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오존층

Ozone layer
오존층의 오존-산소 순환.

오존층 또는 오존 보호막은 태양 자외선의 대부분을 흡수하는 지구 성층권 영역이다.성층권 내 다른 가스에 비해 작지만 대기 중 다른 부분에 비해 오존(O3) 농도가 높다.오존층은 10ppm 미만의 오존을 포함하고 있는 반면, 지구 대기의 평균 오존 농도는 약 0.3ppm이다.오존층은 주로 성층권 하부에서 발견되며, 그 두께는 계절적,[1] 지리적으로 다양하지만 지구 상공에서 약 15에서 35km(9에서 22mi)에 이른다.

오존층은 1913년 프랑스 물리학자 샤를 파브리와 앙리 뷔송에 의해 발견되었다.태양의 측정 결과 지표면에서 방출되어 지구에 도달하는 방사선은 스펙트럼의 자외선 끝에서 약 310 nm의 파장 이하에서 방사선이 발생하지 않는 것을 제외하고 일반적으로 5,500-6,000 K(5,230-5,730 °C) 범위의 흑체의 스펙트럼과 일치했다.사라진 방사선이 대기 중의 무언가에 의해 흡수되고 있는 것으로 추정되었다.결국 손실된 방사선의 스펙트럼은 단 하나의 알려진 화학물질인 [2]오존에만 일치했다.이것의 특성은 지상에서 성층권 오존을 측정하는데 사용될 수 있는 간단한 분광 광도계(돕슨 미터)를 개발한 영국 기상학자 G. M. B. 돕슨에 의해 자세히 탐색되었다.1928년에서 1958년 사이에 돕슨은 오존 측정소의 세계적인 네트워크를 구축하여 오늘날까지 운영되고 있습니다.오존 오버헤드의 양을 나타내는 편리한 척도인 돕슨 유닛은 그를 기리기 위해 명명되었다.

오존층은 태양의 중주파 자외선의 97~99%를 흡수하는데, 그렇지 않으면 표면 [3]근처의 노출된 생명체를 손상시킬 수 있습니다.

1976년 대기 연구에 따르면 오존층은 주로 클로로플루오로카본(CFCs)과 같은 산업에서 방출되는 화학물질에 의해 고갈되고 있었다.인간의 피부암 증가와 다른 생태학적 [4]문제 등 오존 파괴로 인한 자외선의 증가가 지구상의 생명체를 위협하고 있다는 우려가 화학 물질 금지로 이어졌고, 최근 오존 파괴가 느려졌거나 멈췄다는 것이 최근의 증거다.유엔 총회는 9월 16일을 국제 오존층 보존의 날로 지정했다.

금성은 또한 행성의 [5]표면으로부터 100킬로미터 위의 고도에 얇은 오존층을 가지고 있다.

원천

오존층을 발생시키는 광화학 메커니즘은 1930년 영국의 물리학자 시드니 채프먼에 의해 발견되었다.지구 성층권의 오존은 두 개의 산소 원자를2 포함한 일반 산소 분자에 의해 각각의 산소 원자로 쪼개지면서 자외선에 의해 생성된다; 원자 산소는 오존2, O를3 만들기 위해 파괴되지 않은 O와 결합한다.오존 분자는 불안정하고(성층권에서는 오래 지속되지만), 자외선이 오존에 닿으면 오존-산소 순환이라고 불리는 연속적인 과정인 O 분자와2 개별 산소 원자로 분할됩니다.이는 화학적으로 다음과 같이 설명할 수 있습니다.

대기 중 오존의 약 90%가 성층권에 포함되어 있다.오존 농도는 약 20~40km(66,000~131,000ft) 사이에서 가장 높으며, 약 2~8ppm에 이른다.만약 모든 오존이 해수면에서 공기의 압력으로 압축된다면, 그것은 단지 1만 될 것이다.두께가 [6]3mm(1µ8인치)입니다.

자외선

여러 고도에서 UV-B 에너지 수준.파란색 선은 DNA 민감도를 나타냅니다.빨간색 선은 오존이 10% 감소된 표면 에너지 수준을 나타냅니다.
다양한 고도에서 오존의 수준과 다양한 자외선 대역의 차단.기본적으로 모든 UV-C(100–280 nm)는 다이옥시겐(100–200 nm) 또는 대기 중의 오존(200–280 nm)에 의해 차단된다.UV-C 대역의 짧은 부분과 이 대역 위의 더 강력한 UV는 다이옥시겐(240nm 이하)의 UV 광분해에 의해 생성된 단일 산소 원자가 더 많은 다이옥시겐과 반응할 때 오존층 형성을 일으킨다.오존층은 또한 자외선-C보다 긴 파장에 있는 햇볕에 타는 UV-B (280-315 nm) 대역의 전부는 아니지만 대부분 차단합니다.가시광선에 가장 가까운 자외선 대역인 UV-A(315~400nm)는 오존의 영향을 거의 받지 않고 대부분 지상에 도달한다.UV-A는 주로 피부가 붉어지는 것은 아니지만, 장기적인 피부 손상을 일으킨다는 증거가 있다.

오존층의 오존 농도는 매우 작지만, 태양으로부터 오는 생물학적으로 해로운 자외선(UV)을 흡수하기 때문에 생명체에 매우 중요하다.극도로 짧거나 진공인 UV(10~100nm)는 질소에 의해 걸러진다.질소를 투과할 수 있는 UV 복사는 파장에 따라 세 가지 범주로 나뉩니다. 이들은 UV-A (400–315 nm), UV-B (315–280 nm), UV-C (280–100 nm)라고 불립니다.

모든 생명체에 매우 해로운 UV-C는 약 35km(115,000ft) 고도에서 다이옥시겐(< 200nm)과 오존(> 200nm)의 조합에 의해 완전히 차단된다.UV-B 방사선은 피부에 해로울 수 있고 햇볕에 타는 주요 원인이다; 과도한 노출은 또한 백내장, 면역 체계 억제, 그리고 피부암과 같은 문제를 야기하는 유전적 손상을 야기할 수 있다.오존층(약 250nm에서 [7]최대 흡수량으로 약 200nm에서 310nm까지 흡수)은 UV-B를 걸러내는 데 매우 효과적이다. 파장이 290nm인 방사선의 경우 대기권 꼭대기의 강도는 지구 표면보다 3억 5천만 배 더 강하다.그럼에도 불구하고, 일부 UV-B는, 특히 가장 긴 파장에서, 표면에 도달하고, 포유동물에서 비타민 D의 피부 생성에 중요합니다.

오존은 대부분의 UV-A에 투명하기 때문에 이 긴 파장의 UV 복사는 대부분 지표면에 도달하고 지구에 도달하는 UV의 대부분을 구성합니다.이러한 유형의 자외선은 신체적인 손상, 피부의 조기 노화, 간접적인 유전적 손상, 그리고 [8]피부암을 일으킬 수 있지만 DNA에 훨씬 덜 해롭다.

성층권 분포

오존층의 두께는 전 세계적으로 다양하며 일반적으로 적도 부근에서는 얇고 [9]극지방에서는 두껍다.두께는 주어진 면적에 걸쳐 기둥에 있는 오존의 양을 의미하며 계절에 따라 달라집니다.이러한 변화의 이유는 대기 순환 패턴과 태양 [10]강도 때문이다.

오존의 대부분은 열대지방에서 생성되며 성층권 바람 패턴에 의해 극지방으로 운반된다.북반구에서는 브루어 돕슨 순환으로 알려진 이러한 패턴들이 오존층을 봄에 가장 두껍게 하고 [9]가을에 가장 얇게 만듭니다.열대지방에서 태양 자외선에 의해 오존이 생성될 때, 오존이 부족한 공기를 대류권으로부터 끌어올려 태양이 산소 분자를 광분해하여 오존으로 바꾸는 순환에 의해 생성된다.그 후 오존이 풍부한 공기는 더 높은 위도로 이동해 [9]대기의 낮은 층으로 떨어집니다.

연구에 따르면 미국의 오존 수치는 4월과 5월에 가장 높고 10월에 가장 낮은 것으로 나타났다.열대지방에서 고위도로 이동하는 오존의 총량이 증가하는 반면, 고위도 남쪽 위도보다 고위도 북쪽 위도에서 농도가 더 높다. 고위도 북쪽 위도의 봄 오존 컬럼은 때때로 600 DU를 초과하고 평균 450 DU인 반면, 400 DU는 이전에 남극에서 평상시 최대치를 구성했다.인위적인 오존 파괴이러한 차이는 북반구의 넓은 산맥과 육지와 해양 온도 사이의 [11]큰 대비로 인해 북반구의 극 소용돌이가 약하고 브루어 돕슨 순환이 더 강하기 때문에 자연적으로 발생했다.오존 홀 현상으로 인해 [9]1970년대 이후 북반구와 남반구의 위도 차이가 커졌다.가장 많은 양의 오존은 3월과 4월 봄철 북극 상공에서 발견되지만, 남극은 9월과 10월 여름 동안 가장 적은 양의 오존을 가지고 있다.

오존층에 있는 브루어 돕슨 순환.

고갈

주요 기사 : 오존층 파괴
NASA는 클로로플루오로카본이 금지되지 않았다면 성층권 오존 농도를 예측했다.

오존층은 일산화질소(NO), 아산화질소(NO2), 수산기(OH), 원자염소(Cl), 원자브롬(Br) 등의 유리기 촉매에 의해 고갈될 수 있다.이러한 모든 종에는 천연 자원이 있지만, 염소와 브롬의 농도는 인공 유기 할로겐 화합물, 특히 클로로플루오로카본(CFCs)과 [12]브롬플루오로카본의 대량 방출로 인해 최근 수십 년 동안 현저하게 증가했습니다.이러한 매우 안정적인 화합물은 성층권까지 상승하여 자외선의 작용에 의해 Cl과 Br 라디칼이 해방될 수 있습니다.각 래디칼은 자유롭게 10만 개 이상의 오존 분자를 분해할 수 있는 연쇄 반응을 시작하고 촉매할 수 있습니다.2009년까지 아산화질소는 인간의 [13]활동을 통해 배출되는 가장 큰 오존층 파괴 물질이었다.

성층권의 오존 파괴는 자외선 흡수 감소를 초래한다.결과적으로, 흡수되지 않고 위험한 자외선은 더 높은 강도로 지구 표면에 도달할 수 있다.오존 수치는 1970년대 후반 이후 전 세계적으로 약 4% 떨어졌다.북극과 남극 주변에서 지구 표면의 약 5%에 대해 훨씬 더 큰 계절적 감소가 관찰되었으며, 이를 "오존 구멍"이라고 한다.'오존 구멍'은 실제로 오존층이 얇은 오존층에 있는 패치임을 알려준다.오존의 가장 얇은 부분은 지구축의 [14]극점에 있다.남극 상공에서 오존의 연간 고갈을 발견한 것은 1985년 5월 16일 네이처에 실린 논문에서 조 파먼, 브라이언 가디너, 조나단 샹클린에 의해 처음 발표되었다.

규제 시도는 미국 환경보호국에 의해 시행된 청정 공기법을 포함하지만 이에 국한되지 않는다.청정대기법은 오존 오염을 6가지 기준 오염물질 중 하나로 하는 국가대기질기준(NAAQS) 요건을 도입했다.카운티, 도시 및 부족 지역은 이러한 표준을 준수해야 하며 EPA는 오염물질을 [15]규제하기 위해 각 지역에 대한 지원을 제공하기 때문에 이 규제는 효과적인 것으로 입증되었다.오존층 파괴와 오염물질의 존재와 규제의 일반 국민을 교육하기 위해 정보의 효과적인 표시 또한 중요한 것으로 입증되었다.저자는 오존의 고갈, 기후변화, 다양한 관련 주제들에 대한 정보를 탐구하고 연구하는 셸던 웅가(Sheldon Ungar가 썼다.오존 사례는 "대중 문화에서 파생된 이해하기 쉬운 비유로" 일반인에게 전달되었고 "일상 [16]관련성이 있는 즉각적인 위험"과 관련이 있었다.논의에서 사용된 구체적인 비유(오존 보호막, 오존 구멍)는 상당히 유용하다는 것이 입증되었고, 지구 기후 변화와 비교했을 때 오존 사례는 "핫 이슈"이자 임박한 위험으로 간주되었다.일반인들은 오존층의 고갈과 피부암의 위험에 대해 조심스러웠다.

"나쁜" 오존은 호흡곤란(호흡곤란)을 일으킬 수 있으며 천식, COPD, 폐기종과 [17]같은 호흡기 질환을 악화시키는 것으로 입증되었습니다.그렇기 때문에 많은 나라들이 도시나 주거 지역에서 "좋은" 오존을 개선하고 "나쁜" 오존의 증가를 막기 위해 규제를 시행하고 있다.오존 보호('양한' 오존의 보존')의 관점에서 유럽연합은 특정 [18]지역에서 어떤 제품을 구매, 유통 또는 사용할 수 있는지에 대한 엄격한 지침을 가지고 있다.효과적인 규제와 함께, 오존은 시간이 [19]지남에 따라 치유될 것으로 예상된다.

위성에 의해 측정된 대기 오존 수준은 뚜렷한 계절적 변동을 나타내며, 시간이 지남에 따라 감소하는 것을 확인하는 것으로 보인다.
주요 기사 : 오존층 파괴와 기후변화

성공적인 규제 시도를 지원하기 위해 오존 사례는 "대중 문화에서 파생된 이해하기 쉬운 가교적 비유로" 일반인에게 전달되었고 "일상 [citation needed]관련성이 있는 즉각적인 위험"과 관련이 있었다.논의에서 사용된 구체적인 비유(오존 보호막, 오존 구멍)는 상당히[20] 유용하다는 것이 입증되었고, 지구 기후 변화와 비교했을 때 오존 사례는 "핫 이슈"이자 임박한 [21]위험으로 간주되었다.일반인들은 오존층의 고갈과 피부암의 위험에 대해 조심스러웠다.

1978년 미국, 캐나다, 노르웨이는 오존층을 손상시키는 CFC 함유 에어로졸 스프레이의 사용을 금지했다.유럽 공동체는 같은 일을 하기 위한 유사한 제안을 거부했다.미국에서 클로로플루오로카본은 1985년 남극 오존 홀이 발견된 이후까지 냉동과 산업용 청소 등 다른 용도로 계속 사용되었습니다.국제 조약(몬트리올 의정서) 협상 후, CFC 생산은 장기 [22]감축에 대한 약속과 함께 1986년 수준으로 제한되었다.이를 통해 개도국은[23] 10년간 단계적 도입을 할 수 있었다(의정서 제5조에 명시).그 이후 조약은 1995년 이후 선진국에서,[24] 이후 개발도상국에서 CFC 생산을 금지하도록 개정되었다.오늘날, 세계의 197개국 모두가 이 조약에 서명했다.1996년 1월 1일부터 미국과 같은 선진국에서는 재활용 및 비축된 CFC만 사용할 수 있게 되었습니다.이러한 생산 단계적 폐기는 모든 ODS [25]용도를 대체 화학 물질과 기술로 대체하기 위한 노력 덕분에 가능했습니다.

2003년 8월 2일, 과학자들은 오존층을 파괴하는 물질에 대한 국제적인 규제 때문에 오존층의 세계적인 고갈이 느려지고 있다고 발표했다.미국 지구물리학 연합이 주관한 연구에서, 3개의 위성과 3개의 지상국은 지난 10년 동안 대기권 상층 오존 감소율이 현저히 감소했음을 확인했다.일부 고장은 이를 금지하지 않은 국가들이 사용하는 ODS와 이미 성층권에 있는 가스 때문에 계속될 것으로 예상된다.CFC를 포함한 일부 ODS의 수명은 50년에서 100년 이상으로 매우 길다.오존층은 21세기 [26]중반 무렵에 1980년 수준으로 회복될 것으로 추정되고 있다.2016년에 "[27]힐링"으로 가는 점진적인 추세가 보고되었다.

C-H 결합을 포함한 화합물(예를 들어 염화염화불소화탄소(HCFCs))은 특정 용도에서의 CFCs를 대체하도록 설계되어 있다.이러한 대체 화합물은 오존층에 영향을 미칠 수 있는 성층권에 도달할 수 있을 만큼 대기에서 더 반응적이고 오래 생존할 가능성이 낮다.HCFCs는 CFCs보다 피해가 적지만 오존층에 부정적인 영향을 미칠 수 있기 때문에 단계적으로 [28]폐기되고 있습니다.이것들은 차례로 성층권 오존을 전혀 파괴하지 않는 수소불화탄소(HFCs)와 다른 화합물로 대체되고 있다.

대기 중에 축적된 CFC의 잔류 효과는 대기와 해양 사이에 농도 구배를 일으킨다.이 유기 할로겐 화합물은 바다의 지표수에 녹을 수 있고 시간에 의존하는 추적자 역할을 할 수 있습니다.이 추적기는 과학자들이 생물학적, 물리적, 화학적 경로를 추적함으로써 해양 순환을 연구하는데 도움을 준다.

천문학에 미치는 영향

대기 중의 오존은 대부분의 에너지 자외선이 지구 표면에 도달하는 것을 방해하기 때문에, 이러한 파장의 천문학적 데이터는 대기권과 오존층 위를 공전하는 위성으로부터 수집되어야 한다.젊은 뜨거운 별에서 나오는 빛의 대부분은 자외선에 있기 때문에 이러한 파장의 연구는 은하의 기원을 연구하는데 중요하다.갤렉스(GALEX)는 2003년 4월 28일 발사된 2012년 [30]초까지 가동된 궤도 자외선 망원경이다.

  • This GALEX image of the Cygnus Loop nebula could not have been taken from the surface of the Earth because the ozone layer blocks the ultra-violet radiation emitted by the nebula.

    이 GALLEX 이미지는 오존층이 성운에서 방출되는 자외선을 차단하기 때문에 지구 표면에서 찍은 것이 아닙니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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추가 정보

과학
정책.

외부 링크

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