성층권 오존

성층권 오존

오존의 두얼굴
성층권 오존은 태양에서 방출되는 유해한 자외선복사를 다량 흡수한다. 이 같은 유익한 역할로 성층권 오존은 좋은 오존으로 불린다. 반면 지표면에서 인위적으로 형성된 오염원 가스의 화학반응으로 형성된 오존은 인간과 동식물에 해롭기 때문에 나쁜 오존으로 간주된다.

기후변화연관어
오존층
오존전량
오존홀
돕슨단위
오존두께
오존연직분포
오존층파괴
프레온가스
프레온가스 대체물질
할로카본

성층권의 오존

- 성층권 오존은 대기 중 21%를 차지하는 산소 분자가 태양 자외선복사와 화학반응을 일으켜 자연적으로 형성된다. 이 화학 반응들은 성층권에 태양복사가 존재할 때 발생하며 열대지방의 성층권에서 오존이 가장 많이 생성된다.
- 성층권의 오존 생성은 화학반응으로 파괴되는 오존에 의해 균형을 이룬다. 성층권의 오존 일부는 규칙적으로 대류권에 수송되어 내려오고 때때로 지표면의 오존량, 특히 지구상에서 오염이 되지 않은 외딴 지역의 오존량에 영향을 미칠 수 있다.
- 성층권 오존은 태양빛 뿐 아니라 다양한 자연·인위적 화학물질과 지속적으로 반응을 일으키는데 오존을 파괴하는 주요 반응성 가스는 산화수소와 산화질소, 그리고 염소와 브롬이 함유된 반응성 가스가 있다.

<성층권 오존의 생성>

- 성층권 오존은 2단계의 반응과정을 거쳐 자연적으로 생성
- 첫 단계에서, 산소 분자 1개가 태양 자외선 복사(태양빛)에 의해 해리되어 산소 원자 2개(2O)로 분리됨
- 두 번째 단계에서, 각각의 원자는 다른 산소 분자와 결합 충돌을 일으켜 오존 분자 하나를 생성
- 전 과정을 통해 산소 분자 3개가 태양빛과 반응해 오존 분자 2개를 생성

오존층

- 지구대기에 존재하는 오존의 약 90%는 지표 위 10km(극지역)～16km(열대지역)이상에서 50km까지의 성층권에 존재하며 나머지 약 10%의 오존은 지표에서 성층권 하부지역에 위치한 대류권에 존재한다.
- 성층권은 대류권 상층부로부터 약 50km 고도까지는 기온이 계속 상승하여 약 50km 고도에서 0℃의 기온을 나타내는 안정한 대기층으로 주로 분자 확산에 의해 기체의 이동이 이루어진다. 성층권 내에서도 20～25km 사이의 오존이 밀집되어 있는데 이 층을 오존층이라 한다.
- 오존층은 태양으로부터의 자외선 복사를 흡수하여 자외선의 대부분을 지표면에 도달하기 전에 막아주는 보호막 역할을 한다.

<대기의 오존분포(Fahey, D. W., 2002)>

오존전량

- 오존전량은 지상 어느 위치든 그 위치 상공에 존재하는 오존분자의 총량으로 정의되며, 위도, 경도, 계절에 따라 달라진다. 오존전량의 약 90%는 성층권에 존재하기 때문에 성층권 오존을 나타내는 값으로 사용할 수 있다. 성층권 오존은 지구 대기로 입사하는 유해한 자외선을 흡수해 지상의 생태계를 보호하는 역할을 한다.
(지구분포) 태양자외선 복사에 의한 오존 생성 비율이 열대지방에서 최댓값을 보이며 성층권 내 공기 대순환으로 열대지방 오존이 극지방으로 서서히 수송되기 때문에 오존층의 두께는 중위도와 고위도에서 두껍고, 저위도에서는 상대적으로 얇아진다.
(계절분포) 북반구의 오존전량은 봄에 뚜렷한 최대값을 갖고 여름부터 가을까지 값이 낮아지는 계절변동을 보인다. 이는 늦가을과 겨울동안 열대지방에서 극지방으로 오존 수송이 증가하여 봄철 고위도에서 최댓값을 보인다.

<안면도 기후변화감시소의 2019년 월평균 오존전량 분포>

- 열대지방(북위 20°~남위 20°)은 모든 계절에 오존전량에 변화가 거의 없지만 오존함유량이 높은 공기가 열대지방으로부터 이동해 고위도에 축적되기 때문에 열대지방 외의 지역의 오존전량은 일별부터 계절별 기간에 따라 크게 달라진다.

오존홀

- 남극대륙의 늦겨울에서 초봄 사이에 성층권 오존층이 심각하게 파괴된 영역을 오존홀이라고 한다.
- 오존전량이 220DU보다 낮은 영역을 의미하며, 남극 극소용돌이에서 제트기류가 강화되는8~12월 사이에 오존홀이 생기며, 주로 남극 봄인 9~10월에 최대면적을 보인다.

<오존홀(ozone hole)의 예(2019년 9월8일, 남극상공)>
[출처 : NASA 홈페이지 https://svs.gsfc.nasa.gov]

※ 남반구 극지방 오존홀 발생 이유
겨울철 남반구 극지방은 태양광이 전혀 들어오지 않는 극야 현상으로 인하여 급격히 차가워진다. 이렇게 차가워진 대기는 극야 제트류(polar night jet) 혹은 극 소용돌이(polar vortex)를 동반하는데, 이 때 강한 극 소용돌이가 고위도 공기를 고립시켜 기온의 하강을 가속시키는 역할을 한다. 이 때문에 겨울철 남극 성층권 기온은 영하 78도 이하로 내려간다. 이와 같은 극저온 상태에서 질산과 수증기 등이 얼면서 극지방 성층권 구름(polar stratospheric cloud)이 만들어진다. 이 구름은 입자 표면의 불균질(heterogeneous) 화학 반응으로 통해 염소분자를 축적한다. 봄철이 되면 태양광이 극 성층권에 들어오면서 극지방 성층권 구름이 급격히 소멸하게 된다. 이때 겨울철에 축적된 염소 분자가 대기로 배출되면서 오존층을 급격히 파괴하는 것이다.
[출처: 네이버 지식백과] 오존홀(기상학백과, 한국기상학회)

※ 돕슨단위(DU)
- 옥스포드대 Gordon Dobson이 개발한 단위로 단위 면적의 기둥에 포함된 미량 가스를 0℃와 1기압 상태에서 압축했을 때 높이를 말함.
- 1DU는 표준상태에서 압축했을 때의 물리적 두께로 0.01mm 로 정의됨.

<돕슨단위의 이해>

오존두께

- 대기 중 오존의 낮은 상대적 함유량을 보여주기 위해 대류권과 성층권에 있는 오존을 모두 모아 지표면으로 가져왔을 때 두께를 의미한다. 이 오존 분자들을 지구 전체에 균일하게 분포시켜 얇은 기체층을 만든다고 가정했을 때, 순수한 오존층의 평균 두께는 약 3mm이다.

오존연직분포

- 연직 공기기둥에 존재하는 각 층의 오존정보로 오존 생성의 광화학과정에 의해 결정된다.
- 오존은 성층권에서 주로 생성이 이루어진 후, 대류권으로 수송되어 소멸된다. 이러한 특성상 오존 농도는 하부성층권에서 최대로 나타나며, 대류권에서는 대체적으로 균일한 농도를 보인다.

<포항지역의 오존농도 연직분포(1995～2019년)>
[출처: 2019 지구대기감시보고서]

오존층 파괴

- 성층권 오존은 태양 자외선과 산소 분자가 포함된 화학반응으로 자연적으로 생성된다.
- 오존은 성층권에서 다양한 자연적인 요소와 인간이 만들어 낸 화학 성분에 끊임없이 반응하며, 각 반응에서 오존 분자를 잃어버리고 다른 화학 성분이 생성된다.
- 염소와 브롬을 포함하는 중요한 반응 가스는 오존을 파괴한다.

※ 오존층 파괴물질 - 몬트리올의정서에 의거하여 세계적으로 규제되는 인위적인 할로겐 발원가스임.
- 이 기체들은 염소와 브롬원자를 성층권으로 유입시켜 오존을 파괴하는 화학반응을 일으킴.
- 한때 거의 모든 냉장고와 에어컨 냉매제로 사용되었던 염화불화탄소와 소화기에 사용되었던 할론이 대표적인 예임.

<염소 발원가스> <브롬 발원가스>

프레온가스

- 염화불화탄소(CFCs)는 오존층 파괴물질로 지구온난화를 일으키는 온실가스의 일종이다.

프레온가스 대체물질

- 프레온가스의 대체물질은 수소불화탄소와 과불화탄소로 에어컨과 냉장고 등의 냉매로 쓰이며 온실가스에 해당한다.

할로카본

- 메탄의 수소원자 전부를 할로겐 원자로 치환한 것으로 메탄보다 탄소원자 수가 많은 탄화수소의 과할로겐 치환제의 총칭으로 사용한다.
- 대기 속에 방출된 인공 할로카본류는 안정하기 때문에 그대로 대류권에 축적되어 있다가 성층권으로 퍼져, 태양 자외선 분해로 생기는 염소원자가 오존층을 파괴한다.