지구과학 고2 대기와 해양의 상호작용 심화

오존층

성층권 내 오존층이 태양 자외선을 흡수해 생물을 보호하며, 염화불화탄소(CFC)에 의한 오존 구멍 문제를 이해한다.

성층권에서 오존이 비교적 많이 모여 있는 구역으로, 태양의 자외선을 흡수해 지표의 생물을 보호하며 동시에 성층권을 데워 기온 역전 구조를 만듭니다.

오존층은 지구의 자외선 차단제입니다. 두께로 따지면 얇은 막에 불과하지만, 그 막이 없었다면 육상 생물이 뭍으로 올라올 수조차 없었습니다.

쉽게 말하면

성층권이 위로 갈수록 따뜻해지는 이유가 오존이라고 했습니다. 그 오존이 실제로 무엇을 하는지 봅시다.

오존은 산소 원자 세 개로 이루어진 분자입니다. 성층권에서는 자외선이 산소 분자를 쪼개 산소 원자를 만들고, 그 원자가 다른 산소 분자와 결합해 오존이 됩니다. 만들어진 오존은 다시 자외선을 흡수해 쪼개집니다. 즉 오존은 끊임없이 생성되고 분해되기를 반복하며 그 양이 대체로 균형을 이룹니다. 중요한 것은 이 생성과 분해의 두 과정 모두가 자외선을 소비한다는 점입니다. 오존층이 자외선을 막는다는 것은 이 순환이 자외선 에너지를 계속 먹어 치운다는 뜻이고, 그 에너지가 열로 바뀌어 성층권을 데웁니다. 자외선 차단과 기온 역전은 같은 사건의 두 얼굴입니다.

이 방패가 없으면 강한 자외선이 지표에 그대로 도달합니다. 자외선은 생물의 유전 물질을 손상시키므로, 오존층이 만들어지기 전 생물은 물속에서만 살 수 있었습니다. 지금도 오존층이 얇아지면 피부암과 백내장이 늘고, 광합성을 하는 식물성 플랑크톤이 손상되어 해양 생태계의 먹이 사슬 밑바닥이 흔들립니다.

20세기에 냉매와 분사제로 널리 쓰인 염화불화탄소(CFC)가 문제를 일으켰습니다. CFC는 안정해서 대류권에서 분해되지 않고 그대로 성층권까지 올라갑니다. 거기서 강한 자외선에 쪼개져 염소 원자를 내놓는데, 이 염소 원자가 오존을 파괴하고도 자신은 소모되지 않고 되살아나 다음 오존을 또 파괴합니다. 소모되지 않고 반응을 거듭 돕는다는 점에서 촉매처럼 행동하는 셈입니다. 염소 원자 하나가 수많은 오존 분자를 파괴할 수 있는 이유가 여기 있습니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

왜 하필 극지방에 구멍이 뚫렸는가

CFC는 전 세계에서 배출되었는데 오존 구멍은 남극 상공에서 가장 뚜렷하게 나타났습니다. 극지방의 겨울 성층권이 극도로 차가워지면 특수한 구름이 만들어지고, 그 표면에서 염소를 오존 파괴에 쓰일 수 있는 형태로 바꾸는 반응이 일어납니다. 그러다 봄이 되어 햇빛이 돌아오면 준비된 염소가 한꺼번에 오존을 파괴합니다. 그래서 남극의 봄에 오존 구멍이 급격히 커집니다.
예시 2

염소 원자 하나가 계속 일하는 이유

염소 원자는 오존을 파괴한 뒤 다시 원래의 염소 원자로 돌아옵니다. 그러니 한 번 성층권에 올라간 염소는 스스로 사라지지 않고 오존 파괴를 반복합니다. 배출을 멈춰도 회복에 오랜 시간이 걸리는 이유입니다. 성층권은 대류가 없어 물질이 씻겨 내려오지도 않습니다.
예시 3

국제 협약으로 CFC 사용을 규제한 것

오존층 파괴가 확인된 뒤 국제 사회는 CFC 생산과 사용을 규제하기로 합의했습니다. 이후 대기 중 관련 물질의 농도가 줄기 시작했고, 오존층도 서서히 회복되는 방향으로 관측되고 있습니다. 전 지구적 환경 문제에 국제적 대응이 실제로 효과를 낼 수 있음을 보여 준 사례로 자주 인용됩니다.

자주 하는 오해

오존층 파괴와 지구 온난화를 같은 문제로 묶기

이렇게 생각하기 쉬움오존 구멍으로 들어온 햇빛 때문에 지구가 더워진다

실제로는원인 물질도, 일어나는 층도, 결과도 다른 별개의 문제입니다. 오존층 파괴는 CFC가 성층권에서 일으키는 문제이고, 지구 온난화는 온실 기체가 지구 복사를 붙잡아 두는 문제입니다.

오존층이 막는 것은 자외선이고, 자외선이 지구 전체 에너지에서 차지하는 몫은 지구를 데우기에 충분할 만큼 크지 않습니다. 온난화는 '들어오는 빛'의 문제가 아니라 '나가야 할 열'이 갇히는 문제입니다. 두 문제를 뒤섞으면 '오존 구멍이 줄었으니 온난화도 해결되겠다' 같은 잘못된 추론을 하게 됩니다. 층도 다릅니다 — 오존 문제는 성층권, 온난화의 주 무대는 대류권입니다.

오존을 무조건 좋은 것 또는 나쁜 것으로 여기기

이렇게 생각하기 쉬움오존은 우리를 보호해 주는 좋은 기체다 (또는 오존은 유해한 오염 물질이다)

실제로는같은 오존이라도 어디에 있느냐로 평가가 갈립니다. 성층권의 오존은 자외선을 막아 주는 방패이지만, 지표 부근의 오존은 호흡기에 해로운 오염 물질입니다.

물질의 유해성은 물질 자체만이 아니라 그것이 어디에 얼마나 있느냐로 정해집니다. 오존은 반응성이 강해서 생물의 조직과 잘 반응하는데, 이 성질이 멀리 떨어진 성층권에서는 자외선 흡수라는 이득으로, 우리가 숨 쉬는 지표에서는 피해로 나타납니다. 여름철 오존 주의보가 발령되는 것은 지표 오존 이야기이지 오존층과는 무관합니다.