산소순환 및 오존문제

산소순환

 

산소분자(Oz)는 지구 대기의 20%를 구성한다. 산소는 호흡하는 모든 육상생물에 이용되며, 물에 용해되었을 때에는 역시 수생생물에 이용된다. 호흡과정에서 산소는 영양분을 이루고 있는 탄소원자로부터 방출된 전자의 최종수용체로서 작용하며 이때 물이 생성된다. 물분자의 산소원자로부터 전자를 방출시킬 때 빛에너지가 이용되므로 순환과정은 광합성을 통해서 완성된다. 방출된 전자는 이산화탄소의 탄소원자를 탄수화물로 환원시키는 데 이용된다. 산소분자는 계속 남은 상태로 순환은 완료된다.

세포호흡에 1개의 산소분자가 사용될 때마다 한 분자의 이산화탄소가 방출된다. 역으로 말한다면 광합성에서 이산화탄소 한 분자가 이용될 때마다 산소분자가 방출된다. 지구생성 초기에 이루어진 광물을 조사하여 보면 그 당시에는 지구대기에 산소가 존재하지 않았다. 물을 사용하는 광합성이 일어나면서 처음 산소가 발생되었다. 총생산성이 0인 상태, 즉 호흡량과 광합성량이 평형을 이루는 상태인 생물권의 초기를 생각하여 본다면 오늘날 존재하는 산소량은 어떻게 된 것인가? 대기에 축적된 각 산소분자들의 수는 광합성을 통해서 환원은 되었지만 산화과정을 거치지 않은 각 탄소원자의 수를 의미한다. 탄소원자들은 석탄과 석유 및 다른 유기물 속으로 유입된다. 또한 탄소원자들은 전세계의 살아 있는 생물의 신체를 이루고 또한 아직까지 분해되지 않고 남아 있는 식물과 동물의 사체 속에도 들어 있다.

화석연료의 연소과정에서는 연료를 구성하는 탄소원자가 처음 환원될 때 대기중으로 방출되었던 양만큼의 산소가 사용된다. 이러한 인식을 토대로 한다면 석탄, 석유, 천연가스 등의 사용량이 계속 증가하면 공기중의 산소농도가 크게 감소될지도 모른다는 불길한 상상을 불러일으킨다. 지구의 화석연료 보유량에 관한 추정이 자주 나오고 있다. 가장 관대하게 추정한 자료를 보더라도 지구의 화석연료가 모두 연소되면 2~8% 정도의 대기중 산소량이 감소될 것이라고 한다. 왜 그 이상 감소하지 않는가? 한 가지 대답은 지구의 환원된 탄소의 대부분이 상당히 저농도이며, 또한 화석연료의 형태로 매우 깊게 묻혀 있기 때문이다. 그러나 이런 것들의 존재는 산소량이 극적으로 줄어드는 것에 대하여 커다란 완충역할을 하게 된다. 설사 산소농도가 8%나 줄어든다고 하더라도 인간에 주어지는 영향은 뉴욕에서 덴버로 이동하는 효과에 불과하다(고도 5,000 ft 지점에서 공기중 산소의 농도는 해수면에서보다 18% 정도 낮아진다). 지구에 있는 화석연료가 모두 연소되면 산소량에 미치는 효과보다 훨씬 더 심각한 다른 문제가 발생하게 될 것이다.

인간활동이 공기중에 있는 산소량에 커다란 영향을 준다는 어떠한 징조도 없기는 하지만 수중환경에는 영향을 주는 것이 분명하다. 인구밀도가 높고 산업이 발달되어 있는 국가를 흐르는 많은 하천과 호수들은 주기적으로 용존산소량의 결핍현상을 겪고 있다. 이러한 현상은 어떤 수생생물들이 더 이상 생존할 수 없는 심각한 상태에 종종 도달하게 된다. 비가 오면 유기물과 다른 폐기물들이 물속으로 유입된다. 이런 것들은 부패 미생물에 의해서 분해되는데 이때 물 속에 녹아 있는 산소를 사용한다. 실제 수질오염의 지표로 가장 널리 사용되는 것은 바로 생화학적 산소요구량(biochemical oxygen demand, BOD)이다. BOD는 물 속에 들어 있는 물질을 완전히 산화시키는데 필요한 산소량이다. 하천과 호수의 BOD가 높을수록 그곳에서 정상적으로 살고 있는 생물체가 사용할 수 있는 산소량은 적어진다. 대부분의 물고기들처럼 산소필요량이 높은 생물들에게는 BOD 가 높아지면 생존 위협을 받게 된다.

 

오존 문제

오존(O3)은 두 가지 아주 다른 문제를 갖고 있다. 대류권이라고 불리는 대기권의 낮은 90 지역에서는 오존이 너무 많으며, 성층권이라고 불리는 높은 고도지역에서는 오존이 너무 적다. 대류권에서는 산소, 자동차 배기가스(불연소된 탄화수소와 질소산화물을 함유함) 그리고 햇빛이 서로 반응함으로써 오존이 생성된다. 지난 한 세기에 걸쳐 오존 평균값이 10 ppb로부터 20~30 ppb로 상승하였다. 그러나 Los Angeles와 Mexico City 와 같은 도시에서는 오존량이 100 ppb를 가끔 초과하고 있으며 어떤 경우는 350 ppb 를 넘어설 때도 있다. 오존의 수치가 그렇게 높이 올라가면 폐기종과 천식 등과 같은 호흡기질환을 일으켜 사람들에게 심각한 피해를 준다. 오존은 또한 식물에게도 손상을 입히는 데 유럽과 북아메리카의 숲에서 일어나는 피해에 오존이 주요한 요인이다.

우리 주변에는 오존이 너무 많지만 성층권에는 오존량이 충분하지 않다. 1978년부터 시작된 성층권의 위성측정에 의하면 오존이 크게 줄어들고 있다. 가장 심각하게 오존이 줄어들고 있는 현상은 봄철에 남극지역에서 발생하는데 오존이 급격하게 감소할 때에는 오존층에 구멍이 생기게 된다. 오존층이 엷어지는 지역이 점점 중위도 부근까지 확장되고 있다. 1978년에서 1990년까지 오존측정치가 유럽에서는 8% 가 줄어들었고 미국에서는 5% 가 줄어 들었다. 오존층은 태양으로부터 오는 자외선의 많은 양이 지표면에 도달하는 것을 막아 주기 때문에 이러한 오존의 감소는 불길한 징조가 된다. 자외선은 피부암과 백내장을 일으키며 면역체계를 약화시킨다. 자외선의 증가는 남극에 있는 식물성 플랑크톤의 생산성을 감소시키는 원인이 되고 있다.

성층권에서 최근 일어나고 있는 오존의 감소는 부분적으로는 화산폭발과 태양흑점의 감소와 같은 자연재해에 기인하지만 아마도 염화불화탄소(CFC)가 가장 주요한 원인인 것으로 생각된다. 성층권에서 염화불화탄소가 파괴되면서 방출된 염소원자들이 오존을 파괴시킨다. 비록 미국, 캐나다, 스칸디나비아 국가들이 1970년대부터 분무제로서 염화불화탄소를 사용하는 것을 금지시켰다고 할지라도 전세계 규모로 보면 이러한 사용은 계속 증가하고 있다. 그러나 1987년에 맺어진 세계협정에 의거하여 앞으로 몇 년내에 염화불화탄소의 사용을 점점 줄여야만 한다.