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)

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>