지상 오존

Ground level ozone
1979년부터 2000년까지 돕슨 유닛의 대류권 오존의 계절 평균 수직 기둥. 6~8월 광화학 오존 생성은 미국과 중국 동해안에서 매우 높은 농도를 일으킨다.

지상 오존(O3)도 대류권 오존은 대류권(지구 대기의 가장 낮은 수준)의 미량가스로서 부피(ppbv)별로 평균 20~30ppm의 농도로 오염지역에서는 100ppb에 육박한다.[1][2] 오존은 또한 성층권의 중요한 구성 요소로서, 오존층이 존재하는 곳이며, 오존층은 지구 표면에서 10~50km 위에 위치한다.[3] 대류권은 지상에서 해발 약 14km의 가변 높이까지 뻗어 있다. 오존은 대류권의 지상층(혹은 행성 경계층)에 가장 적게 집중된다. 지상 수준 또는 대류권 오존은 질소산화물(NOx 가스)과 휘발성 유기화합물(VOCs) 사이의 화학 반응에 의해 생성된다. 햇빛을 쬐는 곳에서 이 화학물질들의 조합은 오존을 형성한다. 해발고도가 높아질수록 농도가 높아지며, 대류권에서는 최대 농도가 된다.[4] 대기 중 총 오존의 약 90%가 성층권에 있고, 10%는 대류권에 있다.[5] 대류권 오존은 성층권 오존보다 농도가 낮지만 건강에 미치는 영향 때문에 우려된다.[6] 대류권의 오존은 온실가스로 간주되며, 지구 온난화의 원인이 될 수 있다.[4][6]

오존과 관련된 광화학 및 화학 반응은 대류권에서 일어나는 많은 화학적 과정을 낮과 밤으로 유도한다. 비정상적으로 높은 농도(화석연료 연소에 의한 배출량이 가장 큰 원인)에서는 오염물질이며, 스모그 성분이다.[7][6] NOx 가스와 휘발성유기화합물(VOCs)은 연소의 부산물 중 일부여서 산업혁명 이후 그 수준이 크게 높아졌다.[8] 여름철에 더 많은 열과 햇빛이 내리쬐면서 오존이 더 많이 형성되는 것이 지역들이 여름철에 더 높은 수준의 오염을 경험하는 이유다.[9] 비록 같은 분자일지라도, 지상 오존은 과도한 자외선으로 지구를 보호하는 성층권 오존과 달리 우리 건강에 해로울 수 있다.[8]

오존의 광분해는 약 310~320나노미터 이하의 파장에서 발생한다.[10][11] 이 반응은 산화 작용을 통해 대기에서 일산화탄소, 메탄 및 기타 탄화수소를 제거하는 일련의 화학반응을 일으킨다. 따라서 대류권 오존의 농도는 이러한 화합물이 공기 중에 얼마나 오래 머무르는지에 영향을 미친다. 일산화탄소나 메탄의 산화가 일산화탄소(NO)의 존재에서 발생하는 경우, 이 연쇄반응은 오존의 순생산을 시스템에 추가한다.[2][6]

측정

대기 중 오존은 원격 감지 기술이나 현장 모니터링 기술로 측정할 수 있다. 오존은 UV 스펙트럼에서 빛을 흡수하기 때문에 오존을 측정하는 가장 일반적인 방법은 이 빛 스펙트럼이 대기에 얼마나 흡수되는지 측정하는 것이다.[12][13] 성층권은 대류권보다 오존 농도가 높기 때문에 원격 감지기가 농도 측정과 함께 고도를 결정할 수 있는 것이 중요하다. NASA의 인공위성에 탑재된 총 오존 지도 분광계-지구 탐사선(TOMS-EP)은 오존층 측정 위성의 예이며 [14]대류권 방출 분광계(TES)는 대류권 전용 오존 측정 위성의 예다.[15] LIDAR은 레이저를 이용해 오존을 측정하는 공통 접지 기반 원격 감지 기법이다. 대류권 오존 라이다 네트워크(TOLNet)는 미국 전역의 리다를 관측하는 오존 네트워크다.[16]

오조네온데스는 상황, 즉 지역 오존 측정기의 일종이다. 기상 관측 기구에는 오조네데드(ozononde)가 부착되어 있어 기구가 풍선 상행로를 따라 다양한 고도에서 오존 농도를 직접 측정할 수 있다. 풍선에 부착된 계기로부터 수집된 정보는 라디오존드 기술을 사용하여 다시 전송된다.[12] NOAA는 오존층을 이용한 대류권 오존 측정의 글로벌 네트워크를 구축하기 위해 노력해왔다.[17]

오존은 대기질 환경감시망에서도 측정된다. 이들 네트워크에서는 오존의 자외선 흡수 특성에 기초한 현장 오존 감시기를 사용하여 대기 중 ppb-수준을 측정한다.

총 대기 오존(기상보도에서 가끔 볼 수 있음)은 표면에서 대기권 상단으로의 컬럼에서 측정되며, 고농도 성층권 오존이 지배한다. 이러한 목적을 위한 대표적인 측정 단위로는 돕슨 유닛과 평방미터당 밀리몰(mmol/m2)이 있다.

포메이션

대류권 오존 형성의 대부분은 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO) 및 휘발성 유기화합물(VOCs)이 햇빛, 특히 UV 스펙트럼이 존재하는 곳에서 대기 중에 반응할 때 발생한다. NOx, CO, VOCs는 오존 전구체로 간주된다.[7][6] 자동차 배기가스, 산업 배출 및 화학 용제는 이러한 오존 전구체의 주요 인공 발생원이다.[6] 오존 전구체는 종종 도시 지역에서 발생하지만, 바람은 수백 킬로미터의 NOx를 운반할 수 있어 인구가 적은 지역에서도 오존 형성이 발생한다. 지난 세기 동안 대기 중 농도가 엄청나게 증가한 VOCs인 메탄은 오존 생성에 기여하지만 지역이나 지역 광화학 스모그 에피소드보다는 전지구적 규모에 기여한다. 이러한 물질 VOC 그룹에서 메탄의 배제가 명확하지 않은 상황에서는 Non-Methane VOC(NMVOC)라는 용어를 자주 사용한다.

대류권 오존 형성과 관련된 화학반응은 일산화탄소와 VOCs가 수증기와 이산화탄소로 산화되는 일련의 복잡한 사이클이다. 이 과정에 관련된 반응은 CO와 함께 여기에 설명되어 있지만, VOC에도 유사한 반응이 일어난다. 산화는 히드록실 래디컬(•OH)과 CO의 반응으로 시작된다.[11] 이것에 의해 형성된 급진적 중간은 산소와 빠르게 반응하여 과산화질소(peroxy ratical HO
2•)를 발생시킨다.

O를3 생성하는 CO 산화에 발생하는 연쇄 반응의 개요:[2][11]

반응은 히드록실 래디컬(•OH)에 의한 CO 산화로 시작된다. 래디컬 인덕트(•HOCO)는 불안정하며 산소와 빠르게 반응하여 과산화 래디컬인 HO2•:

•OH + CO → •HOCO
•HOCO + O2 → HO2• + CO2

그런 다음 과산화-방사선들은 NO를 생성하기 위해 NO를2 계속 반응하는데, NO는 UV-A 방사선에 의해 광학 처리되어 지상의 원자 산소를 공급하고, 그 다음 분자 산소와 반응하여 오존을 형성한다.[1]

HO2• + NO → •OH + NO2
NO2 + hν → NO + O(3P) , λ<400nm
O(3P) + O2 → O3
이 세 가지 반응은 오존 분자를 형성하는 것이며, CO 또는 VOCs 케이스의 산화에서도 같은 방식으로 발생할 것이라는 점에 유의한다.

이 경우 순반응은 다음과 같다.

CO + 2O
2 → CO
2 + O
3

대기 중 이러한 반응을 통해 생성되는 오존의 양은 수정된 레이튼 관계를 사용하여 추정할 수 있다. 오존을 생성하는 이러한 상호 관련 주기의 한계는 높은 NOx 수준에서 질산을 형성하기 위한 NO의2 •OH의 반응이다. 대신 일산화탄소(NO)가 대기 중 매우 낮은 수준(약 10ppt 미만)에 존재할 경우, 산화에서 형성된 과산화물(HO2• )은 대신 자신과 반응하여 과산화물을 형성하고 오존을 생성하지 않는다. [1]

건강 효과

참고 항목: 오존 § 건강 영향

건강 영향은 주로 화석 연료의 연소 동안에 발생하는 오염물질의 그룹인 오존 전구체에 의존한다. 지상 오존은 일조량이 존재하는 곳에서 아산화질소가 유기화합물과 반응하여 생성된다.[18] 이러한 유기 화합물에는 여러 가지 다른 공급원과 함께 자동차와 산업 배출물을 포함한 많은 인공적인 공급원이 있다.[18] 자외선(UV)과 이러한 전구체와의 반응은 지면 오존 오염을 일으킨다. 오존은 도시 공기에 공통적으로 나타나는 농도에서는 다음과 같은 건강 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

  • 호흡기 자극, 기침, 목 자극 및/또는 가슴의 불편한 느낌 유발 오존은 천식, 만성폐쇄성폐질환(COPD), 폐암과 같은 기저 호흡기 질환을 가진 사람들뿐만 아니라 야외에서 활동하는데 많은 시간을 보내는 사람들에게도 영향을 미친다.[19]
  • 폐 기능 저하로 심호흡을 더 어렵게 하고 힘차게 호흡한다. 호흡은 정상보다 더 빠르고 얕아질 수 있으며, 사람의 왕성한 활동에는 한계가 있을 수 있다. 오존은 기도의 근육을 수축시켜 폐포 안의 공기를 가두어 헐떡거리고 숨이 가빠지게 한다.[19]
  • 천식의 악화. 오존 수치가 높을 때, 천식을 앓는 사람들은 의사의 주의나 약물 사용을 필요로 하는 공격을 받는다. 이러한 현상이 일어나는 한 가지 이유는 오존이 사람들을 알레르기 유발 물질에 더 민감하게 만들며, 이는 결국 천식 발작을 유발하기 때문이다.
  • 호흡기 감염에 대한 민감도 증가.
  • 염증과 폐의 안감 손상. 며칠 안에, 손상된 세포들은 벗겨지고 햇볕에 탄 후 껍질이 벗겨지는 것처럼 대체된다. 동물 연구에 따르면 이런 유형의 염증이 장기간(월, 년, 평생)에 걸쳐 반복적으로 발생할 경우 폐조직이 영구적으로 흉터가 생겨 영구적인 폐 기능 상실과 삶의 질이 저하될 수 있다고 한다.
  • 보다 최근의 자료는 오존이 심장병, 제2형 당뇨, 그리고 다른 대사 장애로 이어지는 염증 경로를 통해서도 해로운 영향을 미칠 수 있다는 것을 시사한다.[20]

1990년대에 지상의 오존은 소질이 있고 취약한 개체군에서 며칠까지 사망을 앞당길 수 있다는 것이 관찰되었다.[21] 미국의 95개 대도시 공동체를 대상으로 한 통계적 연구는 오존 수치와 조기 사망 사이에 유의미한 연관성을 발견했다. 이 연구는 도시 오존 농도가 1/3 감소하면 연간 약 4000명의 생명을 구할 수 있을 것으로 추정했다(Bell et al., 2004). 대류권 오존은 유럽연합 25개국에서 매년 약 22,000명의 조기 사망자를 낸다. (WHO, 2008)

문제 영역

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미국 환경 보호국은 대기 오염 수준을 일반 대중에게 설명하는 것을 돕기 위해 대기 품질 지수를 개발했다. 평균 오존 몰 분율 76~95nmol/mol은 "민감한 그룹에 대해 건강에 좋지 않음"으로, 96nmol/mol ~ 115nmol/mol은 "건강하지 않음"으로, 116nmol/mol ~ 404nmol/mol은 "매우 건강하지 않음"으로 기술된다[1]. EPA는 인구밀도가 가장 높은 지역(특히 캘리포니아와 북동부) 주변에 밀집한 미국의 300개 이상의 카운티를 국가 주변 대기질 표준을 준수하지 않는 것으로 지정했다.

콜로라도의 북전선은 연방공기질 기준을 준수하지 못하고 있다. 미국 EPA는 2007년 11월 포트 콜린스를 오존 비접촉 구역의 일부로 지정했다.[22] 이는 미국 환경법이 대기질을 청정 공기법 개정안에 규정된 국가 주변 대기질 기준보다 더 나쁘게 보고 있다는 것을 의미한다.[23] 2018년 폐협회는 오존이 많은 날 동안 라리머 카운티를 전국 19위로 선정했다.[24] 포트 콜린스는 228개 대도시권 중 오존이 높은 날 24위, 217개 대도시권 중 52위, 203개 대도시권 중 연간 입자오염이 156위였다.[24]

대기 질 모니터링에서 볼더 카운티, CO는 덴버 메트로 지역과 노스 프런트 레인지 지역을 포함하는 9개 카운티 그룹의 일부로 EPA에 의해 분류된다. 이 9개 카운티 구역은 2004년 이후 EPA의 오존 기준을 초과하는 오존 농도를 기록하였다.[25] Early Action Compact에 따라 해당 지역의 공기질을 EPA의 기준에 맞추려는 시도가 있었다. 그러나 2004년 이후 볼더 카운티의 오존 오염은 정기적으로 환경보호청이 정한 연방 기준을 충족시키지 못하고 있다.[26] 볼더 카운티는 사람들이 운전을 덜 하도록 장려하는 프로그램을 통해 오존 오염의 일부를 완화시키고, 무더위 동안 오존 오염 활동을 중단시키기 위해 계속해서 노력하고 있다.[27]

기후변화

해빙이 녹으면 분자 염소가 배출되는데, 분자 염소가 자외선과 반응해 염소산소가 생성된다. 염소산소들은 반응성이 매우 높기 때문에 메탄과 대류권 오존의 분해와 수은을 더 독성 있는 형태로 산화시킬 수 있다.[28] 오존 생산량은 폭염 동안 증가하는데, 이는 식물들이 오존을 덜 흡수하기 때문이다. 식물들에 의한 오존 흡수를 줄인 것이 2006년 더운 여름 영국에서의 460명의 인명 손실의 원인이 될 수 있을 것으로 추정된다.[29] 2003년 유럽 폭염 때 오존과 열의 공동 효과를 평가하기 위한 유사한 조사 결과, 오존은 첨가물로 나타났다.[30]

참고 항목

참조

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추가 읽기

외부 링크