오존은 지구 생명체에게는 없어서는 안될 매우 중요한 기체이며, 동시에 호흡기에 매우 좋지 않은 기체이기도 하다. 이런 오존의 양면성에 대하여 서술해 보고자 한다.
1. 화학적 특징
오존은 위 그림처럼 3개의 산소원자가 결합하여 만들어진 구조이다. 그래서 화학기호는 $$O_{3}$$. 일반적으로 알려진 산소 분자는 산소원자 2개가 결합되어 비교적 안정한 구조인데, 오존은 굉장히 불안정하여 상온, 1기압하에서 산소원자와 산소분자로 분해되려는 성질이 강하다. 결합구조는 벤젠처럼 공명구조를 이루는 경우 1.5결합이 되는데, 그림 1과 같이 이중결합 1개와, 단일결합 1개로 되는 경우가 보통이라고 한다. 기체상태에서 다소 푸른 빛을 띄며, 냄새가 아주 지독하다고 한다.
2. 대기 중 분포
대기중에는 주로 성층권에 집중적으로 분포한다. 그림 3을 보면 알 수 있는데, (영어라 좀 그렇지만...;;;)x축이 오존 농도 쯤으로 생각하면 된다.(ozone concentration), y축은 고도이다. 오존 농도가 가장 짙은 곳이 성층권이고, 약 15km~35km 구간에서 농도가 높으며, 25km구간에서 최대 농도를 보인다. 놀랍게도 지표면에도 약간 농도가 높은데, 이건 아래 글에서 다룰 예정이다. 오존이 불안정함에도 성층권에서 풍부할 수 있는건, 성층권의 온도나 압력고도에서 다소 안정할 수 있는 이유도 있고, 성층권에서 자외선과의 화학반응이 활발하게 이루어지기 때문이기도 하다.
이제 본격적으로 오존의 양면성을 다루어 보겠다.
3. 자외선의 차단
자외선 차단은 오존이 하는 가장 중요한 역할이며, 대중적으로 많이들 알고 있는 사실이다. 오존은 자외선을 흡수하여 산소 원자와 산소 분자로 쪼개지고, 다시 이들은 제3의분자의 촉매역할로 오존으로 결합하는 과정을 무한 반복하며 지속적으로 자외선을 흡수한다. 화학기호로 표현하면 아래와 같다.
1. 산소 분자가 자외선에 의해 산소 원자로 쪼개진다.
$$O_{2}$$ + U.V → 2O
2. 산소 원자는 주변의 공기입자 (제 3의 분자)의 촉매역할로 산소 분자와 결합하며 오존을 만든다.
O + $$O_{2}$$ +M → $$O_{3}$$ + M
3. 오존은 자외선을 흡수하며 다시 산소원자와 분자로 쪼개진다.
$$O_{3}$$ + UV → O + $$O_{2}$$
4. 쪼개진 산소원자와 분자는 다시 주변의 공기입자(제 3의 분자)의 촉매역할로 오존이 된다.
O + $$O_{2}$$ +M → $$O_{3}$$ + M
5. 이 과정이 무한 반복
1~5번 과정이 무한 반복되며 지상에 자외선이 내려오지 못하는 것이다.
최초의 생물은 바다에서 탄생하였다. 이유는 당시에는 오존이 없어 자외선이 지표면까지 내려와 생명체가 살 수 없는데, 바다속은 오존이 투과하지 못하기 때문에, 얼마든지 내려올 수 있었다. 그리고 바다에서 식물의 광합성으로 산소가 증가하고, 대기중에도 산소가 공급되면서 위 과정으로 오존이 만들어져 육상생물이 출현하는 계기가 되었다.
어찌되었든 오존은 없어서는 안될 굉장히 중요한 기체임이 분명한데...
4. 인체에 매우 유해한 독성 물질
인체에 매우 유해한 물질이기도 하다. 직접적으로 흡입하면 미량이라도 사망에 이르를 수 있다. 이는 오존이 산화력이 매우 높아 폐포의 세포를 죽일 수 있기 때문이다. 실제로 오존은 살균작용과 같은데 사용되는 물질이기도 하며, 일부이기는 하지만, 하수처리장에서 세균을 죽일 목적으로 오존을 이용하기도 한다.
그런데 어짜피 성층권에만 있으니 문제될 것이 없을 것 같은데, 왜 문제가 되느냐 하는 것이다. 문제는 일사량이 굉장히 높은 날에는 자외선이 지표면까지 일부 도달하는데 이 자외선이 산소 분자를 쪼개어 산소 원자로 만든다. 정상적이라면 산소 분자는 다시 지들끼리 붙어서 산소 분자가 되면 되는데, 대기오염물질이 많아지면 이들이 오존생성 화학과정의 촉매 역할을 하며(위에서 다룬 축매 M)산소 원자와 분자를 결합시켜 버리고 오존을 만들어버린다. 그래서 지표면에 오존이 생기는 것이다. 보통 자동차 배기가스에서 많이 나오는 질소산화물이 자외선에 분해되었을 때 이 촉매역할을 잘 한다고 알려져 있다.
자외선이 많이 내려온다고 무조건 오존이 만들어지는건 아니다. 예를들어 시골에서는 자외선이 내려와도 오존이 생성되지 않는다. 촉매역할을 해 줄 대기오염 입자가 없기 때문이다. 하지만 대도시는 상황이 다르다. 지천에 널린것이 대기오염물질이니 얼마든지 오존을 만들어 낼 수 있다.
5. 오존 주의보와 오존 경보
때문에 우리나라에서는 오존 농도를 바탕으로 오존 주의보나 오존 경보를 발령한다. 대기 중 오존 농도가 0.12ppm 이상이면 오존 주의보, 0.3ppm 이상이면 오존 경보를 발령한다. 1시간 평균 0.5ppm 이상이면 중대 경보를 발령한다.
| 오존 농도 | 예보 |
| 0.12ppm 이상 | 오존 주의보 |
| 0.3ppm 이상 | 오존 경보 |
| 1시간 평균 0.5ppm 이상 | 오존 중대경보 |
에어 코리아에서 발표한 자료를 보면, 2015~2018까지 오존주의보 발령 횟수는 증가하고 있는 것을 볼 수 있다.
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