대기오염으로 인해 성층권의 오존층이 파괴되고 있다는 기사를 종종 접하곤 한다. 오존은 흔히들 알고 있듯이, 자외선을 차단하는 지구의 보호막과 같은 역할을 하고 있다. 오존은 과연 어떤 원리로 자외선을 막아주며 어떤 성질을 가지고 있을까? 또한 이 오존을 파괴하는 물질은 어떤 것이며, 어떻게 오존을 파괴할까?




대기 중에서 불꽃 방전이 일어날 때 강한 냄새를 띈 연푸른빛의 기체가 생기는 것은 이미 18세기 후반부터 알려졌다. 그러나, 오늘날 오존으로 불리는 이 기체의 발견은 독일과학자 F. C. Schoenbein이 파리과학원에 “몇 화학반응에서의 냄새의 성질에 관한 연구”라는 논문을 발표한 1840년이 그 기원이다.



당시 스위스 바젤 대학의 화학과 교수였던 Schoenbein은 “냄새가 나다”라는 뜻을 가진 희랍어 ozein으로부터 이 기체를 오존 (ozone) 이라 명명하였다. 그 후 프랑스 과학자 J. L. Soret는 산소가 산소원자 두 개로 만들어지는 분자구조를 가지는 물질임에 반하여, 오존은 세 개의 산소원자로 이루어진 분자구조를 가지고 있음을 밝혔다.




이러한 오존은 햇빛 등 주위의 전자파를 흡수하며 쉽게 분해되어 다시 안정한 이원자구조의 산소로 바뀌면서, 여분의 제3의 산소원자를 주위의 물질들에게 쉽게 내어주는 강한 산화력을 가진 활성이 있는 기체이다.



오존의 강력한 산화력을 이용하여 해로운 박테리아를 제거하는 공기청정 장치로서 오존 발생기가 이용되기도 한다. 그러나 농도가 커지면 주위의 많은 물질들에게 파괴적인 효과를 나타내는데, 고무가 탄력을 잃게 되고, 나일론 등이 약해지며, 식물의 잎, 사람의 폐 등 생물조직에 치명적 영향을 줄 수도 있다.



그러나 그림의 수직분포에서 알 수 있듯이, 오존은 지표상에서는 다행스럽게도 그 농도가 매우 작고 대부분 성층권 내의 지상 20-40 km에 분포하며 오존층을 형성하고 있다. 여기에서 오존은 태양으로부터 오는 자외선을 흡수하여, 강한 에너지를 가진 자외선으로부터 지상에 살고 있는 생물들을 보호하는 역할을 하고 있다.



보통 대기의 구조는 대기의 수직 온도 분포에 따라 대류권, 성층권, 중간권 그리고 열권 등으로 나누어진다. 대류권은 지표면으로부터 약 10 ～ 15 km 고도에 걸쳐 위치하며 고도가 상승할수록 평균 6.5℃의 감율로 기온이 하강하여 대류권 상층부(계절별, 위도별 차이는 있으나 평균 11 km 고도) 에서 약 -56 ℃(217 K)의 기온을 나타낸다. 이와 같이 고도가 상승할수록 기온이 낮아져 불안정한 대기층을 이루어 대류 운동이 활발하게 일어나는 기층을 대류권이라 한다.








대류권 상층부로부터 약 50 km 고도까지는 기온이 계속 상승하여 약 50 km 고도에서 0℃(273 K)의 기온을 나타내는 안정한 대기층으로 주로 분자 확산에 의해 기체의 이동이 이루어지는데, 이 층을 성층권이라 한다. 대기 중에 포함되어 있는 오존전량(total ozone)의 약 90 %는 성층권에 포함되어 있고 나머지 10 %는 대류권에 포함되어 있다. 특히 성층권 내에서도 25 km 부근에 오존이 밀집되어 있는데 이 층을 오존층(ozone layer)이라 한다.




오존층의 파괴에 의한 태양으로부터 지구에 도달하는 UV-B(280～320 nm)는 인체의 피부와 눈에 해로우며 또한 면역체와 비타민 D의 합성에 악영향을 끼친다. 특히 290 nm의 파장에서는 돌연변이와 피부종양을 일으키는 원인 물질의 생성율이 330 nm의 파장에서 보다 천 배 더 크다. 일반적으로 성층권의 오존농도가 1% 감소하면 UV-B의 양은 2% 증가하고 비 melanoma계 피부암의 발생율은 약 4% 증가하며, 백내장은 0.6% 증가하여 시력을 잃는 사람이 매년 10만 명 이상 증가할 것으로 예상되고 있다. 또한 과도한 자외선 노출은 인체의 면역 기능을 저하시켜 폐결핵 등 전염병의 예방이 어렵게 된다.

피부암에 관한 연구 결과에 의하면 흑인에 비해 백인이 자외선에 더 민감하며 약품, 비누, 화장품, 세척제 등에 들어있는 화학물질들이 자외선에 대해 피부가 더욱 민감하게 반응하도록 한다. 따라서 자외선에 실제 노출된 것보다 영향은 더욱 커질 수 있다.



이 밖에도 UV-B가 증가할 경우 해양생태계의 먹이사슬에 중요한 역할을 맡고 있는 플랑크톤의 체질을 변화시켜 생산량 감소에 따른 해양의 먹이 사슬이 파괴될 수 있다. 육상 식물에는 개화 감소, 잎 크기 감소, 엽공의 운동조직에 나쁜 영향을 미쳐 돌연변이 발생과 농산물 수확 감소를 초래할 것으로 예상된다.









◎ 오존층 파괴 현황


-1974년 캘리포니아 대학의 모리나(Molina)와 로우랜드(Rowland) 박사는 염화불화탄소 (CFC, 일명 프레온 가스)가 오존층을 파괴한다는 내용의 논문을 과학 잡지 에 처음 발표하였다. 그후 1985년에 1957년이래 남극 오존층을 정기적으로 관측하고 있는 영국 조사팀에 의해 남극 오존층 파괴 현상이 처음 발견되었다.
-1987년 10월에는 소위 오존홀이라고 명명된 오존층 파괴가 현저하게 나타났고, 오존층 파괴가 가장 심각한 남극 15 ∼ 20 km 고도 내에서 오존전량의 약 95 %가 파괴되었으며, 핼리 만(Halley Bay)에서 관측된 오존전량은 1970년 오존전량의 반 이하로 감소됨이 밝혀졌다. 또한 과학자들은 그 후에도 1989 ∼ 1990년 동안에 오존층은 아주 심각하게 파괴되었으며, 1979년이래 전지구적 오존전량은 년 3 %정도 감소되고 있음을 발견하였다.



현재 전세계 도처에서 오존층이 엷어지고 있는 현상이 끊임없이 나타나고, 최근 인공위성 님버스 7호(NIMBUS-7)의 오존전량측정기(TOMS)로 관측된 자료를 재분석한 결과, 과거 12년 동안 북반구에서 6 ∼ 8 %의 오존이 감소되었고 특히 4 ∼ 5월에 4 ∼ 6 %의 오존이 감소됨이 밝혀졌다.




◎ 오존층 파괴 원인


1974년 모리나와 로우랜드 박사에 의해 성층권 오존이 프레온 가스(CFCs)에 의해 파괴 된다고 발표된 후 11년이 경과한 1985년에 영국 남극 조사팀의 관측 자료를 통해 프레온가스는 오존 파괴의 주범으로 입증되었고 성층권 화학에 중요한 기체로 등장하게 되었다.



프레온 가스는 매우 안전하기 때문에 낮은 대기권에서는 분해되지 않으며 성층권까지 수송된 후 자외선에 의해 분해되어 오존 파괴의 촉매자로 작용하는 염소 분자(Cl)를 방출하게 된다. (Cl + O3 –> ClO + O2) 오존층이 파괴된 후 염소는 재생되므로 하나의 염소 분자는 수천에서 수십만개의 오존을 파괴할 수 있다.










하늘 높은 곳에서 일어나는 오존의 화학은 더욱 신비롭다. 표면의 온도가 6천도에 이르는 태양에서 쏟아져 들어오는 햇빛에는 엄청난 양의 자외선이 들어있다. 보라색보다 파장이 더 짧아서 사람에게는 보이지도 않는 자외선(UV)은 세 종류로 나뉜다.




◎ 파장이 400~310 나노미터인 자외선 A


파장이 길어 피부 진피층까지 투과하고, 자외선 B와 비교해 볼 때 작용이 자연적인 홍반을 초래하지 않지만 피부를 검게 태운다. 구름, 안개, 창문을 투과하기 때문에 쇼핑이나 가벼운 외출활동 중에 장애가 축척되고 피부에 여러 가지 작용을 주기 때문에 “생활자외선” 이라고 한다.





◎ 파장이 310~220 나노미터의 자외선 B


피부에 화상을 입히고 인체의 면역 능력을 저하시킨다. 주로 피부표면의 표피층에 작용하고, 작용이 급격해서 홍반을 일으킨다. 해수욕, 스키 등의 스포츠 레저 활동 시 일광화상의 주요인이 되고 인체의 면역 기능을 저하시키기 때문에 “레져 자외선” 이라고 한다.




◎파장이 220~180 나노미터인 자외선 C


생명체를 구성하는 분자들을 파괴시켜 버린다. 농부들의 피부가 검고 단단한 것이 바로 그런 자외선 때문이다.

다행히도 동식물에게 위험한 자외선은 산소가 포함된 대기층을 통과하지 못한다. 지상 10~40 킬로미터의 성층권에 도달한 자외선 C가 산소 분자(O2)에 흡수되면 오존(O3)이 만들어진다. 그리고 오존은 다시 자외선 B를 흡수하면서 산소 분자로 되돌아간다.



그 결과 지상 25킬로미터 상공에는 오존의 농도가 10ppm 정도인 투명한 ‘오존층’이 만들어지고, 그곳에서 지구에 도달하는 자외선의 95~99%가 흡수된다. 결국 대기 중의 산소는 지구상의 생명체를 직접 먹여 살릴 뿐만 아니라, 자외선을 막아주는 구원자의 역할도 하고 있는 셈이다.



최근에는 그런 오존의 양이 줄어들면서 지표에 도달하는 자외선 B가 늘어나기 때문에 문제가 되고 있다. 특히 야외 활동이 적어서 피부가 약한 도시인들에게는 더욱 걱정스러운 일이다.



프레온 가스는 화장품 등 스프레이 제품의 가스, 냉장고나 냉각기의 냉매, 소화제, 반도체, 등 전자제품이나 정밀기계의 제조용 세정제 등에 폭넓게 사용 되는 물질이다. 프레온 가스가 광범위 하게 사용되는 것은 다음과 같은 우수한 성질을 지녔기 때문이다.

○ 같은 정도의 분자량을 갖는 유기화합물과 비교하여 비점이 극히 낮다.

○ 인체에 대해 독성이 적다.

○ 무색, 무취, 불연성으로 폭발하지 않는다.

○ 산이나 알카리에 대해 안정적이다.

○ 기름을 잘 녹인다.

○ 표면장력이 작다.



프레온가스는 불연성이고 화학적으로 안정적이기 때문에 대부분 냉각가스로 사용되었다. 냉장고에서부터 자동차 에어컨까지 그 용도는 굉장히 다양하다. 하지만 프레온 가스는 공기 중에서 분해되지 않고 계속 상승하다가 성층권에 이르러 자외선에 의해 염소분자가 분해되어 오존층을 파괴한다. 오존층은 태양의 자외선을 흡수하는 기능을 하기 때문에 지표면의 자외선 양을 조절하는 기능을 한다. 지구는 자전을 하기 때문에 그 힘에 의해 프레온가스는 지구의 양극지방의 대기에 많이 모이게 되고 그 결과 남극지방의 오존층이 상당히 많이 파괴되었다.




① 프레온 가스 규제


프레온가스와 오존층의 관계가 지적되면서 프레온 가스를 포함하는 에어로솔 제품의 규제가 미국을 중심으로 몇 개 선진국을 중심으로 실시되기 시작하였다. 오존층 보호운동이 구체화되기 시작한 것이다. 1970년대 말에서 1980년대 초에는 미국에 이어 네덜란드, 스웨덴, 캐나다, 노르웨이, 등이 각각 법적규제를 실시, 각국에서의 프레온가스 생산량은 현저하게 감소하였다.




② 몬트리올 의정서


프레온 가스 규제를 실시하였음에도 불구하고 1983년 이후에는 다시 세계 프레온 가스 생산량이 증가하기 시작했다. 그리고 1984년에는 남극에서 오존홀이 발견되면서 프레온 가스에 의한 오존층 파괴가 현실적인 문제로 등장하게 되었다. 이에 따라 유엔환경계획을 중심으로 오존층 보호규제 움직임이 일기 시작하여, 오존층 보호를 위한 조약을 체결하였다. 뒤이어 최초의 국제적 프레온 규제 조약인 {오존층을 파괴하는 물질에 관한 몬트리올 의정서}가 채택되었다.




③ 프레온 가스의 대체물질 및 문제점


최근 규제대상 프레온가스에 대한 대체물질로 개발되고 있는 것이 하이드로플루오로카본과 하이드로클로로플루오로카본류 이다. 이들 물질에는 수소가 함유되어 있기 때문에 대류권에서도 분해가 일어난다는 특징을 갖고 있다. 그러나 이것의 오존층 파괴능력은 규제대상 프레온가스의 1/10 이하이지만 문제점이 없는 것은 아니다.
a. 온실효과 기체로서 작용한다. 따라서 이들이 대량으로 소비될 경우 지구 온난화에 영향을 준다.

b. 환경 중에 배출된 경우 다른 대기 물질과 반응하여 새로운 환경문제를 일으킬 가능성이 있다.

c. 이들은 화학적으로 불안정하므로 개개의 물질에 대한 충분한 안정성 시험을 행할 필요가 있다. 이들은 열분해에 의해 유독기체가 발생하게 된다.
오존층의 파괴는 지구온난화와 더불어 유례없이 전세계적인 환경 이슈가 되었고, 과학적 사실과 증거들에 의해 전세계 정책 입안자들이 관심을 가지게 되어 전지구적인 차원의 대책이 수립되었고 실천되고 있다. 특히 CFC 등 오존층 파괴 물질이라고 의심되었던 물질들의 오존층 파괴 메커니즘이 밝혀짐에 따라 몬트리올 의정서로 대표되는 국제적인 협약이 체결되었고 선진국에서 CFC는 전면 생산이 금지되기도 하였다.



그러나 1999년 4월 Nature 지에 발표된 미 국립해양대기관리국의 연구결과에 의하면 비록 CFC는 규제되고 있지만 CFC-12의 농도는 실제로 증가했으며, CFC-11는 약간 감소했다고 한다. 또한 오존층을 파괴하는 브롬이 포함된 H-1211는 대체제로 H-1211이 있으나 대기중의 농도가 증가하고 있어서 문제가 되고 있다. 더구나 CFC는 개발도상국에서는 2010년까지 제한적으로 제조가 허가되었다. CFC-11은 45년 동안 공기 중에 남아 있게 되며 버려진 에어콘, 발포 스티로폼 등에서 계속 방출되고 있다.
따라서 단순히 CFC 및 오존층 파괴 물질을 규제하는 것보다는 기존의 CFC를 사용하여 생산했던 폐기물들에서 CFC를 분리 회수하는 능동적인 자세로의 전환이 시급하다. 또한 CFC의 대체물을 더욱 개발하여 응용해야 한다.





◎ 멜라노탄


‘멜라노탄(Melanotan)’이라고 명명된 이 먹는 자외선 차단제는 피부의 멜라닌 색소 생산을 자극하는 약으로서 임상시험 결과 “멜라닌 색소가 피부를 태양의 자외선으로부터 보호하는 데 매우 중요한 역할을 한다는 사실을 보여주고 있다”고 바네스톤 박사는 밝혔다.
그는 이어 호주가 세계에서 가장 피부암 발생률이 높은 나라인 만큼 차단제 개발은 향후 호주가 피부암에서 탈출하는 돌파구가 될 수 있을 것이라고 이 약의 의의를 설명했다.
이에 대해 시드니에 위치한 한 병원의 피부과 전문의도 “멜라닌 색소는 체내에서 생성되는 자연적인 ‘선스크린 크림’이기 때문에 멜라노탄이 ‘내복용 선스크린 크림’ 역할을 할 수 있을 것으로 생각된다”고 논평했다.
에피탄 제약회사는 이번에 개발된 멜라노탄이 피부암을 막아주는 점 외에도 피부를 태우지 않고 안전하게 일광욕을 즐길 수 있는 또 하나의 이점이 있다고 밝혔다. 이밖에 일광욕을 하지 않고도 일광욕을 한 것과 같은 피부색을 갖기 원하는 사람들에게도 환영 받을 수 있을 것이라고 덧붙였다.
피부과 전문의들은 호주의 여름철엔 UV25 이상 자외선 크림을 4시간 단위로 지속적으로 발라줘야 자외선 차단 효과가 있고, 피부암 방지차원에서 자외선이 가장 강한 시기인 오전 10시부터 오후 2시까지의 일광욕을 자제할 것을 강조해왔다.




기초화장 (피부정돈) 클렌징, 토너(스킨)와 모이스처라이저(로션, 에멀전, 에센스 등).

화장이 잘 먹으려면 우선 세수를 깨끗하게 한 후 스킨을 충분히 화장솜에 묻혀서 얼굴에 슥슥 잘 문지른다. 잘 먹게 하려면 솜으로 통통 두드려주고, 로션도 잘 먹게 잠시 눌러주고, 로션 정도는 그냥 손으로 바른다. 화장품의 온도가 얼굴의 온도보다 낮으므로 잠시 손을 대고 있으면 온도가 비슷해져서 잘 먹는 것이다. 트러블이 자주 생기는 피부라면 알콜이 든 강한 토너를 생략하고 로션만 바르거나, 자기 피부에 맞는 무알콜 토너를 찾아 바른다. 지성 피부는 유분이 없고 수분공급에 주력하는 로션을 택한다.




자외선 차단 그 다음은 메이크업 베이스 혹은 자외선 차단제이다.

평소에는 자외선차단지수 15 이상의(SPF 15) 메이크업 베이스, 파운데이션 혹은 그냥 자외선차단제를 발라야 한다. 반드시 UVA, UVB를 다 커버하는 것을 사야한다. 화장품 이름 뒤에 ‘SPF 숫자’ 이런 식으로 표기되어 있다. 자외선 차단제는 유효 성분이 표시된 것을 잘 확인하고, 로션이나 스킨으로 묽게 만들어 바르지 말고 5백원 동전이나 대추알 크기만큼 넉넉히 발라준다. 얇게 바르면 효과가 전혀 없다. 가능하면 몇 시간마다 덧발라주는 것이 효과적이다.