성층권 오존층 파괴와 남극의 오존홀 [2009학년도 예비 LEET/지구과학]

 

[그림 1] 2006년에 관측한 그 유명한 남극의 오존홀 그림. 보라색 계열 영역이 바로 오존량이 감소한 오존 구멍이 존재하는 남극 상공이다.

 

  오존(O$_3$)은 산소 원자(O)와 산소 분자(O$_2$)가 결합하여 생성된 것으로, 희석하여 소독제로 사용할 정도로 독성이 강한 물질이며 지상 대기 중에서는 식물의 엽록체와 인간의 폐 조직을 파괴하는 것으로 알려져 있다. 반면에 오존은 생명체에 유해한 자외선을 흡수하는 성질이 있어 상층 대기에서는 자외선을 흡수하여 지구 생명체를 보호하는 역할을 한다.

 

  지상에서 오존은 질소 산화물이 강한 태양 광선을 받아 화학 반응을 일으켜 생성된다. 질소 산화물은 연료의 연소 과정에서 배출되며, 대부분 산화질소(NO)와 이산화질소(NO$_2$)의 형태로 배출된다. 산화질소는 오존과 마찬가지로 화학적으로 매우 불안정 하여 산소 원자와 결합하여 보다 안정된 이산화질소로 전환된다. 이산화질소는 태양 광선을 받으면 다시 산화질소와 산소 원자로 분해된다. 이렇게 해서 생성된 산소 원자가 산소 분자와 결합하여 오존을 만든다. 오존이 생성되는 과정에 탄화수소가 촉매로 작용한다.

 

  상층 대기의 오존은 주로 저위도의 성층권 하층에서 생성된다. 산소 분자가 자외선을 받아 산소 원자로 분해되고, 분해된 산소 원자가 다른 산소 분자와 결합하여 오존이 생성된다. 이 과정에 질소 분자나 산소 분자가 촉매로 작용한다. 성층권은 최하부 대 기층인 대류권의 상공으로부터 50km에 이르는 대기층인데, 공기의 연직 순환이 활발한 대류권과 달리 상층일수록 기온이 높아서 대류가 발생하지 않는다. 성층권의 기온은 오존이 자외선을 흡수하는 양에 비례한다. 오존은 성층권의 최하층에 대부분 존재하는데, 이 층을 오존층이라고 한다. 오존층 파괴는 항공기 운행과 핵 실험 과정에서 배출되는 산화질소의 영향도 있지만, 이산화탄소와 함께 주요 온실 기체로 분류되고 있는 프레온가스(CF$_2$Cl$_2$ 또는 CFCl$_3$)에 주로 기인한다. 1920년대 말에 개발되어 사용되고 있는 프레온 가스는 매우 안정하여 대류권 내에서는 햇빛에 노출되어도 분해되지 않는다. 그래서 긴 시간에 걸쳐서 대기 대순환 과정을 통해 지구 대기 전역으로 확산되어 갈 수 있다. 프레온 가스는 성층권에서 자외선을 받으면 분해되어 염소 원자(Cl)가 방출된다. 염소 원자는 오존과 화학 반응하여 산화염소(ClO)를 생성하고, 산화염소는 다시 산소 원자와 화학 반응하여 염소 원자로 돌아간다. 이런 과정이 반복되면서 오존이 파괴된다.

 

  햇빛이 매우 약한 겨울철 남극 상공의 하부 성층권에는 바람이 강하게 회전하는 거대한 원형의 소용돌이가 형성된다. 그리고 대기 대순환에 의해 프레온 가스와 수증기를 포함한 공기가 저위도로부터 소용돌이 내로 유입된다. 소용돌이로 유입된 공기 속에 존재하던 수증기는 얼음 결정으로 변하는데, 이때 프레온 가스가 얼음 결정 속에 포집된다. 이 과정을 통해서 겨울 동안 소용돌이 내에는 프레온 가스를 포집한 얼음 결정이 계속 적체된다. 봄이 되어 이 지역에 햇빛이 들면 소용돌이는 세력이 약화되어 와해되는데, 이때 얼음 결정이 녹으면서 포집되어 있던 프레온 가스로부터 염소 원자가 공기 중으로 빠르게 방출되어 오존을 집중적으로 파괴한다. 남극의 오존층 파괴는 프레온 가스가 개발된지 반세기가 지나도록 나타나지 않았는데, 그 이유는 프레온 가스가 남극 상공 까지 수송되어 축적되는 데 오랜 시간이 걸렸기 때문이다.

 

  한편, 북극의 소용돌이는 남극만큼 강하지 않아 그 모양이 구불구불하여 소용돌이 내의 공기와 주변 공기 간에 혼합이 많일어나고 오래 지속되지도 않는다. 이로 인해 오존층 파괴가 남극보다 덜하다. 그런데 지구 온난화가 진행될수록 성층권의 기온은 오히려 하강하게 되어 남극의 소용돌이뿐만 아니라 북극의 소용돌이도 더욱 강해지고 규모가 커질 수 있다고 한다. 대기 중에 온실 기체 농도가 증가하면 대류권에서는 온실 기체가 기온 상승을 가져오지만, 성층권에서는 성층권 특유의 열적 구조로 인하여 오히려 기온을 하강시키는 방향으로 작용한다는 것이다. 지구 온난화에 수반되어 극지방 소용돌이의 강도 변화가 실제로 나타난다면 오존층 파괴의 양상이 지금과는 달라질 것이다.