오존이란 무엇인가?

오존이란 무엇인가?

오존의 단위

오존의 양를 나타내는 단위에는 밀도를 나타내는 방법과 농도를 나타내는 방법의 두가지 방법이 있는데 밀도를 나타내는 단위는 Dobson unit(DU)으로 단위 cm3당 오존 분자의 개수로 나타낸다.

1 DU는 약 27,000,000 개/cm3이다.

미국의 경우 오존의 밀도는 300DU이고 밀도가 가장 낮은 남극의 경우 최소 117DU에 해당한다. 농도를 측정하는 단위는 익히 들어 알고 있는 ppm이나 ppb를 사용한다.

오존의 대기 중 농도는 매우 낮기 때문에 ppm보다는 ppb를 더 많이 사용하는데 ppb는 대기 중에 있는 10억개의 분자 중 1개가 Ozone 분자라는 의미이다.

 

자외선에 의한 오존의 생성과 파괴

오존이 생성되는 원인은 여러 가지가 있지만 중간 과정을 생략한 최종 화학식은

 

3O2=2O3 이다.

 

오존의 생성에는

150nm~240nm의 자외선이 작용하고

​

오존의 파괴에는

280nm~320nm의 자외선이 관여한다.

 

이런 작용 때문에 오존에 의해 전혀 흡수되지 않는 320nm보다 큰 파장의 자외선을 UV-A, 오존의 파괴하며 흡수되는 280nm~320nm의 파장을 가지는 자외선을 UV-B, 오존의 생성하며 흡수되는 240nm보다 작은 파장의 자외선을 UV-C 자외선이라고 부른다.

O2에 UV-C 자외선을 쪼여주면 2개의 산소 원자로 분해 된다.

이렇게 분해 된 산소 원자가 다른 산소 분자와 결합하여 오존을 형성하게 되는 것이다.

생성하는 오존의 양에는 가해주는 빛의 강도와 산소 분자의 밀도가 관여하고 파괴되는 오존의 양에는 가해주는 빛의 강도와 오존의 밀도가 관여한다.

빛의 강도는 지표로부터 멀리 떨어질수록 강하고 산소 분자의 밀도는 지표에 가까울수록 크다.

성층권의 오존층이 존재하는 고도는 바로 빛의 강도와 산소 분자의 밀도가 적절하여 생성되는 오존의 양과 파괴되는 오존의 양이 동적 평형을 이루는 높이이다

UV-A는 빛의 에너지가 상대적으로 작아서 화학작용이 약하다.

반면에 UV-B, UV-C는 빛의 에너지가 여러 가지 화학작용을 유발하기 충분한 에너지를 보유하고 있다.

이 때문에 UV-A와는 달리 UV-B와 UV-C가 대기 속에서 갖가지 분자들의 결합과 분해에 관여하며 흡수되는 것이다.

특히 UV-B와 UV-C는 오존의 생성과 분해에 큰 영향을 미치기 때문에 오존층의 감소는 지표에 도달하는 자외선의 양의 증가를 야기하게 된다.

UV-A는 그 강도가 지표상에 사는 생물에 큰 영향을 주지 않는데 우선 UV-A가 가지는 에너지가 작기 때문이고, 지구에 생명이 생기기 시작할 때부터 UV-A는 대부분 지표에 그대로 입사했기 때문에 현존하는 생물들은 UV-A에 이미 잘 적응되어 있기 때문이다.

하지만 UV-B와 UV-C는 현재 오존층에서 97~98%가 흡수되고 있는 환경이기에 지표상의 생물들은 UV-B와 UV-C에 제대로 적응되어 있지 않다.

그러므로 UV-B와 UV-C의 강도의 증가는 생물에 악영향을 주게 된다고 생각되는 것이다.

그런데 UV-C는 오존층의 유무와 관계가 없다.

UV-C는 산소를 오존으로 변환하는 화학반응에 사용되므로 오존이 있건 없건 관계없이, 성층권에 현재와 비슷한 양의 산소만 유지된다면 현재의 성층권역에서 완전히 흡수될 것이다.

그러나 UV-B는 오존의 분해에 관계하기 때문에 오존이 존재하지 않는다면 UV-B는 흡수될 수가 없다.

이 때문에 오존층 문제와 직접적으로 연관되어 있는 자외선은 세 가지 자외선 중 UV-B이며 그 이외의 자외선에 대해서는 중요치 않게 생각하고 있다.

 

자외선이 인체에 미치는 영향

오존과 관련된 인체에 대한 영향은 여러 가지 분야가 있을 수 있지만 여기서는 오존층 파괴로 인해 발생할 수 있는 인체에 대한 영향에 대해 알아본다.

오존층 파괴는 곧, 지표에 도달하는 UV-B의 증가를 의미하므로 자외선의 증가가 인체에 어떤 영향을 미치게 되는지 알아보도록 한다.

햇볕에 피부를 노출시키는 경우 피부가 검게 타는 것을 볼 수 있다.

이는 UV-A와 UV-B자외선의 영향 때문이다. UV-C는 대부분 지표에 도달하지 못한다.

자외선은 흔히 피부에 해를 입히는 것으로 알려져 있지만 한편으로는 인체에서 합성하지 못하는 비타민 D를 생성하고 살균작용을 하는 등 또 다른 면을 지니고 있다.

하지만 자외선은 기미, 주근깨를 생성하고 피부암을 비롯하여 광(빛)에 의한 피부 염증을 유발하는 등 피부 노화의 가장 큰 주범으로 꼽히고 있는 것이 사실이다.

이는 피부 속 수분부족, 영양공급 저해, 엘라스틴 파괴를 일으키는 주범으로 피부 탄력을 잃게 하고 각질을 두껍게 만들기 때문이다.

또 멜라닌 색소를 증가시켜 기미, 주근깨를 만들고 히아루론산과 세라마이드 등 천연 보습 인자의 보습활동이 저해돼 피부가 거칠어진다.

UV-A는 피부를 검게 그을리는 작용이 있다.

하지만 UV-A는 파장이 길기 때문에 피부 깊숙이 침투할 수 있어서 주름과 노화에 영향을 줄 수 있지만 상대적으로 발암 위험은 적은 편이다.

UV-B는 매우 강한 에너지를 가지고 있으므로UV-B가 피부에 노출되는 경우 세포내 유전자의 손상을 입을 수 있다.

이 경우 대부분은 세포가 죽거나 파괴되지만 특별한 경우 무한히 번식하는 "암" 세포가 될 수도 있으며 자외선의 증가가 위험시 되는 가장 큰 원인이다.

1%의 오존 감소는 2%의 UV-B 증가를 유발하고 이 때문에 basal carconoma는 4%, squamous carcinoma는 6% 증가한다고 한다.

그리고 90%의 피부암이 UV-B와 관련되어 있다는 학계 보고도 있다.

basal carcinoma는 발생 빈도가 가장 높은 피부암으로 암세포의 성장 속도가 느리고 다른 곳으로 전이되지도 않는다.

그러나 오랫동안 방치하는 경우 피부를 뚫고 근육이나 뼈까지 이르게 되며 이 경우 치료가 힘들어진다.

squamous carcinoma는 두 번째로 발생 빈도가 높은 피부암으로 다른 곳으로 전이되는 등 basal carcinoma보다는 위험한 암이다.

하지만 이 두 암은 완치율이 95%에 이르기 때문에 조기에만 발견하면 큰 문제가 없다.

반면 melanoma는 매우 치명적인 암으로서 대단히 빠른 속도로 자라고 다른 곳으로 전이된다.

미국 통계를 보면 melanoma는 자외선 일조량이 많은 남부가 북부에 비해 2배나 발생하고 있어서 자외선이 melanoma의 발생에 직접적으로 연관되어 있음을 알게 해준다.

한 연구에서 어렸을 때 화상을 입었던 사람은 melanoma가 발생할 확률이 대단히 높아지는데 자외선에 의한 화상도 마찬가지라는 것을 밝혀내었다.

여러 가지 형태의 피부암은 이미 전 세계에서 빈번하게 발생하고 있어서 미국의 경우 5명당 1명이 피부암을 경험하고 호주에서는 3명당 2명이 피부암을 경험하고 있다고 한다.

다만 melanoma의 자외선과의 연관성은 추측만 있을 뿐 사실로 입증할 만한 데이터가 부족하다.

그리고 자외선의 일조량의 변화는 오존층의 변화보다는 지형적인 혹은 시간적인 변화가 더 커서, 지구상에서 나타나는 오존층의 평균 변동률은 10%내외지만 극지방에서 적도지방으로 이동하는 경우 최대 5000% 더 많은 자외선을 받을 수 있으며 태양의 흑점이 발생하는 경우 평소보다 훨씬 많은 양의 자외선을 받게 된다.

그러므로 자외선의 증가가 피부암에 연관되어 있기는 하지만 이것이 오존층의 파괴로 인한 것보다는 태양 볕에 많이 노출하는 생활 습관이 아직은 더 큰 문제이다.

자외선에 의한 질병 중 대표적인 것 중 하나가 백내장이다.

한 연구에서 1%의 오존층 감소는 백내장의 0.6~0.8%를 유발한다고 한다.

전 세계적으로 1%의 오존층이 감소하는 경우 10만~15만의 맹인들이 발생하게 된다.

UV-B는 다른 형태로도 눈에 손상을 줄 수가 있는데 대표적인 것이 snow-blindness라고 알려진 효과이다.

우리 눈에서 각막은 자외선을 흡수하는 작용을 역할을 한다.

갑작스럽게 많은 자외선이 각막에 조사되는 경우 순간적으로 각막이 뿌옇게 되는데 이는 각막 중 자외선을 흡수하는 물질이 한꺼번에 너무 많이 화학반응이 일어나 원활하게 배출하지 못한 때문이다.

자외선으로부터 눈을 보호하기 위해서 선글라스를 착용하는 경우가 많은데 오히려 이는 눈에 더 안 좋다. 선글라스는 자외선 차단 효과가 크지 않은데 반해 가시광선의 차단은 크기 때문에 그만큼 눈의 조리개가 크게 확장되고 눈에 더 많은 자외선을 쏘이게 되기 때문이다.

위의 인체에 대한 자외선의 위험성은 실험을 통해 혹은 통계 분석을 통해 입증된 사실들이다.

하지만 오존층의 파괴가 인체에 직접적으로 영향을 주지는 않을 것이라는 주장도 있다.

이는 인간이 살고 있는 곳이 대부분이 도시화된 곳이며 도시에서는 광화학 스모그 등의 오염 물질에 의해 자외선이 차단되기 때문에 오존층의 파괴가 곧 인간의 자외선 일조량으로 연결되지는 않는다는 주장이다.

 

광화학 스모그의 주원인중 하나가 바로 오존이며 성층권의 오존층에서 흡수되지 못한 UV-B가 도시 상공의 광화학 스모그안의 오존에 흡수 될 거라는 주장은 설득력 있게 들린다.

물론 이런 주장은 단지 오존층의 파괴로 인해 자외선에 의해 인간이 피해를 입지 않는 다는 것일 뿐이지 오존층의 파괴와 인간의 생존이 무관하다는 주장인 결코 아니다.

이 때문에 오존층의 파괴로 인한 인간에 대한 피해는 직접적이기 보다는 생태계 파괴에 의한 간접적인 영향이 더 크다는 주장이다.

자외선에 의한 환경 영향

UV-B의 인간에 대한 직접적인 영향 외에 UV-B의 환경에 대한 부정적인 영향에 의한 간접적인 영향은 매우 심각한 수준에 이르고 있다.

여러 연구 조사에서 UV-B가 벼의 생장에 부정적인 영향을 준다는 것이 입증되고 있고 지구 온난화, 가뭄, 병충해등과 더불어 식량 생산의 감소의 주 원인중 하나로 부각되고 있다.

자외선이 식물에 영향을 크게 주고 있는 이유는 자외선이 생명 활동을 저하시키는 작용을 하기 때문이다.

이 때문에 식물의 광합성 대사 능력이 떨어지게 되어 성장이 둔화된다. 특히 대부분의 식물들은 태양빛을 많이 받기 위해 입사 면적이 크고 일조량도 많기 때문에 UV-B에 의한 영향을 동물에 비해 더 현저하게 받고 있다.

(광합성 대사 능력 , 회복 능력, 효소 활성 둔화)

각종 식물들은 모든 동물들의 1차 에너지원으로서 이들의 감소는 필연적으로 인간과 동물들의 생존에도 위협이 되고 있다.

한 예로 아프리카의 경우 30년간 식량 생산 능력은 22% 감소한 반면 인구는 40%가 증가해서 극심한 식량난에 허덕이고 있다.

UV-B에 의한 1차 생산자에 대한 부정적인 영향은 해양에서도 마찬가지이다.

해양에서의 가장 중요한 1차 생산자는 phytoplankton으로 모든 어패류의 근본적인 에너지원이 된다.

연구 조사에 의하면 phytoplankton에 자외선을 가하는 경우 대사 능력이 떨어져 생장이 억제된다고 주장했다.

또한 전반적으로 phytoplankton의 분포가 수면 아래로 이동하게 되는데 수면 아래에서는 광합성에 필요한 가시광선의 양이 적어 광합성의 양이 필연적으로 줄게 되고 생장도 감소하게 된다고 한다.

통계조사에서 오존층이 16% 감소하는 경우 phytoplankton은 5%정도 감소하며 전체적으로 해양에 살고 있는 모든 생물의 7%가 감소하게 된다.

이 통계는 남극의 오존층과 해양 생물의 역학관계를 조사하여 얻은 결론이다.

자외선에 의한 phytoplankton의 감소 외에도 자외선은 여러 해양 생물의 알이나 부화 직후의 유충들에 부정적인 영향을 주어 이들의 생장을 억제하거나 고사시키는 작용을 하기도 한다.

오존층의 파괴와 관련된 또 하나의 가설은 온실 효과와의 상호 증폭 효과이다.

물론 오존 효과와 오존층 파괴에는 관여하는 물질이 전혀 다르다.

오존 문제에 관여하는 물질은 O3, O2, CFC 등이고 온실 효과에 관여하는 물질은 CO2, SO3등이다.

겉보기에는 전혀 상관없는 것 같이 보이지만, 오존층이 파괴되어 자외선이 증가하고 이에 따라 식물의 광합성 작용이 둔화되면 결국 탄소 동화되어 공기 중에서 사라지는 CO2의 양이 점점 줄어들고 결과적으로 대기 중의 CO2의 양이 많아진다.

이 때문에 온실 효과가 가중되고 온실효과는 지구 표면에서 복사되거나 반사되는 에너지를 대류 권 안에 가두기 때문에 오존층이 존재하는 성층권의 온도를 내려가게 한다.

이에 따라 성층권에서는 보다 많은 성층권 구름이 발생하고 이 속에서 Cl(염소)의 촉매작용이 매우 활성화되어 빠른 속도로 오존층을 파괴한다.

그리고 파괴된 오존층은 더 많은 자외선을 지표에 도달시키고 이에 따라 대기 중의 CO2의 양은 점점 더 많아지게 된다.

물론 이 가설은 논리적으로 타당성이 있지만 아직까지는 가시적으로 현상이 발견되지는 않고 있다.

하지만 중요한 것은 이 작용이 상호 증폭적인 작용이며 상호 증폭적인 작용이란 다시 말해 대기 중의 CO2의 양과 지표에 도달하는 자외선의 양이 시간에 따라 기하급수적으로 증가할 수 있다는 것이다.

현재는 미미하지만 얼마 안가서 가시적인 현상이 발견될 쯤에는 더 이상 것 잡을 수 없는 상황에 이를 수 있다고 경고하고 있는 것이다.

오존의 인간에 대한 직접적인 영향

지표로부터 10km 상공까지의 대류권에만 지구 전체의 오존의 10%이상이 존재하고 있다.

오존은 강력한 산화제이기 때문에 인체에 직접적으로 노출되는 경우 호흡기 및 피부에 매우 안 좋은 영향을 준다.

오존 농도가 일정 수준이상 증가하는 경우 호흡기와 눈에 자극을 받아 기침이 나거나 눈이 따끔거리게 되고 두통이 발생하고 숨을 쉬기가 곤란해지고 심하면 폐기능이 저하되기도 한다.

또한 농작물의 생장에 큰 피해를 주기도 한다.

구체적으로 살펴보면 대기 중 오존 농도가 0.12ppm이상인 경우 눈과 코에 자극이 오고 두통이 발생하고 호흡수가 증가하며 불안감을 느끼게 된다.

오존 농도가 0.3ppm이상이 되는 경우 호흡기에 직접적으로 자극이 오고 가슴을 압박하고 시력이 감소하게 된다.

오존 농도가 0.5ppm이상인 경우에는 폐기능이 심각하게 저하되고 기관지를 자극하며 심하면 폐혈 증까지도 발생할 수 있다.

오존은 인체보다는 식물에 더 큰 영향을 미치는데 이는 오존에 노출되는 시간이 더 많기 때문이다.

무의 경우 오존 농도가 0.05ppm인 경우 수확량이 50%감소하고 카네이션은 농도가 0.07ppm인 경우 개화가 60% 감소한다고 한다.

담배의 경우도 오존 농도가 0.1ppm으로 5시간만 노출되어도 꽃가루의 생산이 50% 감소하게 된다고 한다.

지상에서의 오존의 발생 원인과 예방 대책

대류권의 오존 농도가 인간에게 직접적인 영향을 주게 된 것은 산업화에 의해 도시나 공업단지 주변에 오존을 발생시킬 수 있는 물질들이 많이 존재하기 때문이다.

오염 물질들은 자동차의 배기가스나 공장의 매연 등에 의해 발생하며, 이들에는 오존 자체도 있지만 그보다는 질소산화물(NOx)나 탄화수소(HCx)등의 중간물질들이 태양빛을 받아 "광화학"반응에 의해 오존을 생성하게 된다.

이 때문에 도시속의 오존을 많이 포함하고 있는 뿌연 안개를 광화학 스모그라고 하는데 이것에는 오존과 함께 인체에 해로운 각종 물질들이 포함되어 있다.

통계에 의하면 질소산화물(NOx)은 49%가 자동차 매연에서 발생하며 휘발성 유기화합물은 35%가 자동차 매연에서 발생한다고 한다.

오존은 햇빛이 강하고 맑은 여름철 오후 2~5시경에 많이 발생하며 특히 바람이 불지 않을 때 더 욱 많이 발생한다.

이 때문에 국내에서는 자동차의 질소산화물 및 휘발성 유기화합물의 배출을 엄격히 규제하고 있는데 승용차의 경우 질소 산화물을 1km당 0.9g, 버스의 경우 1km당 9.0g이하를 허용 기준으로 삼고 있다.

아울러 오존 문제에 대한 국민적 홍보 및 교육을 위해 오존 경보 제를 도입하여 실시하고 있다.

오존 경보 제는 오존에 의한 인체에 대한 피해가 우려되는 경우 이의 정도에 따라서 주의보, 경보, 중대경보를 발령하도록 하고 있다.

 

오존 주의보는 대기 중 오존 농도가 0.12ppm이상인 경우, 오존 경보는 오존 농도가 0.3ppm이상인 경우, 오존 중대 경보는 오존 농도가 0.5ppm이상인 경우 발령된다.

오존 경보 제가 처음 도입된 이래 지속적으로 발령 횟수가 증가하고 있다.

오존 경보제가 처음 도입된 95년의 경우 7월 22에 서울 불광동과 길음동에서 오존 주의보가 발령되었지만 96년에는 11곳, 97년에는 서울에서만 16곳, 전국적으로는 24건이 발령되었다.

발령시점의 오존의 농도도 지속적으로 증가하여 95년에는 0.109 ppm수준이었지만 97년에는 0.14ppm까지 증가했었으나 사회적인 노력에 힘입어 0.12ppm 수준에서 유지되고 있다.

물론 이 농도들은 발령 시점의 농도이며 평소의 오존 농도는 이보다는 낮다.

오존 주의보나 경보가 발생하는 경우 권장되는 대비책은 외출을 삼가고 외출 시에는 대중교통을 이용하라는 것이다.

오존 경보제와 함께 97년에는 오존 예보제의 도입해 활용하고 있다. 오존 예보 제란 다음 날의 오존 농도를 예측하여 대국민 홍보를 통해 차량 통행 및 오염물질 방출을 줄이자는 계획이다.

Q오존은 어떤 가스입니까?

산소분자 O2에 활성산소 O가 작용하여 생성하는 것으로 화학식은 O3입니다.

근래에는 [오존층파괴]등이라고 하는 말이 자주 듣습니다만, 대기중에는, 자외선이 강한 해안지방에서 0.05ppm, 통상의 대기로 0.005ppm정도 존재합니다.

강력한 산화력을 가지므로, 용도로는, 살균·소독, 표백제, 유기합성의 산화제등에 이용되고 있습니다.

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Q인체에 미치는 영향은?

오존은 강산화성이기 때문에 저농도로도 눈, 코, 목 점막을 자극하며, 고농도로는 기관지 및 폐에 강한 장애를 줍니다.

급성중독은 흉부통, 어지럼증, 피로 등을 나타내며 심하면 폐수종, 호흡곤란으로 인한 경련 등을 유발하여 사망하기도 합니다.

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오존(ppm) 작용

0.01~0.02 취기를 느끼지만 곧 익숙해진다.

0.1 취기가 강하고 코, 목에 자극을 느낀다.

0.5 상부기도의 자극과 두통, 현기증, 피로감이 생긴다.

1 호흡기 장애가 발생한다.

10 직업성 노출에서는 폐수종, 기관지염이 발생했다.

50 단시간에 생명 위험.

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허용 농도

0.1ppm 0.2mg/m3(일본산업위생학회 2016년)

중노동: 0.05ppm, 중노동: 0.08ppm, 경노동: 0.1ppm,

2시간 이내 경·중·중노동: 0.2ppm(TWA)

(ACGIH 2016년)

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Q오존의 분석 및 측정 방법에는 어떤 것이 있습니까?

대표적인 분석법으로는 요오드화칼륨법이 있습니다.

요오드화칼륨 용액에 오존을 흡수시켜 흡광 광도법에 따라 농도를 구합니다.

또, 측정기로는, 자외선 흡수식, 화학 발광식, 정전위 전해식, 갈바니 전지식 등이 실용화되고 있습니다.

기타 간이 측정법의 검지관 방식이 있습니다.

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