미세먼지 경보와 홍수, 지구의 사막화 등 우리 주변에서 이제는 흔하게 회자되는 단어들이다.

항상 함께 거론되는 단어는 지구온난화와 온실효과다.

여기에 매일 기상 뉴스에 오존주의보와 오존층 보호라는 단어가 등장한다.

이들 단어의 공통점은 태양으로부터 지구를 보호하는 성층권과 인간이 호흡하며 살게해 주는 대기권을 인간이 과도한 에너지 사용으로 근간을 흔들어 발생시켰다는 점이다.

온실효과와 지구 온난화, 그리고 오존주의보와 오존층 보호에 대한 정확한 정의와 문제점을 살펴본다.

<온실효과와 지구 온난화의 이유와 현상>

흔히 같은 개념으로 이해하는 ‘온실효과(Greenhouse effect)’와 ‘지구 온난화(Global warming)’1)는 과학적으로 시작은 같으나 그 결과가 매우 ‘다른’ 현상이다.

온실효과가 인류에게 좋은 편이라면 기후 변화에 의한 지구 온난화는 나쁜 편이다.

온실효과를 이해하기 위해서는 태양과 지구의 복사선을 이해해야 한다.

지구에 살고 있는 모든 생명체는 태양의 에너지를 필요로 한다.

우리 인간도 마찬가지다.

태양은 수소(H) 원자 4개가 열 핵융합 반응2)을 통해 헬륨(He) 원자로 바뀌면서 질량의 약 0.7% 정도가 사라지면서 에너지를 발생하는 항성이다.

이때 없어지는 질량과 발생하는 에너지 사이의 관계에서 태양의 열과 빛을 짐작할 수 있다.

태양의 열 핵융합 반응 결과, 태양 표면의 온도는 절대 온도 약 5,800K, 즉 약 5,527℃이다. 아주 뜨거운 난로나 달궈진 쇠에서 빨간 빛이 나오는 것처럼 태양에서도 표면 온도에 맞는 빛(복사선)이 나온다.

태양에서 나오는 복사선은 파장이 짧고 에너지가 큰 감마선부터 엑스선, 자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파, 그리고 파장이 길고 에너지가 작은 라디오파까지 매우 다양하다.

태양 자체의 온도가 매우 높기 때문에 방출되는 복사선 역시 에너지가 강한 종류가 많다.

태양은 맨눈으로 볼 경우 눈의 시세포를 망가트릴 수 있어서 절대 맨눈으로 보면 안 된다.

다양한 여러 가지 복사선 중 태양과 지구 사이의 거리를 고려하면, 지구 표면까지 당도하는 파동은 주로 자외선과 가시광선, 적외선 등이다.

자외선은 가시광선의 보라색 선 바깥에 위치한 에너지가 큰 파동이다.

피부 세포의 핵 안에 유전 정보를 담당하는 DNA 사슬의 화학결합을 끊어서 암과 같은 돌연변이 세포를 만들거나 피부 세포의 노화를 촉진할 수 있다.

가시광선은 프리즘을 통과하면 무지개색으로 나누어지는 빛이다.

적외선은 가시광선의 빨간색 선 바깥에 위치한 에너지가 상대적으로 작은 파동이다.

<온실효과> 

온실효과는 태양의 복사선과 관계가 있다.

지구로 도착하는 태양의 복사에너지 중에서 약 17%는 지표면에 직접 반사되고, 나머지 83%는 지구로 흡수되어 지표면과 해수면이 약간 따뜻해진다.

이렇게 미지근한 지구에서는 에너지가 적은 적외선 영역의 복사선이 방출되는데, 에너지가 적고 파장이 긴 이 복사선을 지구 대기가 효과적으로 잡아주어서 지표면과 해수면의 평균 온도가 약 14~15℃ 정도로 유지된다.

이런 현상을 온실효과라고 한다.

온실효과는 지구에 도달한 태양의 에너지가 지구를 따뜻하게 하고, 따뜻해진 지구에서 나가는 에너지는 대기에 효과적으로 잡혀서 순환해 지구의 온도가 생명체가 존재하기 알맞은 상태로 일정하게 유지되는 현상이다.

마치 겨울에 난방을 하지 않은 온실이 바깥에 비해서는 따뜻하고 일정한 온도를 유지하는 것과 같은 원리다.

온실효과를 일으키게 되는 이유를 화학적으로 분석하면 대기를 구성하는 기체 분자의 공유결합 때문임을 알 수 있다.

자연계에서 모든 원자에 있는 전자는 정해진 위치에 있는 것이 아니라, 파동의 형태로 운동을 하고 있다.

지구의 대기는 질소(N2)와 산소(O2), 아르곤(Ar)이 거의 99.9%를 이루고 나머지 0.1%에 이산화탄소(CO2)를 비롯하여 네온(Ne), 헬륨(He), 메테인(CH4), 수소(H2) 등의 분자가 존재한다. 지구 대기의 약 78%를 차지하는 질소 분자와 21%를 차지하는 산소 분자가 온실효과의 기반이다.

산소나 질소 모두 동일한 원자끼리 전자를 공동 소유한 공유결합을 한다. 산소는 이중결합, 질소는 삼중결합으로 결합의 세기도 세고 탄탄해 산소와 질소의 공유전자가 하는 진동 운동은 따뜻한(사실은 미지근한) 지구에서 나가는 적외선 파동과는 에너지적인 면에서 그리 관계가 없다.

그러나 공유전자를 당기는 힘이 서로 다른 두 원자, 산소(O)와 탄소(C)가 결합한 이산화탄소의 경우 상황이 다르다.

탄소와 산소 사이에 위치한 전자들은 두 원자의 힘겨루기 상황에서 이리 저리 움직인다.

가운데 탄소는 양쪽의 산소가 전자를 당기긴 하지만 만약 왼쪽의 산소가 옆에 위치한 다른 분자와 새로운 상호작용을 하느라 바쁜 상태라면, 전자를 좀 더 당길 수도 있다.

이런 이산화탄소 분자 안의 공유전자가 세 원자핵 사이에서 움직이는 진동운동을 할 때 파동이 공교롭게도 미지근한 지구에서 나가는 적외선 복사선의 파동과 거의 비슷하다.

자외선은 분자를 구성하는 탄소와 산소 원자의 결합을 끊어버리고, 마이크로파는 분자의 회전을 활성화시키지만 적외선 영역의 에너지는 탄소와 산소 사이의 공유전자들의 진동을 활발하게 만들어 결과적으로 이산화탄소의 에너지를 크게 만들어서 대기의 온도를 따뜻하고 일정하게 유지하는 온실효과를 일으키게 된다.

사실 이산화탄소는 온실효과를 일으켜서 지구에 생명체가 살기 좋게 만드는 일등 공신인 온실기체이다.

이산화탄소는 산업혁명 전까지 아주 오랜 세월 동안 지구의 공기 중 약 0.03%(약 280ppm)를 차지하던 미미한 양의 좋은 기체였다.

그러나 산업혁명 이후 급격한 산업화로 인해서 어마어마한 양의 석탄과 석유 등의 화석 연료가 연소되었다.

또한 아마존 유역의 밀림과 다른 큰 숲이 사람들의 벌목과 개간으로 사라져가면서 이산화탄소는 2014년에는 397.7ppm으로 약 43%가 증가하해 이제는 지구 온난화(기후 변화) 원인의 60%를 차지하는 주범이 되었다.

<광합성의 필수 요소 이산화탄소>

광합성이란 식물이 태양의 빛 에너지를 이용해 대기 중 이산화탄소와 토양의 물을 흡수해서 포도당과 산소를 만드는 과정이다.

산소를 공급하는 과정 때문에 광합성이 활발하게 일어나는 아마존 밀림을 지구의 허파라고 부른다.

또한 광합성을 통해서 만들어지는 포도당은 모든 생물, 그중에서도 인간이 이용하는 탄수화물의 기본 구성 물질이다.

만약 대기 중에 이산화탄소가 없다면 광합성은 일어나지 않을 것이다.

인류와 같은 종속영양생물이 살아가기 위해 꼭 필요한 영양분도 얻을 수 없게 된다.

광합성을 통해 포도당으로 저장된 태양의 에너지가 호흡을 통해서 내 몸에서 사용되는 에너지로 바뀌는 과정이 물질 사이의 화학 반응으로 일어나는 것이다.

모든 생물은 호흡을 하지 않고는 살아갈 수 없다.

광합성을 하는 식물도 언제나 호흡을 하고 있지만 낮에는 광합성을 하느라 흡수하는 이산화탄소의 양이 호흡하느라 내뱉는 양보다 많다.

밤에는 반대의 현상이 벌어져서 식물도 내뱉는 이산화탄소의 양이 훨씬 많다.

낮이고 밤이고 광합성을 못하는 대부분의 동물은 이산화탄소를 내뱉기만 하는 호흡만을 열심히 하고 있다.

우리가 살기 위해 꼭 해야 하는 호흡에 필요한 산소는 반드시 이산화탄소를 식물이 흡수해야만 다시 공기 중으로 채워질 수 있다.

그렇기 때문에 이산화탄소는 광합성에 꼭 필요한 아주 중요한 원료이다.

물론 대기 중의 산소는 21%로 매우 많지만 그래도 광합성이 없이 계속해서 소비만 한다면 언젠가는 바닥이 보이게 될 것이다.

<지구 온난화(기후변화)의 현상>

해수면 상승, 아열대 지방의 사막화 현상 증가, 북극의 축소

대기와 해수 순환의 변화로 인한 혹한과 폭염, 가뭄 폭우 등 기상 현상

농작물 수확량의 감소로 기아 인구 증가 및 생태계의 이상 변화

지구 온난화(Global Warming)라고 불렸던 현상은 최근 기후 변화(Climate Change)로 바뀌었다.

그 이유는 지구 온난화라는 단어는 지구 전체의 온도가 올라간다는 의미이지만 실제로 지구의 평균 온도가 올라간 건 맞지만 각 지역을 놓고 보면 지구 평균 기온의 상승으로 인한 대기와 해수 순환의 변동으로 인하여 온도가 낮아진 곳도 여러 군데가 나타나기 때문이다.

따라서 지구 온난화라는 단어는 기후 변화라고 쓰는 것이 더 정확하지만 아직은 두 용어를 혼용하는 단계이다.

1951년부터 1980년까지 세계 평균 기온을 기준으로 한 2000년부터 2009년까지의 10년 동안의 세계 기온 변화 지도. 북극과 남극에서 매우 큰 기온 변화가 관찰된다.

온실효과와 지구 온난화(기후 변화)는 모두 대기 중에 존재하는 온실기체(이산화탄소를 비롯해 메테인, 프레온가스, 일산화이질소)가 원인이 되어 지구의 온도를 따뜻하게 만들어 일어난 것이다.

하지만 그 결과가 지구의 평균 온도를 생명체가 살기 적합한 온도로 일정하게 유지 시키느냐(온실효과), 아니면 너무 심하게 온도를 상승시켜서 대기와 해수의 흐름을 바꾸고 지표면 곳곳에 이상 기후를 일으키느냐(지구 온난화)로 나뉘게 된다.

지구 온난화(기후 변화)는 먼저 해수면 상승을 유발한다.

해수면이 상승하면 당장 섬으로 구성된 나라의 영토가 많이 잠기게 되어 몇몇 섬나라는 지구 온난화가 50년 이상 지속될 경우 나라의 존속을 걱정해야 할 상황이다.

해수면 상승의 이유는 빙하가 녹는 것 보다는 물의 확장에 의한 것이다.

물은 수소결합이라는 특이한 형태의 분자 사이 결합을 하고 있어서 얼음이 되면 부피가 커져서 상대적으로 가벼워져(밀도가 작아져) 물위에 얼음이 뜨게 된다.

얼음이 동동 떠 있는 얼음물이 당연하게 보이지만 사실 기체에서 액체, 액체에서 고체로 상태가 변할수록 부피가 작아지고 밀도가 커져서 바닥으로 가라앉는 대부분의 물질에 비하면 물은 매우 특이한 성질을 나타내는 이상한 화학 물질이다.

바닷물에 떠 있는 빙하의 물위로 나와 있는 부분은 물에서 얼음이 되면서 부피가 증가한 부분 만큼이다.

이 빙하가 다 녹아서 물이 된다면 전체 빙하 중에서 물위로 솟은 얼음부분만 빼고 딱 물에 잠긴 얼음 부피만큼의 물로 변하게 되어서 실제 해수면에 큰 변화를 주지 않는다.

물론 남극 대륙이나 북유럽의 영구 동토층이나 대륙 빙하들이 녹는 건 문제가 다르다.

대륙 위에 있던 얼음이 녹아서 바다로 들어가면 당연히 해수면 상승에 영향을 주겠지만, 현재까지 이렇게 녹아들어간 빙하의 양은 그리 많지 않다.

해수면 상승의 가장 큰 요인은 ‘해수의 열팽창’으로, 온도가 올라가면서 바닷물의 부피가 상승했다는 것을 의미한다.

액체와 기체 같이 흐를 수 있는, 즉 움직임이 용이한 상태의 물질은 온도가 올라가면 분자 간의 운동이 활발해져서 부피가 조금 늘어난다.

지구의 기온은 20세기 평균 13.88℃에서 2016년 14.83℃로 증가하였다.

약 1℃ 정도의 온도 변화밖에 없지만 엄청난 양의 바닷물이라면 팽창량이 엄청나다.

현재의 지구 온난화 상태가 앞으로 지속된다고 가정할 경우, 21세기 말에는 약 0.18~약 0.59m정도의 해수면 상승이 예측된다는 다양한 연구 결과들이 발표되었다.

섬나라나 저지대 도시의 경우 심각한 침수가 예상되고 있다.

약 1℃의 지구 기온 변화 때문에 해수면 상승뿐 아니라 아열대 지방의 사막화 현상 증가, 북극의 축소, 대기와 해수 순환의 변화로 인한 혹한과 폭염, 가뭄 폭우 등의 여러 가지 기상 현상의 이변이 나타났다.

이로 인한 농작물 수확량의 감소로 기아 인구 증가 및 생태계의 이상 변화가 관찰되고 있다. 하지만 더 걱정되는 현상은 따로 있다.

현재 대기 중 온실기체로 가장 많은 양이 존재하는 이산화탄소는 물에 녹으면 탄산이 된다.

바닷물에 탄산이 많아질수록 해양 산성화가 심해져서 해양 생물의 약 70%가 몰려 살고 있는 주성분이 탄산칼슘인 산호초가 녹아버리게 되어 해양 생태계에 심각한 피해가 생길 수 있다.

<오존층 보호와 오존 주의보>

성층권에 존재하는 오존은 지표면으로 들어오는 강한 자외선의 대부분을 흡수해 인류를 비롯한 모든 육상생물이 안전하게 살기 위해서 꼭 필요

대기권 중 사람이 거주하는 공간인 대류권의 오존은 폐렴이나 천식, 심각한 호흡기 질환 유발

온실효과와 지구 온난화와 비슷하게 우리가 헷갈리고 오해하기 쉬운 용어로 ‘오존 주의보(경보)’와 ‘오존층 보호’가 있다.

분명 똑같은 화학 물질인 오존(O3)에 대한 이야기인데, 한쪽에서는 오존이 매우 나쁘니 주의보나 경보를 발령해서라도 조심하고 피해야 하고, 한쪽에서는 오존이 꼭 필요하니 오존층을 반드시 보호해야 한다는 것을 의미한다.

오존(O3)은 산소 원자 세 개가 결합한 물질로 성층권에서 강한 자외선 때문에 산소 분자(O2)가 산소 원자(O)로 깨지고, 옆에 있던 또 다른 산소 분자랑 결합해 오존이 생성된다.

매우 불안정하기 때문에 자외선에 또다시 깨지면서 계속 생성과 소멸을 반복하게 된다.

이런 작용을 통해 매일 3억 톤의 오존이 생성과 분해되면서 성층권에 14km~40km 영역에 약 2ppm~8ppm의 농도로 퍼져 있는 ‘오존층’을 형성한다.

오존층은 지표면으로 들어오는 강한 자외선의 대부분을 흡수해 지구에 육상생물이 출현하게 만들었다.

만약 오존층이 아니었다면 우리는 모두 자외선이 그대로 들어와 안전한 바닷속에서만 살아야할지 모른다.

따라서 성층권에 존재하는 오존층은 인류를 비롯한 모든 육상생물이 안전하게 살기 위해서 꼭 필요하다.

현대 사회에서는 냉장고나 에어컨에 사용하던 프레온가스 등으로 급격하게 파괴되어 오존홀이라는 오존 농도가 너무 약한 영역이 생길 정도로 문제가 심각해지고 있다.

오존층의 보호를 위해 프레온가스의 사용을 제한하는 몬트리올 의정서(1989년 발효) 채택이라는 국제적인 협약 등의 노력을 통해 최근에는 많이 회복되고 있다.

오존이 성층권이 아니라 대기권에 있을 경우 완전 반대의 상황이 벌어진다.

불안정한 오존이 호흡 운동을 통해 체내로 들어오면 안정한 산소 분자와 홀로 떨어지는 산소 원자로 분해된다.

이때 산소 원자는 폐의 세포들과 결합해 세포가 제 기능을 못하게 만들기 때문에 폐렴이나 천식, 가슴의 통증과 기침이 심해지는 등의 심각한 호흡기 질환에 시달리게 된다.

또한 오존은 사실 아주 적은 양인10ppb에서도 사람이 감지할 수 있는 특유의 냄새가 나는데, 일상생활에서는 복사기로 복사를 할 때 나는 냄새가 그것이다.

지구의 대기권 중 사람이 거주하는 공간인 대류권에 오존은 존재하지 않는 게 좋다.

하지만 자동차 배기가스에서 나오는 질소와 산소가 결합된 질소 산화물이 성층권에서 다 흡수되지 않고 지표면으로 전해지는 자외선을 만나서 분해되면, 산소 원자가 튀어나오고 이 산소 원자가 공기 중의 21%나 있는 산소 분자와 만나서 오존이 된다.

오존의 농도가 높아지면 발령되는 오존 주의보(0.12ppm/h)나 오존 경보(0.3ppm/h) 등을 통해 우리는 외출을 자제하고 특히 노약자의 경우 주의를 기울여야 한다.

이산화탄소는 광합성의 원료로 식물이 살아가는 데 꼭 필요한 기체이자 온실효과를 일으켜서 지구의 온도를 따뜻하고 일정하게 유지시켜주는 고마운 기체이다.

그러나 많은 양이 존재할 경우 지구의 온도를 너무 높게 만들어서 여러 가지 피해를 일으키고 해양 생태계를 비롯한 지구 전체를 위험에 빠뜨리게 할 수도 있는 지구 온난화(기후 변화)의 주범이기도 하다.

실생활에서는 탄산음료나 아이스크림 케이크를 녹지 않도록 포장할 수 있게 해주는 드라이아이스, 화재가 발생할 때 물로 불을 끌 수 없는 박물관이나 미술관 같은 곳에 설치되는 스프링클러에 들어가기도 한다.

공기보다 무거워서 가라앉는 이산화탄소 기체를 불이 난 곳에 뿌리면 산소와 불의 접촉을 차단해 쉽게 불을 끌 수 있기 때문이다.

오존도 마찬가지로 성층권에 있어야만 모든 육상 생물이 살 수 있는, 반드시 보호해야하는 기체다.

하지만 대류권에 우리와 같이 존재할 경우, 강력한 산화력 때문에 우리의 호흡기를 망가뜨리고 눈의 각막을 상하게 하는 원인이 된다.

하지만 그 강력한 산화력을 이용해 물속의 박테리아나 병원균을 죽이는 살균제로 사용하여 정수 처리에 이용하기도 하고 종이 펄프나 섬유의 표백에 이용하기도 한다.

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