열을 흡수하는 기체



















열을 흡수하는 기체들의 종류와 특성 대기 중의 열을 흡수하여 저장함으로써 온실 효과를 일으키는 기체는 자연 상태의 수증기 외에 이산화탄소뿐만 아니라 메탄(CH4), 프레온 가스(CFCs), 및 산화이질소(N2O) 등이다. 화석 연료나 열대림의 화재로 대량으로 방출되는 이산화탄소, 가축 이용의 증대와 농업의 확대로 산출되는 메탄, 냉매재, 살충제 또는 세척제로 사용하는 프레온 가스, 그리고 화학 비료에서 나오는 질소 등이 최근에 크게 증가하고 있으므로, 과학자들은 이들 기체에 의한 온실 효과의 증대로 지구의 온난화를 염려하고 있다.

① 이산화탄소

이산화탄소는 주로 화석 연료와 산림 등의 연소로 대기 중에 방출되며, 일단 방출되면 100년 이상 대기 중에 머무른다. 열을 흡수하는 기체로는 수증기 다음으로 풍부하며, 인위적 온실 효과에 대한 기여도는 약 50%를 차지한다. 메탄(CH4): 메탄은 홍수가 난 전답이나 가축들의 배설물, 및 범람원 등 주로 산소가 없는 환경에서 박테리아가 유기물을 분해할 때 생성된다. 일단 배출된 메탄은 대기 중에 십 년 정도 분해되지 않고 머무르며, 열을 흡수하는 능력은 이산화탄소의 약 20~30배에 이른다. 따라서 인위적 온실 효과의 기여도는 15~20% 정도이다. 전세기 부터 단편적이나마 대기중의 이산화탄소의 농도가 관측되어 왔으며 이에 의하면 19세기말의 농도는 약 290ppm이었던 것이 1982년에는 340ppm으로 최근에는 350ppm으로 변했으니 약 20% 증가한 셈이다. 단순한 비례배분을 가정한다면 전세기말부터 현재까지 약 0.4℃가 상승한 것으로 생각되고 있다. 산업혁명 이전에는 대기중의 이산화탄소는 280ppm 정도이며, 이 수치는 약 1만년 전부터 거의 변화가 없다고 생각되고 있다. 그러나 산업혁명 이후의 급격한 농도상승은 현재의 이산화탄소 농도의 증가가 주로 인위적인 방출에 의한 것임을 확실히 보여주고 있다. 이러한 이산화탄소의 증가는 인류에 의한 것임을 확실히 보여주고 있다. 이러한 이산화탄소의 증가는 인류에 의한 화석연료의 소비와 열대의 삼림파괴가 주요한 원인으로 일어난 것으로 생각된다. 만약 이대로 방치하면 21세기 중반에는 이산화탄소의 농도는 600ppm을 초과할 것으로 추측되고 있다. 이산화탄소는 수증기, 오존과 더불어 가시광선에 대하여는 투명하지만 적외영역에 강한 흡수대를 가지고 있다. 그러므로 지구면에서 우주에 끊임없이 방출되고 있는 적외방사의 대부분을 흡수한다. 이러한 작용이 대기의 온실효과라고 불리 우며 지구의 기후의 중요한 역할을 하고 있다. 그러므로 대기중의 이산화탄소 농도의 증가는 지구의 기후를 변화시킬 것이라고 생각되고 있다. 미국 해양 기상청의 연구자료 등에 의한 수치가상의 결과에 따르면 이산화탄소의 농도의 배증은 전지구 평균기온을 약 2℃ 상승시키며 극지방에서는 10℃ 가까이 기온을 상승시킨다고 한다. 삼림생태계는 광합성에 의한 이산화탄소의 고정을 하고 있기 때문에 이전에는 이산화탄소 흡수원으로서 생각되었으나 최근의 연구에서는 연간 약 20억톤의 방출원이라고 생각되고 있다. 그것은 주로 흡수하고 있던 수목이 소각되거나 부패하여 이산화탄소를 방출하게 된 것에 원인이 있다. 삼림의 파괴속도는 연평균 1,000만 ha에 이르고 있으며 이것은 전삼림 면적의 0.3%가 매년 소실되고 있는 셈이다.

② 해양과 이산화탄소의 관계

해양은 연간 100억톤 전후의 이산화탄소를 물리, 화학적 과정에 의하여 방출 및 흡수한다. 화석연료의 연소 및 삼림의 감소에 의하여 방출되는 이산화탄소 225억톤 중 대기중에 잔류하는 120억톤을 감한 약 105억톤이 해양에 흡수된다고 보고 있으나, 해양학자는 해양에게 그만큼 큰 흡수능력이 없다고 지적하고 있다. 실제로 해양은 대기의 55배의 용량을 갖고 있는 거대한 물체이며, 이 물체의 부피에 비례하여 방출된 이산화탄소를 흡수한다면 대부분의 이산화탄소는 해양에 흡수되어 대기중의 농도가 그리 높아지지 않을 것이다. 그러나 이산화탄소의 가용성은 해양의 온도와 밀접하게 관계하고 있으며, 해수온도의 상승에 따라서 현저하게 저하한다. 그러므로 한냉한 해양은 이산화탄소에 대해서는 흡수원인 동시에 온난한 해양은 그 용출원이 된다. 현재 해양전체로서는 이산화탄소의 흡수원이고 대기중의 이산화탄소의 증가를 상당히 삭감하고 있다. 말하자면 해양은 어떤 경우에는 대기중의 이산화탄소의 일부분을 흡수하고 다른 경우에는 대기중에 이산화탄소를 방출할 수 있는 저장고이기도 하다. 해양 중에는 막대한 이산화탄소의 저장고로서의 의의는 크다고 할 수 있다. 또 해양은 연관성이 크기 때문에 이산화탄소의 증가에 따르는 기후온난화를 크게 지연시킬 수 있다. 그러나 해양의 이산화탄소의 흡수과정과 흡수능력의 문제는 아직 과학적으로 해명되지 않은 점이 많아서 앞으로의 중요한 연구과제의 하나이다.

③ 메탄

메탄은 1분자당 온실효과는 이산화탄소의 10∼100배나 되고, 현재의 평균 대기중 농도가 약 1.7ppm으로 이산화탄소의 0.5밖에는 안되지만 지구온난화에 대한 기여도는 크다. 메탄농도 증가에 관해서는 최근 많은 보고가 있다. 메탄농도의 상승은 현재 거의 직선적이며, 매년 0.016±0.001ppm씩 증가하고 있다. 대기중의 메탄은 다양한 자연 및 인위적 과정으로 생성된다. 메탄의 농도는 금세기에 들어와서 현저한 증가를 보이고 있으며, 이산화탄소와 마찬가지로 메탄의 증가도 주로 인간활동에 유래한다고 생각되고 있다. 자연발생원은 천연의 습지로부터의 메탄이 기여도가 크다. 전세계의 습지의 분포는 북반구에 편재해 있다. 한편 인위발생원으로서는 석탄이나 천연가스의 채굴, 천연가스 수송 및 사용시의 루에, 폐기물매립, 식생연소 등이 있으며, 특히 인간활동에 의한 논 및 가축으로부터의 메탄의 방출이다. 이들 중 어느 것이 메탄농도 증가의 주요한 원인인가는 현재로서는 확정되어 있지 않으나, 농업 축산관계의 인간 활동이 주요한 역할을 하고 있는 것 같다.

④ 일산화이질소

일명"웃음 가스"(laughing gas)로 알려진 이산화질소는 토양이나 화학 비료, 그리고 화석 연료의 연소 등에서 배출되며, 대기 중에는 약 180년 동안 머무른다. 이산화탄소에 비해 150배 정도 열을 잘 흡수하여 인위적 온실 효과의 기여도는 5% 정도를 차지한다. 일산화이질소도 1분자당 온실효과는 이산화탄소의 100∼1,000배나되는 중요한 온실효과 가스이다. 일산화이질소는 또한 성층권의 오존파괴에서도 중요한 역할을 하고 있다. 그 농도 상승은 금세기에 이르러 급격히 진행되고 있다. 이 급격한 온도상승 이전의 농도는 1600년부터 1800년의 평균농도로서 289±10ppb라고 보고되고 있다. 현재의 일산화이질소의 농도는 약 300ppb까지 상승하고, 질소로서 약 15억톤이 대기중에 존재하는 계산이 된다. 발생원으로서는 자연계로부터는 주로 해양과 담수 및 삼림의 토양으로부터 생기며, 인간활동으로부터는 화석연료의 연소, 식생연소, 개간, 시비농지등의 기여도가 크다. 인간활동의 기여는 전체의 40%나되며, 특히 시비농지로부터의 방출은 질소계 화학비료 사용량의 증대로 1950년의 1만톤에서부터 1980년의 140만톤으로 대폭 증가하고 있다.

⑤ 프론류

프레온가스는 1930년대 이후, 사용량이 급격히 늘었는데, 주로 냉장고, 에어컨 등의 냉매재, 절연체 및 반도체의 세척제, 그리고 각종 스프레이 제품에 사용된다. 일단 대기 중에 방출된 프레온 가스는 400년 이상 분해되지 않고 머무르며, 열을 흡수하는 능력은 매우 효과적이어서 이산화탄소의 1만6천 배에 이른다. 실제 대기 중의 양은 0.001ppm 이하로 적지만 인위적 온실 효과에 대한 기여도는 20% 정도이다. 프론은 오존층 파괴의 원인물질이기도 하지만 온실효과 기체로서도 중요한 역할을 하고 있다. 프론 11과 12는 1분자당 이산화탄소의 1만배의 온실효과가 있으며 1980년으로부터 1990년간의 온실효과의 증가분의 25%를 프론류가 차지하고 있다. 금후 프론의 사용제한으로 프론류가 어떻게 변화하는지 또는 대체품인 HCFC라고 불리우는 수소원자를 가지는 하로카아본류가 어떻게 온난화에 영향을 미치는가를 주시할 필요가 있다.

⑥ 수증기

수증기는 대기 중에서 가장 온실효과에 기여가 큰 기체이다. 그러나 대류권의 수증기의 농도는 오로지 기온만에 의존하므로 대류권의 농도는 다른 온실효과 기체와 같이 기후를 변동시키는 요인은 아니고 기후의 피드백현상의 하나이다. 그러나 성층권에서의 수증기의 유입은 대류권과의 권계면의 저온에 의한 응축과 강수에 의해 제한되어 있으므로 성층권의 수증기는 기온변동요인으로 될 수 있다. 최근 대류권으로부터 성층권에 유입하는 메탄의 성층권에 있어서의 산화반응이 성층권의 수증기의 증가를 초래한다는 지적이 있어, 고도 20∼50Km의 수증기가 3ppm으로부터 6ppm으로 배중하면 지표의 온도가 0.06도 상승한다는 계산도 나와 있다. 그러나 성층권의 수증기 및 메탄의 농도에 관한 측정자료 등이 충분치 못하므로 앞으로의 연구의 진전이 기대된다.

⑦ 오존

대류권의 오존은 온실효과 의하여 지표의 온난화에 기여하지만, 성층권의 오존은 대양으로부터의 자외선을 흡수하므로 지표에 대한 영향은 대류권 오존과는 정반대이다. 최근 성층권의 오존은 감소하고 있으나 대류권의 오존은 증가하고 있다는 보고가 있다. 유럽에서는 지표 부근의 오존 농도가 금세기 초의 약 10ppb로부터 최근 200ppb로 배증했다는 보고와 연간으로서는 1∼3%의 증가가 있다는 보고가 있다. 이러한 대류권 오존의 증가는 NOx나 메탄, 일산화탄소, 탄화수소와 같은 대류권 오존의 생성에 관여하는 미량기체의 인위적 발생량의 증가가 큰 영향을 미치고 있다고 생각한다.

⑧ NOx

NOx는 광화학대기오염 이른바 광화학스모그의 발생에 중요한 역할을 한다는 것은 알려져 있으나 직접적인 온실화기체는 아니다. 그리나 대기중의 화학반응에 의해 OH리디컬이나 오존의 농도를 콘트롤하기 때문에 메탄등의 다른 온실효과 기체의 농도를 콘트롤함으로써 간접적으로 온실효과에 관여하고 있다.

⑨ 일산화탄소

일산화탄소도 그 자체는 적외선의 흡수가 매우 미약하고 직접적인 온실효과는 없다. 그러나 대기중의 OH리디컬은 약 80%가 일산화탄소와 반응한다고 생각되고 있으며, 일산화탄소의 농도가 변화하면 다른 미량성분의 농도에도 큰 영향을 미친다고 생각한다.