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
-
원본보기
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>
