오염물질의 성상 - 오존

지구 상에 존재하는 오존의 90%는 대기를 둘러싸고 있는 지상 15~50km 사이의 성층권에 밀집되어 있기 때문에 성층권을 오존층이라고도 한다. 오존은 태양광선 중 파장이 짧은 자외선을 차단하여 피부암, 백내장 등의 질환 발생을 막아줄 뿐만 아니라 동식물의 생명을 보호하는 보호막 역할을 하고 있다.
그런데 이 오존층이 자동차의 에어컨, 냉장고, 스프레이, 반도체의 세척제 등으로 널리 사용되고 있는 프레온가스에 의해 파괴되고 있다. 미국 항공우주국의 보고에 의하면, 1970년대부터 80년대 중반까지의 오존층 파괴는 2.3%에 이르는 것으로 나타났다고 한다. 지금과 같은 정도로 프레온가스를 계속 사용하면, 2025년경에는 오존층의 25%가 파괴되어 피부질환이 증가하고, 면역기능이 손상 입게 되고, 생태를 계에 심각한 교란이 일어날 것으로 추정하고 있다.
오존은 농도가 낮을 때는 상쾌한 기분도 느끼게 하고 인간과 동식물에 이로운 물질이지만, 농도 높아지면 눈과 목에 따가움을 느끼게 되고, 기도가 수축되어 숨쉬기가 어려워지고, 두통이나 기침과 같은 증상이 나타나기도 하는 이중성을 가지고 있다. 심지어 오존농도가 높으면 농작물과 식물에 직접적인 영향을 미쳐 수확량이 감소되기도 하고 잎이 말라죽기도 한다.

 

오존의 특성

오존은 산소의 동소체로, 원소기호는 0이고 녹는점이 -193℃, 끓는점이 -110.51 ℃인 기체로 특유한 냄새 때문에 '냄새를 맡다'라는 뜻의 그리스어인에서 따서 ozone으로 명명되었다. 상온에서는 약간 청색을 띠는 기체이나, 액체가 될 때는 흑청색, 고체가 될 때는 암자색을 띤다. 특이한 냄새 때문에 공기 속에 0.0002 부피%만 존재해도 냄새를 감지할 수 있다. 기체는 물에 잘 녹지 않는데, 오존도 0℃에서 1 부피의 물에 0.494 부피밖에 녹지 않는다. 물에 녹은 오존은 서서히 분해한다. 오존은 액체질소, 사염화탄소, 클로로포름과 같은 물질에 잘 녹으며, 테레핀 유나 계피에 흡수된다.
상온에서 자발적으로 분해되어 산소가 되고, 이산화망간이나 백금 분말 등은 오존의 분해를 촉진시키는 촉매이다. 강한 산화력을 가기고 있으며 은을 과산화은으로, 황화납을 황산납으로, 황을 산화 황으로 산화한다. 건조한 산소 또는 공기 중에서 무선 방전시킬 때 발생하며, 붉은 인이 공기 중에서 서서히 산화할 때나 과망간산칼륨, 중크롬산칼륨 등 산소 화합물을 진한 황산으로 분해시킬 때, 물을 플루오르로 분해할 때, 물을 큰 전류밀도에서 분해할 때 산소와 함께 발생하게 된다.
산소 가열, 황산 전기분해, 자외선이나 X선, 음극선 등이 공기 속을 통과할 때에도 생기므로, 자외선이 풍부한 높은 산, 해안, 산림 등의 공기 중에도 존재하여 상쾌한 느낌을 주는 원인이 되지만, 다량으로 존재할 때는 오히려 불쾌감을 느끼게 한다. 극장, 학교, 병원 등에서 산소에 분해되는 성질을 이용하여 공기정화에 사용되며, 살균작용에 의한 음료수 소독, 표백이나 유기화합물의 구조 결정 등에 사용된다. 인체에 독성이 있어 장시간 흡입하면 호흡기관을 해치므로 주의해야 한다.
잘 알고 있듯이 산소 분자는 두 개의 산소 원자로 구성되어 있는데 반해, 오존 분자는 세 개의 산소 원자로 구성된 불안정한 분자이다. 오존은 대단히 높은 에너지를 가진 상태로, 태양으로부터 나오는 자외선복사(UV radiation)에 의해 지구 대기의 상부에서 자연적으로 형성된다. 복사에 의해 산소 분자가 되어 자유자들이 만들어지며, 그중 일부는 다른 산소 분자와 반응하여 오존을 형성한다.
대기 중의 오존은 이 같은 방법으로 형성되는데, 오존층에서도 오존은 매우 소량으로 존재하여, 지상 20~25km 고도에서의 최대 농도는 10ppm 정도에 지나지 않는다. 오존은 불안정한 분자이므로, 태양으로부터 나오는 높은 에너지의 복사는 오존을 생성시킬 뿐만 아니라, 다시 오존을 붕괴시켜 산소 분자와 자유 산소 원자들을 생성시키기도 한다. 대기권(성층권도 대기권의 일부) 내의 오존의 농도는 오존의 생성과 파괴의 동적 평형에 달려있다.
건축물의 스카이라인도 오존농도의 상승 원인 된다. 대부 이분의 도시는 분지나 구릉에 위치하여 공기의 흐름이 원활하지 못할 뿐만 아니라, 도심의 고밀도 개발은 자동차에 의한 오존 생성 원인물질 배출량의 증가를 초래하고, 시각적으로도 부드럽지 못한 건축물 높이 변화는 국지적 기류 발생의 방해요인 되어, 오존 생성이 용이한 조건을 이 형성하게 된다.
다시 말해서 오존농도가 증가하는 것은 오존을 생성시키는 원인물질인 질소산화물과 휘발성 유기화합물이 증가하기 때문이다. 대도시 대기오염물질의 80% 이상을 배출하는 자동차의 등록대수가 1990년에 350여만 대에서, 2000년도 되기 전인 1999년에 이미 1,000만 대가 넘는 1,100여만 대로 3.3배 증가하였으며, 공장의 배출시설 또한 증가 추세이다.
환경부 자료에 따라서 오존 생성 원인물질의 주요 배출원을 살펴보면, 서울지역의 경우 질소산화물은 자동차에서 73% 정도 배출되고, 난방시설에서 24% 정도, 그리고 나머지 3% 정도는 발전소나 공장의 배출시설에서 나오는 반면, 휘발성 유기화합물은 자동차에서 53% 정도 배출되고, 나머지 47%는 주유소나 유기용제를 많이 사용하는 인쇄소, 세탁소 등이나 페인트 공사에서 발생하는 것으로 되어있다.

 

인체영향

오존이 환경에 미치는 영향은 앞에서 설명한 것과 같이 성층권의 오존과 대기에 존재하는 오존으로 대별할 수 있다. 오존 발생의 주원인은 자동차 배기가스에 포함된 탄화수소와 이산화질소 등 화학물질이 햇빛과 광화학반응을 일으켜 생성되는 것이라는 사실도 앞서 이미 설명하였다. 따라서 대도시 대기오염의 77% 이상을 차지하는 자동차 배기가스는 오존오염으로 직결된다. 60년대 말 미국 로스앤젤레스에서는 대기 중 오존농도가 0.35ppm까지 상승해 시민들에서 호흡기 질환과 눈병을 유발한 적이 있다.
1994년 7월 계속된 찜통더위 때, 서울의 오존농도가 0.32ppm까지 치솟아 로스앤젤레스의 기록에 육박했던 적이 있다. 대기 중 오존오염으로 인한 인체 피해는 0.1~0.3ppm 농도에서 1시간 동안 노출되면 호흡기에 자극이 오고 기침이나 눈물이 난다. 0.3~0.5ppm에서 2시간 동안 노출되면 운동 중 폐기능이 저하되며, 0.5ppm 이상에서 6시간 동안 노출되면 마른기침이 나고 가슴이 답답한 증상이 나타난다. 따라서 오존주의보가 발령되면 시민들은 불필요한 오존 생성 원인물질을 배출하는 자동차 운행을 자제하고 노약자나 어린이들은 바깥출입을 삼가야 한다.
오존에 반복적으로 노출되면 폐가 손상될 수 있다. 오존이 비록 낮은 농도일지라도 흡입하게 되면 가슴통증, 기침, 메스꺼움, 인후 자극, 충혈과 같은 다양한 건강문제가 야기되며 기관지염, 심장병, 폐기종, 천식을 악화시킬 수 있고, 폐용량 감소시킬 수 있다. 또한 건강한 사람을 도 오존에 노출되면 호흡곤란을 경험하게 된다. 오존오염은 보통 더운 기후에 형성되기 때문에, 여름에 바깥에서 시간을 보내는 사람들은 누구나 영향을 받을 수 있으므로, 특히 어린이, 노인, 바깥에서 일을 하거나 운동하는 사람은 영향을 받기 쉽다.
오존은 산화제이자 호흡기에 대해서는 강력한 자극제로 작용하기 때문에, 오존에 노출되었을 때 일차적으로 영향을 받는 기관이 호흡기이며, 오존에 의한 영향이 가장 문제가 되는 기관도 호흡기이다. 일반적으로 1~2시간 동안 고농도의 오존을 흡입하게 되면, 호흡기에서 여러 가지 변화와 증상들이 유발하여 정상을 되찾기 위해서는 여러 날이 소요된다. 오존에 노출되었을 때 생기는 급성 증상으로는 기침, 숨참, 숨을 깊이 들이쉬었을 때 느껴지는 통증 등이다.
대기 중의 오존농도는 변화 없이 일정하게 유지되는 것이 아니라, 광화학반응이 일어나기 좋은 조건이 되었을 때 다량의 오존이 생성되어 고농도로 수 시간 유지되다가 다른 물질로 분해되므로, 사람에게는 단기간 동안 고농도의 오존에 노출되었을 때 생길 수 있는 급성 영향이 중요하다.
오존오염에 의한 증상으로 앞 서 여러 번 지적하였듯이 폐기능 변화가에 초래하는데, 고농도의 오존에 노출된 사람들은 일반적으로 노력성 폐활량과 일초율 560(-初)이 감소하며, 고농도의 오존에 노출되었을 경우에는 숨을 얕게 쉬게 되므로, 그 결과 부족하게 되는 산소를 보충하기 위해서 단위 시간당의 호흡수가 많아지게 된다. 오존은 호흡기 가운데서도 소 기관지에 주로 영향을 미친다.
오존이 만성 호흡기 질환의 직접적인 원인이 된다고 보기는 어려우나, 이미 만성 호흡기 질환이 있는 환자들에서는 대기 중의 오존이 증상을 촉발시키거나 더 악화시킬 수 있다. 그리고 만성 호흡기 질환 가운데에서도 일시적인 자극에 의해 심한 증상이 나타날 수 있는 천식이 가장 심각한 문제를 가져오게 된다. 또한 오존의 농도가 높아지는 것과 급성으로 생기는 인후염, 기관지염, 상기도 감염 등과 같은 호흡기 질환 사이에는 의미 있는 상관관계가 있는 것으로 알려져 있다. 다음 표 38에서 보면 농도가 아주 낮을 때(0.02ppm)는 냄새만 감지되다가 0.03ppm 이상의 농도가 1시간 이상 지속되면 이미 달리기 선수의 기록이 저하되고 0.05ppm 이상에서는 불안감을 느끼게 된다. 이때부터 인후 자극이 생기기 시작하고 천식환자에게도 악영향을 미치는 등 오존이 인체에 미치는 영향을 농도에 따른 노출시간으로 구분하여 보여주고 있다.