0. 목차
- 오존층의 탄생
- 오존층은 자외선을 차단한다.
- 오존층 덕분에 생물이 육상으로 진출할 수 있었다.
- 오존층 파괴의 원인
- 몬트리얼 의정서
- '오존층 파괴'와 '지구 온난화'
- '극소용돌이'가 오존층의 파괴를 촉진시킨다.
1. 오존층의 탄생
'오존층(Ozone Layer)'은 지구의 대기처럼 산소가 풍부한 대기 특유의 것으로, 태양계 밖의 행성에는 존재하지 않는다. 산소는 지금 당연한 것처럼 대기 중에 존재하지만, 탄생 직후의 지구를 감싸고 있었던 대기의 '수증기'가 주성분이며, '산소'는 대단히 적은 양이었을 것으로 생각된다.
그렇다면, '오존(O3)'의 원료가 된 '산소'는 언제 어떻게 생겨났을까? 현재 지구 대기의 '산소 분자(O2)'는 주로 광합성을 하는 생물이 '이산화탄소(CO2)'로부터 만들어낸 것이다. 지구에는 바다가 만들어지고, 거기에서부터 생명이 탄생했다고 생각된다. 지구에서 최초의 생물은 '고세균(archaebacteria)'이나 '박테리아(bacteria)' 등인데, 이들은 산소를 사용하지 않는 호흡을 했으리라고 생각된다. 이들 생물의 화석은 35억 년 전의 지층에서 발견된다.
그리고 광합성을 활발히 해서 지구 대기에 산소를 대량으로 방출한 것은 '스트로마톨라이트(Stromatolite)'라고 한다. 가장 오래된 '스트로마톨라이트'는 20억 년 전의 지층에서 발견된다. '스트로마톨라이트'란 '시아노박테리아(Cyanobacteria)'라는 남조류가 집단을 이룬 것이다. 가장 오래된 '스트로마톨라이트'는 20억 년 전의 지층에서 발견된다. '광합성 생물'이 출현하고 나서 곧바로 대기 중에 산소가 축적되기 시작한 것은 아니다. 생물이 죽어서 그 사체가 대기에 노출되면, 산회되어 산소는 다시 물과 이산화탄소로 되돌아가기 때문이다. 하지만 몇억 년에 걸친 생물들의 부단한 노력의 결과로 조금씩 산소의 양이 증가하였다. 그리고 마침내 오존층을 형성하는 재료가 지구 대기에 축적되었다.
오존층이 언제쯤 형성되기 시작했는지는 확실하게 알려져 있지는 않다. 하지만 이론적인 계산에 따르면, 오존층은 산소의 분압이 현재 대기 수준의 100분의 1에 이르면 형성되기 시작하는 것으로 생각된다. '분압(Partial Pressure)'이란 혼합 기체인 대기를 구성하는 기체가 각각 단독적으로 전체 부피를 차지하게 될 때를 나타내는 압력이다. 그리고 산소의 분압이 10분의 1이 되면, 오존층이 현재의 성층권 근방에 형성되는 데 충분하다고 생각된다.
2. 오존층은 자외선을 차단한다.
대기 중의 '산소 분자(O2)'는 자외선이나 벼락 등의 작용으로 '산소 원자 2개(2O)'로 분해되고, 그것에 다른 산소 분자가 와서 '오존 분자(O3)'로 바뀐다. 이렇게 생긴 '오존 분자'는 대기 모든 곳에 존재하지만, 눈에는 보이지 않는다. 그러면 어떻게 오존층이 존재한다는 사실을 알게 되었을까?
'더블린 대학'의 '월터 하틀리(Sir Waltter N. Hartley, 1846~1913)'는 1881년에, 대기 중에 오존이 존재한다는 사실을 분명하게 밝혀냈다. '월터 하틀리'는 지상에서 관측한 '태양 광선 스펙트럼'의 세기가 어느 파장 영역에서는 매우 약하다는 사실에 주목하여, 실험실에서 오존의 '자외선 흡수 스펙트럼'을 실측하였다. 그리고 이처럼 일부의 세기가 매우 약한 현상은 지구의 대기 중에 오존이 존재하는 것으로 설명할 수 있다고 주장했다. 나아가 그는 '대기 중의 오존은 항상 존재하며, 지표 부근보다 대기의 상층에 많이 존재한다.'는 이론을 세웠다. 그의 연구 성과는 그 후 '오존층'이 발견되는 계기가 되었다. 이는 오존층이 '자외선 차단 효과'가 있다는 것을 처음으로 밝힌 중대한 발견이었다.
3. 오존층 덕분에 생물이 육상으로 진출할 수 있었다.
'오존층 형성'은 생물이 육상에 진출하기 위한 필요조건이다. 하지만 오존 그 자체는 생물에게 유해하다. 따라서 오존층이 지상 가까이가 아니라, 상공에 생긴 단계에서 생물의 육상에 진출할 수 있었다고 생각된다. 하지만 생물이 육상에서 살기 위해서는, 오존층이 형성된 것만으로는 충분하지 않다. 생물 자신도 체내의 물을 유지하고 육상에서 자손을 남기기 위해, 종자를 만들거나 건조함에 견디는 알을 만드는 등 방법 등을 만들어내지 않으면 안된다. 이런 일에 성공해, 지금까지 육상에서 살고 있는 생물은 극히 일부에 지나지 않는다.
- 동물의 육상 진출: 동물 중에서는 '곤충'이 육상 진출에 성공하였다. 그다음에 등장한 '에우스테놉테론(eustenopteron)'은 '실러캔스(Coelacanth)'에 가까운 무리인데, 뼈와 근육이 있는 지느러미를 써서 바다를 이용했다. 그리고 이 무리 안에서 '부레(경골어류의 몸속에 있는 얇은 혁질의 공기 주머니)'가 폐로 변화한 것이 나타났다고 한다. 에우스테놉테론이 발견된 지층과 같은 시대의 곳에서 발견된 '익티오스테가(ichthyostega)'는 그 자손인데 성체는 폐로 호흡하고, 어깨나 허리의 뼈가 발달해 사지로 몸을 지탱했다. '익티오테스가'는 '양서류(Amphibian)'의 조상으로 생각된다. 육상에는 경쟁자가 없고 환경이 다양하므로, 상륙에 성공한 생물들은 거기에서 많은 종류로 갈라지고 그 수를 늘려나간 것으로 생각된다.
- 식물의 육상 진출: 식물 중에서는 체내에 물이 흐르도록 하기 위한 조직을 갖춘 '관다발 식물(Vascular Plant)'이 육상 진출에 성공하였다. 가장 오래된 '관다발 식물'의 화석은 '실루리아기(Silurian Period)' 말인 4억 1000만 년 전의 지층에서 발견된다. 실루리아기 말에 비로소 육지에 상륙한 식물은 대형화하면서 내륙으로 그 범위를 넓혀 나갔다.
4. 오존층 파괴의 원인
그러면 '오존층(Ozone Layer)'을 파괴하고 있는 것은 무엇일까? 그 범인은 스프레이나 탈취제 등에 사용되는 '클로로플루오로메탄(Chlorofluoromethane)' 등의 '프레온 가스(Freon Gas)'라고 불리는 물질이다. 이것들이 오존층을 파괴한다는 사실을 발견한 사람은 미국 캘리포니아 대학의 화학자 'F. 셔우드 롤런드(F. Sherwood Rouland, 1927~2012)'와 '마리오 몰리나(Mario J. Molina, 1943~2020)'로 1970년대의 일이다. 그들은 '프레온 가스'가 빛을 흡수하고 분해된다는 것을 실험적으로 확인하고, 자외선에 의해 분해된 염소 분자가 결과적으로 '오존 분자(O3)'를 파괴한다는 점을 규명했다. 또 앞으로 오존이 고갈되고, 그 결과에 인간 및 생태계에 대해 영향이 생길 가능성이 있다는 사실도 지적했다.
'프레온 가스' 등 오존을 파괴하는 물질은 인공적으로 만들어진 것이다. 주로 북반구의 선진국에서 방출된 프레온 가스는 대류권에 고인 후, 주로 적도 상공에서 성층권에 들어가 남극과 북극에 도달한다. 그리고 겨울에 '염소(Cl)'나 '브롬(Br)' 등을 포함하는 이들 기체가 남극 상공에서 구름의 빙정과 반응해 부서지기 쉬운 '염소 화합물'로 구름에 흡수된다. 그리고 9월 경이 되어, 그 '염소 화합물'에 태양 광선이 닿으면 염소 원자로 분해되는데, 이 염소 원자가 오존을 파괴하는 것이다.
5. 몬트리올 의정서
프레온 가스가 오존층 파괴의 원인이라는 사실이 알려진 후, 1984년에는 '오존 홀(Ozone Hole)'이 실제로 관측되었다. 몇 년 지난 후에는 프레온 가스 규제가 시작되었다. 1990년 6월 '몬트리올 의정서(Montreal Protocol)'의 체결국 회의가 열렸고, '오존층 파괴와 관계되는 물질(특정 프레온, 특정 할로겐화물, 사염화탄소, 메틸클로로포름)'을 전부 폐기하기로 결정했다. '몬트리올 의정서'는 오존 파괴물질의 규제에 관한 국제협약으로, 공식 명칭은 '오존층을 파괴시키는 물질에 대한 몬트리올 의정서(Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer)'이다. '몬트리올 의정서'는 1987년 캐나다 '몬트리올(Montreal)'에서 체결되었고, 1989년 1월부터 발효되었다.
하지만 이미 대기 중에 방출된 특정 프레온은 파괴하기 어렵기 때문에, 21세기 중반까지는 '오존 홀(Ozone Hole)'이 나타날 것으로 예측된다.
6. '오존층 파괴'와 '지구 온난화'
과거에 '오존층 파괴'와 '지구 온난화'는 각각 다른 문제로 다뤄져 왔지만, 현재는 서로 연관성이 있다는 사실이 밝혀졌다. 예컨대, NASA가 위성 관측 자료를 바탕으로 분석해, 온난화가 '오존 홀(Ozone hole)'을 넓힌다는 사실을 규명했다. 지표 가까운 부분이 온난화되면, 상공의 성층권에서는 반대로 온도가 낮아지고, 수증기의 양도 많아지고, 오존 파괴가 가속된다는 것이다. 그리고 규제되고 있는 특정 프레온 대신에 사용되는 대체 프레온 은 오존층에 미치는 영향은 적지만, 지구의 온난화를 가속시킨다는 별도의 문제도 있다.
7. '극소용돌이'가 오존층의 파괴를 촉진시킨다.
북극이나 남극 상공에는 '극소용돌이(Polar Vortex)'라는 공기의 덩어리가 있다. '극소용돌이'는 북극이나 남극 등 극지방의 대류권 상층부부터 성층권까지에 걸쳐 형성되는 강한 저기압 소용돌이로, '극권(Polar Circle)' 전역에 영향을 미칠 정도로 크다. 북극에서는 반시계 방향으로 회전하고, 남극에서는 시계 방향으로 회전한다. 이 극소용돌이가 발달하면, 안팎으로 공기의 교환이 거의 없어진다. 저위도에서 따스한 공기의 공급이 두절되기 때문에, 극소용돌이의 안은 극단적인 저온이 된다. 극소용돌이 안의 온도가 -78℃에 이르면, '에어로졸(aerosol)'로 이루어진 극역 성층권운이 생성되고, 이것이 '오존층의 파괴'를 촉진시킨다.
'극소용돌이(Polar Vortex)'는 북반구보다 남반구에서 생기기 쉽다. 북반구는 지형이 복잡해 육지와 바다의 분포가 균일하지 않아, 극소용돌이가 생기기 어렵다고 한다.
