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Ozone Layer / Ozone層[1]
1. 정의
지상 20~30km에 걸친 상공의 성층권에 비교적 고농도의 오존이 존재하는 층. 온도 분포가 주로 오존의 복사성질에 의해 결정되며, 지상 25 km 부근의 농도가 가장 높다.[2] 그것도 지역마다 약간씩 달라서 극지에서는 농도가 높고 적도 부근에서는 농도가 낮다. 극지 오존 정보는 파먼에 의해 발견되었다.과학자들은 오존층의 오존의 무게를 약 30억톤으로 추정하고 있으며, 1기압에서 지표면에 쌓을 경우에는 두께 3mm 정도로 매우 얇다.
선캄브리아 시대에 등장한 남세균이 광합성을 하며 대기에 산소가 생겨났고 이 산소들이 모여 오존층을 생성했다. 고생대 중기에는 다세포 생물들이 지상으로 진출할 수 있을 만큼 오존층이 두꺼워졌고 현재도 약간씩 형성(복구)되고 있다.
2. 역할
오존은 공기 중의 산소에 파장이 200-300nm인 자외선이 작용하여 생성된다. 대기 중 산소분자(O2)가 태양으로부터 방출되는 강력한 자외선을 받아 두 개의 산소원자(O)로 분해된다. 성층권 오존은 이때 발생된 산소원자가 다시 산소분자와 결합하여 생성된다. 한편, 자외선은 오존을[3] 산소분자와 산소원자로 분해시키기도 한다. 이와 같이 자외선은 오존을 생성시키기도, 분해시키기도 하므로 이것이 균형을 이루게 되어 대기 중에는 일정량의 오존이 존재해 왔다.[4][5]오존과 산소의 변환과정에서 자외선을 흡수하여 지표면에 도달하는 자외선의 양을 줄이기 때문에 오존층은 생명체에게 매우 중요한 역할을 하고 있다. 생명체가 본격적으로 지상으로 진출하기 시작한 때도 호기성 세균의 광합성으로 산소가 점차 많아지고, 그 산소로 인해 오존층이 생성된 이후이다. 그렇다고 오존의 밀도가 높아지면 주변 오존이 에너지를 흡수하는 것을 방해하는 효과가 있어서 밀도 높다고 마냥 좋은건 아니다.
또한, 오존층은 지구의 대기권을 크게 4가지로 나누는 요소가 된다. 일반적으로 대기의 온도는 고도가 증가하면서 낮아지다가 대기가 희박해지면 다시 온도가 상승하기 때문에 대류권과 열권만이 존재하게 된다. 그러나 지구에서는 오존층의 존재로 인해 성층권과 중간권이 구분되어 다른 행성과는 다른 양상을 띈다.
3. 오존층 파괴
과거에는 스프레이 깡통 등에 프레온 가스 등의 물질이 사용되었는데, 이로 인해 오존층이 파괴되기 시작했다. 이것은 70년대경 과학자인 크루첸, 몰리나, 롤랜드[6]에 의해 발견되었고, 기업들의 방해에도 불구하고 곧 남극의 오존층의 두께가 다른 지역에 비해 얇아졌다는 것이 세상에 알려졌다. 보통 이를 오존층에 큰 구멍이 뚫렸다고 표현한다.이 구멍이 대류에 의해 생성된(운동효과설) 것이 아니라 화학물질에 의한 것(화학변화설)임이 입증되자 전 세계는 경악하였고, 연구를 통해 프레온 가스가 분해되어 생성된 염소 원자가 오존을 산소로 분해하면서 오존층에 매우 심각한 악영향을 미친다는 것이 밝혀졌다.
생성된 염소 원자는 없어지지 않고 오존이 산소로 분해되는 반응에서 촉매제에 가까운 역할을 한다. 프레온 가스가 분해되면서 나오는 염소 원자는 아래와 같이 오존을 산소로 분해시킨다.
Cl + O3 → ClO + O2
ClO + O3 → Cl + 2O2
이렇게 염소 원자는 오존을 산소로 분해시키는 반응을 반복적으로 일으키기 때문에 염소 원자 1개로 무려 10만개의 오존 분자를 분해시킬 수 있다고 한다. 이 정도로 심각한 물질이라 NASA의 연구 결과에 따르면 프레온 가스가 계속 사용되었더라면 2060년경 전 세계의 오존층이 완전히 사라졌을 것이라고 한다.
프레온 가스 말고도 그에 버금가는 오존층 파괴 물질도 많으며, 이러한 물질 중 대표적으로 메틸브로마이드가 있다.#프레온 가스에 함유된 염소의 100배나 되는 오존층 파괴 능력을 가지고 있지만 프레온 가스와 달리 공기보다 무거워서 자체적으로 오존층까지 도달하기 어려워 실질적으로는 프레온 가스의 60% 정도의 위력을 가지고 있다. 프레온 가스가 공기보다 가벼워서 염소를 오존층까지 배달한다는 점에서 유해한 물질로 지정되었다는 사실에 비추어볼 때 이와 같은 결론은 타당하다.
메틸브로마이드는 바다 플랑크톤의 광합성과 남극의 얼음이 녹으며 자연적으로 발생하는 오존 물질이지만, 인간이 만들어내는 오존층 파괴 물질의 양은 21세기 초까지도 85%로 절대적으로 많았다. 다행히도 인류의 계속된 노력으로 인해 인류가 원인인 오존층 파괴 물질의 영향은 2019년부터 50% 수준으로 감소했으며, 이는 반대로 말해 현재 자연에서 배출되는 오존층 파괴 물질의 양이 전체의 50%라는 뜻이다.
이에 따라 1987년 몬트리올 의정서를 기점으로 프레온 가스의 사용이 전면 금지되기에 이르렀고, 그 노력에 힘입어 오존층이 서서히 회복되고 있는 중이다. 이대로 오존층을 잘 지켜낸다면 21세기 말까지 오존층의 구멍이 완전히 메워질 것이라고 한다. 리즈 대학과 메사추세츠 공과대학의 공동 연구에서 2050년까지 오존층이 완전히 회복될 거란 전망이 나왔다.
참고로 오존층 파괴는 전 지구 차원에서 일어나는 환경 문제 가운데 거의 유일하게 인류의 노력으로 해결되고 있는 현상이다.
3.1. 중국의 프레온 가스 사용
2010년대 이후 중국은 CFC-11 생산 및 사용을 재개한 것으로 알려져 전 세계에 심각한 악영향을 미치고 있다. 감소해야 할 대기 중의 프레온 가스의 비율이 오히려 2010년부터 증가하면서 원인을 추적한 결과, 중국 내에서 광범위하게 재생산된 것으로 밝혀져 오존층 보호에 다시 비상이 걸리게 되었다.# 게다가 중국 공산당은 그동안 프레온 가스 사용을 줄였다고 밝혔으나, 실제로는 오히려 더 썼다는 사실이 드러나면서 전세계적으로 비난을 받고 있다. 계속해서 배출될 경우 오존층 회복이 10년 정도 지연될 것이라고 한다.3.2. 구멍 발견
2020년 3월 30일 북극 오존층이 관측사상 역대 최악의 크기로 뚫렸고, 직접적인 원인이 된 프레온 가스의 경로를 추적하니 중국 북부 산업 시설들이었다. 다행히도 4월 22일 기준으로 구멍의 크기가 거의 줄어들었고, 4월 23일 경 구멍이 닫혔다고 한다.2022년 7월 7일, 저위도 오존층에서 구멍이 뚫렸다는 연구결과가 나왔다.# 그러나 일부 과학자들은 구멍이 뚫렸다는 주장에 대해 근거가 부족하다고 반박하고 있다.
4. 오존층이 파괴되면 일어나는 일
오존층이 파괴될수록 지표면에 도달하는 자외선의 양이 증가하게 된다. 자외선 빛을 직접 쬐게 되면 피부암, 백내장 등의 발병률이 높아진다. 게다가 인체의 면역력이 약화되어 헤르페스, 말라리아 등의 전염병까지 더욱 창궐하게 된다.또한, 자외선은 식물의 성장에도 악영향을 미칠 뿐만 아니라 식물성 플랑크톤이 줄어들어 육상과 바다 생태계가 균형을 잃는 등의 심각한 환경 문제가 발생하게 만든다.[7]
오존층이 완전히 파괴되어 자외선이 그대로 지표면에 도달하면 인류는 지상의 생물과 함께 바닷속으로 들어가거나 아예 지구를 떠나는 것 외에는 해결책이 없는 최악의 상황을 맞이하게 된다. 특히 자외선 C 뿐만이 아니라 태양에서 나오는, 이보다 더 주파수가 높은 X선, 감마선 등은 방사선이기 때문에 현존하는 생명체에게 매우 치명적이다. 오존층이 파괴된 지구에 무슨 일이 생길지는 페름기 대멸종을 참고하면 된다.
[1] 순수 한자로는 '취양층(臭氧層)' 이지만 오존 '층(層)' 때문에 '오존' 또한 한자어라고 잘못 알고 있는 사람이 꽤 있다.[2] 그래봤자 오존층이 물 위의 기름층처럼 뚜렷히 보이는 것은 아니며, 오존층의 오존을 다 긁어모아 1기압인 곳에 놓는다고 하면 두께는 3mm에 불과하다. 즉, 그만큼 옅다는 것이다.[3] 보통 320nm 파장의 자외선을 흡수하고 붕괴한다.[4] 지구의 대기가 생긴 이후 기준이다.[5] 이와 같은 과정을 설명하는 이론이 채프먼 이론이다. 이 메커니즘을 발견한 사람인 채프먼에서 이름을 따왔다.[6] 모두 이 공로로 노벨화학상을 수상하였다.[7] 애초에 자외선은 강력한 산화제로써 사용되어, 세균 등의 미생물을 사멸시키는 용도로 사용되기도 한다.