오존의 환경영향

오존의 환경영향

오존과 산소는 다 같이 산소 원자로 이루어진 물질이지만 매우 다른 성질을 갖고 있다. 상온에서 오존은 옅은 푸른색 가스이고 톡 쏘는 냄새가 나고, 산소보다 1.5배 정도 무겁기 때문에 잘 가라앉는다. 복사기를 막 돌렸을 때 종이에서 나는 냄새가 바로 오존 냄새이다.
오존은 앞서 말했듯이 대기권 중에서 성층권에 많이 밀집되어 있는데, 성층 권의오 존은 자외선을 막아 피부를 보호하는 아주 고마운 역할을 한다. 스프레이나 에어컨 냉매 주원료로 쓰이는 프레온가스가 성층권에 도달했을 때 오존을 파괴하면, 태양으로부터 자외선이 사정없이 지상으로 쏟아지게 되어 사람과 같은 고등동물 경우 피부암의 유발하고, 단세포 동물의 경우 더욱 취약하여 바로 죽고 말게 된다.
성층권의 오존과는 달리 지상의 오존은 크게 문제가 되는데, 그 이유는 첫째, 매우 활동성이 강하여 다른 오염물질에 잘 달라붙고, 둘째 아주 독성이 강하기 때문이다. 오존은 면적으로는 번개가 칠 때 발생할 수 있으며, 앞에서 말한 복사기의 사용이나 자동차 연료의 연소 시에도 발생한다. 이렇게 사람이 발생시킨 오존 때문에 성층권에 있는 오존이 대류권(지상과 제일 가까운 공기층)으로 내려오기도 하나, 반대로 공기보다 무거운 오존을 지상에서 만들어 성층권으로 보내는 것은 비용이 너무 많이 들기 때문에 현재의 기술로는 불가능하다.
산소 원자 두 개로 이루어진 산소 분자는 안정적인데 비해 산소 원자 세 개로 이루어진 오존은 불안정하다. 오존은 자극성이 있는 연푸른색의 기체로 낮은 농도에서도 폭발하는 성질이 있고, 또 인체에 매우 해롭다. 농축되어 있는 오존은 매우 불안정하고 반응성이 커서 제조하기도 어려울 뿐만 아니라 위험하기도 하다. 오존 기체는 100℃ 이상의 온도나 실온에서도 다른 물질이 촉매로 작용하면 매우 빨리 분해된다. 오존은 여러 가지 면에서 산소와 성질이 비슷하지만 반응성이 훨씬 더 큰 물질이 매우 강한 산화제로 이용되기도 하고, 여러 가지 물질을 탈색하는 성질이 있어 세 제로 사용되기도 한다.
오존층이 태양으로부터의 나오는 자외선을 흡수하는 과정을 살펴보면,
1) 자외선은 산소 분자를 파괴하여 산소 원자(정확하게는 산소이온이라고 하는 것이 맞다)를 만들고,
2) 이 산소이온이 분해되지 않는 산소 분자와 결합하여 오존을 만든다.
3) 이렇게 만들어진 오존은 또 자외선에 의해 다시 산소 분자와 산소 원자로 분해되는 것이다.
4) 이렇게 오존층에서는 오존이 산소 분자와 원자로 분해되고, 이 분자와 원자는 다시 결합하고, 그래서 만들어진 오존이 또 분해되는 일이 끊임없이 반복된다. 이 반응에 자외선이 결정적인 역할을 하며 소진되고 만다.
이 오존의 반응에 사용되는 자외선의 파장이 대략 290 × 10m 이하이므로, 그 파장 이하의 자외선은 지표에까지 도달할 수 없다. 따라서 지표면에 도달하는 자외선의 파장은 그 이상의 것이다. 400 × 10m의 파장부터 가시광선의 영역이므로, 지표면에 이르는 자외선은 오존의 반응에 사용되지 않는 파장 이상의 것으로 극히 작은 양이되는 셈이다.
이렇게 지표면에 도달하는 비교적 긴 파장의 자외선이 나쁜 균도 죽이고, 뼈를 튼튼하게 하는 비타민 D도 만드는 중요한 일을 수행하게 된다. 그래서 햇볕을 제대로 절 수 없는 북유럽을 포함한 서양에서는 이 햇빛을 온몸으로 받기 위한 선탠을 광적으로 즐기고 있다.
식물은 광합성과 관련되는 시간, 즉 밤이나 낮이나, 또 수분량과 기공의 열린 상태에 따라 오존에 의한 영향에 차이를 보인다. 실내의 오존농도가 높으면 일반적으로 식물의 기공이 열리는 아침과 낮 그리고 수분양이 많은 시간대에 피해가 커지게 된다. 오존의 영향을 받은 식물에서 나타날 수 있는 가장 특징적이고 눈에 보이는 가시적인 피해는 잎 전체에 출현하는 극히 작은 반점이다. 오존에 의한 반점의 크기는 아황산가스에 의한 피해를 받은 잎에서 나타나는 반점에 비하여 극히 작아 쉽게 구별된다.
오존에 의해 잎 표면이 표백되는 현상이 나타나기도 하는데, 이는 울타리 조직에 짙은 알칼로이드 색소가 축적되어 일어나는 현상이다. 또한 오존의 농도에 따라서 저농도일 경우 황화현상이 나타나기도 하고, 고농도에서 피해가 심화될 경우 괴저 현상이 발생하기도 한다.
오존에 약한 식물로는 무, 담배, 시금치, 파 등으로 이런 식물 잎의 울타리 조직은 오존의 침해가 잘 이루어지는 곳이다. 무와 강낭콩 같은 식물은 0.03ppm 안팎의 낮은 농도로 오존에 4시간 쪼이게 되면, 피해가 나타나기 시작하는데, 오존에 대한 감수성이 큰 농작물인 무의 경우 0.05ppm에 하루 8시간씩 20일간 노출되면, 수확량이 50% 감소하는 것으로 알려져 있다. 카네이션은 0.07ppm에 60일간 노출되면, 개화율이 60% 감소하고 담배는 0.1ppm에 5.5시간 노출되면, 꽃가루 생산이 50% 감소하는 것으로 나타나 있다.
반면에 오존에 강한 식물도 있는데, 사과, 해바라기, 양배추, 국화 등이 여기에 속한다. 일반적으로 오존의 피해를 입은 식물은 잎이 손상되어 농작물의 상품성이 떨어져 값을 제대로 못 받게 되며 해충이나 질병에 약하게 되는데, 미국의 경우 오존에 의한 농작물 수확 피해가 연간 약 5억에 이르는 것으로 추정되고 있다.
눈에 보이지 않는 피해로는 세포기능의 저해와 엽록소 기능의 장애를 들 수 있는데, 세포막이 손상되면 식물체는 이를 자체 복구하기 위해 호흡률을 증가시키게 되므로, 이로 인하여 광합 성률이 감소하게 되고, 결국 영양물질로 활용될 탄소축적량 줄어들게 되는 것이다. 또한 오존의 영향을 이 받은 식물체는 세포막이 손상되어 황산염이 일부 빠져나갈 수도 있고, 토양으로부터 물과 영양분을 흡수할 수 있는 능력이 감소하게 되므로 생장도 억제된다.
오존이 생태계에 미치는 영향은 식물 개체들에게서 나타난 피해가 집단적으로 발생하여 나타난다. 우선 오존은 식물의 생장과 생산량에 영향을 주는데, 오존에 민감한 개체로 이루어진 식물군락의 경우 군락 전체가 피해를 받을 수 있을 뿐만 아니라 광합성 기능 저하, 탄수화물 분배의 불균형, 영양분의 소실 등으로 산림쇠퇴 현상이 일어날 수도 있다.
대기 중의 오존과 달리 대기 15~35km에서 높은 농도를 보이는 성층권의 오존층은 자외선, 특히 파장이 짧은 베타 자외선의 피해를 막아주는 중요한 역할을 한다. 자외선에 인체가 노출되면 노화현상이나 피부암, 백내장 등의 이상현상이 발생할 뿐 아니라, 면역체계가 파괴돼 전염병에 대한 저항력이 떨어진다. 또한 바다에서는 수생생물 먹이사슬의 기초가 되는 식물성 플랑크톤의 성장이 저하되며, 육지에서는 자외선에 동물의 알이 피해를 입는 등 생태계에 심각한 영향을 준다.
1966년 영국의 남극 탐사 팀이 남극 상공의 성층권에서 오존층이 얇아진 사실을 최초로 발견한 이래, 해마다 20~30km 상공에 걸쳐있는 성층권에서 오존이 감소하여 구멍이 뚫렸는데, 1993년에는 오존층에 생긴 구멍의 크기가 미대륙 절반 크기에 해당하는 2300만㎢까지 확대된 것을 확인하였다. 태양에서 나오는 모든 자외선이 오존층이라는 여과층에서 흡수되지 못하고, 그대로 지구의 표면에 도달한다면 사람을 포함한 대부분의 동물은 물론 식물까지 모든 생물이 죽게 되거나 큰 피해를 면치 못할 것이다. 따라서 만약 현재와는 반대로 성층권에 오존층이 형성되지 않았다면 지구 상에는 어떤 생물체도 존재할 수 없다는 결론을 내리게 된다. 이 얼마나 끔찍한 가정인가? 그런데 현재까지도 인류는 이 오존층을 파괴하기 위해 얼마나 열심히 노력하고 있는가는 통계적 수치로 밝혀지고 있다. 이제라도 이성적으로 판단하여 이 가정이 사실이 되지 않도록 노력해야 한다.
대기오염물질 가운데 프레온가스, 할론가스, 질소산화물들이 이 고마운 오존층을 위협하고 있다. 이들 물질은 산소이온에 산소 분자보다 훨씬 더 강력하게 결합하는 물질을 가지고 있다. 그래서 분해된 산소이온이 산소 분자와 결합하여 오존으로 만들어지는 것을 방해하여 산화 염소, 산화 브롬 등의 물질을 만들거나, 불안정한 오존 분자를 공격해 산소 분자와 산소이온으로 분해하고, 이 산소이온이 다른 염소와 브롬과 같은 물질과 결합해 다른 산화물들을 만들어버린다. 이렇게 되면 오존이 줄어들게 되고, 오존이 줄어들면 오존층이 엷어지게 되며, 심지어 구멍이 뚫려 아주 짧은 파장의 자외선이 지표면에 도달할 수밖에 없게 되는 것이다.
오존층을 파괴하는 물질의 사용을 규제하자는 운동이 선진국 중심으로 전개되고 있고, 우리나라에서도 1999년 7월부터 프레온가스를 냉매로 사용하는 기기의 생산을 중단시키는 결과 같은 여러 가지 움직임이 진행 중이다. 또 오존층에 대한 연구의 발전으로 최근 자연에 존재하는 브롬도 오존층 파괴의 또 하나의 물질임이 발견되기도 했다.
지난 10년간 남극대륙 상공 오존층의 절반 이상(남한 면적의 320배)이 파괴되었고, 이는 현존하는 식물종 8%, 조류의 11%, 포유류의 14%, 어) 의류의 5%가 멸종위기 처한 결과를 초래했다고 UN 환경계획이 발표했다. 생물종 감소로 생태계 안정성과 자정능력이 감소되고, 생물자원의 잠재적 혜택 감소 생기고 있다. 전 세계 약 처방의 25%가 식물에서 추출가 되고, 미확인 종을 포함하여 약 1억 종의 생물이 지구 상에 서식하는 것으로 추정되고 있는데, 현재와 같은 오존층 파괴가 지속되면 50년 이내에 이 중 약 1/4이 멸종될 것으로 예측되고 있다.

 

오존경보

대기권에서 생물에게 이렇게 유익하고 이로운 일을 하는 오존이 지표면의 대기 중에서는 어떤 일을 할까? 최근 들어 '오존주의보'나 '오존경보'로 오존에 대해 경계를 하라고 하는 것을 보면, 사람이 호흡하는 대기 중의 오존은 우리에게 좋지 않은 영향을 미치는 것이 분명하다.
앞에서 설명했듯이 대기 중의 오존은 성층권의 오존이 지표면으로 온 것이 아니고, 자동차 배기가스의 주성분인 질소산화물이 자외선에 의해 분해될 때 나온 산소이온이 공기 중의 산소 분자와 결합하여 발생한 것인데, 이것은 대표적인 대기 오염물질로 분류되고 있다.
오존경보제는 고농도의 오존에 노출될 경우 피해를 입을 수 있는 호흡기 질환자, 노약자 및 어린이들에게 오존농도가 환경기준 이상이라는 사실을 알려 피해를 최소화하고, 오존농도를 감소시키는데 시민들의 자발적인 협조를 구하기 위하여 실시하는 제도로, 1995년 서울지역에 처음으로 도입되었다. 오존경보는 오존농도에 따라 '오존주의보', '오존경보', '오존 중대경보'의 3단계로 발령한다.
오존경보 발령 횟수로 오존농도가 해마다 높아지고 있다는 사실을 미루어 짐작할 수 있는데, 이 제도가 시작된 1995년에는 발령지역도 서울 한 곳으로 2회밖에 발령되지 않았지만, 2000년에 들어서 5대 광역시를 포함하여 12개 도시로 확대되었고, 이 지역에서의 발령 횟수도 52회에 이르렀다. 오존경보제와 함께 경보 발령 하루 전에 다음 날의 기상상태에 따라 오존경보를 내릴 것을 예보함으로써 노약자들이 다음날의 외출 일정을 조절하거나, 시민들이 자가용 대신 대중교통을 이용토록 유도할 목적으로 오존예보제가 1997년부터 실시되고 있다.
오존주의보는 오존농도가 0.12ppm 이상일 경우이고, 경보는 0.3ppm 이상일 경우, 그리고 중대경보는 0.5ppm 이상일 경우에 발령된다. 대기 중의 오존은 건강한 사람에게는 큰 영향이 없지만, 노약자와 어린이에게는 매우 위험하다. 오존농도가 0.1ppm 일 경우 그다음 날 사망자가 7%가 증가한다는 연구결과가 나오기도 했다. 그리고 오존주의보가 발령된 때는 건강한 사람이라도 눈물과 기침이 나고, 오존경보 발령 수준에 이르면 어린이와 노약자는 두통, 폐기능 저하, 시력저하 등의 피해를 입을 수 있다.
오존이 몸에 해로운 것은 오존이 분해될 때 떨어져 나오는 산소이온 때문인데, 체내에서 분해 반응이 일어나 산소이온이 발생할 경우 이 산소이온은 세포를 파괴시키기 때문에 특히 호흡기에 치명적이다. 따라서 천식, 폐기종 등 호흡기 질환을 앓고 있는 사람들에게는 오존이 천적이다. 그러므로 오존주의보가 발효되면 외출을 하지 말고, 특히 여름날 오후 3시 정도는 오존의 농도가 최고치에 이르는 시점이므로 외출이나 운동을 하지 않는 것이 좋다.
오존에 노출되면 호흡이 힘들어지고 기침이나 두통이 나타난다. 출퇴근길 도로변에 오존농도를 포함한 현재의 대기오염에 대한 정보가 표시되는 전광판을 종종 볼 수 있으며, 대기 중 오존농도가 높아지면 시민들에게 경고를 해야 한다고 하는 방송도 들을 수 있다. 이는 최근 급속한 차량 증가, 운행 정체, 냉난방기 사용, 산업시설 증가에 의한 배출가스로 인해 대기 중의 오존농도가 높아지고, 급기야는 인체에 해를 줄 수 있는 수준에 도달했기 때문이다. 대기오염도 나쁜 측면에서 선진화되고 있는 것이다.
오존주의보가 발령되면 시민들은 실외활동을 억제해야 하고, 오존경보가 발령되면 자동차 사용억제와 사업장의 연료사용량을 감축시켜야 하며, 중대경보가 발령되면 자동차의 통행금지와 사업장의 조업시간을 단축시켜야 한다. 그러나 아직까지 경보나 중대경보가 발령된 적은 없다.
오존주의보가 발령되면 과격한 운동을 삼가고, 특히 호흡기 질환자와 노약자 및 어린이는 외출을 자제해야 한다. 주의보 발령지역 내에서는 해제 시까지 자동차 운행, 스프레이 사용, 드라이클리닝, 페인트 칠 및 시너 사용 등을 억제하고, 특히 승용차의 사용은 자제하고 대중교통을 이용해야 한다. 미국이나 일본의 경우 70년대부터 오존경보제를 시행 중이며 발령기준과 단계는 우리나라와 비슷하다.
오존에 의한 대기오염이 심해지면 호흡기 질환을 앓고 있는 환자들의 증상이 심해지며, 특히 기관지 천식이 있는 환자는 오존에 의해 천식발작이 시작되고, 호흡곤란 더욱 악화된다. 이는 오존에 의해 기관지 점막도에 염증반응이 발생하여 기관지 수축 반응 항진되기 때문이며, 알레르기성 천식환자에서는 알레르기 항원에 대한 반응도 증가시켜 평소보다 심한 증상을 유발할 수 있다고 한다. 오존을 포함한 대기오염이 알레르기 질환을 발생시키는 직접적인 원인이 되는지 여부에 대해서는 확실치 않으나, 대기오염이 심한 지역에서 알레르기 질환의 발생이 증가했다는 보고들이 있어, 알레르기 기전의 발생을 항진시키는 것으로 판단되고 있다.
오존에 의한 피해를 줄이기 위해서는 오존의 발생을 줄이는 것이 이상적이나 이는 단기간에 이루기가 어렵고, 현재로서는 오존 증가의 경고가 있을 때는 가능한 한 외출을 삼가고 심한 운동을 피하는 것이 도움이 되겠으며, 특히 기관지 천식, 만성 폐쇄성 폐질환과 같은 호흡기 질환이 있는 환자는 더욱 철저한 관리가 필요하겠다.

 

오존농도 경감대책

환경부에서는 오존오염이 악화됨에 따라 오존농도를 경감시킬 수 있는 장단기 대책을 마련하여 추진하고 있는데, 오존농도 경감이 시급하게 필요하다는 인식에서 단기적으로 추진 가능한 경감대책을 우선적으로 시행하고 있다.
단기대책으로 실시하고 있는 것으로,
1) 휘발성 유기화합물과 질소산화물을 많이 배출하는 차량을 위주로 여름철 자동차 배출가스 무료점검과 특별단속 실시, 2) 승용차 운행 억제,
3) 수도권이나 부산, 대구와 같은 대도시 지역에 오존 원인물질을 적게 함유한 휘발유 공급,
4) 오존과 휘발성 유기화합물을 많이 배출하는 사업장 관리 강화,
5) 오존경보제의 철저한 시행과 대국민 홍보 강화,
6) 여름철에 페인트칠하기와 도로포장공사를 자제하도록 유도하는 등의 대책이 있다.
또 장기대책으로 실시하고 있는 것으로,
1) 제작차와 운행차의 배출가스관리 강화,
2) 대기환경 규제지역 지정 확대,
3) 휘발성 유기화합물(VOC)의 관리 강화,
4) 오존 관련 기초조사 및 연구사업 추진으로 나누어 시행하고 있다. 
그리고 자동차의 배출가스관리 강화를 위해서는
1) 매연이 없고 오존 생성물질도 70% 이상 경감시키는 저공해 천연가스 버스 보급을 확대하는 방안,
2) 제작차의 배출허용기준 선진국 수준으로 강화하고 배 출가 스을 보증기간 연장하는 방안,
3) 전기와 경유를 함께 사용하여 연비를 향상할 뿐만 아니라 배출가스를 경감시키는 하이브리드를 개발하고, 경유차의 공해 경감 핵심기술 개발을 추진하는 방안,
4) 오존 원인물질 배출을 줄이기 위해 자동차 연료품질 기준 화하는 방안, 
5) 노후한 경유차량을 위주로 배출가스 발생량이 많은 차종을 중심으로 운행차 배출가스관리를 강화하는 방안을 시행하고 있다.
대기환경 규제지역 지정 확대와 휘발성 유기화합물 와의 관리 강화를 위해서는, 
1) 톨루엔, 자이렌 등 항목을 추가하여 총 37개 제품과 물질을 관리함으로써 휘발성 유기화합물의 규제대상을 확대하는 방안과
2) 대기환경규제지역의 권역별 대기오염 농도를 분석하여 오염도가 높은 지역을 확대 지정하는 방안이 있다.
기초조사와 연구사업으로 추진되고 있는 내용을 살펴보면,
1) 광화학 오염물질 측정망을 전국 주요 도시에 설치하고,
2) 오존 생성과정과 이동경로를 규명하여,
3) 오존 생성 원인 분석에 필요한 기초자료 조사체계를 구축하고 있다.