스모그와 산성비

[spectro]

스모그는 왜 생길까?

        석탄이 연료로 사용된 것은 산업혁명이 시작되기 전 이었지만 산업혁명으로 인하여 대량생산이 가능해지자 공장이 많이 건설되고 인구 집중과 증가로 인하여 석탄 소비가 급격하게 증가하였다. 서부유럽 특히 영국에서 석탄의 연소에서 나온 매연이 안개와 혼합되어 건강에 해로운 현상이 일어나기 시작하여 이 현상을 정의하는 새로운 용어가 1905년에 만들어져 처음으로 사용되었다.

        스모그(smog)는 매연을 뜻하는 smoke와 안개를 뜻하는 fog가 결합되어 생긴 합성어로 대기 중에 정체되어 있는 오염물질을 일컫는다. 런던은 1월의 평균기온이 4.2℃이므로 춥지는 않지만 겨울에 안개가 많이 발생하여 스모그 현상이 먼저 나타났으므로 석탄의 연소로 인한 매연과 안개가 결합한 스모그를 런던 스모그라 한다. 잘 발생하는 조건을 보면 ①공장, 자동차, 난방기구 등에 의한 매연물질의 발생 ② 큰 일교차, 바람 없는 날씨, 기온역전현상, 대기 중의 수증기의 공급 등에 의한 안개의 발생이 용이한 기상조건 ③ 기류의 이동이 어려운 분지, 계곡 등의 폐쇄된 지형 조건 등이다.

        매연은 대기오염물질의 일종이므로 먼저 이것에 대하여 알아보기로 하자. 대기오염물질에는 입자상 물질들과 기체상물질들이 혼합되어 있으며 입자상 물질은 물질의 파쇄, 선별, 퇴적, 이적과 기계적처리 또는 믈질이 연소, 합성, 분해가 일어날 때 발생하는 고체나 액체로 이루어진 미세한 물질이며 여기에는 분진, 매연, 검댕 및 액적 등과 연무(aerosol), 먼지, 안개, 흄(fume), 박무(haze) 등이 포함된다. 입자상 물질의 크기는 대체로 0.001_～500μm이다. 기체상 물질은 물질이 연소, 합성, 분해될 때 생기는 기체들이다. 그 중에서 중요한 오염물질은 황산화물, 질소산화물, 탄화수소, 일산화탄소, 분진 등의 1차 오염물질과 이들이 대기 중에서 자외선에 의한 촉매작용으로 만들어지는 과산화물(옥시댄트, oxidant)과 같은 2차 오염물질이다.

        1952년 12월 4일 영국 런던에서 시작된 런던 스모그 사건은 10일까지 계속되었으며 석탄에서 배출된 연기와 짙은 안개가 합쳐져 스모그를 형성하였고, 특히 연기 속에 있던 아황산가스(SO₂)가 수증기와 산소에 의하여 황산(H₂SO₄) 안개로 변하여 런던 시민의 호흡기에 치명적인 영향을 주었다. 이 사건은 무풍현상과 기온역전으로 더욱 악화되었다. 이로 인하여 런던 시민은 호흡 장애와 질식 등으로 사건 발생 후 첫 3주 동안에 4,000여 명이 죽었고, 그 뒤 만성 폐질환으로 8,000여 명의 사망자가 늘어나 총 1만 2000여 명이 목숨을 잃었다. 이를 계기로 영국은 1953년 비버위원회를 설립하여 대기오염 실태와 대책을 조사하고 연구하기 시작했다. 이 위원회가 제출한 보고서를 바탕으로 1956년에 대기오염 청정 법을 제정하였다. 또한 이 사건은 세계 모든 나라의 경각심을 일깨우는 계기가 되었다.

       19세기 중엽부터 석유가 널리 이용되자, 석유에 의한 오염도 커졌다. 특히 제2차 세계대전 후에는 자동차 등의 내연기관이 휘발유, 중유를 쓰게 되어, 석유의 연소에 의한 스모그가 큰 문제로 등장하였다.

        휘발유 내연기관에서 배출되는 질소산화물(NO_x), 탄화수소 등의 물질이 건조한 지중해 기후지역의 강한 태양광선 중의 자외선에 의하여 광화학 반응을 일으켜 이차 오염물로 이루어진 광화학스모그가 발생하게 한다. 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO₂)가 태양빛에 의해 광분해되어 오존(O₃)이 만들어진다. 오존이 성층권에 있으면 자외선을 차단하는 역할을 하므로 이롭지만 사람이 생화하고 있는 공간에서는 심각한 문제를 만드는 오염물질이다. 산화력이 있고 산소로 분해되므로 공기의 정화, 물의 소독 등에 이용되지만 강산화력을 가지고 있는 기체이므로 장시간 흡입하면 호흡기관에 해롭다.

        광화학스모그는 1950년대 로스앤젤레스(LA)에서 발생하고 조사되어 LA스모그라고 불리게 되었다. 맑은 날에도 하늘을 뿌옇게 만들어 가시거리를 감소시키고 눈, 코, 호흡기의 자극 증상을 일으키며, 식물성장을 방해한다.

질소순환

질소산화물 중 가장 많이 발생하고 대표적인 오염물질이 NO와 NO₂이며 보통 NO_x로 표시한다.  한국의 대도시 특히 서울에서는 런던스모그와 LA스모그가 모두 나타나기도 한다. 1994년 한국과학기술연구원의 발표에 의하면 탄소와 수분의 함량이 크며 디젤엔진의 배기가스와 경인 지역 공단의 매연이 주원인으로 추정된다고 한다.

        질소는 생명체에 필수적인 원소이며 (단백질에 함유되어 있음) 생물이 죽게 되면 분해자들이 단백질을 분해하여 암모니아(NH₃)가 만들어지며 아질산박테리아와 질산박테리아에 의하여 아질산(HNO₂)과 질산(HNO₃)으로 바뀐다. 공기 중의 질소는 콩과 식물에 공생하는 뿌리혹박테리아에 의하여 고정되어 암모니아로 바뀐다.  1918년 하버(F. Haber)에 의하여 암모니아가 공업적으로 대량 생산될 수 있게 되어 비료와 화약 제조가 용이하여졌다.
        기온은 대기의 온도이며 태양열에 의하여 지표의 온도가 상승한 후에 대기의 온도가 올라간다. 보통 지표에서 고도가 높아질수록 온도가 내려가는데 추운 겨울밤이나 새벽에 지면이 복사로 인하여 냉각되므로 지면 근처의 기온이 상층부보다 낮아지기도 하는데 이것을 기온역전이라고 하며 500m 정도까지 영향을 미친다. 안전한 상태이므로 오염물질이 머무르게 되어 지상에서의 대기오염이 심해진다. 물론 태양이 나타나고 조금 시간이 지나면 저절로 사라진다.

        스모그가 심해지면 부유하고 있는 작은 입자상물질에 의하여 볼 수 있는 거리(시정)가 감소하고 호흡기를 통하여 체내로 유입되므로 호흡곤란 등의 증세를 유발한다. 또한 스모그에 포함되어 있는 기체상 유독물질들은 동식물 그리고 인간에게 직접적인 해를 가한다. 스모그로 인하여 피해가 발생한 예에는 앞에서 언급한 런던스모그 이외에도 1930년 12월에 발생한 벨기에의 뮤즈계곡 사건, 1948년 10월의 미국 도노라 사건 및 1950년 11월의 멕시코 포자리카 사건 등이 있으며 호흡기 질환으로 특히 노약자들이 사망하기도 하였다.

        암모니아(NH₃)는 비료¹⁾(황산암모늄, 질산암모늄, 요소 등이 증요)로 주로 사용되며 콩과식물에 공생하는 뿌리혹박테리아에 의해 자연적으로 만들어지며 인공적으로는 F. Haber에 의하여 처음으로 합성되었다. 색은 없지만 냄새가 지독하며 수용액은 약염기성이다. 생명체내의 대사과정의 노페물로 암모니아에 생기는데 체내에 오래 있으면 유독하므로 육상동물들은 무해한 요산, 요소 등으로 변환시켜 배출하고 수서동물은 바로 배출하여도 물에 녹아 희석되므로 암모니아를 바로 배출한다. 대기 중에는 존재하지 않지만 누출되면 황산에어로졸과 반응해 황산암모늄이 만들어진다.

       플루오르(F₂)는 가장 반응성이 큰 비금속원소이며 신체 각 부위의 조직과 호흡기에 심한 자극을 준다. 플루오르와 플루오르 화합물은 SiO₂를 포함하는 물질(유리, 도자기 등)과 반응하여 기체인 사플루오르화실리콘(SIF4)를 생성하므로 이들은 유리기구에 보관할 수 없고 폴리에틸렌 병에 보관한다. 아주 우독하지만 수돗물에 소량의 플루오르를 첨가하면 치아보존에 좋다는 이유로 첨가하고 있는데 과연 플루오르 첨가가 필요한지에 대한 논의가 계속되고 있다.

        염소(Cl₂)는 강력한 산화제로 살균력을 가지고 있으므로 수돗물의 소독에 사용되고 있다. 인체의 점액막을 자극한다. 염소가 포함된 농약(DDT 등)의 사용으로 인해 생태계파괴가 일어나 지금은 금지되고 있다. 진한염산(HCl) 3부피와 진한질산(HNO₃) 1부피의 혼합액인 왕수는 다른 산에는 녹지 않는 금과 백금을 녹일 수 있다.

        할로젠²⁾ 원소에는 플루오르(F₂), 염소(Cl₂), 브롬(Br₂), 요오드(I₂), 아스타틴(At₂)이 속하며 아스타틴은 방사능원소이다. 색은 분자량이 증가할수록 진해지며 플루오르와 염소는 기체, 브롬은 유일한 비금속 액체, 나머지 두 원소는 고체이다. 브롬도 독성이 있으며 특히 여성이 오래 접촉하면 불임이 되기도 한다 요오드는 승화하는 고체이다. 반응성과 독성은 분자량이 증가하면 감소한다.

        황화수소(H₂S)는 부패한 달걀 냄새를 가지며 1959년 멕시코의 포자리카에서 누출사고로 22명이 질식하여 사망하였다. 기관지를 자극하여 중추신경이 마비된다. 또한 납이 포함된 건물이 검게 변색된다. 유황온천에도 존재하며 곱게 차려입은 귀부인들이 온천에서 얼굴이 검어지자 비명을 지르기도 했다고 한다. 이것은 화장품에 함유된 비스무트(Bi)와 황화수소가 반응하여 검은 색의 황화비스무트(Bi₂S₃)가 생겼기 때문이다.

         바람이 없는 날에 도심의 온도가 주변 지역보다 높아지게 되면 도심의 공기는 상승하고 주변 지역에서 도심으로 바람이 불어온다. 도심에서 생긴 오염물질도 같이 올라가므로 도시의 상공에 오염물질이 쌓이게 된다.

산성비란 무엇인가?

        대기 중에 이산화탄소가 존재하고 있으므로 오염되지 않은 물의 pH는 5.6정도이다. 자동차 배기가스 등의 인간 활동에 의하여 배출되는 질소산화물(NO_x)이나 황산화물(SO_x) 등이 대기 중에 많아지면 산소와 수증기 및 미립자들에 의하여 강한 산성을 가지는 질산(HNO₃)이나 황산(H₂SO₄)이 만들어지며 비나 안개, 눈에 섞여 pH가 5.6보다 낮은 산성비가 내리게 된다.  pH는 수소이온농도의 역수를 상용로그로 표시한 값으로 7이면 중성, 7보다 작으면 산성, 7보다 크면 염기성이라고 한다.

pH = log(1/[H+]) = log[H+]     

        산과 염기의 정의에는 여러 가지가 있지만 수용액에서 산이란 해리하여 수소이온(H⁺)를 만드는 물질이며 염기는 수산이온(OH^-)을 만드는 물질이다. 세기에 따라서 강산, 약산, 강염기, 약염기 등올 분류한다. 강산에는 중요한 무기산들, 염산(HCl), 황산(H₂SO₄), 질산(HNO₃) 등이 속하여 약산은 주로 초산(CH₃COOH) 등의 유기산이다. 알칼리금속과 무거운 알칼리토금속들의 수산화물은 강염기이며 다른 금속이나 암모니아는 약염기이다. 강염기의 예로 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH) 그리고 수산화칼슘(Ca(OH)₂) 등을 들 수 있다. 사람의 체액은 약알칼리성을 유지하고 있다.          질소는 대기 중의 약 80%를 차지하고 있으며 아미노산, 단백질을 구성하고 있는 원소이므로 태초의 동식물에서 생성되는 화석연료에도 함유되어 있다. 이들 화석연료가 연소될 때 질소 성분이 산화되어 질소산화물이 만들어지며 또한 내연기관 등에 주입되는 공기 속의 질소도 산화되어 질소산화물로 변한다. 따라서 화석연료에서 질소 성분을 제거해야 하며 아울러 배기가스에서도 제거해야 한다.

        질소산화물에는 안정한 N₂O, NO, N₂O₃, NO₂, N₂O₅ 등과 불안정한 NO₃이 포함되며, 이 중 NO와 NO₂가 많이 배출되고 또한 유독하므로 대기환경에서 주로 다루는 물질들이다. 이 두 물질을 보통 대기환경에서 질소산화물(NO_x)이라 한다. 내연기관에서 무색의 NO가 주로 생성되며 공기 중의 산소에 의하여 산화되어 곧 적갈색의 NO₂로 변한다. 질소산화물이 물에 용해되면 아질산과 질산이 만들어진다. 특히 질산은 강산이므로 산성비의 직접적인 원인이다. 또한 어린이가 질산염을 섭취하면 질산염이 헤모글로빈과 반응하여 산소 운반이 저해되는 청색증(blue baby)을 일으킨다.

        연료에 포함된 황이 연소되면 이산화황이 만들어지며 이산화황은 촉매가 존재할 때 산소와 반응하여 삼산화황을 만든다. 삼산화황이 수증기와 반응하여 역시 산성비를 생기게 하는 강산인 황산이 생긴다. 공업적으로 황산을 제조하는 방법에는 연실법과 접촉법이 있으며 연실법에서는 이산화황을 납으로 만들어진 방(연실)에서 산화질소를 촉매로 사용하여 삼산화황을 만들며 접촉법에서는 백금촉매로 황산을 만든다.

        산성비는 삼림, 야생동물들에게 피해를 주며 호수가 산성화되어 물고기와 기타 수중생물이 사라지게 한다. 이들을 먹는 소비자 특히 새들의 수도 줄어들게 된다. 새의 식량인 곤충, 식물, 수중 생물이 산성비로 인하여 죽기 때문이다.

        또한 산성비가 내리면 흙에 있는 유독한 중금속을 용해시켜 호수 하천, 공공수원지 등으로 스며들게 하고 빌딩과 조각상들도 손상된다. 물론 사람들의 건강에도 나쁜 영향을 준다. 산성비를 맞으면 머리가 빠져 대머리가 된다고 하는데 아직 주위에서 본 적은 없지만 가능성은 충분히 있다고 생각된다.

        잎이 떨어져 쌓이면 땅 속의 작은 동물과 미생물에 의하여 분해되는데 토양이 산성화되면 분해시키는 미생물이 사라져 지표면에서 50cm의 깊이까지 영향을 미친다. 그리고 과수원에서는 잎의 반점, 과일이 만들어지는 양과 수확량의 감소, 맛이나 당도의 저하 및 모양, 껍질의 손상 등으로 괴일의 상품가치가 크게 떨어진다. 황산화물이나 질소산화물들은 대기 중에서 확산이 잘 되므로 기상조건에 따라 아주 먼 거리까지 이동하여 인접국가에게까지 영향을 주게 된다. 특히 중국이 급속히 산업화됨에 따라 생성된 산성오염물질들이 편서풍을 타고 우리나라로 날아오고 있다. 중국의 황토고원이나 사막지대에서 황사가 발생하여 계속 우리나라로 이동해 특히 봄철에 가시거리가 줄어들곤 했는데 최근에는 황사에 오염물까지 섞여오므로 잘 알고 있듯이 옷이나 몸에 묻어 손상되는 이리 자주 일어나고 있다. 이처럼 다른 환경문제도 마찬가지이지만 산성비문제도 국지적이 아닌 세계적인  문제이므로 공동으로 대처해야 할 것이다.

        산성비 문제를 해결하기 위하여 여러 가지 대책이 논의되고 실행되고 있지만 예를 들면 호수에 석회를 투입해 중화시키는 시도 등이 마련되었으나 별다른 효과를 거두지 못했다. 실질적인 해결방법은 산성비를 만드는 오염물질을 제거하는 것이다. 화석연료에서 발생하는 황과 질소 산화물의 양을 감소시켜야 한다. 나홀로 차가 아닌 카풀제의 활성화 및 자발적인 대중교통이용 등의 방법과 아울러 화석에너지의 의존도를 감소시키며 대체에너지와 신에너지의 개발, 활용이 이루어져야 산성비에 의한 피해를 줄일 수 있을 것이다.