오존층 (ozone, ozone layer)
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내용 요약
오존층은 지상에서 약 20∼40㎞ 고도에 오존이 집중으로 분포하는 층이다. 성층권 오존층이 존재함으로써 인체의 피부암, 식물의 엽록소 파괴 등을 일으키는 자외선이 지표 가까이 유입되는 것을 저감시킨다. 20세기 후반에 프레온 가스(CFCs)에 의해 남극 오존층 파괴 현상이 발생하고 있음이 밝혀졌다. 1987년에 오존층 파과 물질에 관한 「몬트리올 의정서(Montreal Protocol)」를 통해서 프레온 가스(CFCs)의 사용을 금지하기로 합의하여, 오존층 파괴 정도는 둔화되었으나 회복 정도는 아직 불확실하다.
정의
지상에서 약 20∼40㎞ 고도에 오존이 집중으로 분포하는 층.
내용
대기권(大氣圈)은 고도 상승에 따른 기온 변화 추세에 따라 대류권(對流圈), 성층권(成層圈), 중간권(中間圈), 열권(熱圈) 등 크게 4개 권역으로 구분되는데, 그 중 오존층(ozone層, ozone layer)은 성층권에 존재한다. 성층권 오존층은 지상에서 약 20∼40㎞ 고도에 오존(O3)이 집중적으로 분포하는 층을 말한다. 오존층은 대기 중에 0.3ppm(parts per million)으로 미량이지만, 지구로 유입되는 태양 복사 에너지의 여러 파장대 중에 가시광선(可視光線)보다 짧은 유해한 자외선(紫外線: ultra violet, UV) 영역의 에너지를 주로 흡수한다. 이에 따라 대류권의 경우에는 지표에서 흡수된 열이 인접 대기로 전달되어 고도가 낮을수록 기온이 높지만, 성층권에서는 오히려 입사하는 자외선을 흡수하면서 성층권 상부로 갈수록 기온이 높게 나타난다. 이는 성층권 연직 대기 중 오존이 가장 밀집한 것은 성층권의 중층 영역(고도 약 25㎞ 상공)이지만, 성층권 상부에서 입사하는 자외선을 주로 흡수하는 것에 기인한다. 성층권 오존층이 존재함으로써 인체의 피부암 발생, 식물의 엽록소(葉綠素) 파괴 등을 일으키는 자외선이 지표 가까이 유입되는 것을 저감시킨다. 즉, 성층권 오존층은 좋은 오존으로 오존 방패(ozone shield)라고도 불린다. 반면, 지상 가까이에서도 화석 연료 및 태양 복사 에너지와의 상호 작용에 의해 대기 중 오존의 양이 증가하기도 하는데, 이는 대기 오염 물질, 즉 유해 물질로 구분된다.
1970년대 중반에 접어들면서 캘리포니아 대학의 화학자들이 성층권 오존층이 주로 프레온 가스(CFCs)에 의해 파괴되고 있다는 과학적인 논문을 처음으로 발표하였다. 프레온 가스(CFCs)의 성분 중 염소(Cl)는 오존의 형성 과정인 산소 분자(O2)와 산소 원자(O)가 결합하는 과정을 방해하는데 하나의 염소 분자는 수천∼수만 개의 오존을 파괴하는 능력을 지니고 있다. 그 후 1980년대 중반에 접어들어 영국 조사팀이 남극 오존층 파괴 현상이 실제 발생하고 있음을 밝혔다. 특히, 각 반구(半球)의 극지방에서 봄철에 프레온 가스에 의한 성층권 오존층 파괴는 매우 활발하게 발생한 것으로 드러났다. 봄철에는 저온 상태에서 양(兩) 극지방에 태양 복사 에너지가 염소 분자를 염소 원자로 분리하면서 오존 결합 과정을 방해하는 활동이 활발해지기 때문이다. 특히, 남극의 경우에는 극소용돌이(circumpolar vortex)가 거의 원형의 형태로 남극 상공을 감싸며 회전하고 있기 때문에 찬 공기가 남극 상공에 갇혀 있는 편이다. 남극 상공에 찬 공기가 뭉쳐 있으면서 봄철(9∼11월)에 태양 복사 에너지가 남극 상공에 유입되기 시작하면서 전 지구 상에서 오존층 파괴 현상이 가장 활발하게 나타나기 시작한다. 남극 상공에 성층권 오존층의 오존 농도가 감소하여 연직 방향의 오존 전량(ozone全量)이 감소하는 현상이 발생하는데 마치 구멍이 뚫리는 현상과 유사하다고 하여, 이를 가리켜 오존홀(ozone hole)이라고 부른다.
유엔(UN)은 1987년에 오존층 파괴 물질에 관한 「몬트리올 의정서(Montreal Protocol)」를 통해서 오존층을 파괴시키는 원인 물질인 프레온 가스의 국제적인 사용을 금지하기로 합의하였다. 1980년대 이전에는 프레온 가스가 화장품 등 분사제(粉砂劑), 냉장고 냉매제(冷媒劑), 전자 제품 등의 세정제(洗淨劑) 등에 사용되어 왔으나, 성층권 오존층을 파괴시키는 주요 원인 물질임이 밝혀지면서 사용이 규제되기 시작하였다. 그 이후 프레온 가스의 대체제(代替劑)로 수소가 함유된 물질들이 사용되고 있으나, 이들 물질들도 프레온 가스의 약 1/10 이하이긴 하지만 여전히 오존층을 파괴하거나 지구의 온실 효과를 가증시킬 수 있어서 문제점으로 지적되고 있다. 실제 오존층 파괴 추세는 프레온 가스 사용이 멈춘 1980년대 이후에도 지속되고 있다. 특히, 남극 상공의 오존 전량은 1970년대 기준의 1/2 이하로 감소하였는데, 1980년대 후반 국제적으로 오존층을 파괴하는 물질 사용이 금지되었음에도 불구하고, 그 이후에도 매년 약 3% 이상씩 오존 전량이 감소하는 경향을 보였다. 이러한 성층권 오존층 파괴 현상은 남극 상공뿐만 아니라 북반구(北半球) 지역에서도 관측되었다. 21세기 초에 성층권 오존홀의 크기는 약 29.9×106㎢로 최대에 달하였다. 그 후 약 20년 뒤인 2021년 기준으로, 오존홀의 면적은 24.8×106㎢로 다소 회복되기 시작하였으나 그 회복 속도는 매우 느린 편이다. 따라서 과학자들은 2040년대에나 접어들어야 오존홀이 원래 수준으로 회복될 수 있을 것으로 예상하고 있다.
참고문헌
단행본
이승호, 2012, 『기후학(개정판)』 (푸른길, 2012)
Christopherson, R. W 저, 윤순옥 외 역, 『지오시스템』 (시그마프레스, 2021)
Hess, D. 저, 윤순옥 외 역, 『McKinght의 자연지리학 경관에 대한 이해(제10판)』 (시그마프레스, 2013)
집필자