성층권의 오존층 파괴
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
|
화 학 물 질 |
수명(Years) |
오존파괴능력 (ODP) |
주 요 용 도 |
|
CFC-11 CFC-12 CFC-113 CFC-114 CFC-115 Halon 1301 Halon 1211 Halon 2402 Carbon tetrachloride Methyl chloroform |
60 120 90 200 400 110 25 28 50 6.3 |
1.0 1.0 0.8 1.0 0.6 10.0 3.0 6.0 1.1 0.15 |
발포제, 냉장고, 에어콘 발포제, 냉장고, 에어콘 전자제품 세정제 발포제, 냉장고, 에어콘 발포제, 냉장고 소화기 소화기 소화기 전자제품 세정제, 살충제, 약제, 용매제, 접착제 |
(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
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규제물질명 |
용도 |
규제내용 |
비고 |
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HCFCs |
CFC의 중간대체물질로 냉매, 폴리우레탄 발포제, 세정제 등 |
용도별로 2000.1.1.부터 2010.1.1.까지 전폐 |
몬트리올 의정서상 선진국은 2004년부터 감축하여 2030년 전폐 |
|
MeBr |
농수산물 검역등 살충제 |
2001년부터 대폭(60%) 감축하여 2005년 전폐 |
몬트리올 의정서상 선진국은 99년부터 감축하여 2005년 전폐 |
|
CFCs |
냉장고 및 에어컨냉매, 폴리우레탄 발포제등 |
판매금지(발효즉시) 및 냉장시스템 보충용 사용금지(2000.1.1) |
몬트리올 의정서상 선진국은 신규CFC(96년부터), Halon(4년부터)사용이 금지되었으나, 재생사용은 허용 |
|
Halon |
소화용 |
판매 및 사용(발효즉시)금지, 대부분의 소방설비내의 비필수 Halon 시스템 해체(2004.1.1) |
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(2) 용도별 HCFCs의 규제일정
표 3.18.3. 용도별 HCFCs의 규제일정
|
제품 |
제품유형 |
금지시기 |
사용량 비중 |
몬트리올 의정서상 규제일정 |
|
냉매 |
아래제품을 제외한 모든 신규제품 100kw미만의 에어컨(fixed형) 에어컨/heat pump (reversible형) 기존 냉장고, 에어컨의 신규 HCFC리필 |
2001.1.1 2003.1.1 2004.1.1 2010.1.1 |
4% 1.5% 1.5% 25% |
o 선진국 -'89 HCFC 소비량기준 -'96.1.1 동결 -2004.1.1 35%감축 -2010.1.1 65%감축 -2015.1.1 90%감축 -2020.1.1 99.5%감축 -2030.1.1 전폐 o 개도국 -2015년 소비량 기준 -2016.1.1 동결 -2040.1.1 전폐 |
|
폼 |
폴리에틸렌폼 폴리스틸렌폼(운송용 단열재 제외) 폴리우레탄폼(운송용 단열재 제외) 상기이외의 기타폼 |
2000.1.1 2002.1.1 2003.1.1 2004.1.1 |
2% 10% 37% 10% |
|
|
용매 |
용매(우주항공산업 정밀세정용매제외) 우주항공산업 정밀세정용 용매 |
2002.1.1 2009.1.1 |
6% 3% |
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(3) 용도별 HCFCs의 규제일정
표 3.18.4. 용도별 HCFCs의 규제일정
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EU 이사회 결정 |
몬트리올 의정서상 생산·소비량 규제일정 |
|
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선진국 |
개도국 |
|
o '91년 생산, 소비량 기준 -2001.1.1 60%감축 -2003.1.1 75%감축 -2005.1.1 전폐 |
o '91년 생산, 소비량 기준 -1995.1.1 동결 -1999.1.1 25%감축 -2001.1.1 50%감축 -2003.1.1 70%감축 -2005.1.1 전폐 |
o '95∼'98년 평균 생산, 소비량 기준 -2002.1.1 동결 -2005.1.1 20%감축 -2015.1.1 전폐 |
(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>
대기오염물질의 장거리 이동
17. 대기오염물질의 장거리 이동
가. 동북아시아에서의 장거리 이동 오염물질
(1) 일반 사항
(가) 동북아지역은 세계에서 가장 급속한 경제성장을 이루고 있는 지역으로서 경제적인 측면만이 아닌 환경오염 측면에서 세계의 이목이 집중되고 있다. 최근들어 국내외에서 동북아지역의 대기오염과 관련된 연구들을 활발히 수행하고 있으며, 한반도 대기질에 대한 중국의 영향도 부분적으로 밝혀지고 있다.
(나) 본 자료집에서는 최근에 발표된 연구내용을 중심으로 소개하므로써 우리들이 궁금하게 여기는 동북아시아에서의 대기오염 물질 이동현상을 알리고자 하였다. 다만, 연구의 특성상 제시되는 자료들의 오차 범위가 커서 그 현상을 단정 짓는데는 한계가 있다고 본다.
(다) 정부는 동 분야에 대한 연구의 중요성을 인정하고 그동안 부분적·산발적으로 수행되어온 연구를 체계화하고자 내년부터 5년간 종합적인 연구사업을 추진할 계획으로 있다. 그 주요 내용으로는 지상배경농도측정, 항공기 관측, 모델링의 개발·적용 및 산성우 조사등을 통한 오염물질의 장거리 이동현상 규명과 생태계 및 토양에 미치는 영향조사 등이 있다.
(라) 앞으로 이 분야는 지속적이고 폭넓은 연구가 진행될 것이며 국가간의 신뢰성 있는 데이터 교환 등도 활발할 것으로 기대되고 있다. 또한 조사·연구 결과를 토대로 하여 과학적인 자료를 바탕으로 한 관련국의 긴밀한 협력도 이루어 질 것으로 기대되고 있어 점차 심화되어가는 지역환경오염 문제 해결에 청신호를 보내고 있다.
(2) 오염물질의 지역적 특성
(가) 대류권 하층에 존재하는 산성침적물이나 광화학 산화물 등은 평균체류시간이 1일에서 1주일 정도로 보통 수백에서 수천 ㎞까지 이동이 가능한 것으로 알려져 있다. 북반구 중위도에서 대기중에 황산염의 체류시간은 겨울철에는 4∼6일, 여름철은 6∼15일이며, SO₂는 비교적 짧아서 2∼3일로 조사되었다 (Benkovitz et al., 1994).
(나) 중국공업지역에서 배출된 오염물질이 24시간후 우리나라에 도착한다고 가정할 경우 SO₂의 22%가 SO4-2로 변환되며, 10월보다는 12월에 SO4-2/SO₂몰비가 크게 나타난다 (한진석 등, 1998).
(다) 기류의 이동 특징에 따라 황화합물의 변환 특성이 다르게 나타나는 걸 볼 수 있다. 기류가 요동성과 황해를 거쳐 일본 야쿠시마쪽에 도착했을 경우에 SO4-2/SO₂비가 큰 반면에 한반도를 거쳐 일본 서해안에 도달할 경우는 적게 나타난다 (Hatakeyama 등, 1997).
(라) 참고로, 중국에서 1995년도에 인위적으로 SO₂를 배출한 양은 3,100만톤으로 우리나라의 약20배에 달하고 (박순웅 등, 1997), 중국 산둥반도 남서쪽의 청정지역인 Quingdao의 SO₂농도가 우리나라 청정지역인 태안반도의 약20배, SO4-2 는 거의 5배인 것으로 조사되었다 (문길주 등, 1998).
(3) 대기오염물질의 이동경로
(가) 동북아를 5개 구역으로 다음 그림과 같이 나눠서 구역별 기류의 이동 경로를 장거리 이동 모델 CADM을 이용하여 분석한 바에 의하면, 1, 2 권역에서 기류의 이동이 가장 많고 4,5권역은 거의 없는 것으로 나타났다. 계절별로는 겨울철에 1, 2권역의 이동이 특히 많았으며, 계절별 총 이동량은 별다른 차이가 없는 것으로 조사되었다 (박일수 등, 1999).
|
구역 |
Ⅰ |
Ⅱ |
Ⅲ |
Ⅳ |
Ⅴ |
계(%) |
|
봄 |
39 |
31 |
18 |
11 |
1 |
24.9 |
|
여름 |
16 |
10 |
37 |
23 |
14 |
25.4 |
|
가을 |
36 |
43 |
16 |
1 |
4 |
24.6 |
|
겨울 |
40 |
47 |
10 |
1 |
2 |
25.1 |
|
계(%) |
33 |
33 |
20 |
9 |
5 |
100 |
표 3.17.1 구역에 따른 계절별 기류이동 발생빈도
그림 3.17.1 동북아 5개 권역구분
(나) 가을과 겨울철의 기류이동을 보면 10월에는 바이칼, 몽고, 요령반도를 거쳐 북서쪽에서 국내로 이동하는 반면에 12월에는 신강자치구, 산동성을 거쳐 서쪽에서 이동해 오는 것으로 파악되었다. 또한 겨울철 SO₂배출원이 밀집되어 있는 산둥반도에서 태안반도 쪽으로 경계층내 빠른 유속에 의해 오염물질이 이동하는 것으로 조사되었다 (박일수 등, 1998).
(다) 한·중·일의 배출량과 기상조건 등을 고려하여 아황산가스와 황산염의 농도를 예측해 본 바에 의하면, 남서풍이 우세한 경우에 중국 중남부 지역으로부터 오염물질이 한반도 북쪽까지 깊숙히 이동되고 있다. 이에따라 남서풍이 많은 겨울철에 오염물질은 한반도 남쪽지역보다 북쪽지역에서 더 높은 농도를 나타내며, 북서풍이 부는 가을철에 비하여 한반도 전체의 오염농도도 더 높게 조사되었다 (박일수 등, 1998).
(4) 대기오염물질 이동량
(가) 한반도의 황산염 습성침적량에 대한 중국의 영향은 8 내지 44%로 조사된 바 있다 (이태영 등, 1997).
(나) 중국으로부터 한반도로 유입되는 오염물질을 지상측정과 항공관측자료등을 종합 분석한 바에 의하면, 아황산가스의 평균유입량은 봄철에 60∼100톤/hr, 가을철은 45∼70톤/hr, 겨울철은 300∼340톤/hr이고 SO4-2유입량은 가을에 11∼28톤/hr, 겨울에 100∼110톤/hr 정도로 추정되었다. 이는 겨울철에 막대한 황화합물이 중국으로부터 우리나라로 유입됨을 나타낸 것이다. 특히 중국으로부터의 유입량을 연기준으로 환산하면, 겨울철 SO₂의 유입량은 1994년도 우리나라 아황산가스 배출량의 150%를 넘었으며, SO4-2도 40%정도인 것으로 추정되었다 (문길주 등, 1998).
(다) 항공기를 이용한 측정에 의하면 대기오염물질 이동량은 겨울철에 0.25(1997. 12) 내지 0.24톤/(km/hour)(1998. 11)로 가장 컸고, 가을(1997. 10), 봄(1998. 4) 순으로 나타났다 (한진석 등, 1998).
(라) 또한 한반도로 유출입되는 아황산가스와 황산염을 모델링을 이용해 산정한 것을 보면, 서해안으로 유입되는 아황산가스는 기상조건에 따라 109∼238톤/hr, 황산염은 32∼48톤/hr이며, 황산염은 최고 95%에서 최저 50%가 중국으로부터 유입되는 것으로 추정되었다. 반면, 동해안을 따라 유출되는 오염물질은 아황산가스 22∼25%, 황산염 46%∼75%가 한반도의 오염물질인 것으로 추정되었다. 또한 중국으로부터 서해안을 통해 유입되는 아황산가스는 최고82%까지 한반도에 침적됨을 알 수 있었다 (박일수 등, 1998).
(5) 장거리 이동 오염물질의 영향
(가) SO₂는 장거리 이동 과정중에 황산염으로 변환되어 생태계를 산성화 시키며, 구름의 응결핵으로 작용하여 지구 복사체계를 변화시킨다. 황산염의 전지구적 냉각률은 약 -1.1W/㎡로 온난화 가스 (CO₂:1.5, 다른 온난화 가스 0.95 W/㎡)와 더불어 지구 복사 에너지 수지에 영향을 주고 있다 (Charlson et al., 1991).
황화합물의 변환을 주도하는 요소들로는 OH라디칼 농도, 운량, 강수량, 강수빈도 및 자체의 농도 등이 있다 (Lagner and Rodhe, 1991).
(나) SO₂등 산성화된 미세입자는 천식과 기관지염 환자들에게 영향을 미칠 수 있는데, 오염도의 오랜기간 동안의 평균값 보다는 이따금 발생되는 단기간의 고농도가 더 중요하다. 또한 SO₂는 물의 산도를 증가시켜 용해상태의 금속농도를 증가시키므로써 우물물등을 의존하는 사람들에게 중금속 오염의 심각한 우려를 낳고 있다 (Peter O'Neill, 1993).
(다) 대기중 SO₂는 식물에도 직접적인 손상을 입혀 증산(transpiration), 광합성, 잎의 보호막, 그리고 잎으로 부터의 이온의 침출 등에 영향을 미친다. 토양에서는 마그네슘과 칼륨과 같은 필수금속원소의 제거속도를 증가시키고 알루미늄, 납, 아연, 구리 등 독성을 띤 금속의 이동속도를 증가시켜 자연계를 파괴시킨다 ( 상 동 ).
(라) 또한 입자상의 황산염등은 NO₂, N₂O5와 더욱 용이하게 반응하여 ClNO₂와 ClNO를 방출하고 이들 생성물질은 가시광선에 의해 쉽게 분해되어 오염된 해양지역에서의 광화학스모그에 대한 광개시물질로 작용한다 (L. Ember,1998).
나. 국내 연구 동향
(1) 동북아 대기오염 장거리이동과 환경보전 협력방안에 관한 조사(1995∼1999, KIST 문길주/김용표)
(가) 대기오염물질의 장거리이동 유출입량을 정량적으로 규명하고자 환경부의 용역으로 국내 청정지역에서의 지상측정과 분석 등을 수행하고 있다.
(나) 주요연구 내용
1) 대기오염 배경농도 측정
가) 제주고산 등 6개 지상측정소 운영
나) 거대입자 및 미세입자의 무게, 이온성분, 미세입자의 탄소 및 금속성분 분석
2) 측정자료 해석 : 오염물질의 장거리 이동 특성, 이동량 및 침적량 등
3) 국제공동조사 : 중국 청도에 측정망 운영
(2) 장거리 이동 대기오염물질의 공간분포 및 변화에 관한 연구 : 항공기 측정을 중심으로 (1997∼1999, 국립환경연구원 한진석 등)
(가) 동북아 지역에서의 대기오염물질의 장거리 이동 감시체계를 구축하고자 항공기를 이용하여 대기오염물질을 측정하고 장거리 이동물질의 침적량 산정을 연구하고 있다.
(나) 주요연구 내용
1) 항공기를 이용한 오염물질 측정
2) 오염물질의 연직구조 파악 및 산화제와 다른 오염물질과의 관계 분석
3) SO₂의 장거리 이동중에 황산염으로의 변환에 주는 영향 분석
4) 한반도 남해·서해 경계를 통한 오염물질의 이동량 추정 및 황 수지 산정
(3) 장거리 이동 대기오염물질의 공간분포 및 변화에 관한 연구 : 모델링을 중심으로 (1997∼1999, 국립환경연구원 박일수 등)
(가) 장거리 이동모델인 CADM 을 이용하여 우리나라로 이동되는 공기의 발원지를 추적하고 이산화황 및 황산염의 이동·강하량을 산출하는 것을 목표로 하고 있다.
(나) 주요연구 내용
1) 동북아지역의 황산화물 Source-Receptor간 수지 평가
2) 동북아지역 공기이동 권역별 침적량 산정
3) 상층기상관측과 기류이동 특성 분석
(4) 산성비 감시 및 예측기술 개발 (1992∼, 연세대학교 이태영 등)
(가) 환경부의 G-7환경공학기술개발사업의 하나로 수행되고 있다. 주요 연구 내용으로는 동북아지역 대기오염물질 배출량 조사, 대기질 감시망 구성 및 산성비 예측모델 개발 등이 있다.
(5) 기타
(가) 동북아지역 대기오염 배출원조사 (서울대, 1994)
(나) 배경강수 측정망 운영 (연세대, 1994)
(다) 대기오염 감시망 구축 및 측정 분석 (KIST, 아주대, 1991∼1995)
(라) 황사 및 장거리 이동되는 오염물질이 우리나라에 미치는 영향 연구 (대한항공 등, 1993∼1994)
(마) 한·중 장거리 이동 대기오염조사 (한국교원대, 1995)
(바) 장거리 이동모형 개발 (연세대, 1993)
(사) 대기오염물질의 장거리 이동과 산성비 강하에 관한 연구 (국립환경연구원 등, 1989∼1991)
다. 국제 협력
(1) 동북아 장거리이동 등에 관한 전문가 회의 (Expert Meeting on Long-range Transboundary Air Pollutants in Northeast Asia)
(가) 한국, 중국, 일본 3국은 지난 '95년 9월 관련 워크샵을 개최하여 동북아지역의 대기오염 심각성을 공동 인식하고 3국간 공동연구 수행을 위한 공동운영위원회 설치에 합의를 하였다.
(나) 워크샵에서 합의된 내용에 따라 국립환경연구원에 사무국을 설치하고 1996년 7월과 11월에 걸쳐 전문가회의를 2회 개최하였다. 이 회의에서 장거리 이동 대기오염물질 관련 측정 및 모델링 분야 공동연구 수행에 합의하고 단계별 공동연구 제안서를 채택하였다.
(다) 전문가회의 결과에 따라 지난 '99년 8월에 측정 및 모델링 분야 조사전문가 12인이 모여 세부조사 계획을 확정하였다. 따라서 앞으로는 국가간 서로 신뢰할 수 있는 자료 확보가 용이할 것으로 기대되고 있으며, 장기적으로 동북아에서 장거리 대기오염물질을 규제하기위한 발판이 마련될 것이다.
(2) 동북아 환경협력회의 (Northeast Asia Conference on Environmental Cooperation)
(가) 국가간 지역환경문제에 관한 정보 및 의견교환을 촉진하고 환경협력을 강화할 목적으로 한국, 중국, 일본, 몽골, 러시아의 환경당국이 참여하고 있다. 1992년 일본에서의 제1차회의를 시작으로 지난해 우리나라에서 제7차 회의가 개최된 바 있다.
(나) 그동안 산성비, 생물다양성보존 등 공통관심사항에 대한 참가국의 정책을 소개하는 등 상호 이해의 확대폭을 넓혀오고 있다.
(3) 동북아 환경협력 고위급회의(North-East Asian Subregional Programme on Environmental Cooperation)
(가) 한국, 중국, 일본, 몽골, 러시아, 북한 등 6개국 정부차원의 회의로 1993년도에 서울에서 제1차 회의가 개최된 이래 4차례 회의가 있었다. 동 회의를 통하여 6개국간의 기본적인 환경협력체계를 채택하였으며, 국립환경연구원이 '오염데이타의 모니터링, 수집, 비교 및 분석사업'을 위한 Data Center의 역할을 수행토록 되어 있다.
(4) 양국가간 환경협력
(가) 한·일 환경협력 협정: 1993년 6월에 체결되었다. 향후 장거리대기오염문제 등 지역환경문제 해결 등에 역점을 둘 것으로 기대되고 있다.
(나) 한·중 환경협력 협정: 1993년 10월에 체결되었다. "산성비 오염물질의 이동모델 및 대책" 등 11개 협력과제가 선정되어 공동연구를 수행하고 있다.
(다) 한·러 환경협력협정 및 철새보호 협정 : 1994년 6월에 체결되었다. 원격탐사기술 등 상호관심사항등에 대한 협조가 이루어 질 것으로 기대되고 있다.
참고문헌
1. 국립환경연구원 (1998), 국립환경연구원보 제20권
2. 국립환경연구원 (1998), 동북아 대기오염 장거리이동과 환경보전협력방안에 관한 조사 (Ⅲ)
3. 문희정·신현상 (1996), 환경화학, Peter O'Neill의 Environmental Chemistry 번역서, 한국경제신문사
4. 김 건 등 (1994), 환경화학, Nigel J. Bunce의 Environmental Chemistry 번역서, 천문각
작성자 : 대기물리과 환경주사 서인원(이학사)
원본 위치 <http://home.sunchon.ac.kr/~bioenvlab/data2/ham3/3-17.htm>
황사
16. 황 사
가. 황사의 개요
(1) 정의 : 주로 중국 북부의 황토지대에서 바람에 의하여 하늘높이 불어 올라간 미세한 모래먼지가 대기중에 확산되어 하늘을 덮었다가 서서히 강하하는 현상 또는 강하하는 모래먼지를 말한다(기상학 사전, 1992).
(2) 주요발생지역(중국)
우리나라에 영향을 미치는 황사의 기원은 중국의 신장과 황하 상류지역, 몽고와 중국의 경계에 걸친 넓은 건조지역이다. 이곳에서 황사가 발생하면 강한 바람과 함께 모래먼지가 갑자기 나타나 1 km밖을 구분할 수 없게 된다.
중국은 서고동저형의 지형 특성을 갖으며 다양한 기후형태가 나타나는 데, 연강수량이 400 mm이하이고, 사막이 대부분인 서북 건조지역이 바로 황사의 주요 발원지이다. 타클라마칸 사막은 타림분지 중서부에 있으며, 중국 사막 총면적의 52 %를 차지하는 최대의 사막(1000㎞×400㎞)이고, 타클라마칸 사막의 동북방향에 위치한 고비사막은 연강수량이 30㎜밖에 안되는 건조지역으로 바람이 강하다(전영신, 1999).
(3) 황사의 역사
중국의 경우 서기 300년 이후부터 황사관측기록이 남아있고, 조선왕조실록에도 황사현상에 대한 기록이 자주 나온다. 태종 11년에는 14일동안 흙비가 내렸다는 기록이 있고, 성종 9년 4월에는 4월, 숙종 4월에도 각각 흙비가 내려 옷에 혼탁한 자국이 남았다는 기록이 있다.
역사시대 이전에도 황사현상이 있었다는 것을 뢰스지대의 분포를 통해서도 알 수 있다. 현재 전세계 지표면의 약 10%정도가 뢰스지대를 이루고 있다. 중국의 황토고원은 두께가 약 200m가 넘는 뢰스 침적지대가 있는 데 이곳은 신장지방과 타클라마칸 사막 주변경계에 해당한다.
우리 나라와 일본은 아시아 대륙 중심부로부터 비롯되는 황사의 영향을 받고 있으며, 중앙아시아에서 발원한 황사는 하와이나 알라스카 북쪽 해안에도 침적된다. 또한 아프리카의 사하라 사막의 황사는 대서양을 건너 플로리다반도에서도 수차례 관측되었고, 북쪽으로 이동하여 유럽에서도 관측된 바 있다(전영신, 1999).
나. 황사의 수송
(1) 우리나라는 위도상 중위도 편서풍대에 위치하고 있어 황하유역과 중국 및 몽고사막 등에서 봄철 기온이 따뜻해지면 강한 한랭전선을 동반한 저기압이 발달할 때 그 전선 후면에 강풍과 함께 발생한 토양먼지가 매년 3∼5월경에 편서풍을 타고 1,500∼2,000 km이상의 거리를 이동하여 우리나라, 일본 및 하와이까지 이동된다.
(2) 발원지에서 배출되는 먼지 양을 100%라 가정할 때 보통 30%가 발원지 부근에 침적되고, 20 %는 주변지역으로 수송되며, 나머지 50 %는 장거리 수송된다(전영신, 1999).
(3) 북태평양으로 유입되는 먼지는 주로 봄철에 대기 상층의 편서풍을 타고 아시아로부터 운반되는 것으로 총량이 약 2천만톤에 달한다. 수 천년이 넘는 기간동안 해저에 퇴적된 광물입자들을 분석한 결과 북서 태평양 퇴적물이 아시아에서 바람에 의해 운반된 물질들을 함유하고 있는 것으로 확인되고 있다(전영신, 1999).
(4) 우리나라에는 매년 3∼5월에 황사가 관측이 되는 데, 평상시에는 10∼50 ㎍/m3인 먼지농도가 100∼500 ㎍/m3인으로 증가하며, 황사의 주성분인 Si, Al, Ca, K, Na 등의 농도가 상승한다.
(5) 고비사막에서 발생한 황사('93. 4. 23∼26)를 대상으로 수치실험 결과, 24시간후(4월24일)에 고비사막 지역에서 평균농도는 약 1000 μgm-3이였으며, 최고농도는 2×105 μgm-3를 나타냈고, 48시간 후(4월25일) 최고농도는 중국 Shanxi 지역에 300μgm-3, 72시간 후(4월26일)에는 인천으로부터 서쪽으로 200km 떨어진 서해안에 20μgm-3을 나타냈다(국립환경연구원, 1997).
(6) 황사기간('93. 4.23∼26) 동안 총 황사발생량 104백만톤 중 92%에 해당되는 96백만톤은 침적되고, 2%에 해당되는 2백만톤은 5,200 m 고도내에 부유되며 나머지 6%에 해당되는 6백만톤은 우리나라 동해를 빠져나가는 것으로 추정되었음. 한편 황사기간 동안 황사발원지에 67백만톤, 우리나라에 5천톤 정도 침적되는 것으로 추정되었다((국립환경연구원, 1997).
(7) 또한 황사는 하층에 한기가 형성되어 있는 경우 고원지대의 혼합층이 지상 2∼3km 높이에서 상층혼합층이 형성되어 이동할 수 있다. 발원지에서는 황사 대부분이 혼합층내에 갇혀 있었으나 일부지역에서 지역적으로 형성된 상승류에 의해 황사가 상층으로 수송될수 있으며 이로 인해 황사가 2층구조로 형성된다(정관영, 1996). 한반도 상층으로 황사가 통과하는 경우 지상에서는 먼지농도가 낮게 나타난다.
다. 황사가 주로 봄에 발생하는 이유(전영신, 1999)
(1) 봄철에는 겨울내내 얼어있던 건조한 토양이 녹으면서 잘 부서져 부유하기 쉬운 20 ㎛이하 크기의 모래먼지가 많이 발생한다. 여름에는 강수도 있고, 가을까지는 땅에 식물이 뿌리를 내리고 있어 모래먼지가 묶여 있지만 겨울을 지나면서부터는 모래먼지가 땅으로부터 자유로워지는 것이다.
(2) 황사의 고향인 유라시아대륙의 중심부는 바다와 멀리 떨어져 있고, 물과 식물이 부족해 모래바람이 항상 일어나고 있지만 멀리 떨어진 우리나라에 주로 영향을 주는 시기는 대규모가 황사가 발생하는 봄이다.
(3) 우리나라에 황사발생일수는 일년에 3∼6일로 주로 4월에 관측되며, 중국의 자료에서도 1년중 25 %가 4월에 발생한다고 보고하고 있다. 일본의 경우는 1년에 평균 5일 관측되며, 주로 일본의 서쪽 규슈지방에서 자주 발생한다.
라. 황사의 특징
(1) 황사먼지 입경분포
황사먼지의 입경분포를 보면 발생원지역과 이동하는 거리에 따라 달라지는 데 우리나라에서 측정한 자료들을 종합하면 조대먼지에 해당하는 영역의 입자개수농도의 증가가 현저하다. 그림 3.26.1은 1999년 1월 26∼29일에 발생한 황사와 황사가 종료한 시기의 입경별 입자개수농도를 그린 것인 데 주로 2∼10 ㎛영역에서 개수농도의 증가가 현저한 것을 알 수 있다.
(2) 황사의 화학적인 조성
황사의 원료라고 할 수 있는 중국 북부의 사막 토양은 3∼5 ㎛의 미세먼지로써 풍화되기 쉬운 장석이 다량 잔류하고 있는, 탄산칼슘 등을 비교적 다량 함유하고 있는 알카리성 토양이다. 그러나 장거리 이동되는 황사의 성상은 발원지에서의 토양성분이외에도 이동과정 중에서 오염된 지역의 가스상 물질들이 추가된다. 그리고 가스와 입자의 상호작용에 의해 SO2, NOx, 등의 가스상 물질이 입자표면에 흡착되어 황산염이나 질산염 등이 많이 생성되는 것으로 조사된다(그림 3.26.2). 이과정 중에서 오존과 같은 산화제 등이 입자표면에서 SO2등의 가스상물질들을 산화시켜 황산염 등의 입자상물질을 생성시킨다.
마. 황사의 영향
(1) 황사 에어로졸의 광학적 특징
황사 발생시는 대기의 광학적 두께와 에어로졸의 소산계수가 크게 증가시켜 지구 냉각화에 영향을 주는 직접적인 효과 외에도 구름을 생성하는 응결핵으로 작용하여 대기복사 체계에 영향을 주는 간접적인 효과도 있다.
(2) 황사의 위해도 측면
대기중의 분진농도는 심할 경우 환경기준치의 2∼3배 이상 초과하기도 하며, 식물의 기도를 막아 광합성작용을 방해하여 식물에 피해를 준다. 황사현상이 발생하면 기관지염, 천식, 안질, 알레르기 등의 질환이 발생 또는 기존 질환이 악화되며, 특히 콘택트 렌즈를 사용하는 사람은 매우 고통과 피해를 받을 수 있다. 우리의 일상생활에 불편을 주고 산업계에도 영향을 주는 것으로 알려져 있으나 우리나라 토양에 좋은 비료가 될 수 있다는 의견도 제기되고 있음.
참고문헌
1. 전영신, (1999), 황사현상이란? 과학동아 1999년 3월호.
2. 국립환경연구원, (1998), 장거리이동대기오염물질의 공간분포 및 변화에 관한 연구(Ⅰ).
3. 전영신, (1996), 황사발원지의 배출조건을 고려한 황사의 장거리수송 사례 연구.
서울대 박사학위논문
4. 정관영, (1996), 한반도에서 관측된 황사의 수치모의, 서울대 박사학위논문.
그림 3.16.1. 황사기간(1999.1.25∼26)과 비황사기간(1.28∼31) 중의 입자의 입경분포 특징의 비교
외부기생충
그림 3.16.2. 황사기간(1999.1.25∼27)과 비황사기간의 황산염 성분농도의 비교
작성자 : 대기화학과 환경연구사 김병곤(이학석사)
원본 위치 <http://home.sunchon.ac.kr/~bioenvlab/data2/ham3/3-16.htm>
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악취
15. 악취
가. 악취의 정의
대기환경보전법에서는 악취를 "황화수소, 메르캅탄류, 아민류, 기타 자극성 있는 기체성 물질이 사람의 후각을 자극하여 불쾌감과 혐오감을 주는 냄새"라고 정의하고 있다. 즉, 악취라 함은 여러가지 성분이 혼합된 상태로 존재하면서 사람의 후각을 자극하여 인간의 쾌적한 정서생활과 나아가서는 건강에 피해를 주는 나쁜 냄새를 의미한다.
나. 악취의 성질과 특성
(1) 악취의 원인이 되는 물질은 그 종류가 대단히 많을 뿐만 아니라 악취물질간의 복합적인 작용이나 후각의 개인적인 차이 등으로 인하여 느끼는 정도나 피해정도를 일률적으로 나타내기가 어려워 대기오염 중에서도 가장 까다롭고 해결하기 어려운 공해문제중의 하나로 취급하고 있다.(김희강, 1993).
(2) 일반적으로 습관화되지 않은 냄새나 계속적으로 발생하는 냄새는 악취로 느껴지는 경우가 많아 악취와 향기를 단정적으로 구별하기란 애매한 것이며. 또한 악취를 느끼는 정도는 악취물질의 농도뿐 만 아니라 정신적, 육체적 상태 및 환경조건에 따라서도 피해의 정도가 다르게 나타나므로 악취에 대한 불쾌감을 일정한 기준이나 측정방법에 따라 평가하기란 매우 곤란하다. 즉, 생활환경과 사람의 심리적 판단에 따라 악취를 느끼는 양상이 다르게 나타나므로 악취물질의 농도만을 가지고 악취오염 상태를 나타내기는 매우 어려운 것임.
다. 감각공해로서의 악취
(1) 인간은 생명이 존재하는 동안은 호흡에 의해 공기 중에 포함되어 있는 여러가지 냄새를 접하게 되는데 악취는 호흡에 따라 곧 감지되므로 민감한 반응을 나타내게 된다. 악취에 의한 피해는 주로 심리적 또는 생리적 영향이라 볼 수 있는데 경제발전과 더불어 생활수준이 향상됨에 따라 악취에 대한 관심도는 점차 높아지고 있다.
(2) 악취에 의한 피해는 주로 발생원과 인접하고 있는 가까운 지역이나 발생원과 주택이 혼재하고 있는 지역에서 나타나고 있는데 대부분 작업과정에서 발생한 악취가 일정한 배출구가 없이 창문 또는 벽이나 칸막이가 없는 노출된 작업장에서 밖으로 비산되는 경우가 많으며 송풍기나 닥트를 이용한 배출 또는 보일러 연소가스와 혼합된 상태로 굴뚝을 통하여 배출되기도 한다. 이렇게 배출된 악취물질은 저기압이나 기온역전 등 대기확산이 불량한 기상조건에서는 발생원주위 뿐만아니라 원거리까지 영향을 미치게 되는데 특히 풍향, 풍속, 등 기상조건이 피해의 정도를 좌우하는 주요 원인으로 작용하고 있다.
라. 악취 발생원
(1) 악취로 인한 진정이나 피해는 대부분 제한된 일정지역에서 문제로 대두되고 있는데 악취를 배출하는 발생원은 공장이라고 말하기 어려운 작은 규모에서부터 규모가 큰 화학공장에 이르기까지 매우 다양하다.
(2) 악취를 심하게 발생하는 공장은 동식물성물질을 주원료로 하는 도살장, 양돈양계장, 피혁공장, 사료공장, 비료공장, 분뇨처리장, 수산물가공공장, 식물공장과 화학적 발생원인 펄프공장, 석유정제공장, 고무공장, 인쇄공장, 도장공장, 유기합성공장 등을 예로 들 수 있다.
(3) 자연계에서 일어나는 미생물에 의한 단백질의 분해, 도시하수의 혐기성 분해 등 자연발생적인 악취의 양이 인위적인 발생량보다 훨씬 많은 것으로 알려져 있으나 넓은 지구공간에서의 자연농도는 대단히 낮으므로 크게 문제되지 않는다.
(4) 대기환경보전법에는 사업장에서 발생하는 대기오염물질의 규제와 함께 주민의 주거생활을 보호하기 위한 생활악취의 규제를 별도로 명시하여 농수산물 도매시장 또는 공판장, 도축장, 축산업, 출판사 및 인쇄소, 고물상 등에 대하여 규제기준과 내용을 따로 명시함으로써 악취에 대한 피해를 줄이도록 법으로 규정하고 있다.
(5) 공장에서 발생되는 악취물질들은 공정에 따라 단일성분 또는 여러가지 성분이 혼합된 상태로 발생하는데 업종뿐 만 아니라 기업규모, 작업방법, 가공공정, 관리방법, 기후조건 및 입지장소 등에 따라 취기의 정도에 상당한 차이가 있다.
마. 악취에 의한 인체의 영향
(1) 대기 중에 함유되어 있는 각종 냄새물질은 인간의 호흡 시 후각을 통하여 감지되므로 곧 반응을 나타내게 된다. 상쾌한 냄새를 맡으면 자기도 모르게 깊은숨을 들이마시고 악취가 나면 반사적으로 호흡을 일시적으로나마 정지하게 된다.
악취의 주 원인물질(황화수소, 암모니아, 메르캅탄류, 아민류 등)은 대부분 감지한계 농도(냄새를 감지할 수 있는 최저농도)가 대단히 낮아 ppm(백만분의 1)단위 이하를 나타내고 있으므로 심리적인 영향 또는 미미한 생리적 피해만을 나타낼 뿐 높은 농도로서 장기간의 폭로가 아니면 크게 문제 시 되고 있지 않음. 악취물질의 최소감지값은 표 3.15.2와 같다.
(2) 고농도의 경우는 일반적으로 악취물질로서 보다는 유해가스로 취급하여 별도로 각 유해물질에 따른 배출허용기준을 법으로 정하여 규제하고 있다.
(3) 악취에 의한 인체 영향은 주로 감각적인 것으로 불쾌감, 혐오감을 들 수 있으며 그 외에 눈이나 호흡기계 점막의 자극, 혈압이나 맥박의 변화 등을 일으킨다.
(4) 악취로 취급되는 물질들은 대부분 저농도이므로 생리적으로는 크게 영향을 주지 않으나 식욕감퇴, 구토, 두통, 불면, 앨러지증상 등의 원인이 되고 있으며 또한 심리적 영향에 의한 정서생활의 방해, 작업능률의 저하뿐만 아니라 그 지역사회주민의 자존심을 상하게 하고 식당, 숙박업 등 서비스업의 부진으로 경제적 손실을 초래하여 지역발전을 저해하는 원인이 된다.
표 3.15.1 주요 화학물질의 최소감지값
|
화 합 물 |
ppm |
화 합 물 |
ppm |
|
Ammonia |
0.1 |
Formaldehyde |
0.50 |
|
Methyl mercaptane |
0.0001 |
Acrolein |
0.0085 |
|
Hydrogen sulfide |
0.0005 |
Acrylonitrile |
8.8 |
|
Dimethyl sulfide |
0.0001 |
Methanol |
0.52 |
|
Dimethyl disulfide |
0.0003 |
Dimethylamine |
0.033 |
|
Trimethylamine |
0.0001 |
Methylamine |
0.035 |
|
Acetaldehyde |
0.002 |
Acetic acid |
0.0057 |
|
Propionaldehyde |
0.002 |
Benzene |
2.7 |
|
n-Butylaldehyde |
0.0003 |
Phenol |
0.00028 |
|
i-Butylaldehyde |
0.0009 |
Carbon disulfide |
0.21 |
|
n-Valeraldehyde |
0.0007 |
Pyridine |
0.063 |
|
i-Valeraldehyde |
0.0002 |
Methyl alkyl sulfide |
0.00014 |
|
i-Butanol |
0.01 |
Carbon tetrachloride |
4.6 |
|
Ethyl acetate |
0.3 |
Chloroform |
3.8 |
|
Methyl isobutyl ketone |
0.2 |
Indole |
0.00030 |
|
Toluene |
0.9 |
Skatole |
0.0000056 |
|
Stylene |
0.03 |
Ethyl benzene |
0.17 |
|
o-Xylene |
0.38 |
1,3-Butadiene |
0.23 |
|
m-Xylene |
0.041 |
Diethyl sulfide |
0.000033 |
|
p-Xylene |
0.058 |
Ethanol |
0.094 |
|
Propionic acid |
0.002 |
Ethyl acryrate |
0.00026 |
|
n-Butyric acid |
0.00007 |
Ethyl mercaptan |
0.0000087 |
|
n-Valeric acid |
0.0001 |
Methyl ethyl ketone |
0.44 |
|
i-Valeric acid |
0.00005 |
Sulfur dioxide |
0.055 |
|
1,2,4-Trimethyl benzene |
0.12 |
Nitrogen dioxide |
0.12 |
|
1,3,5-Trimethyl benzene |
0.17 |
Methyl acetate |
1.7 |
|
Acetone |
42 |
Ethyl acetate |
0.87 |
|
Dichloromethane |
160 |
i-Butyl acetate |
0.0080 |
|
Trichloroethylene |
3.9 |
o-Cresol |
0.00010 |
|
Tetrachloroethylene |
0.77 |
m-Cresol |
0.000054 |
(출처 : 환경부, 1999)
바. 악취제거 방법
악취를 제거하는 방법으로는 크게 악취물질을 분리 또는 파괴시키는 방법으로 산화법, 효소분해법 및 흡착법등이 있고 단순히 악취를 은폐시키는 방법인 소위 마스킹법이 있다.
(1) 산화법은 악취물질을 산화, 분해하고 박테리아, 곰팡이, 바이러스등에 대한 광범위한 살균효과로 악취를 근원적으로 제거하는 방법. 이 산화제의 종류로는 이산화염소(두오존), 차아염소산소다(락스) 및 이산화염소산염 등이 있다.
(2) 효소분해법은 식물엑기스를 추출하여 만든 탈취제로 냄새를 분해하는 작용이 있다고 하나 구체적인 성분 및 작용원리는 정확히 밝혀지지 않고 있다.
(3) 흡착법은 활성탄등 표면적이 큰 흡착제를 이용하여 악취물질을 흡착시켜 제거하는 방법.
(4) 마스킹법은 천연 또는 인공향을 메틸알콜등 휘발성이 강한 용제에 녹인 후 대기중에 휘산시켜 악취를 은폐시키지는 못하나 감각적인 악취문제는 해결할 수 있다.
참고문헌
1. 이창기, 환경과 건강, 하서출판사, 400pp, (1993).
2. 김희강 외, 대기오염 개론, 동화기술, 275pp, (1993).
3. 양성봉, 이성화, 악취의 성분분석, 동화기술, 266pp, (1994)
4. 수도권 매립지 1공구 기반시설 보완 학술용역(악취분야) 요약보고서, 대전대 환경문제연구소,(1995), 71pp.
작성자 : 대기화학과 환경연구관 박철진(공학박사)
원본 위치 <http://home.sunchon.ac.kr/~bioenvlab/data2/ham3/3-15.htm>
실내공기오염
실내공기오염
14. 실내공기오염
가. 서언
o 일반적으로 도시인들의 생활은 대부분 지하철, 지하상가, 공공건물, 작업장 및 사무실 등의 각종 실내환경에서 생활하고 있으나, 실내공기는 자연 희석율이 부족하여 오염된 공기가 계속적으로 순환되고 있음
o 생활수준의 향상으로 다양하고 새로운 건축자재 및 생활용품 등에서 오염물질이 방출될 수 있어 실내 거주자들은 그들의 오감과 신체자극으로 실내공기의 오염정도를 감지.
o 인간의 신체감각이 독성보다는 쾌적성 감지에 더 민감하므로 일산화탄소, 부유미립자, 석면 등의 오염물질은 위험수준 이상에서도 감지하지 못하는 경우가 있음.
o 따라서 실내 거주자들은 일시적 또는 만성적인 건강과 관련된 증상을 호소하는 사례가 증 가하여 새로운 사회문제를 발생시켰으며 다양한 실내공간에서의 공기오염에 대한 중요성을 인식하게 되었음.
나. 오염원
o 지하철, 지하상가 및 지하도 등 실내공간은 외부로부터 유입되는 오염원과 내부에서 발생 된 오염원으로 나눌 수 있음.
(1) 외부오염원은 지하철의 경우 지하철이 역으로 진입할 때 발생하는 외부대기오염물질, 그리고 천정에 살포된 흡음물질과 바닥에 쌓인 먼지, 통행인들의 의복 및 신발과 흡연에 의한 오염등임.
(2) 내부오염원은 지하공간에 설치된 식당, 다방 등에서 사용하는 석유 및 가스와 사용인의 흡연 에 의한 오염이 대부분을 차지하고 있으나 기타 생활용품 및 건축자재 등에서 발생하는 오염도 무시할 수 없는 실정임.
다. 오염상태
(1) 환경부에서는 지하철, 지하상가, 백화점 등 지하생활공간에 대한 전국적인 오염현황을 파악하기 위하여 '90년부터 각 시·도 보건환경연구원에서 자체적으로 정기적인 조사를 실시하도록 하고 있음.
(2) 표 3.14.1은 서울지역의 지하철 및 지하상가의 공기오염도를 측정한 결과로서 우리나라에 지하공간에 대한 실내환경기준치가 없어 오염정도를 판단하기는 어려우나 환경부에서 지하 공간에 대한 권고기준을 정하고 있음.
(3) 권고기준과 비교하여 보면 대부분 기준이하를 나타내고 있으나 총부유분진의 경우 지하철은 신촌역이 315㎍/㎥로 권고기준 300㎍/㎥을 초과하고 있으며, 지하상가의 경우 잠실과 운동장(청계)에서 각각 385㎍/㎥ 및 339㎍/㎥로 기준을 초과하는 것으로 나타났음.
표 3.14.1 지하공간 공기오염도 현황('95 상반기)
|
구 분 |
|
SO2 (ppm/일) |
NO2 (ppm/일) |
CO (ppm/8h) |
CO2 (ppm/8h) |
HCHO (ppm) |
|
지하공기질 기준 |
|
0.25 (ppm/시간) |
0.15 (ppm/시간) |
25 (ppm/시간) |
1,000 (ppm/시간) |
0.1 (ppm/일) |
|
지 하 철 |
시 청 신 촌 사 당 동 서 울 대 경 복 궁 미아삼거리 |
0.015 0.018 0.018 0.014 0.013 0.018 |
0.041 0.061 0.056 0.056 0.057 0.057 |
1.7 3.0 2.2 2.0 3.0 1.2 |
651 586 583 495 466 499 |
0.014 0.018 0.019 0.012 0.015 0.008 |
|
지 하 상 가 |
종로 2가 명 동 잠 실 운동장(청계) 동 대 문 강 남 |
0.015 0.018 0.038 0.018 0.020 0.030 |
0.035 0.042 0.053 0.057 0.073 0.044 |
1.8 3.1 3.5 2.4 1.6 2.3 |
635 666 956 624 648 764 |
0.026 0.019 0.034 0.040 0.050 0.018 |
라. 각종기준
○ 표 3.14.2는 우리나라의 공중위생법상의 실내환경기준, 노동환경기준 및 외국의 기준을 나타낸 것임.
표 3.14.2 각종 실내환경기준
|
구 분 |
실내위생관리기준 |
외 국 기 준 |
|
부유분진(μg/㎥) 일산화탄소(ppm) |
150 10 |
150(일본빌딩위생관리법, 노동안전위생법) 10(일본빌딩위생관리법, 노동안전위생법) 20(일본학교위생기준) 9(WHO기준, 8시간), 35(WHO기준, 1시간) |
|
이산화탄소(ppm) |
1,000 |
1,000(일본건축기준법, 빌딩, 노동안전) 1,500(일본학교환경기준) 920(WHO기준, 8시간) |
|
온 도 상대습도 기 류 조 명 낙하세균 이산화질소 (ppm) |
17∼18℃유지 40∼70% 0.5m/sec 100 lux이상유지 - - |
10∼30℃(일본학교환경기준) 30∼80%(일본학교환경기준) - 200 lux이상(일본학교환경기준) 평균 30개 이하 0.21(유럽기준) 5(일본산업위생허용농도) |
|
아황산가스 (ppm) |
- |
5( " ) 0.04(일본공해대책기본법) |
|
포름알데히드 (ppm) |
- |
0.1(유럽기준) 2(일본산업위생허용농도) |
표 3.14.2. (계속)
|
구 분 |
실내위생관리기준 |
외 국 기 준 |
|
석 면 (개/cc) 라 돈 (Bq/㎥) |
- - |
0.01(미국석면긴급대책법) 2(일본산업위생학회) 100(WHO유럽 신축주거) 70(스웨덴 신축주거) 100(일본 과기청고시) 3700(미국광산위생국) |
마. 영향
(1) 실내오염의 인체에 대한 영향은 단순히 눈을 자극하는 증상으로부터 혈중의 산소분자에 대한 오염기체의 복잡한 결합까지 광범위하며 각 개인에 따라 차이가 많음.
(2) 지하공간에서 생활하는 사람들에게 나타날 수 있는 대표적인 피해로는 기침, 가래, 코자극, 두통, 숨이 가쁨, 눈 자극 등과 같은 증상이 생길 수 있음.
(3) 특히 감기에 걸렸을 시 회복되는 기간이 상당히 길어질 수 있다는 것임.
(4) 표 3.14.3은 주요 실내공기오염물질의 발생원과 인체에 미치는 영향을 나타낸 것임.
표 3.14.3 실내공기 오염물질의 발생원과 인체영향
|
오 염 물 질 |
발 생 원 |
인 체 영 향 |
|
연소가스 흡연가스 포름알데히드 석면 라돈 미생물
기타(오존, 납등) |
취사 및 난방, 가스난로, 석유난로 흡연 단열재, 실내가구칠, 흡연, 접착재 내화성건축자재, 단열재, 가정용 품, 전기제품 건축자재(콘크리트, 시멘트, 진흙, 벽돌 등) 동굴, 천연가스 가습기, 냉장고, 공기정화기, 살포 제, 플라스틱 제품, 페인트, 악취 제거제 복사기기, 생활용품, 연소기기 |
두통, 현기증, 구토, 시각장해, 기관지염, 폐기능저하 초조감, 폐질환, 폐암 눈, 코 등의 자극, 기침, 두통, 정 서적 불안, 기억력상실 피부질환, 호흡기질환, 석면증 폐 암, 폐질환 폐암 호흡기질환, 알레르기성질환, 홍역, 천연두 기침, 두통, 천식, 알레르기성질환 |
바. 문제점
(1) 국내에서 실내공기오염이 사회문제로 대두된 것에 비하여 이에 관한 자료 및 연구조사가 미 비한 실정으로 보건복지부에서 정한 공중위생법에 일산화탄소, 이산화탄소, 분진 등에 대한 기준치가 설정되어 있을 뿐이고 환경부에서는 지하환경에 관한 권고지침서가 있을 뿐임. (2) 각종 오염물질로 인한 인체피해를 최소화하기 위한 예방대책으로 실내오염물질에 관한 기준 치 설정이 이루어져야 하나 이에 대한 대책이 미비한 실정임.
(3) 실내공기오염에 관한 공공정책 및 연구를 관장할 행정기관이 없어 독립적으로 행정처리 등을 수행할 기관이 없음.
사. 지하공간의 공기오염 관리 현황 및 대책
(1) 국내
표 3.14.4 국내 관리현황
|
규 제 법 |
대 상 공 간 |
관 리 기 준 |
|
보건복지부 (공중위생법) |
사무용 건축물 및 지하상가(2,000 ㎡ 이상) 등 |
먼지 등 7개항목(CO, CO2, 온도, 습도, 기류, 조명) |
|
건설교통부 (건축법) (주차장법) |
지하상가, 관람 및 집회시설(1,000 ㎡이상) 등 지하주차장 |
먼지 등 5개항목 (CO, CO2, 습도, 기류) CO 50ppm/8시간 |
|
노 동 부 (산업안전보건법) |
사 업 장 |
유해화학물질 등 |
(2) 국외
표 3.14.5 국외 관리현황
|
구 분 |
미 국 |
일 본 |
|
관리현황 |
o 노동부 안전보건국(Occupational and Health Administration : OSHA) - 작업장내 공기오염도에 대한 허 용기준 제정 - 지하주차장, 상가 등 지하공간에 대한 공기오염도규제 미설정 o 환경청 실내환경권고기준(석면) : 0.01개/cc |
o 건설성 : 건축기준법 - 지하시설에 대한 건축규제 및 환기규제 o 위생성 : 건축물에 있어서의 위 생적환경의 확보에 관한 법률 - 국내 공중위생법 규제기준과 같음 o 노동성 : 지하상가 노동대책 요령 - 지하상가의 작업환경 및 노동 조건에 대한 사항 규정 |
(3) 대책
(가) 단기대책
1) 지하에 오염된 공기를 외부로 직접 배출하고 신선한 공기를 공급하는 효과적인 환기시설의 설치가 필요하고 철저한 청소와 환기시설의 가동 등 운영면을 점검하여야 함.
2) 지하상가의 난로사용은 환기시설이 되어 있는 장소에 국한하고 환기닥트와 연결.
(나) 중·장기대책
1) 대기환경오염도가 지하공간오염과 직접적인 관계가 있으므로 대기환경규제 강화, 지하주차장의 차량주차방법과 시설을 개량하여 차량이 지하시설 내에서 장시간 가동하지 않 도록 조치.
2) 쾌적한 실내환경을 유지하기 위하여 건축가 및 건물주, 건물관리인, 건축자재 제조업자 등은 개인의 거주환경에 대한 관심과 노력이 필요하며 특수한 실내환경에 대하여 적절한 실내공기 기준치의 설정이 필요하며, 실내환경을 관장할 기관을 일원화하여 체계적인 행정이 이루어져야 함.
3) 정기적으로 상가 주민들을 대상으로 지하환경오염의 중요성을 인식시켜 주민 스스로 깨끗한 지하환경을 유지할 수 있도록 각종 홍보활동을 실시.
4) 지하상가 건설 시 건축 시공 전에 종합적인 환경계획을 세워 충분히 검토를 한 후 시공하도록 법제화하여야 할 것이며 전문인력을 배치하여 정기적인 측정조사와 환기시설 등이 정상적으로 운영이 되도록 함.
참고문헌
1. 한국 환경연구협의회, (1989), 지하공간의 공기오염 및 공기중 미량유해물질에 관한 조사연구.
2. 환경보전협회, (1992), 환경보전.
3. 박양원, (1976), 현대공중보건학.
4. 산업안전과학협의회, (1993), 산업안전관계법규
작성자 : 대기화학과 환경연구관 박철진(공학박사)
원본 위치 <http://home.sunchon.ac.kr/~bioenvlab/data2/ham3/3-14.htm>
시정장애
13. 시정장애
가. 시정
(1) 시정이란
시정이란 주간에 정상적인 시력을 갖고 있는 사람이 육안으로 하늘을 배경으로 검정색 목표물의 경계를 식별할 수 있는 최대거리를 의미한다.
o 시정은 물리적인 복합현상이며 개인의 감지와 해석능력, 광원의 특성 및 투과율에 좌우되는 주관적인 것으로 관측자의 시력과 물체와 주변공간의 대조(contrast)에 의해 제한을 받음.
(2) 겉보기 대조
관측자에게 나타나는 겉보기 대조(apparent contrast, CR)는 입자에 의한 산란때문에 고유대조보다 적으며 다음 식으로 나타낼 수 있다.
CR = BR- B'R / B'R
(가) 여기서 BR과 B'R은 각각 물체와 주위배경의 관찰된 휘도임.
(나) 고유대조란 주위배경에 대한 물체의 상대적인 밝기(휘도)를 나타냄.
(다) 겉보기대조는 관측자와 물체간에 존재하는 입자의 산란을 무시할 경우 고유대조와 같게 됨.
나. 시정관측
(1) 목측에 의해 관측되는 시정(Visibility)이란 "어떤 방향의 지표면부근의 하늘을 배경으로 하여 정상적인 시력을 가진 사람이 어떤 목표물의 형태나 윤곽을 식별할 수 있는 최대 수평거리"이며 목표물은 뚜렷이 빛나는 밝은 물체가 아니어야 한다.
o 시정 관측시에 부근의 굴뚝에서 나오는 연기나 적은 규모의 먼지 등은 그것이 인위적인 현 상이든 자연적인 현상이든 관측자의 위치를 다소 변경하므로써 그 배후에 있는 목표물을 볼 수 있을 정도의 것은 시정장애 현상으로 간주하지 않음.
(2) 기상청에서는 동심원상에 많은 목표물을 설정하여 그 방향과 거리를 측정한 후, 각 목표물이 확인되는 정도를 살펴서 시정을 측정하고 있다.
(가) 목표물을 뚜렷이 확인한다는 것은 목표물의 형태나 윤곽을 식별하는 것, 즉 건물이면 건물로 수목이면 수목으로 식별할 수 있는 것을 뜻함.
(나) 시정이 방향에 따라 다를 때에는 최소시정을 택함.
(다) 시정관측 목표물은 하늘을 배경으로 하는 검정색 또는 검정색에 가까운 물체를 선택하며 지물을 배경으로 하는 목표물을 선정할 때에는 지평선 부근의 하늘과 같은 밝기의 배경이 되는 것을 선정함.
(라) 야간의 시정관측은 "주간과 같은 밝기라고 가정하여 목표물의 형태나 윤곽을 식별할 수 있는 최대의 거리"이므로 야간의 어두움에 관계없이 주간의 시정과 같은 대기혼탁정도를 표시함.
(3) 서울의 시정은 서울 서대문구에 위치한 서울 측후소에서 3시간 간격으로 측정하고 있다.
(가) 목측방법은 관측자의 숙련도와 같은 주관적인 요소와 목표물의 특성, 기상조건 등의 영향을 많이 받는다는 단점이 있음.
(나) 시정 5km 이상에는 1km 단위로 관측하고 5km 미만에서는 0.1km 단위로 관측함.
(4) 시정을 측정하는 장치는 원리상 총소멸계수(bext)나 산란계수(bsp)를 측정하여 시정으로 환산하는 방식과 목표물과 그 주변의 대조를 측정하여 시정을 계산하는 방법의 두가지로 분류된다.
o Nephelometer, transmissiometer, scatter meter 등은 측정원리상 전자에 속하고 telephotometer, photometer 등은 후자에 속함.
다. 시정장애현상
시정장애를 일으키는 현상 및 원인으로는 안개(Fog), 박무(Mist), 연무(Haze), 연기(Smoke), 스모그(Smog), 먼지(Dust) 및 눈, 비, 안개비(Drizzle) 등이 있다.
o 대기중 시정감소현상을 유발하는 과정은 크게 자연적인 현상과 오염물질의 증가현상에 의 해 기인되는 두가지로 분류됨
o 자연적인 현상에 의한 시정감소현상은 광범위한 기상조건의 변화에 의해 대기중 부유하는 수증기 물방울의 증가로 발생되는 것으로 안개나 박무현상과 같은 기상현상이 있음.
(1) 안개 등에 의한 시정장애현상
안개는 지상에서 발생하는 구름이며 안개에 대한 국제적 정의는 작은 물방울이나 빙정으로 구성된 구름이 관측자의 수평시정을 1000m 미만으로 제한할 때를 일반적으로 안개라고 한다.
o 1955년이래 1990년까지 36년간 김포국제공항에서 관측된 모든 시정장애 현상 가운데 안개 발생에 대한 조사분석 결과는 다음 표 3.13.1과 같음.
표 3.13.1 월별 안개 평균발생일수
|
월 계 급 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
년 |
|
1000m 미 만 |
6.1 |
3.1 |
4.4 |
3.9 |
3.4 |
3.8 |
5.5 |
5.1 |
5.7 |
8.3 |
6.1 |
5.8 |
62.2 |
|
800m 미 만 |
4.6 |
3.2 |
3.4 |
3.2 |
2.6 |
3.0 |
4.2 |
4.1 |
4.7 |
7.3 |
5.0 |
4.3 |
49.4 |
(출처 : 김포공항측후소, 1991)
(가) 년도별 안개조사
1000m 미만의 안개발생일수를 조사한 결과 36년간(1955-1990) 총 2240일로서 년평균 62일로 나타났음.
1) 1990년이 139일로 조사기간중 가장 많이 발생했으며 1989년 80일, 1981년이 79일이었고 70일이상 발생한 년수는 10년으로 기록되었음.
2) 조사기간중 1988년은 39일로 안개발생이 가장 적었음.
(나) 계절별 안개일수
통계기간중 안개 총발생일수 2,240일을 계절별로 분석한 결과 가을철(9월∼11월)이 722일 평균 20일로 가장 많고 겨울철(12∼2월)이 573일(평균 16일), 여름철(6∼8월)이 522일(평균 15일)로 나타났으며 봄철(3∼5월)이 제일 적은 423일(평균 12일)이었다.
(다) 월별 안개일수
36년간의 안개 총발생일수를 월별로 보면 10월이 297일로 월평균 8.3일, 11월과 1월이 219일로 월평균 6.1일, 12월이 207일로서 월평균 5.8일, 9월이 206일로 월평균 5.7일 순위였으며, 안개가 가장 적었던 달은 5월의 123일로서 월평균 3.4일이었다.
o 월별 안개발생시간은 10월이 가장 긴 1102시간 25분으로 기록되었고, 다음은 11월, 12월, 1월 순위였으며, 안개발생 시간이 가장 짧았던 달은 5월로서 333시간 47분으로 나타나 10 월의 1/4정도였음.
(라) 시간대별 안개 조사분석
총발생시간 7332시간 34분중 월별로 다소의 차이는 있으나 안개가 자주 끼는 시간대는 3시∼10시 사이로 안개가 낀 시간이 2028시간 45분으로서 주로 일출시간을 전후하여 안개가 끼는 것으로 나타났으며, 14시부터 20시 사이에는 60시간 미만으로 안개가 거의 발생하지 않는 시간대로 나타났다.
(2) 오염물질의 증가로 인한 시정감소현상
(가) 자동차나 연료의 연소과정에서 대기중에 배출된 먼지와 가스상물질의 산화과정에 의해 생성된 미세입자(2 마이크로미터 이하)의 농도증가로 인하여 시정감소현상이 발생됨.
(나) 대기중에서 가스상물질의 산화반응에 의해 생성되는 미세입자에 의한 시정감소현상은 광화학반응이 주도적으로 일어나는 L.A형 스모그와 습식산화반응이 주도적으로 일어나는 런던형 스모그로 대별되며 우리나라의 경우 일부 하절기를 제외하고는 습식산화반응에 의한 시정감소가 주로 발생됨.
(다) 대기중 상대습도의 상승이 중요한 인자중의 하나로 작용하며 혹은 자연적 기상조건에 의하여 형성된 안개현상이 오염물질과 반응하여 2차적인 시정감소현상으로 변환되기도 함.
라. 시정장애현상의 원인과 소멸계수
(1) 시정장애현상 원인과 영향인자
시정장애현상은 기체분자와 분진이 가시파장의 빛을 흡수 또는 산란시킴으로서 대기를 혼탁하게 하고 색조 현상을 일으켜 시정을 악화시키는 현상을 말하며 대도시 시정거리 감소의 주원인은 빛의 산란효과에 기인됨.
(가) 시정악화를 야기시키는 영향인자들은 기상요소와 대기중의 오염물질로 대별되며 이들 인자들은 독립적으로 혹은 상호관련성을 가지며 시정에 악영향을 미치게 된다. 기온, 습도 및 풍속은 대기혼합층에 영향을 주어 결과적으로 시정에 영향을 주는 인자가 됨.
(나) 대기중의 미세입자에 의한 빛의 흡수와 산란효과를 합친 시정감소효과는 습도 증가에 의한 영향과 함께 시정감소 원인의 95% 이상을 차지하고 있으며 습도가 증가하면 대기중에서의 미세입자 생성속도가 빨라지고 입자의 흡습성에 의해서 입자 크기가 커지므로써 시정장애 현상이 가속화됨.
(다) 시정장애 현상을 유발하는 주요 미세입자들은 탄소입자(25.7%), 황산염입자(18.7%), 질산염 입자(14.3%), 유기탄소화합물(10.9%), 기타 여러가지 금속산화물(25.0%) 등으로 구성되어 있는 것으로 보고되고 있으며 이 중 탄소입자는 대부분 자동차의 배출가스로부터 배출되는 것이고, 황산염입자, 질산염입자, 유기탄소화합물 등은 연료의 연소과정에서 배출되는 아황산가스, 질소산화물, 탄화수소가스 등이 대기중에서 반응하여 생성되어진 2차 오염물질들이라고 추정됨.
(2) 빛 소멸계수(Light Extinction Coefficient)
광원으로 부터 광도 Io로 나온 광선은 빛이 통과하는 대기중의 가스와 입자에 의하여 산란, 흡수되므로써 약해지며 거리 X만큼 지난 후의 광도 I는 Lambert-Beer법칙에 의해 다음과 같이 계산한다.
I = Io exp (-bext ㆍX)
o bext는 빛의 소멸계수로써 공기 중 가스와 입자에 의해 흡수 또는 산란된 소멸계수의 합을 나타내며, 단위공기부피당 빛 소멸물질의 흡수 혹은 산란유효단면적과 같음.
o 대기중의 기체분자나 부유입자상 물질에 의한 빛의 산란과 흡수는 입자의 크기, 모양, 산란 각, 굴절율, 성분 및 입사광의 파장 등에 의해 영향을 받음.
o 입자가 빛과 상호작용할 때 이들이 받는 전자기적 에너지는 여러방향으로 재복사되는데 이 러한 현상을 산란이라고 함.
o 한편, 입사광이 입자에 의해 열이나 화학반응에너지 등으로 변환되어 제거될때 이를 흡수라고 함.
o 이러한 소멸계수는 다음과 같은 여러 항으로 구성된다.
bext = bag + bag + bsp + bap
(가) 기체에 의한 산란계수 (bsp)
number density)에 비례하므로 고도가 높아기체에 의한 빛의 산란은 Rayleigh산란에 의해 설명되는데 이 계수는 분자수 밀도(molecular 지면 이 계수는 작아짐.
(나) 기체에 의한 흡수계수(bag)
가시광을 흡수하는 대기중의 중요한 가스성분은 NO2이며 가스의 흡수량이 총 소멸량에 미치는 영향은 대부분의 경우 크지 않으나 굴뚝에서 나오는 배연이나 도시대기중에서 NO2농도가 높을 때는 bag를 고려해야 됨. Hodkinson의 이론에 의하면 20℃, 1기압에서 550nm 파장의 광선에 대해 bag는 3.3 ×10-4m-1/NO2(ppm) 또는 0.17 ×10-6m-1/?g-NO2/m3임.
(다) 입자에 의한 흡수계수 (bap)
도심지역에서 입자에 의한 빛의 흡수는 주로 원소탄소(elemental carbon)에 의해 일어나며 원소탄소는 1차 입자로 배출원에서 직접 배출되며 물리, 화학적 변환에 의해 생성되지 않음.
○ 탄소에 의한 빛의 흡수계수 bap는 opal glass technique에 의해 직접 결정하는 방법과 원 소탄소질량농도와 원소탄소에 대힌 빛 흡수효율간의 관계를 이용하여 결정하는 방법과 그리고 Integrating Plate Method 등이 있음.
(라) 입자에 의한 산란계수 (bsp)
입자에 의한 빛의 산란은 입자크기에 따라 Rayleigh산란과 Mie산란 등 몇가지로 나누어 설명되고 입자의 크기가 입사광의 파장보다 훨씬 작을 때 즉, 입경이 0.05 ?m보다 작은 입자들에 대해서는 Rayleigh산란이 적용되며, 기체에 의한 산란이 이에 적용된다.
o 입자의 입경이 입사광의 파장과 비슷하거나 그보다 큰 경우 즉, 입경이 0.05 ?m이상되는 입자에 의한 가시광선의 산란은 Mie이론으로 설명함.
마. 대기오염도 및 시정감소현상 현황
(1) 저황유 및 LNG의 지속적인 확대공급으로 아황산가스와 TSP(먼지)농도는 매년 감소하고 있으나, 급증하고 있는 자동차등의 영향으로 오존과 이산화질소 농도는 개선되지 않고 있으며, 특히 경유자동차에서 배출되는 미세입자(카본물질)의 영향으로 아황산가스나 TSP(먼지)농도의 감소와 관계없이 시정감소현상이 발생될 수 있다.
(2) 지난 10년간('84∼'93)의 시정관측자료를 분석하여 본 결과 평균시정거리는 9.5 km이고 3.3 km이하의 시정발생율은 10 %로 약 37일간이었으며 10년동안 시정의 뚜렷한 변화추세가 없는 것으로 나타났다.
(3) 자연적인 기상조건에서 발생된 안개현상과 습도의 영향을 배제하기 위하여 상대습도 70%미만일 때 시정 4 km이하의 발생일은 약간 증가추세를 보이고 있다.
(4) 시정장애현상은 안개(fog), 황사현상과 같이 자연적인 원인에 의한 것과 스모그,연무, 박무 등과 같이 인위적인 원인에 의한 것으로 분류할 수가 있으며 안개도 대기오염이 심할 경우에는 비균질핵형성(heterogeneous nucleation)의 기여도 증가에 따라 그 정도가 심해질 수가 있다.
(가) 인위적인 원인에 의한 시정장애현상은 주로 부유분진(suspended particles) 또는 에어로졸 (aerosol)이라 불리는 대기중에 떠있는 미세입자, 특히 0.1∼2 ㎛ 크기의 미세 입자들이 주원인으로 알려져 있으며 이들 입자들은 대부분 대기중에서의 1차 오염물질들(가스상물질)이 반응, 응축, 응집 등의 과정을 통하여 생성, 성장하기 때문에 2차 에어로졸이라고 불림.
(나) 2차 에어로졸의 성장, 생성 및 여러 특성(크기, 성분, 농도)은 1차 오염물질들인 기체상의 SO2, NOx, CO, O3, 총탄화수소(THC) 등과 입자상물질(TSP)의 농도와 여러 기상조건(온도, 습도, 풍향, 풍속, 일사량, 혼합고)의 영향을 받게 됨.
(다) 2차 에어로졸의 입경분포(size distribution), 화학성분, 수분함량 등의 여러 인자들이 시정장애현상에 영향을 미치므로 시정장애현상은 어느 한가지 인자만이 주 원인이라고 할 수 없는 복합적인 현상임.
바. 시정장애현상에 대한 연구사례
(1) 국립환경연구원 연구사례
국립환경연구원에서는 9년전('86년)에도 이러한 미세입자들의 구성성분에 대하여 조사한 바 있으며, '86년에 비하여 '94년 조사결과는 미세입자중 황산이온의 구성비율이 약 30% 감소하였고 질산이온의 경우는 구성비율이 1% 미만에서 약 14%로 증가한 것으로 나타나 수도권지역의 대기오염 양상이 변화하고 있음이 파악되었고 표 3.13.2에 변화양상을 나타내었다.
o 황산이온이 감소하고 질산이온이 상대적으로 증가하는 현상의 이유로는 지난 10여년간 수도권지역에서의 연료중 황함량의 규제와 청정연료 대체 등의 정책으로 황산화물의 배 출량은 감소하고 있으나 자동차의 급격한 증가로 인하여 질소산화물의 배출량이 증가되 었기 때문인 것으로 추정되었고 표 3.13.3에 시정감소 원인물질의 기여형태와 주요 발생 원을 나타내었음.
표 3.13.2 시정감소 원인물질별 기여율의 변화 양상(대상지역 : 서울)
|
원 인 물 질 |
기 여 율 (%) |
|
|
|
'86 결 과 |
'94 결 과 |
|
황 산 염 입 자 질 산 염 입 자 탄 소 입 자 유기탄소 입 자 잔여미세 입 자 이 산 화 질 소 대 기 중 산 란 |
49.5 0.8 17.3 11.6 11.8 3.2 5.8 |
18.7 14.3 25.7 10.9 25.0 0.4 5.0 |
(출처 : 이민희, 1987., 국립환경연구원, 1994)
표 3.13.3 시정감소 원인물질의 기여형태와 주요 발생원
|
원 인 물 질 |
기 여 형 태 |
비 고 |
|
유기탄소물질 입자상탄소물질 황산염입자 질산염입자 수분 토양, 해염입자 이산화질소 순수대기 |
산란(입자) 산란,흡수(입자) 산란(입자) 산란(입자) 산란(입자) 산란(입자) 흡수(가스) 산란(가스) |
일차배출원(자동차, 연소) 대기중반응생성(휘발성유기화합물) 일차배출원(자동차, 연소) 대기중 반응생성 (SO2 : 난방,산업,발전 등) 대기증 반응생성 (NOX : 자동차,난방,산업,발전 등) 자연 증발, 일부 연소과정 자연 발생 배출원, 대기중 산화 |
(2) 미국 덴버지역 연구사례
(가) 주요원인 물질 : 질소산화물과 미세입자상물질 (대기중 가스상물질의 반응에 의해 생성된 2 차생성입자)로 주요성분은 황산염, 질산염, 탄소성분임.
(나) 기상조건 : 기온역전현상으로 확산이 용이치 못하고 상대습도가 증가시 시정악화현상이 가속화 됨.
표 3.13.4 미국 덴버지역('78년)의 원인물질별 기여율
|
원 인 물 질 |
기여율(%) |
|
황 산 염 탄 소 입 자 유 기 탄 소 질 산 염 이산화질소 기 타 |
20.2 35.7 12.5 17.2 5.7 6.6 |
(출처 : Grobliicki, 1981)
참고문헌
1. 이민희, 한의정, 한진석 등, (1987), 대기중 입자상 물질의 생성 및 동태에 관한 연구, 국립환경 연구원.
2. Appel, B.R., et. al., (1985), Visibility as related to atomospheric aerosol constituents, Atm. Env., 19, 1525.
3. Grobliicki, P.J., Woolff G. T., and Countess, R. J., (1981), Visibility-reducing Species in the Denver, Brown Cloud-I, Atmos. Environ., 15, 2473.
4. Koschmieder,H., (1924), Beitr. Phys. freien Atm. 12,33.
5. D.W. Ely et al., (1991, The establishment of the Denever visibility standard, 84th annual meeting and exhibition, AWMA.
6. S.K. Fiedlander, (1977), Smoke, Dust and Haze, John Wiley & Sons.
7. 국립환경연구원, (1984), 수도권 지역의 시정장애현상규명을 위한 조사연구(I).
8. 국립환경연구원, (1995), 수도권 지역의 시정장애현상규명을 위한 조사연구(II).
9. 김포공항측후소, (1991), 김포국제공항의 안개.
작성자 : 대기화학과장 환경연구관 한진석(공학박사)
원본 위치 <http://home.sunchon.ac.kr/~bioenvlab/data2/ham3/3-13.htm>
산성비
12. 산성비
가. 산성비
(1) 정의
(가) 산성비(acid precipitation 혹은 acid rain)는 대기중에 대기오염물질 중 가스상 물질들이 구름에 유입되고 물방울을 형성하는 과정에서 화학반응에 의해 황산, 질산, 염산 등의 물질이 생성되어 빗물이 산성화되어 발생된다.
(나) 순수한 물은 pH가 7로 중성이지만 빗물은 대기 중에 녹아있는 이산화탄소(0.033%(330ppm))로 인해 탄산용액이 되어 pH가 5.6 정도인 약산이다.
(다) 그러나 실제로 선진국에서는 자연적으로 발생하는 물질들로 인한 효과를 고려하여 대략 pH가 5.0 이하일때를 산성비라고 간주하는 경우도 있다.
(2) 용어의 등장
(가) 영국의 화학자이자 기후학자인 Rober Angus Smith가 1872년 산업혁명 초기에 영국 맨 체스터 지역에 내린 산성의 빗물을 표현하기 위해 이 용어를 처음 사용하였다.
(나) 20세기에 대기화학과 분석화학의 발달로 인하여 빗물의 산성도를 pH로 표현하기 시작 하였으며 1948년 스웨덴의 Egner가 최초로 산성비 측정망을 설치·운영하였다.
(다) 1961년 스웨덴의 Svan Oden등이 지표수 측정망을 운영하여 산성비의 원인이 대기오염 물질의 장거리 이동임을 알아내고 빗물의 주요 이온과 산성도에 계절적 변화가 있음을 발표한 바 있다.
(라) 그의 주장에 근거하여 스웨덴은 1차 유엔환경회의에서 산성비에 대한 피해 영향을 제기하였으며 그 이후로 산성비는 범지구적인 관심의 대상이 되는 용어로 부각되었다.
나. 오염원
(1) 산업이 발달하고 인구가 증가함에 따라 이산화황(SO2), 질소산화물(NOx)등의 대기오염물질 이 대기중으로 다량 배출되었고, 이렇게 배출된 대기오염물질은 산성비의 원인이 된다.
(2) 발생형태와 피해의 정도는 발생원과 원인물질, 기상조건 등에 따라 각기 다르게 나타나며, 이 중에서도 특히 발생원과 원인물질에 따라 달리 나타난다.
(가) 고정발생원에 의한 오염
공장, 화력발전소 또는 사업장이나 건물 및 가정에 설치되어 있는 보일러, 소각로, 가열로 등 고정배출시설에서 발생하는 황산화물, 질소산화물, 염소가스 등에 의한 오염.
(나) 이동발생원에 의한 오염
자동차, 항공기, 기차 등의 이동배출시설에서 배출되는 황산화물, 질소산화물, 탄화수소등.
다. 생성과정
(1) 이산화황과 질소산화물
산성비의 형성은 대기중으로 이산화황(SO2)과 질소산화물(HOx 즉 NO와 NO2)등 배출됨으로써 시작된다. 이들은 대기중에서 기체상의 산화반응과 액체상의 산화반응을 거쳐 황산(H2SO4), 질산(HNO3)등으로 전환된다.
기체상 산화반응은 주로 OH에 의해서 일어나므로 광화학반응이 활발한 여름에 겨울보다 많이 일어나며 밤보다는 낮에 활발하게 일어난다.
액체상의 산화반응은 구름이나 안개 내에서 주로 일어나며 그 생성메카니즘은 다음과 같다.
(가) 기체상의 이산화황은 황산으로 변환할 때 OH가 중요한 역할을 하고 있다.
OH + SO2 + M → HOSO2 + M(M은 O2, N2 등)
HOSO + H2O →HOSO2·OH2
HOS2·OH2 + O2 → H2SO4 + H2O
(나) NO2가 오존과 함께 반응하면 질산이 생성한다.
NO2 + OH(+M) → HNO3(+M)
N2O5 + H2O → 2HNO3
NO3 + RCHO → HNO3 + RCO(R는 H 또는 CH3)
(다) NO2가 액체상에서 아래와 같은 반응으로 질산이 생성된다.
2NO2 + H2O ⇔ 2H+ + NO3_ + NO2_
NO + NO2 + H2O ⇔ 2H+ + 2NO2_
2NO2 + H2O ⇔ 2H+ +2NO3_ + NO
(2) 암모니아
(가) 암모니아가 대기중 산성가스와 반응하여 입자상 암모늄염을 형성한다
2NH3 + SO2 + 〔O〕→ (NH4)2SO4
NH3 + SO2 + 〔O〕→ (NH4)HSO4
NH3 + NOy ⇔ (NH4)NO3
NH3 + HCl ⇔ (NH4)Cl
-
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출처: <http://tip.daum.net/question/62836446>
그림 3.12.1 산성비의 생성메카니즘
라. 오염상태
(1) 우리나라 주요 도시의 연도별 강우산도
(가) 1998년 기준으로 환경부에서 관리하는 대기오염 측정소는 101개소, 지방자치단체에서 관리하고 있는 측정소는 41개소이다. 이 중 산성비 측정은 '83년 8월부터 시작하여 현재 48개 시·군에서 자동측정소 95개와 수동측정소 9개를 운영하고 있다.
(나) '86년부터 '97년도의 연도별 강우산도를 살펴보면 서울의 경우 pH값이 5.6이하인 경우도 있으나 정도가 심하지 않고 전반적으로 부산을 제외하고는 대부분의 도시의 강우산도가 pH가5.6보다 크게 낮지 않은 것으로 나타났다.
표 3.12.1 주요도시의 연도별 강우산도
|
연도 도시 |
'86 |
'87 |
'88 |
'89 |
'90 |
'91 |
'92 |
'93 |
'94 |
'95 |
'96 |
'97 |
|
서울 |
5.3 |
5.1 |
5.7 |
5.6 |
5.0 |
5.4 |
5.3 |
5.4 |
5.4 |
5.8 |
5.7 |
5.3 |
|
부산 |
5.2 |
5.4 |
5.2 |
5.2 |
5.2 |
5.1 |
5.2 |
5.3 |
5.2 |
5.2 |
5.1 |
5.2 |
|
대구 |
5.4 |
5.3 |
5.6 |
5.3 |
5.7 |
5.9 |
5.6 |
5.5 |
5.6 |
5.7 |
5.6 |
5.8 |
|
광주 |
6.1 |
5.8 |
5.7 |
5.7 |
5.9 |
6.1 |
6.2 |
5.8 |
6.0 |
6.2 |
5.9 |
5.9 |
|
대전 |
5.4 |
5.5 |
5.7 |
5.8 |
5.5 |
5.5 |
5.7 |
5.8 |
5.8 |
5.9 |
5.8 |
6.2 |
|
인천 |
5.5 |
5.2 |
6.0 |
5.7 |
5.4 |
5.4 |
5.7 |
5.5 |
5.7 |
5.9 |
5.9 |
5.6 |
|
울산 |
5.2 |
4.9 |
5.1 |
5.6 |
5.6 |
5.6 |
5.6 |
5.6 |
5.4 |
5.3 |
5.9 |
5.7 |
(출처 : 환경백서, 1998, 환경부)
(2) '98년 전국주요 도시의 월별 강우산도(표 3.12.2)
(가) '98년도부터는 이전처럼 pH값을 산술평균하지 않고 전국 주요 도시의 강수량을 고려하여 pH값을 구하였다.
(나) 월평균 pH가 4.4∼6.8의 범위로 나타났고 pH 5.0을 초과하는 도시별 월평균 강우산도는 부산 9회, 인천 8회, 대전 7회로 강우의 산도가 비교적 높았으며, 그 외에 서울 3회, 울산 3회, 광주 2회, 대구 1회의 순으로 나타났다.
(다) 월별변화를 살펴보면 겨울철보다 8월이 가장 높은 강우산도를 보이고 있는데, '98년 8월의 경우 주요 도시의 평균 강수량(593㎜)및 평균 강우일수(18일)가 다른 기간보다 매우 많았다.
(라) '98년 8월의 이러한 현상은 대기중에서 산성화를 중화시키는 먼지 등이 빗물에 제거되는 세정효과로 인하여 타 기간보다 높은 산도를 나타낸 것으로 판단된다.
(3) 강우에 의한 오염물질의 농도변화 (표 3.12.3)
(가) 계절현상이 뚜렷한 우리나라에는 오염물질의 농도분포도가 계절에 따라 다르게 나타나게 되는데, 특히 장마기간이 포함되는 7월중의 대기오염도가 현저하게 감소하게 된다.
(나) '99년 6월과 7월의 서울지역을 대상으로 강우가 있었던 날과 평일의 평균오염농도 비교분석하여 보면 6,7월 강우일 오염물질 평균농도가 평일의 농도에 비하여 SO2, O3, TSP, PM10이 각각 17%, 35%, 20% 5% 감소함을 알 수 있다.
표 3.12.2 '98년 주요도시의 월별 강우 산도 (단위 : pH)
|
지역 기간 |
서 울 |
부 산 |
대 구 |
광 주 |
대 전 |
울 산 |
인 천* |
|
'98. 1 |
5.1 (4.6∼7.4) |
4.6 (4.1∼5.1) |
6.3 (6.0∼6.5) |
6.1 (5.8∼7.3) |
5.1 (4.9∼6.4) |
5.1 (4.8∼7.0) |
6.4 (6.1∼7.1) |
|
2 |
4.6 (4.0∼7.5) |
4.6 (4.3∼5.1) |
6.2 (6.2∼6.2) |
5.8 (5.7∼7.0) |
4.9 (4.3∼7.6) |
5.4 (5.2∼7.8) |
4.4 (3.8∼10.9) |
|
3 |
5.4 (4.5∼7.6) |
4.6 (3.6∼5.8) |
5.9 (5.1∼6.4) |
5.3 (5.3∼6.8) |
5.1 (4.9∼5.3) |
5.4 (4.8∼6.6) |
4.8 (4.6∼7.2) |
|
4 |
5.1 (4.1∼8.1) |
4.7 (4.1∼7.1) |
5.5 (5.1∼7.1) |
5.3 (5.0∼7.4) |
4.7 (4.3∼8.1) |
5.0 (4.3∼7.3) |
4.8 (4.4∼7.2) |
|
5 |
5.0 (3.6∼7.7) |
4.7 (4.0∼6.8) |
5.6 (5.1∼7.2) |
5.3 (5.2∼5.5) |
4.7 (4.3∼7.8) |
5.2 (4.9∼7.2) |
4.8 (4.3∼7.1) |
|
6 |
5.4 (4.2∼7.7) |
4.7 (3.8∼6.2) |
5.8 (4.7∼6.8) |
5.8 (5.3∼6.8) |
4.9 (4.5∼7.5) |
4.9 (4.4∼6.6) |
5.3 (4.6∼7.2) |
|
7 |
5.1 (4.2∼7.5) |
4.8 (4.1∼6.1) |
5.4 (4.9∼7.4) |
5.6 (5.2∼7.7) |
4.9 (4.5∼6.6) |
4.6 (4.1∼5.7) |
4.8 (4.4∼7.1) |
|
8 |
4.8 (3.6∼6.6) |
4.5 (3.7∼6.0) |
5.2 (4.8∼7.0) |
4.4 (4.0∼7.1) |
4.5 (4.3∼6.4) |
4.6 (4.2∼5.9) |
4.4 (3.9∼6.3) |
|
9 |
4.7 (4.0∼8.3) |
5.1 (4.7∼6.9) |
5.3 (4.7∼6.7) |
5.5 (5.1∼6.8) |
5.5 (5.3∼6.2) |
5.5 (5.0∼7.4) |
4.6 (4.1∼6.6) |
|
10 |
5.1 (4.4∼8.5) |
4.7 (4.3∼6.5) |
4.9 (4.1∼8.1) |
5.2 (5.1∼7.1) |
4.7 (4.3∼6.0) |
5.1 (4.6∼6.3) |
4.5 (3.9∼7.5) |
|
11 |
5.0 (4.2∼6.9) |
5.5 (5.0∼7.3) |
6.1 (5.6∼6.8) |
4.7 (4.5∼5.7) |
5.0 (4.4∼7.2) |
5.6 (5.3∼6.6) |
5.1 (4.4∼6.7) |
|
12 |
4.8 (4.3∼6.5) |
6.6 (6.3∼7.5) |
- |
6.5 (6.2∼7.3) |
6.8 (6.4∼7.5) |
- |
- |
|
연평균 |
4.9 |
4.7 |
5.4 |
4.8 |
4.7 |
4.8 |
4.6 |
※ 강수량을 고려한 강우산도(pH) 이며, ( )는 지점별 일최고 및 최저 pH값임
* 인천의 강우산도는 인천보건환경연구원의 측정치임.
(출처 : 대기환경연보, 1999, 환경부, 국립환경연구원)
표 3.12.3 강우에 따른 서울지역의 오염물질 농도변화 비교
|
기간 오염물질 |
6 월 |
|
7 월 |
|
6+7 월 |
|
|
|
강우일(7) |
평일(23) |
강우일(15) |
평일(16) |
강우일(22) |
평일(39) |
|
SO2(ppb) |
5 |
7 |
5 |
6 |
5 |
6 |
|
O3(ppb) |
21 |
32 |
17 |
27 |
19 |
29 |
|
TSP(μg/㎥) |
93 |
111 |
71 |
96 |
82 |
103 |
|
PM10(μg/㎥) |
69 |
73 |
45 |
47 |
57 |
60 |
※주 : ( )는 해당일수.
(출처 : 8월 대기환경월보, 환경부, 국립환경연구원)
※ 참고. 강우산도(pH)를 계산하는 방법
(1) 강우산도를 계산하는 방법은 다음 ①∼④와 같이 수소이온농도와 pH를 이용하여 각각 산술적인 평균방법과 가중평균방법으로 계산하는 방법이 있다.
(2) 이 중 '98년부터 사용하는 방법(④)은 산성강하물의 전체 플럭스(Flux)량에 주안점을 둔 방법으로 기존의 pH 평균(①)에 비해 pH 값이 다소 낮게 표현되는 특징을 가지고 있다.
① pH 평균
② pH 강수 가중평균
③ [H+] 평균
④ [H+] 강수 가중평균
여기서, H+는 수소이온농도, wi강수량, n은 시료의 개수를 나타낸다.
(3) 아래 표와 같이 서울 시청측정소의 '98년 1년동안의 측정치를 통해 계산된 수치를 보면 강우산도를 수소이온농도 가중평균 방법으로 환산하여 계산하는 경우, 기존의 pH단순평균치 6.07 보다 약 0.78 낮게 나타났다. 즉 '98년 이후 자료를 평가하는데 있어 이러한 차이가 고려되어야 한다.
(계산방법에 따른 pH의 계산치)
|
방법 |
pH |
pHw |
〔H+〕 |
〔H+〕w |
|
연평균 pH |
6.07 |
5.53 |
5.48 |
5.29 |
마. 산성비에 의한 영향
(1) 토양과 물에 미치는 영향
(가) 토양의 산성화 및 영양분의 용출로 인하여 산림피해가 일어나며 유기물 분해 호흡 효소활성 등을 격감시킨다고 알려졌다.
(나) 토양이나 물의 pH가 낮아지면 인산이온의 용출이 어려워 알루미늄, 망간이온이 용해하기 쉬워지고, 산성토양은 생물이 필요로 하는 물질을 결핍시키고 유해물질을 과잉 축적된다.
(다) 호소수 등이 산성화에 의해 어패류의 감소와 중금속 용출에 의한 오염이 발생한다.
(라) 미국 뉴욕주에 있는 한 호수의 pH가 6.6∼7.2이었던 것이 점차 3.9∼5.8로 떨어져 물고기의 75%가 피해를 입었고 카나다의 온다리오주의 많은 호수에서도 pH4.5가 되어 물고기와 플랑 크톤의 생육이 곤란해졌다는 보고가 있다.
(마) 북구주에서는 1960년대 후반에 있어 pH 4∼5의 우수에 의해 산림의 성장이 2∼7% 감소하고 산성화에 의해 호소수의 pH가 저하되어 많은 어류가 사멸하였다고 함.
(바) 스웨덴에서도 곰팡이류 균사가 호소바닥에 널리 퍼졌고 노르웨이에서도 산성화에 의해 금 속류가 용출되어 물속에 알루미늄이온 농도가 높아지는 등 피해가 있다는 많은 보고가 있다.
(2) 식물에 미치는 영향
(가) 식물의 광합성 작용을 억제하여 엽록소와 잎조직이 파괴되었다.
(나) 서독에서는 전 산림면적의 절반이상이 피해가 나타나 수목에 대한 피해만도 1년에 800만$, 농작물피해가 600만$이나 되는 것으로 알려져 있다.
(3) 유적 및 건축물 등에 미치는 영향
(가) 대리석,청동상, 시멘트 건축물을 부식시키거나 철교와 같은 금속 구조물을 녹이고 있다.
(나) 서독의 Cologne 성당, 런던의 Lincoln의 새김글씨 및 아름다운 동상이 산성비에 의해 육안으로 알아보기 힘들 정도로 사라져가고 있다.
(4) 산성안개의 영향
(가) 산성비와 동일한 현상이나 안개는 지표면 가까이 형성되는 미세한 입자로서 수분량이 적기 때문에 오염물질을 다량 함유할 가능성이 크며 체류시간이 길어 산성비보다 생태계에 미치는 영향은 큰 것으로 알려져 있다.
(나) 외국에서는 안개발생의 기회가 적기 때문에 산성안개에 대한 연구는 해안이나 산악지대를 대상으로 연구를 수행하고 있다.
바. 문제점
(1) 우리나라를 포함한 동북아지역 국가들의 급속한 산업화는 국지적인 대기오염을 심화시키며, 동시에 대기오염물질이 장거리 이동되어 인접국가와의 환경오염문제를 야기시킬 염려가 있음
(2) 특히 산성비 현상은 배출원으로부터 수 천㎞ 떨어진 곳에까지 미치는 것으로 알려져 산성비 문제 해결을 위해서는 국제적인 협력이 무엇보다 필요하다
(3) 인접국가들의 도움없이는 아무런 효과를 거둘 수 없는 것이 산성비 문제 해결의 어려운 과 제이며 산성비 감시를 위한 국제적인 측정망 구축, 효율적인 관리와 운영, 그리고 산성비에 대한 정확하고 정밀한 자료를 확보하는 것이 문제점을 해결하기 위해서는 중요하다.
사. 대응책
(1) 미국과 캐나다.
(가) 미국과 캐나다간에는 1970년대에 산성비 원인물질의 국가간 이동을 둘러싼 이른바 산성비 논쟁이 시작되어 산성비에 대한 연구가 집중적으로 이루어졌다.
(나) 미국은 자국내 발전시설에서 발생하는 산성비 원인물질을 줄이기 위하여 1990년에 대기정화법을 수정하여 산성비 프로그램이라는 새로운 제도를 도입하기도 하였다.
(다) 캐나다는 1983년 환경성과 온타리오주 등 8개주는 이산화황 배출량 50% 삭감을 표명, 미국에도 대폭삭감을 요구하였고 1994년도 황발생량을 1980년도 발생량보다 40%정도 삭감하고 습성황산염강하량 목표치를 20kg/ha·년으로 정하였다.
(2) 영국
(가) 석탄의존도가 높아 이산화황 배출량을 조기에 대폭 삭감은 곤란하나 점진적으로 추진하고 있다.
(나) 1987년 발표된 산성우 대책은 금후 10년간 14% 삭감을 목표로 정하였다.
(3) 독일
(가) 1974년부터 82년까지 이산화황 배출량을 17% 삭감토록 하였다.
(나) 1983년 고정발생원 대책(탈황장치 설치)을 강화하여 향후 10년간 이산화황 배출량을 50% 삭감토록 하였다.
(4) 프랑스
1986년 종합적 대기오염대책을 발표하여 신설보일러에 탈황장치를 설치토록 하며, 1988∼1989년에 4개 석탄화력발전소에 탈황장치를 설치하였다.
(5) 중국
(가) 1979년에는 환경보전법을 제정, 신규공장을 건설하는 경우 오염방지 규제를 하였다.
(나) 중국내의 대기오염물질 배출량조사 및 산성비와 장거리이동에 관한 연구 진행하고 있다.
(6) 일본
(가) 엄격한 대기오염방지대책으로 최근 이산화황 농도가 많이 감소되었으나 질소산화물농도 는 상승하여 탈질장치를 설치하였다.
(나) 환경청은 1988년부터 5년간 제2차 산성우 대책으로서 만성적 피해의 실태해명과 오염물질 의 중거리·장거리수송 모델에 대한 조사를 수행하고 있다.
(7) 한국
(가) 화석연료의 사용을 줄이고 청정연료 및 저유황유 사용을 확대하고 있다.
(나) 전국적인 산성비 실태를 파악하기 위하여 강우중의 수소이온농도지수(pH)를 측정하여 현재 산성우 측정망 운영하고 있다.
(다) 국가간의 산성비, 해양오염 등 동북아지역의 환경현안을 해결하기 위한 제1차 한·중·일 환경장관회의가 1999년 서울에서 열려 환경협력의 중요성을 제고하였다.
(라) 2000년부터는 대기중으로부터의 오염물질의 건성침착량 및 강우·강설 등에 의한 오염물질의 습성 침착량을 파악하기 위하여 산성강하물 측정망을 운영을 계획하고 있다.
(마) 대기오염물질 장거리 이동과 산성강하물 조사사업을 일원화된 장기적인 계획아래서 일관성 있게 추진하기 위하여 산성강하물 국가 모니터링 계획을 추진하고 있다..
참고문헌
1. 환경부, 국립환경연구원, 1999, 1,2,3,4,5,6,7,8월 대기환경월보.
2. 환경부, 국립환경연구원, 1999, 대기환경연보.
3. 환경부, 1998, 환경백서.
4. 환경부, 2000년대 대기오염측정망 기본계획, 1999.
5. 환경부, 과학기술처, G7사업보고서. 산성비 감시 및 예측 기술 개발, 1997.
6. 국립환경연구원, 대기오염과 산성비에 의한 피해조사 및 평가에 관한 연구 (Ⅰ), 1991.
7. 국립환경연구원, 대기오염과 산성비에 의한 피해조사 및 평가에 관한 연구 (Ⅱ), 1992.
8. 국립환경연구원, 대기오염과 산성비에 의한 피해조사 및 평가에 관한 연구 (Ⅲ), 1993.
9. 권우택 7인, 동화기술, 산성비 조사법, 1996.
10. 이보경, 연세대 박사논문, 한반도 강수의 화학조성과 주요이온성분의 습성강하량,
11. (社)コルファ―綠化促進協力會, (1991), 酸性雨 -生態系にあたえる影響-.
12. GWYNETH HOWELLS, 1990, ACID RAIN AND ACID WATERS
작성자 : 대기화학과 환경연구사 노혜란(공학석사)
원본 위치 <http://home.sunchon.ac.kr/~bioenvlab/data2/ham3/3-12.htm>
광화학 스모그
11. 광화학스모그
가. 스모그(smog)
(1) 스모그(Smog)는 연기(Smoke)와 안개(Fog)라는 용어가 합쳐져 만들어진 말로 안개가 끼어있는 대기중에서 공장이나 건물의 굴뚝에서 나오는 연기가 합쳐져서 하늘이 뿌옇게 보이는 현상을 지칭하여 사용되기 시작하였다.
(2) 스모그에는 주로 공장 및 빌딩의 연소시설이나 일반 가정난방시설 등에서 배출되는 아황산가스, 매연과 같이 직접 굴뚝에서 나오는 오염물질에 의하여 발생되는 소위 런던형 스모그와 주로 자동차 배출가스에서 많이 나오는 질소산화물, 탄화수소등이 햇빛(자외선)과 작용하여 오존, 알데히드, 팬(PAN;peroxyacetylnitrate)등과 같은 여러가지 산화성 물질(옥시단트)을 생성하여 맑은 날에도 안개가 낀 것과 같은 상태의 로스엔젤리스형 스모그로 구분하고 있으며 로스엔젤리스형 스모그를 일명 광화학스모그라고 한다.
나. 오염사례
(1) 로스엔젤레스 스모그
1940년경 미국의 로스엔젤레스 지역에서 처음 발생하여 식물에 피해를 주고 1950년경에는 사람에게도 큰 피해를 나타냈던 유명한 사건임.
(가) 1954년부터 로스앤젤레스의 거의 대부분의 시민이 눈, 코, 기도, 폐 등의 점막의 지속적이고 반복성자극과 일상생활에 있어서 불쾌감을 호소하였으며 가축 및 농작물의 피해가 나타나고 고무제품의 노화 등 재산상의 피해가 크게 나타남.
(나) 1954년 로스엔젤레스의 스모그사건이후 20여년간 스모그를 경험하였으며 1955년에는 대기중 오존농도가 0.05ppm을 기록하기도 하였슴.
(다) 1979년 가을에는 주민의 83%가 육체적으로 불쾌하거나 건강에 대한 불안을 호소하였으며 면접조사에 의하면 주민의 57%는 눈의 통증과 자극을 느끼고 4인중 1인은 두통, 호흡자극, 인후염증을 호소하였다고 함.
(라) 처음에는 런던형 스모그와 같은 아황산가스에 의한 것으로 생각하고 그에 대한 대책을 강구하였으나 캘리포니아 공과대학의 생화학교수인 Haagen-Smit 박사가 탄화수소와 오존을 공기중에서 햇볕을 쪼여 눈을 자극하고 식물에 피해를 주는 에어로졸을 생성하는데 성공하므로써 로스앤젤레스스모그는 햇볕과 산화질소의 존재하에서 탄화수소가 산화되어 광화학스모그가 생성된다는 광화학스모그설을 1949년에 발표하므로서 질소산화물 및 탄화수소의 방지대책을 추진함과 더불어 질소산화물 및 탄화수소의 주 배출원인 자동차 배출가스규제를 세계에서 제일 먼저 실시하게 됨.
(마) 로스앤젤레스지역은 지리적으로 서쪽이 태평양에 연해있는 분지로서 년간 평균풍속이 2.8m/sec이며 기상조건도 북태평양 동부에 반영구적으로 존재하는 고기압의 동쪽끝에 위치하고 있기때문에 여름과 가을에는 항상 침강성 역전층을 형성해 도시내에서 발생한 오염물질이 상공으로 확산되지 못하고 축적되어 있으면서 강한 햇볕에 의해 광화학반응을 일으켜 스모그를 생성시킴.
(바) 로스엔젤레스 지역에는 1990년 이후 약 1천만대 이상의 자동차가 운행되면서 일일 약 6천톤의 오염물질을 대기중으로 배출시키고 있어 이들 오염물질이 나쁜 기상조건 때문에 확산되지 못하고 강한 햇볕에 의해 광화학 스모그를 형성시키므로서 오늘날 세계에서 가장 엄격한 자동차 배출가스 규제와 기타 배출원 규제를 하고 있음에도 불구하고 옥시단트의 대기환경 기준을 달성하지 못하고 있는 실정임.
(2) 동경의 광화학스모그
일본 동경에도 1967년부터 1970년 사이에 동경시내의 옥시단트 농도가 0.15 ppm을 초과하는 날이 46일이나 되었고 1970. 7.18부터 9월말 전지역에 광화학스모그가 일어나 3개월 사이에 일만여명의 시민이 광화학스모그 피해를 호소하였슴.
(가) 눈의 자극과 두통 및 구토증을 수반하고 심한자는 호흡곤란을 호소하기도 하여 단순한 로스앤젤레스형의 스모그가 아니라는 견해도 있었으나 이때 대기중 옥시단트 농도가 평상시보다 월등히 높아 0.34 ppm에 달하였으며 SO2가 산화하여 SO3(무수황산)로 전환하여 황산미스트의 농도가 평상시의 10배 정도 되었고 부유분진도 평상시의 10배 정도되어 461 ㎍/m3였다고 함.
(나) 동경에서 발생했던 스모그는 단순한 런던형 스모그 또는 로스엔젤레스형 스모그라고 하기보다는 이 두가지의 원인이 복합적으로 작용했던 스모그 사건이라 할 수 있슴.
(3) 멕시코의 고농도 오존
멕시코시는 높은 산들이 둘러싸고 있는 계곡에 위치하고 인구 1500만이 집중되어 있어 대기오염의 악화에 시달리고 있으며 특히 고농도의 오존발생이 큰 문제로 부각되고 있다. 1992년 3월에는 0.48 ppm의 오존농도가 기록되었고 주간의 98 %가 0.11 ppm을 넘는 것으로 나타났다.
(4) 우리나라의 광화학스모그
우리나라에 있어서 광화학스모그 현상에 대해서는 수도권을 중심으로 보고된 바 있으며(이민희 등, 1987; 정용승 등, 1991; 최덕일 등, 1993; 문길주 등, 1994), 고농도 오존발생과 시정감소현상을 중심으로 조사되었다. 특히 여름에 오존의 고농도와 함께 미세입자의 증가가 시정을 감소시키는 광화학스모그 현상이 보고 되었으며(최덕일 등, 1993), 일중 최고 오존농도가 0.1 ppm을 초과하는 일수가 점차 증가하는 추세를 보인다.
다. 스모그의 원인과 배출원
(1) 광화학스모그의 원인물질인 질소산화물은 연료의 연소시 고온에 의하여 공기중의 질소와 산소가 반응하여 생성되는 것으로서 주요한 배출원은 자동차, 기차, 비행기, 선박과 같은 이동배출원과 산업장, 빌딩 및 가정용 보일러와 같은 고정 배출원에서 배출된다.
(2) 탄화수소는 석유의 불완전연소와 증발에 의해서 배출되므로 자동차가 주요한 배출원이며 정유시설, 저유소 및 정유소의 연료탱크에서 증발되는 연료, 페인트 용매, 세탁소에서 사용하는 용매등도 탄화수소의 주요한 배출원이다.
(3) 유럽과 미국의 교외지역에서는 산림에서 배출되는 이소프렌(Isoprene), 피넨(Pinene) 등의 탄화수소등도 오존 생성의 주요 원인물질로서 기여하고 있는 것으로 보고된바있다.
라. 스모그의 영향
(1) 광화학스모그의 생성물질은 오존, 이산화질소, 알데히드, 팬과같은 물질로서 이들 오염물질의 대기중농도는 그렇게 높지 않으므로 개개의 오염물질에 의한 인체의 피해는 크지 않으나 복합적인 피해로 나타나게 된다.
(2) 오존은 광화학스모그의 대표적인 물질로서 대도시의 대기오염에 크게 영향을 미치고 있으며 오존에 노출되면 상기도의 반사성 기관지수축을 일으켜 심호흡이 어렵고 뇌의 통증과 기침과 같은 자각증상이 나타나며 생리학적 반응이 감퇴된다고 한다.
(3) NO2는 도시대기중에 존재하는 정도의 농도에 대해서는 폐기능이나 생리학적인 영향을 거의 미치지 않으나 광화학스모그 생성에 기여하기 때문에 중요시하고 있다.
(4) 알데히드는 눈을 자극하는 물질이지만 1 ppm에서 5분 정도 노출되어야만 눈의 자극을 느낄정도이며 팬은 눈을 따끔따끔하게 하는 물질로서 눈을 피로하게 하며 전체 옥시단트 농도가 0.1 ppm이상일때 눈의 자극증상이 자주 나타난다고 한다.
마. 문제점
(1) 대도시지역에서 자동차의 증가와 함께 연료 사용량의 증가로 인한 광화학스모그의 원인물질로 작용하는 질소산화물과 탄화수소화합물의 배출량이 급증하고 있으며 이로 인하여 고농도 오존 발생일이 증가하고 있는 실정이다.
(2) 이러한 현상은 인구의 도시지역 밀집현상과 생활 양식의 선진화와 함께 지속적으로 심화되고 지역적으로 확산될 것으로 판단된다.
(3) 우리나라 대도시지역에서의 오존 농도의 현황은 다음의 표 3.11.1과 같으며 미국 LA의 경우도 30여년간의 지속적인 저감 노력에도 불구하고 90년대 들어서도 1년동안 60일가량 0.2ppm을 초과하고 있는 실정이고 일본 동경도의 경우 93년과 94년에 오존농도가 0.12ppm를 초과횟수는 각각 5회, 12회로 보고되고 있다.
표 3.11.1 서울 지역 오존 농도의 등급별 발생빈도 (단위 : %, 기간 : '90∼'98)
|
농도 (ppb) |
<10 |
10∼20 |
20∼30 |
30∼40 |
40∼50 |
50∼60 |
60∼70 |
70∼80 |
80∼90 |
90∼100 |
>100 |
|
90 |
65.3 |
19.6 |
8.1 |
3.7 |
1.7 |
0.8 |
0.4 |
0.2 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
|
91 |
57.8 |
21.0 |
10.7 |
4.9 |
2.4 |
1.3 |
0.8 |
0.4 |
0.2 |
0.2 |
0.1 |
|
92 |
56.4 |
22.8 |
11.2 |
5.0 |
2.2 |
1.0 |
0.5 |
0.3 |
0.2 |
0.1 |
0.2 |
|
93 |
51.7 |
25.1 |
13.1 |
5.5 |
2.5 |
1.1 |
0.5 |
0.2 |
0.1 |
0.1 |
0.0 |
|
94 |
52.8 |
21.8 |
12.3 |
6.6 |
3.2 |
1.5 |
0.8 |
0.4 |
0.2 |
0.1 |
0.2 |
|
95 |
53.0 |
23.8 |
12.2 |
6.1 |
2.9 |
1.2 |
0.6 |
0.2 |
0.1 |
0.0 |
0.0 |
|
96 |
47.9 |
22.9 |
13.7 |
7.6 |
3.9 |
1.9 |
1.0 |
0.5 |
0.3 |
0.2 |
0.1 |
|
97 |
45.9 |
24.3 |
14.3 |
7.5 |
3.8 |
2.1 |
1.1 |
0.5 |
0.3 |
0.2 |
0.1 |
|
98 |
43.3 |
23.6 |
15.7 |
9.0 |
4.2 |
2.0 |
1.0 |
0.5 |
0.3 |
0.1 |
0.1 |
바. 대책
(1) 선진국의 경우 대도시지역의 광화학스모그현상에 대한 대처 방안으로서 실시되고 있는 것은 크게 두가지의 제도로 대별할 수 있다.
(가) 대기오염경보제도과 같이 오존경보 혹은 예보제도의 실시이며 이와같은 제도의 실시는 대기오염 에피소드와 같은 대기오염 피해, 사고를 최소화하고 가능한 한 미연에 방지하기 위한 대응 방이다. 이러한 대기오염 경보제도는 미국, 일본 등의 선진국에서는 이미 오래전부터 실시하고 있으며 대기오염농도가 일정 농도를 초과하고 그 상태가 일정시간 이상 지속될 것으로 판단될 때 오염농도별로 주의보, 경보, 중대경보 등을 발령하는 제도이다.
(나) 보다 적극적이고 근본적인 대책으로서 광화학스모그의 생성 원인물질인 질소산화물과 탄화수소화합물의 배출량을 최소화하는 것으로 이들 물질의 배출규제를 실시하는 방법이 있다.
1) 질소산화물의 경우 모든 연소시설에서 배출되며 특히 발전소, 제련소와 같은 대형 연소 시설 및 LNG와 같은 청정연료의 연소시설과 자동차에서 배출되는 양이 많으며 이들 배출시설에서 방지시설을 통한 질소산화물의 저감방안이 있으나 질소산화물의 방지기술이 어렵고 설치 및 관리비용이 큰 것이 문제이다.
2) 탄화수소화합물 배출량의 저감은 오존 생성을 줄이는 중요한 방법중의 하나이며 탄화수소의 주요 발생원인 자동차의 배기가스에 대한 배출규제의 강화와 함께 석유정제 및 저장, 운반시설들에 대한 시설기준의 강화를 통하여 배출량의 저감을 위하여 노력해야 될 것이고 도장시설 및 용매 사용시설에 대한 보강이 필요하다.
3) 탄화수소의 경우에 산림에서 발생되는 부분을 제어할 수 없는 제한성이 있다.
참고문헌
1. J.D. Butler, Air Pollution Chemistry, (1979), Department of Chemistry The University of Aston Birmingham England.
2. S.K. Fiedlander, (1977), Smoke, Dust and Haze, John Wiley & Sons.
3. H.T. Bloemen, J.Burn, (1993), Chemistry and analysis of volatile organic compounds in the environment, Blackie Academic & Professional
4. D.R. Blake, F.S. Rowland, (1995), Yraban leakage of liquefied petroleum gas and its impact on Mexico city air quality, Science, 269, 18
5. 최덕일, 한의정, 한진석 등, (1993), 도시 대기오염의 특성과 광화학반응에 관한 연구, 국립환경 연구원
6. 정용승, (1991), 대도시 광화학스모그에 관한 연구, 한국환경과학연구협의회
7. 문길주 등, (1994), 서울지방의 스모그현상 연구(Ⅲ), 한국과학기술연구원
8. 이민희, 한의정, 신찬기 한진석 등, (1987), 대기중 입자상물질의 생성 및 동태에 관한 연구, 국 립환경연구원
작성자 : 대기화학과장 환경연구관 한진석(공학박사)
원본 위치 <http://home.sunchon.ac.kr/~bioenvlab/data2/ham3/3-11.htm>
수은
10. 수 은 (Hg)
가. 성 상
상온에서 액체상태로 존재하는 유일한 금속으로서, 광택이 있으며 은백색이다. 전기를 잘 통하고 유리를 적시지 않으며 연성이 좋다. 수은은 주로 Elemental mercury (Hg0), 무기수은 화합물 (HgCl2), 유기수은 화합물 (메틸수은) 등의 세 가지 형태로 존재하며 이러한 수은 전체의 화합물을 총수은이라고 한다. 무기수은 화합물은 금속수은, 제1수은염, 제2수은염 또는 아말감으로 나뉘어지고, 유기수은 화합물은 알릴 수은과 알킬 수은화합물로 나뉘어진다. 알릴 수은화합물로는 초산 페닐 수은 (농약)이나 머큐로크롬 (소독약) 등이 있고, 알킬 수은화합물로는 메틸 수은, 에틸 수은 및 메토시 에틸 수은염 (농약) 등이 있다. 모든 수은의 형태는 매우 독성이 있고, 각각의 형태마다 인간의 건강에 각기 다른 영향을 준다.
이온형태에 있어서 수은은 Hg(Ⅰ)과 Hg(Ⅱ)이라고 하는 두 종류의 산화 형태로 존재하는데 이 중에서 Hg(Ⅱ)가 더 안정적이다. 수은은 철을 제외한 거의 모든 금속과 합금이나 아말감을 형성하는 특성을 갖고 있다. 수은은 부식 저항이 뛰어난 금속을 만들기 위해 vanadium, iron, niobium, molybdenum, cesium, tantalum, tungsten과 아말감을 형성한다. 수은은 실온에서 안정적인데 공기, 암모니아, 이산화탄소, 질소산화물, 산소와는 반응하지 않으나 할로겐이나 황과는 즉시 결합한다. 수은은 대기중의 H2S와 반응하기 때문에 밀폐된 용기에 보관해야 하며 염산에는 영향을 받지 않지만 진황산에는 영향을 받는다. 질산에 용해되어 Hg(Ⅰ)염이나 Hg(Ⅱ)염을 형성한다. 유기수은은 특히 독성이 강한데, 공해병의 원인물질이기도 한 알킬수은도 유기수은의 한 종류이다. 이에 비해 무기수은은 비교적 독성이 약한 편이고, 공장의 공정에서 직접 혹은 미생물에 의해 유기수은으로 변한다.
o 원자번호 : 80
o 원자량 : 200.59 g
o 비중 : 13.55 g/㎤ (20℃)
o 비점 : 356.7
o 융점 : -38.87℃
o 증기압 : 1.3×10-3 mmHg (20℃), 2×10-3 mmHg (25℃)
나. 발생원 및 용도
(1) 발생원
㈎ 수은의 primary production은 주로 금광의 부산물로서 발생한다. 예전에는 Nevada에 있는 수은광석에서 채광되었으나 1990년에 폐광되었고 아직도 Nevada, California, Utah에 있는 금광석에서 부산물로 비교적 소량이 생산된다.
㈏ 수은의 secondary production (recycling)으로는 processing of scrapped mercury-
containing products와 산업폐기물 등이 있다. recycled mercury의 주요 배출원으로는 치아 아말감, 산업 및 전기 제조시설로부터의 scrap mercury (형광 램프 포함), 연구 실험실과 electrolytic refining plants로부터의 폐기물과 슬러지, 수은 배터리 등이 있다.
㈐ EPA가 의회에 제출한 보고서에 의하면 대기로의 수은 배출원으로는 석탄 연소시설 (발전 소), 의료용 폐기물 소각시설(MWIs), 도시고형폐기물 소각시설 (MWCs), 염소-알칼리 공 장, 구리·납 제련소, 시멘트 제조시설 등이 있는데 이 중에서도 연소시설의 보일러가 전체 인위적인 배출원의 거의 25%를 차지하고, 그 중 90% 이상은 석탄 연소시설의 보일러가 차 지하고 있다. 수은 배출량 자체로 보면 발전소가 가장 큰 배출원이긴 하지만, 발전소에서 사용하는 화석연료보다 폐기물속의 수은 함유 비율이 크기 때문에 소각장에서의 배출농도 가 높고,또한 금속생산공정이나 염소생산공정에서 배출되는 수은 농도가 소각장보다 높긴 하지만 총배출량은 소각장보다 훨씬 적다.
(2) 용도
㈎ Elemental mercury는 전 액체 범위내에서 동일한 부피팽창을 하고 표면장력이 크기 때문에 기압계, 압력계, 온도계 및 기타 측정장치로 사용된다. 또한 전기 저항도가 낮기 때문에 금 속중에서 가장 좋은 전기 전도체중에 하나로서 배터리, 전기램프 등을 포함한 전기 분야에 서 폭넓게 사용되고 있으며, 산업 공정, 정제, 윤활유, 치아 아말감 등에도 사용된다.
㈏ 무기수은제
여러 종류의 화합물이 여러 용도에 사용되고 있으나, 농약으로는 살충제로서 승홍이 사용되 고 있다. 승홍은 살충력이 강한 반면 작물에 대한 약해도 큰데 유제나 분제로 사용하며, 승 홍, 승홍정, 브라스트, 브라민 등의 상품명으로 시판된다. 승홍은 감자, 담배, 야채 등의 병 해충 구제에 사용되고, 물에 잘 용해되지 않으므로 소량의 열탕에 용해하여 사용해야한다. 수은은 농작물중에서 농축되어 그것을 취식한 인간의 체내에 다시 농축되므로 주의해야 한 다.
㈐ 유기수은제
살균제로 벼 도열병의 특효약으로 많이 사용된다. 유기수은계 농약의 대표적인 것으로는 PMI와 PMA가 있는데 이 농약은 토양 잔류성이 강하여 반감기가 5∼15년 정도이다. 우리나 라에서는 1970년 말에 제조·사용이 금지되었다.
다. 독성영향
(1) 수은
상온에서는 은백색의 액체상태로 존재하며 피부와 접촉하면 국소적으로 피부염을 유발한다. 호흡기 및 소화기 경로로 인체에 침입하면 80% 정도가 신장 및 간 등에 축적되어 소뇌의 기능을 마비시킨다. 수은은 우리 몸에 흡수되면 용해되지 않고 거의 그대로 장기나 신경계에 고도로 축적되는 성질을 지니고 있다. 이것이 계속 흡입되서 몸안에 축적되어 총 수은량이 30 ppm이상이 되면 수은 중독현상을 일으키게 된다. 미나마타시의 환자중에는 200 ppm인 사람도 발견되었다고 한다. 수은의 축적에 의한 중독을 일으키게 되면, 만성 신경계의 질환으로 인해, 운동장애, 언어장애, 난청, 심하면 사지가 마비되어 죽음에까지 이르른다. Elemental mercury의 주요 노출경로는 작업환경에서의 흡입을 통해서이다. Elemental mercury에 저농도로 노출되는 또다른 경우는 입속의 치아 아말감으로부터 방출되는 경우이다.
(2) 무기수은 화합물
염화 제2수은 (승홍), 염화 제1수은 (감홍), 질산 제2수은, 질산 제1수은 등이 있다. 그 독성은 오래전부터 알려져 있으며, 급성 중독 또는 만성 중독을 일으킨다. 특히 중요시해야 할 것은 무기 수은이 자연계에 생물학적으로 유기수은화된다는 사실이 실험적으로 확인된 점이다. 무기수은 화합물과 알킬 수은화합물에 의한 중독증상은 서로 유사하다. 뇨와 함께 배출되기 쉬으므로 중증의 증상은 적으며, 만성적인 증상이 나타난다. 이에 반해 알킬 수은화합물은 신경계를 침범, 손발이 떨리고 언어장애, 시력 감퇴 등의 중독증상이 나타난다.
(3) 메틸수은
일반적으로는 염화메틸수은을 가리키며, 강한 신경독성을 나타내고 미나마타병의 원인물질로서도 유명하다. 알데히드 제조공정에서 촉매로 사용된 무기수은의 일부가 메틸수은으로 변화하고, 이것이 공장배수로 방출되어 어패류에 고농도로 축적되는데 이 어패류를 오랜 기간 잡아먹은 사람들에게 불가역성의 중추신경계장애, 이른바 미나마타병을 일으킨다. 메틸수은을 고농도로 섭취한 산모에게서 태어난 아기는 지능발달 지연, 보행장애, 시력감퇴, 대뇌마비 등을 나타낸다. 메틸수은에의 노출은 주로 물고기를 섭취함으로써 발생한다. 예전에는 살균제를 처리한 곡물과 그러한 곡물을 섭취한 동물의 고기를 통해서 메틸수은이 노출되었다. 그러나 수은을 포함한 살균제는 현재 미국에서 금지되어 이러한 경로로 노출되는 경우는 무시할 정도이다.
(4) 급성영향
인간이 Elemental mercury에 고농도로 단기간 흡입 노출되면 환각, 정신착란, 자살 등과 같은 중추신경계 영향을 일으킨다. 가슴 통증, 호흡곤란, 기침, 폐기능 장애, 간질성 폐렴 등과 같은 소화기와 호흡기의 영향은 Elemental mercury에 흡입 노출되었을 때 발생하는 것으로 알려져 있다.
무기수은 화합물에 단기간으로 경구 노출되었을 경우의 증상에는 금속성 맛, 메스꺼움, 구토, 심한 복부 통증 등이 있다. 대부분의 무기수은 화합물에 대한 치명적인 단기간 섭취량은 성인의 경우 1∼4 g, 70 ㎏인 사람의 경우 14∼57 ㎎/㎏이다. 메틸수은에 고농도로 단기간 노출되면 귀먹음, 지각수준 장애, 사망 등과 같은 중추신경계 영향을 일으킨다. 메틸수은의 치명적인 최소 섭취량은 70 ㎏인 사람의 경우 20∼60 ㎎/㎏인 것으로 추정된다.
(5) 만성중독 (비발암성)
인간이 Elemental mercury와 메틸수은에 장기간 노출되면 중추신경계에 영향을 준다. 신경과민, 흥분, 부끄러움 증가, 떨림 등과 같은 영향들은 Elemental mercury에 의한 것이고, 감각이상, 시력감퇴, 불쾌감, 언어소통 장애, 시야감소 등은 메틸수은에 의한 것이다. 장기간 노출과 무기 수은은 신장에 영향을 미친다.
중추신경계는 Elemental mercury의 독성이 인간에게 미치는 주요한 목표 기관이다. 그허한 영향에는 신경과민, 흥분, 과도한 부끄러움, 불면증, 유연증, 치은염, 떨림 등이 있다. Elemental mercury에 장기간 노출되면 단백뇨 등 인간의 신장에 영향을 준다. Acrodynia는 Elemental mercury나 무기수은 화합물에 노출된 어린이들에게서 발견되는 희귀한 신드롬이다. 이것은 심한 다리 경련, 흥분, 감각이상, 손·발·코 등의 피부가 벗겨지는 등의 증상이 있다.
무기수은에 장기간 노출되는 경우의 주요 영향은 신장 장애이다. 메틸수은에 장기간 노출되는 경우의 주요 영향은 중추신경계의 피해이다. 초기 증상은 마비, 시력감퇴, 불쾌감 등이다. 상당량이 섭취된 경우에는 귀먹음, 언어장애, 시야감소 등이 발생한다.
(6) 생식과 발생에 미치는 영향
Elemental mercury이 인간의 생식과 발생에 미치는 영향에 관한 연구는 혼합된 결과를 보여준다. 하나는 수은 노출과 자연유산과는 관련이 없다고 보는 반면, 다른 하나는 자연유산의 비율이 증가한다고 본다. 다른 연구에서는 출생시의 결함이 있는 빈도가 더 높다는 것을 보여준다. 무기수은이 인간의 생식과 발달에 미치는 영향에 대해서는 아무 정보가 없고, 동물 연구에서는 고환세포의 변경, 재흡수율의 증가, 비정상적인 발달 등의 영향이 보고되었다. 메틸수은의 경구노출은 발달에 상당한 영향을 주는 것으로 관찰되었다. 메틸수은을 고농도로 섭취한 산모에게서 태어난 아기는 지능발달 지연, 보행실조, 귀먹음, 시야감소, 시각장애, 대뇌마비 등 중추신경계 장애를 보인다. 저농도의 메틸수은에서도 발달 지연과 비정상적인 반사작용을 보이는 것으로 알려졌다.
(7) 발암성
Elemental mercury과 인간의 암과 관련된 몇 가지 연구가 수행되고 있으나 이러한 연구는 근거가 확실한 노출 데이터 등의 부족으로 결론을 내리지 못하고 있다. 무기수은 화합물이 인간의 발암성에 미치는 잠재적인 영향을 명확히 밝히려는 세 개의 연구가 있다. 염화수은 (HgCl(Ⅱ))의 쥐에 대한 장기적인 연구에서는 위상부의 발병율 및 갑상선 종양의 증가, 신장부의 종양 증가 등이 보고되었다. 메틸수은이 인간의 발암성에 미치는 영향에 대해서는 아무런 연구도 없고 쥐의 신장부 종양에 관한 동물 보고서만이 하나 있다. EPA는 무기수은과 메틸수은을 인간 발암성이 가능한 Group C로 분류하였고, elemental mercury는 인간 발암성으로 분류되지 않은 Group D로 분류하였다.
표 3.10.1 세계 여러 기구에서 제시하는 폭로 허용 기준
|
NIOSH IDLH (mercury vapor) |
28 ㎎/㎥ |
|
NIOSH IDLH (organo (alkyl) mercury compounds) |
10 ㎎/㎥ |
|
OSHA PEL (mercury vapor), ACGIH TLV (all forms except alkyl vapor) |
0.1 ㎎/㎥ |
|
OSHA PEL, ACGIH TLV, NIOSH TLV (mercury vapor) |
0.05 ㎎/㎥ |
|
OSHA, ACGIH(STEL) (alkyl compounds) |
0.03 ㎎/㎥ |
|
ACGIH TLV, NIOSH TLV (alkyl compounds) |
0.01 ㎎/㎥ |
|
Reference Dose (RfD) (for methyl mercury) |
0.0003 ㎎/㎏/d |
|
Reference Concentration (RfC) (for elemental mercury) |
0.0003 ㎎/㎥ |
라. 자연계 분포
수은은 지구상의 거의 모든 곳에 존재하며, 주로 광물중에 가장 많이 함유되어 있고, 해수, 토양, 대기중 및 생물체에도 고루 존재하고 있다. 전지구적으로 볼 때 수은의 지하 매장량은 대략 20만톤으로 알려져 있으며, 이들 중 과반수가 스페인 지역에 매장되어있다. 수은의 지구상에서의 존재도를 보면 조암광물에 0.1∼7 ppm, 화성암에 대략 64∼80 ppb, 퇴적암에 30∼500 ppb, 토양중에 약 150 ng/g, 해수중에 평균 3 ng/l, 일본에서의 우수중에는 평균 340 ng/l, 대기중에는 지역 및 계절적 차이가 있으나 서울 도심지역의 '88년도 년평균치가 14.7 ng/㎥이다. 화석연료인 석탄 및 석유류에는 대략 0.7∼33 ppm(평균 3.3ppm)의 수은이 존재한다. 석탄류의 연소시에는 전체 배출수은의 98%가 가스상으로 배출된다고 보고되고 있다.
마. 규제법규 및 각종 기준
(1) 한국 : 모든 배출시설 5 ㎎/S㎥
(2) 미국 : 도시폐기물 소각시설 (기존 및 신규시설) 80 ㎍/S㎥ (7%O2)
(3) 독일 : 폐기물 소각시설 0.05 ㎎/N㎥
대기공학과 환경연구사 석광설(공학석사)
원본 위치 <http://home.sunchon.ac.kr/~bioenvlab/data2/ham3/3-10.htm>
