18. 성층권의 오존층 파괴

가. 오존층 개요

(1) 오존층

(가) 보통 대기의 구조는 대기의 수직 온도 분포에 따라 대류권(troposphere), 성층권 (stratosphere), 중간권(mesosphere) 그리고 열권(thermosphere) 등으로 나누어진다. 대류권은 지표면으로부터 약 10∼15 km 고도에 걸쳐 위치하며 고도가 상승할수록 평균 6.5℃의 율로 기온이 하강하여 대류권 상층부(계절별, 위도별 차이는 있으나 평균 11 km 고도)에서 약 -56 ℃(217 K)의 기온을 나타낸다. 이와 같이 고도가 상승할수록 기온이 낮아져 불안정한 대기층을 이루어 대류 운동이 활발하게 일어나는 기층을 대류권이라 한다.

(나) 대류권 상층부로부터 약 50 km 고도까지는 기온이 계속 상승하여 약 50 km 고도에서 0℃(273 K)의 기온을 나타내는 안정한 대기층으로 주로 분자 확산에 의해 기체의 이동이 이루어지는데 이 층을 성층권이라 한다. 대기중에 포함되어 있는 오존전량(total ozone)을 지상 기압으로 압축시켜 깊이로 환산하면 약 0.3 cm에 불과한 양이나, 이 양의 약 90 %는 성층권에 포함되어 있고 나머지 10 %는 대류권에 포함되어 있다. 특히 성층권 내에서도 25 km 부근에 오존이 밀집되어 있는데 이 층을 오존층(ozone layer)이라 한다.

(다) 성층권 오존은 산소분자가 태양으로부터 방출되는 강력한 자외선을 받아 두 개의 산소원자로 분해되면서 발생된 산소원자가 다시 산소분자와 결합하여 생성된다.

(2) 오존층의 중요성

(가) 지표면 오존은 인간의 건강에 해로운 물질이다. 그러나 성층권내에 존재하는 오존은 태양으로부터 방출되는 자외선을 흡수하므로 지구의 생명체를 자외선의 피해로부터 보호해 준다. 따라서 이 오존층이란 보호막이 걷히면 "지구의 생물은 마치 철판구이 위에 올라 있는 바닷가재의 신세"인 것이다. 그런 까닭에 오존층은 생물학적 측면에서 중요한 역할을 하고 있다.

1) 오존층 파괴 현상에 의한 태양으로부터 지구에 도달하는 UV-B(280∼320 nm)는 인체의 피부와 눈에 해로우며 또한 면역체와 비타민 D의 합성에 악영향을 끼치는 것으로 밝혀졌다. 특히 290 nm의 파장에서는 돌연변이와 피부종양을 일으키는 원인 물질의 생성율이 330 nm의 파장에서 보다 천배나 더 많다. 일반적으로 성층권의 오존농도가 1 % 감소하면 UV-B의 양은 2 % 증가하고 비 melanoma계 피부암의 발생율은 약 4 % 증가하며, 백내장은 0.6 % 증가하여 시력을 잃는 사람이 매년 10만명 이상 증가될 것으로 예상되고 있다. 또한 과도한 자외선 노출은 인체의 면역 기능을 저하시켜 폐결핵 등 전염병의 예방이 어렵게 된다.

2) 이 밖에도 UV-B가 증가할 경우 해양계에서 먹이 사슬의 중요한 역할을 맡고 있는 플랑크톤의 체질을 변화시켜 생산량 감소에 따른 해양의 먹이 사슬이 파괴되며, 육상 생물에 대한 개화 감소, 잎 크기 감소, 엽공의 운동조직에 영향 등으로 결국 돌연변이 발생과 농산물 수확 감소를 초래하게 된다.

 

나. 오존층 파괴

(1) 오존층 파괴 현상 관측

(가) 1974년 캘리포니아 대학의 모리나(Molina)와 로우랜드(Rowland) 박사는 염화불화탄소 (CFC, 일명 프레온 가스)가 오존층을 파괴한다는 내용의 논문을 과학 잡지 <Nature>에 처음 발표하였다. 그후 1985년에 1957년이래 남극 오존층을 정기적으로 관측하고 있는 영국 남극 조사팀에 의해 남극 오존층 파괴 현상이 처음 발견되었다.

(나) 1987년 10월에는 소위 오존홀이라고 명명된 오존층 파괴가 현저하게 나타났고 오존층 파괴가 가장 심각한 남극 15∼20 km 고도 내에서 오존전량의 약 95 %가 파괴되었으며, 핼리 만(Halley Bay)에서 관측된 오존전량은 1970년 오존전량의 반 이하로 감소됨이 밝혀졌다. 또한 과학자들은 그 후에도 1989∼1990년 동안에 오존층은 아주 심각하게 파괴되었으며, 1979년이래 전지구적 오존전량은 년 3 %정도 감소되고 있음을 발견하였다.

(다) 현재 전세계 도처에서 오존층이 엷어지고 있는 현상에 끊임없이 나타나고 있으며, 최근인공위성 님버스 7호(NIMBUS-7)의 오존전량측정기(TOMS)로 관측된 자료를 재분석한 결과 과거 12년 동안 북반구에서 6∼8 %의 오존이 감소되었고 특히 4∼5월에 4∼6 %의 오존이 감소됨이 밝혀졌다.

   

(2) 오존층 파괴 원인

(가) 1974년 모리나와 로우랜드 박사에 의해 성층권 오존이 프레온가스(CFCs)에 의해 파괴 된다고 발표된 후 11년이 경과한 1985년에 영국 남극 조사팀의 관측 자료를 통해 프레온가스는 오존 파괴의 주범으로 입증되었고 성층권 화학에 중요한 기체로 등장하게 되었다.

(나) 프레온 가스는 매우 안전하기 때문에 낮은 대기권에서는 분해되지 않으며 성층권까지 수송된 후 자외선에 의해 분해되어 오존 파괴의 촉매자로 작용하는 염소 분자(Cl)를 방출하게 된다. (Cl + O₃ --> ClO + O₂) 오존층이 파괴된 후 염소는 재생되므로 하나의 염소 분자는 수천에서 수십만개의 오존을 파괴할 수 있다.

(다) 또한 Carbontetrachloride(CCl₄)와 Methyl chloroform(CH₃CCl₃)도 성층권 오존을 파괴 할 수 있는 염소 분자를 포함하고 있으며, Bromine을 함유한 Halon은 염소보다 약 10배 가까이 오존을 파괴하며 남극 오존 파괴에 약 20 % 기여하는 것으로 알려져 있다.

(라) 주요 오존 파괴 물질의 파괴 능력과 특성

표 3.18.1. 주요 오존 파괴 물질의 파괴 능력과 특성

   

   

(3) 남극 상공의 오존 구멍 생성 원인

(가) 남극 오존 구멍의 생성 원인에 대해서는 아직 정확하게 밝혀지지 않았으나 현재 알려진 바 그 원인을 세 가지로 보고 있다.

1) 첫째, 광화학적 과정으로 남극에서 채취되는 프레온 가스에 의한 염소설이다. 남극 성층권 하부의 미세한 얼음 알맹이로 형성된 질산 구름이 성층권으로 상승한 염소화합물을 겨울 동안 그 얼음 속에 보관하고 있다가 봄이 되어 얼음이 태양빛에 녹아 해리될 때 염소가 방출되어 오존을 파괴시킨다는 것이다.

2) 둘째는 역학적 과정으로 온실효과 등에 의한 대기 순환의 변화를 생각 할 수 있다.

3) 셋째는 자연적 원인으로 태양 흑점의 주기 변화 등에 의한 남극의 특수 기후 변동 때문인 것으로 생각 할 수 있다.

   

(나) 최초 로우랜드(Rowland)의 연구결과에 의하면 남극 상공의 오존구멍 생성 원인을 다음과 같이 첫 번째 이론으로 밝혀지고 있다. 겨울철 동안 남극의 성층권에서 강력한 공기의 수렴 현상이 발생하여 기온이 -80℃까지 하강되며, 그로 인해 질산염을 응결핵으로 하는 극성층 구름(para stratospheric cloud)의 형성에 적합한 기상 조건이 되는데 이러한 현상이 북극 성층권 보다 남극 성층권에서 더 잘 일어나 남극의 성층권 오존이 더 많이 파괴되어 남극에 오존 구멍을 생성시킨다고 한다

(다) 최근 아르헨티나 기상청의 구스 타보탈라고니 기술 국장은 남극 오존 구멍의 크기가 지난해(1991년) 1천 7백만 평방 km에서 금년(1992)에는 미주 대륙 절반에 해당하는 2천 3백만 평방 km로 확장되었고, 오존층의 두께가 지난해에 비해 약 80 %정도 얇아졌다고 지적하고 있다.

(라) 또한 북극에서도 미약하나마 오존의 감소가 있음이 발표되고 있다. 노르웨이의 북쪽에 있는 스핏츠버그 섬(Spitsbergen Island) 상공을 중심으로 매년 약 1.5∼2 % 씩 감소하는 엷은 오존지역이 나타나고 있다. 그러나 그 넓이는 남극 오존 구멍의 3분의 1에 불과하다.

   

다. 오존층 파괴에 의한 기후에 미치는 영향

(1) 오존층은 태양으로부터 방출되는 자외선을 흡수하므로 지상에 도달하는 강한 자외선을 막아 주고 또 성층권 온도를 상승시키는 열적 효과를 갖고 있다. 그런 까닭에 오존층 파괴는 생물학적 영향(오존층의 중요성에서 언급)과 기후학적인 영향, 두 측면에서 매우 중요하다.

(2) 성층권의 온도 분포는 성층권 오존에 의한 태양 복사의 흡수량과 대류권의 오존, 이산화 탄소 그리고 수증기 등에 의한 대기 복사의 배출량 사이에 복사 평형으로 유지되고 있다.

(가) 수치실험에 의하면 오존전량이 15 %감소할 때 고도 약 40 km 의 층에서는 오존농도가 약 40 % 감소하며, 오존 감소량은 고도에 따라 다르다는 것이 밝혀졌다. 이에 따라 온도도 고도에 따라 10 ℃까지 감소된다고 추산되고 있다.

(나) 성층권의 온도 분포는 대기 대순환과 밀접한 관계를 갖고 있기 때문에 성층권 오존 감소에 따른 온도 변화는 기존 대기 대순환을 바꾸게 하여 지구 기후도 달라진다.

(다) 또한 성층권 오존층 파괴로 인한 지상의 자외선 증가는 대류권의 오존량을 증가시켜 도 시 지역에 광화학 스모그 발행을 촉진시킨다

(라) 한편 오존층 파괴 물질 중 CFC-11, 12는 지표면으로부터 대기중으로 방출되는 8∼12㎛ 스펙트럼대의 장파 복사에 대한 강력한 흡수 기체로서, 온실 기체로 작용하여 지구 온난화에 14 %정도 기여하고 있다.

   

라. 우리나라에서 성층권 오존층 관측

(1) Dobson 오존분광광도계로 연세대학교 과학관 옥상에서 1984년 5월부터 현재까지 우리나라 상공에서 오존 전량을 관측하고 있음

(가) 1985년부터 1994년 까지 10년 동안 관측된 오존전량의 월별 변화에서 2월, 3월, 4월의 오존 전량이 많으며 그 중 3월에 353 DU(Dobson Unit)로 최고치를 보이고, 8월, 9월, 10월의 값이 비교적 적으며 최소값은 10월 288 DU롤 나타났음

(나) 우리나라에서 최대 오존 농도의 연평균 고도는 22 km로 나타났음

(다) 우리나라에서 오존전량은 과거 10년동안 연평균 3.8 % 감소 경향을 보였음

(2) 연세대학교 오존 관측 자료는 세계오존자료센타(카나다 토론트)에 송부되며, 이 자료는"OZONE DATA FOR THE WORLD"에 수록되며, 세계 관계 연구기관에 배포됨. 또한 세계기상기구/전구 오존관측 시스템(WMO/GO30S)에 등록된 세계적 오존 관측소임

   

마. 오존층 파괴 물질 규제를 위한 몬트리올 의정서와 관련한 국제 협의 내용

(1) UNEP가 1985년 비엔나에서 회의를 열고, "오존층 보호를 위한 비엔나 협약"을 채택하였다. 그 후 캐나다 몬트리올에서 "오존층 파괴물질에 대한 몬트리올 의정서"가 채택되게 이른다. 간단히 국제회의 사례를 정리하면 다음과 같다.

1985년 3월 : 비엔나 협약 채택

1987년 9월 : 몬트리올 의정서 채택

1988년 9월 : 비엔나 협약 발효

1989년 1월 : 몬트리올 의정서 발효

1989년 5월 : 비엔나 협약에 대한 1차회의, 몬트리올 의정서 1차회의 헬싱키 선언 채택

(CFC 생산과 소비를 2000년까지 Phaseout)

1990년 6월 : 몬트리올 의정서 2차회의 (런던)

1991년 6월 : 비엔나 협약 2차회의, 몬트리올 의정서 3차 외의 (나이로비)

1992년 11월 : 몬트리올 의정서 4차회의(코펜하겐)

1993년 11월 : 비엔나 협약 3차회의, 몬트리올 의정서 5차회의(방콕)

1994년 6월 : 코펜하겐 의결사항 발효

1994년 8월 : 몬트리올 의정서 6차회의 (나이로비)

(2) 다음은 몬트리올 의정서 2차회의의 주요 내용이다.

(가) Adjustments (CFCs 저감대책의 강화)

1) CFCs : (CFC-11, 12, 113, 114, 115)

1989년까지 1986년 수준으로 동결

1995년까지 1986년 수준의 50 %만큼 감축

1997년까지 85 %수준 감축

2000년까지 완전히 동결

2) Halons : (Halon-1211, 1301, 2402)

1992년까지 1986년 수준으로 동결

1995년까지 1986년수준의 50 %로 감축

2000년가지 완전히 동결

(나) Amendment (규제물질의 첨가)

1) 다른 CFCs : (CFC-13, 111, 112, 211, 212, 213, 214, 215, 216, 217)

1993년까지 1989년 수준의 20 %만큼 감축

1997년까지 85 %수준 감축

2000년까지 완전히 동결

2) 사염화탄소 :

1997년까지 1989년의 85 %수준 감축

2000년까지 완전히 동결

3) 1.1.1-trichloroethane

1993년까지 1989년 수준으로 감축

1995년까지 1989년 수준의 30%만큼 감축

2000년까지 70 %수준 감축

2005년까지 완전히 동결

(3) 다음은 몬트리올 의정서 4차회의의 주요 내용이다.

(가) Adjustments (CFCs 저감대책의 강화)

1) CFCs : (CFC-11, 12, 113, 114, 115)

1989년까지 1986년 수준으로 동결

1994년까지 1986년 수준의 75 %만큼 감축

1996년까지 완전히 동결

2) Halons : (Halon-1211, 1301, 2402)

1992년까지 1986년 수준으로 동결

1994년까지 완전히 동결

3) 다른 CFCs : (CFC-13, 111, 112, 211, 212, 213, 214, 215, 216, 217)

1993년까지 1989년 수준의 20 %만큼 감축

1994년까지 75 %수준 감축

1996년까지 완전히 동결

4) 사염화탄소 :

1995년까지 1989년의 85 %수준 감축

1996년까지 완전히 동결

5) 1.1.1-trichloroethane

1993년까지 1989년 수준으로 감축

1994년까지 1989년 수준의 50%만큼 감축

1996년까지 완전히 동결

(나) Amendment (규제물질의 첨가)

1) HCFCs : 1996년까지 기본사용량으로 동결

2004년까지 기본량의 35 %만큼 감축

2010년까지 기본량의 90 %만큼 감축

2030년까지 완전히 동결

기본사용량 = 1989년 CFCs의 소비량 × 0.031 + 1989년 HCFCs의 사용량

2) HBFCs : 1996년까지 완전히 동결

3) 메틸브로마이드 : 1995년까지 1991년 수준으로 동결

   

바. 몬트리올 의정서 최근동향

(1) EU 규제강화 주요내용

표 3.18.2. EU 규제강화 주요내용

   

   

   

(2) 용도별 HCFCs의 규제일정

표 3.18.3. 용도별 HCFCs의 규제일정

   

   

(3) 용도별 HCFCs의 규제일정

표 3.18.4. 용도별 HCFCs의 규제일정

   

(4) 몬트리올 의정서 제18차 공개실무그룹회의('98.11.18∼11.24) 결과

(가) 국가별 할론 관리전략

o 모든 당사국이 할론감축·폐기를 위한 국별·지역별 할론 관리전략을 개발하며, 비 5조국은 2000.7월까지 동 전략을 오존사무국에 제출

(나) 새로운 오존층파괴물질에 대한 규제

o 당사국은 BROMOCHLOROMETHANE의 생산과 판매를 중지하는 조치를 취하며, 생산·판매되는 신규물질을 99.1.31까지 사무국에 통보

o 제12차 당사국총회전에 N-PROPYLBROMIDE 및 HALON-120에 대한 평가를 TEAP에 요청

(다) Annex A, B 물질함유 제품 및 장비의 수출입규제

o 의정서 부속서 A, B물질 포함제품 및 장비를 국내사용으로 제조하지 않고, 수입을 허가하지않는 당사국이 관련제품 및 장비의 목록을 사무국에 통보

- 부속서 A물질 : CFC-11, 12, 113, 114, 115, Halon-1301, 1211

- 부속서 B물질 : CFC-13, 사염화탄소, 1.1.1-TCE

(라) 불이행절차 검토

o 의정서 불이행국에 대해 이행위원회는 이를 보고하고, 적절한 방안을 권고하며, 불이행국에 대한 절차를 2003년말이전 재검토

(마) 검역 및 선적전 처리용 메틸브로마이드 사용 예외

o 검역대상 및 비대상 해충에 대한 IPCC(국제식물보호협약)규정 개정을 반영하여 검역 및 선적전 처리정의 재정립 추진

(바) 화학촉매제(Process Agents)규제

o '99.6.30이후 화학촉매제로 규제물질 사용공장의 신규건립을 금지하며, 2000.9.30부터 매년 화학촉매제로의 규제물질사용량, 배출량, 배출억제기술, 화학촉매제로 생산 수입된 규제물질량을 보고

(사) Kyoto 의정서상 규제물질인 HFC관련 몬트리올 의정서 이행문제

o 당사국들이 교토의정서상 HFC규제가 동의정서 이행에 미치는 영향을 평가토록, 몬트리올 의정서 관련기관들이 '99.7.1까지 기후변화협약 사무국에 HFC에 관한 정보를 제공할 것을 요청하며,

o IPCC와 공동으로 HFC배출제한 방안과 수단에 관한 WORK SHOP을 개최하며, 협력사항을 차기 실무회의와 당사국총회에 보고

   

사. 오존층 파괴 물질 대체 기술

(1) 대체물질 개발 방법은 모든 배출오염원에 대해서 적용이 가능하지만 새로운 물질을 개발하는데 많은 시간이 소요되고 개발 물질의 물리적인 평가 외에도 독성이나 환경에 미치는 영향 등에 대한 전반적인 장기 검토가 요구되는 단점이 있다. 반면에 배출 저감기술은 기존의 기술을 변조하여 단기간에 개발 가능하나 대단위 고밀도 오염발생지역에 대해서는 적당하나 설치문제 등으로 인하여 소규모 지역에는 적합하지 않다.

(2) 대체물질로 개발하여 시판 중인 HFCs와 HCFCs는 대기중 수명(lifetime)과 오존파괴능력(ODP) 모두 작고, 특히 HFCs는 염소원자를 함유하지 않아 ODP가 완전히 0이다. 이외에도 CFCs에 비해 지구 온난화 영향 역시 매우 작다. CFCs에 해당하는 각각의 대체물질은 다음과 같다.

CFC-11 ---> HCFC-123

HCFC-141b

CFC-12 ---> HFC-134a

HFC-124

HCFC-142b

HCFC-22

HFC-152a

CFC-113 ---> HCFC-225ca

HCFC-225cb

(3) HCFCs가 CFCs의 대체물질로 잘 활용되고 있지만 이것 역시 염소원자를 가지고 있기 때문에 ODP가 0은 아니다. 그리고 2030년 까지 HCFCs를 완전히 감축(Phase-out)하기로 국제적인 조인이 되어 있는 실정이다. 고로 HCFCs도 HFCs로 완전히 교체되어야 할 전망이다.

HFC-22 ---> HFC-32

HFC-125

(4) 한국과학기술원(KIST)의 CFC 대체기술연구센타에서 대체물질인 HFC-32를 개발하였고, HFC-134a를 냉매로 사용한 냉장고가 국내에 등장하였음

   

아. 오존층 회복 전망

(1) 오존층 파괴물질들이 성층권으로 이동되어 분해되기까지는 수십년이 요구되므로 오존층 회복이 시작되는 시기를 정확히 예상하기는 매우 힘들다

(2) 과학적 수치모형의 실험결과에 의하면 염소농도는 대류권에서 1997년, 성층권에서 2005년에 최고치를 달할 것이며 그 이후부터 염소농도는 감소될 것으로 예상되고 있다.

(3) 괄목할 만한 오존층 회복은 다음 세기 후반 이후에나 나타날 것으로 예상되어 진다. 선진국들에서는 CFCs감축과 발맞춰 나름대로 개발한 대체물질로 해외시장을 겨냥하여 활로를 개척하고 있다. 다행히 우리나라도 KIST를 주축으로 연구개발에 성공하여 HCFC를 포함한 일부 항목들을 생산중에 있지만 부족한 기술과 실효성 있는 공정 등에 대해 계속적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.

   

참고문헌

1. 국립환경연구원(1992), 지구환경연구를 위한 기초 조사(I)

2. 환경부(1995), 지구환경감시 및 기후 변화 예측 기술(오존층 감시 기반 기술)

3. 한국정밀화학공업진흥회(1998, 1999), CFC정보(계간/통권 28, 30호)

4. The Federal Minister of Research and Technology in Germany(1991), Global Change our

World in Transition

5. Japan International Cooperation Agency(1995), Textbook for Seminar on Promotion of

Ozone Layer Protection in Asian Countries

   

작성자 : 대기공학과 과 장 박일수(이학박사)

   

   

원본 위치 <http://home.sunchon.ac.kr/~bioenvlab/data2/ham3/3-18.htm>