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대기화학: 대기에서는 어떤 화학 반응이 일어날까?

9월 12 업데이트됨

대기오염은 최근 큰 문제로 대두되고 있다. 온실가스인 이산화탄소와 질산화물의 농도가 지속적으로 증가하여 지구온난화로 이어지고, 미세먼지와 같은 대기오염 물질이 건강 및 대기 환경에 문제를 일으킨다. 특히 이러한 대기오염 물질이 대기 분자들 사이에서의 상호작용을 통해 변화를 일으키기도 한다. 그래서 이러한 대기의 화학적 관계성을 분석하는 학문이 ‘대기화학’이다.

대기화학은 현재 대기오염이 대두되면서 더욱 주목 받고 있는 분야이다. 대기화학에서는 근 40년간 크게 세 가지 분야에 집중하였다. 대류권에서 대기오염물질의 증가, 성층권 오존 파괴, 기후변화가 대기화학의 주요 관심사이다. 질산화물과 황산화물의 양 증가로 인하여 대류권에서 오존 생성 및 산성비가 내리고, 클로로플루오로탄소(CFCs)가 냉매로 다량 사용되어 성층권으로 유입되면서 오존을 파괴하였다. 그리고 많은 사람들이 알고 있는 것처럼 온실기체가 다량 방출되면서 기후변화도 심화되고 있다. 이 때 일어나는 화학적 반응과 그 메커니즘에 대한 연구의 중요성이 대두되면서 대기화학도 점점 각광받는 분야가 되어가고 있다.

대기의 구성
대기의 연직 온도 분포 및 대기층의 특징

대기는 지구 크기에 비해 매우 얇은 층으로 구성되어있다. 대기는 복잡한 화학계라고 볼 수 있다. 대기의 성질은 열역학적 요소들과 동역학적 요소들이 복잡하게 상호작용하며 결정된다. 대기는 태양에서 방출되는 복사에너지에 의해 에너지를 공급 받아 형성되는 다층 구조이고, 지구 표면에 있는 해양 및 대륙과 상호작용한다. 대기의 층을 나눌 때 온도, 고도에 따른 온도 변화의 경향성, 밀도를 기준으로 대기를 네 개의 층으로 구분 한다. 그 중 대부분의 공기 입자는 10km 정도의 하층 대기에 밀집되어있다.

대기는 네 층으로 구분되는데, 아래에서부터 대류권(troposphere), 성층권(stratosphere), 중간권(mesosphere), 열권(thermosphere)으로 부른다. 대류권은 대부분의 대기 분자가 존재하고 대류가 활발하게 일어난다. 수증기도 다량 존재하여 수증기의 순환으로 강수를 포함한 날씨 현상이 발생한다. 그 위의 성층권에서는 열적 평형이 이루어지고 오존층이 존재한다. 이때, 오존층에서 일어나는 화학적 변화도 대기화학적으로 주목하는 반응 중 하나이다. 그리고 그 위의 중간권과 열권은 대기 분자가 매우 적게 존재하기 때문에 이때 일어나는 변화는 크게 주목하지 않고 있다.

대류권의 대기화학

대류권은 지표면과 맞닿아있기 때문에 인간의 활동이 중요한 영향을 미친다. 인간이 방출하는 가장 중요한 여섯 가지 오염 물질들이 있는데, 그들은 일산화탄소(carbon monoxide), 질소 산화물(NOx), 오존, 황산화물(SOx), 미립자 물질, 납(lead)이다. 대기화학에서는 건강에 영향을 미치는 미립지와 납은 크게 다루지 않는다. 질소 산화물은 1차 오염원인데, 이때 2차 오염원으로 대류권 오존이 발생하게 된다. 그리고 황산화물의 경우는 산성비의 전구체로 활용된다.


위 화학식의 대류권에서 NO 발생과 그 질소산화물이 오존을 형성시키고 파괴하는 과정을 설명한다. 이산화질소는 오존을 형성시키는 주요 물질이다. 이산화질소가 빛을 받아 광분해하여 산소 원자를 생성하고 이는 오존을 생성시키게 된다. 그리고 NO의 경우는 청소제로 작용하여 생성된 대류권 오존을 제거하여 평형을 유지하는 역할을 한다. 이를 통해 적당한 균형이 맞춰진다. 그러나 위의 식으로 예상되는 이산화질소와 오존의 농도보다 실제는 더 낮은 값이 측정된다. 이는 이후 하이드록시 라디칼이 발생하는 이후의 반응의 영향을 받아 그 영향을 받은 것으로 예상된다.


성층권의 대기화학

성층권에서 주로 일어나는 대기화학적 반응은 오존층과 관련이 되어있다. 성층권 오존층의 오존 농도는 Chapman 순환에 의해 유지된다. 산소 분자가 파장대가 짧은 자외선을 받으면 산소 원자가 생성되고 이는 산소 분자와 합쳐져서 오존을 형성한다. 그리고 상대적으로 파장대가 긴 자외선을 받으면 다시 산소 분자와 산소 원자 하나로 쪼개지게 된다. 이 반응을 통하여 오존층의 오존 농도는 비슷하게 유지되는 것이다.


성층권의 오존을 파괴하는 가장 중요한 물질은 CFCs이다. 이는 빛을 받아 쪼개지면서 Cl 라디칼과 라디칼 조각을 생성한다. 그리고 이때 발생한 라디칼은 [수식 6]의 메커니즘에 의해 오존을 산소 분자로 분해시키게 된다. 그래서 이 과정으로 오존이 붕괴되고 그 두께가 얇아질 경우 오존홀이 발생하게 되는 것이다. 최근 북극에서도 오존홀이 발견 되어 논란이 되었고, 자외선을 차단하는 오존층을 지키기 위한 노력은 계속되고 있다.

기후 변화와 대기화학

기후변화의 경우는 대류권과 성층권에서 메커니즘적 연구를 한 것과 달리 측정 후 농도를 분석하는 것에 초점을 맞춘다. 주로 시간의 흐름에 따른 이산화탄소의 농도의 변화를 알아내는 것이 주요 연구이다. 이 연구는 주로 빙하 코어에 존재하는 수소와 산소의 동위원소 농도 차이를 더 서늘한 기간은 무거운 동위원소가 상대적으로 적게 존재하고, 더 따뜻한 기간은 무거운 동위원소가 존재하는 비율이 증가한다. 온도가 올라갈수록 무거운 분자가 더욱 기화가 쉬워지기 때문에 이와 같은 변화가 나타나고, 이 지표는 결국 기온을 나타낸다.

이산화탄소의 농도의 경우 빙핵에 존재하는 물방울을 사용해 측정한다. 이를 통해 이산화탄소의 농도는 지속적으로 증가하고 있고, 증가하는 속도 또한 급격히 증가하고 있다는 사실을 알 수 있다. 이는 이산화탄소의 농도가 인간의 활동과 밀접하게 연결되어있다는 것을 입증해주는 증거가 된다. 14-탄소, 13-탄소의 경우 상대적으로 양이 적은 동위원소인데, 시간이 지날수록 더욱 감소한다는 것을 알 수 있다. 이는 식물이 12-탄소를 고정하고 이들을 화석연료로 생성되어 연소했을 때 대기 중 12-탄소의 농도를 더욱 높인다. 이는 결국 화석연료가 대기 중 이산화탄소 농도 증가에 중요한 영향을 미쳤다는 것을 알 수 있다.


참고자료

[1] 옥스토비의 일반화학


첨부 이미지 출처

[1] https://scied.ucar.edu/atmosphere-layers

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작성자│최성아

발행호│2020년 여름호

키워드#대기화학



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