존층 변화에 따른 지상에서의 자외선 피해를 조사할 때에 UV-B 영역대의 UV광을 조사한다.

UV-A는 장파장 영역대의 자외선으로, 거의 대부분이 오존층에 흡수되지 않고 그대로 지표로 도달한다. 생명체에 미치는 영향은 거의 없고, 상층 오존층의 농도 변화와는 거의 관련 없다.

#7. 성층권에서 오존층은 상층 · 중하층 · 하층에서 생성되고 파괴되는 일련의 과정을 거친다. 채프만 과정이 대표적이다. 오존층의 각 층에서 채프만 반응은 어떠한가?

오존층의 상층에서는 다음과 같은 산소의 해리 반응이 일어난다.

• $O_2 \xrightarrow{hv} O + O$

오존층의 중하층에서는 활성 산소와 중간 물질($M$), 산소 기체가 결합하여 오존이 형성된다.

• $O + M + O_2 \xrightarrow O_3 + M$

이 때 주로 중간 물질 M은 보통은 질소 기체($N_2$)인 편이다.

오존층의 하층에서는 자외선을 통한 오존의 해리 반응이 일어난다. (오존의 파괴)

• $O_3 \xrightarrow{hv} O_2 + O$
• $O + O_3 \xrightarrow 2O_2$

즉, 자외선을 통해 오존의 해리 반응이 일어나 활성 산소가 형성되고, 이 활성 산소는 다른 오존과 결합하여 산소 기체로 됨으로써 오존이 파괴된다.

#8. 오존은 프레온가스(CFC)나 이산화질소($NO_2$) 등에 의하여 파괴될 수 있다. 각각은 어떻게 오존을 파괴시키는가?

프레온가스의 경우 그 안에 포함된 염소($Cl$)와 관련된 다음의 반응을 통하여 오존을 파괴한다.

• $O_3 + Cl \xrightarrow ClO + O_2$
• $ClO + O \xrightarrow Cl + O_2$

이산화질소의 경우 다음 반응을 통하여 오존을 파괴할 수 있다.

• $O + NO_2 \xrightarrow NO + O_2$
• $NO + O_3 \xrightarrow NO_2 + O_2$

#9. 오존홀이란 무엇인가? 오존홀은 남극에서 계절적 현상으로 심하다. 오존홀은 남극에서 어떻게 형성되는가? 왜 북극에서는 이러한 오존홀 현상이 심하지 않은가?

성층권의 오존층의 두께가 급격히 감소하여 마치 구멍을 이룬 것처럼 보이는 것을 오존홀이라 한다. 오존홀은 남극에서 10월 경에 가장 심하게 나타나지만, 북극이나 중위도 지역에서 관측되기도 한다.

오존홀은 주로 남극에서 봄철에 해당하는 10월 경에 가장 심하게 나타난다. 이러한 남극에서의 계절적인 오존홀 현상은 겨울철 중 남극에서의 극성층운(PSC) 형성과 연관이 깊다.

남극의 겨울철(6 ~ 9월)에 남극은 상층이 영하 90℃ 정도로 아주 낮은 기온으로 내려간다. 이러한 기온 내에서는 별도의 응결핵이 존재하지 않고서도 수적이 자체적으로 응집하여 구름을 구성할 수 있는데, 이 구름을 극성층운(PSC)라 한다. 그런데 이 시기에 남극으로 운송된 CFC 등은 PSC, 즉 극성층운에 HCl 등의 형태로 저장된다.

남극이 10월, 봄철에 이르면 이 극성층운에 저장되어 있던 CFC 성분이 한꺼번에 다량으로 방출되게 되는데, 이는 앞서 서술한 바 있는 CFC의 Cl과 관련된 오존 파괴 기작에 의하여 한꺼번에 오존의 농도를 급감시키는 현상으로 나타나게 된다.

보통 남극의 경우 10월 경 오존 양이 100 Dobson 전후까지 떨어지기도 한다.

남극 이외의 북극 등의 지역의 경우는, 해류와 열대 폭풍 유입 등의 영향으로 남극보다 온난하기 때문에, 겨울철에도 PSC가 잘 형성되지 못하여 남극에서의 계절적 오존홀의 발생 기작이 나타날 수 없으므로 남극만큼 오존홀 현상이 심하지는 않다.