지구 대기 상층부에는 보이지 않는 보호막이 있습니다. 오존층은 성층권 15킬로미터 높이에 형성된 얇은 층으로, 태양의 해로운 자외선을 흡수하여 지표면 생명을 보호합니다. 만약 오존층이 없다면 강력한 자외선이 그대로 내리사 피부암과 백내장이 급증하고, 식물이 죽으며, 플랑크톤이 사라져 해양 생태계가 붕괴될 것입니다. 인류는 존재할 수 없었을 것입니다. 오존은 산소 원자 3개로 이루어진 분자입니다. 지표면의 오존은 오염물질로 해롭지만, 성층권의 오존은 생명을 지킵니다. 농도는 매우 낮아 성층권 전체 오존을 모아 지표면 압력으로 압축하면 두께가 겨우 3밀리미터입니다. 하지만 이 얇은 층이 자외선 B(UVB)의 약 97퍼센트를 흡수합니다. 1970년대 과학자들은 충격적 발견을 했습니다. 프레온으로 알려진 염화불화탄소(CFC)가 오존층을 파괴하고 있었습니다. CFC는 냉장고, 에어컨, 스프레이 캔에 널리 사용되었고, 무독성에 안정적이라 안전하다고 여겨졌습니다. 하지만 바로 그 안정성이 문제였습니다. CFC는 대기에서 분해되지 않고 성층권까지 올라가며, 자외선을 받아 염소 원자를 방출하고, 염소 하나가 오존 분자 수만 개를 파괴합니다. 1985년 영국 과학자들이 남극 상공에 거대한 오존 구멍을 발견했습니다. 봄마다 오존층의 절반 이상이 사라지는 현상이었고, 면적은 남극 대륙보다 컸습니다. 세계는 충격에 빠졌고, 빠른 행동이 필요했습니다. 1987년 몬트리올 의정서가 체결되어 CFC 생산을 단계적으로 금지했으며, 역사상 가장 성공적인 환경 협약이 되었습니다. 모든 유엔 회원국이 비준했고, CFC 생산은 99퍼센트 이상 감소했습니다. 오존층은 회복되고 있으며, 21세기 중반까지 1980년 수준으로 돌아갈 것으로 예상됩니다. 이 글에서는 오존층의 형성과 역할, 오존 파괴 메커니즘, 오존 구멍의 발견, 그리고 몬트리올 의정서의 성공과 남은 과제를 상세히 알아보겠습니다.
오존층의 형성과 역할
오존은 자외선과 산소의 상호작용으로 만들어집니다. 성층권에서 강력한 자외선 C(UVC)가 산소 분자를 쪼개어 산소 원자 둘로 만들고, 산소 원자는 다른 산소 분자와 결합하여 오존이 됩니다. 오존은 다시 자외선을 흡수하여 산소 분자와 산소 원자로 분해되며, 이 과정이 반복되는 평형 상태를 이룹니다. 오존이 자외선을 흡수하며 열을 방출하여 성층권이 높이 올라갈수록 따뜻해집니다. 지표면에서 높이 올라갈수록 기온이 내려가는 대류권과 달리, 성층권은 반대로 올라갈수록 따뜻해져 대류가 억제되고 안정적입니다. 이것이 성층권이라는 이름의 유래이며, 층층이 쌓인다는 의미입니다. 오존층은 20~25킬로미터 높이에서 가장 농도가 높습니다. 하지만 절대 농도는 매우 낮아 백만분의 몇에 불과하며, 성층권 전체 오존을 모아도 3밀리미터 두께밖에 안 됩니다. 이를 돕슨 단위로 측정하며, 지구 평균은 약 300 돕슨 단위입니다. 1 돕슨 단위는 지표 압력으로 압축했을 때 0.01밀리미터 두께입니다. 자외선은 파장에 따라 UVA, UVB, UVC로 나뉩니다. UVC는 가장 짧고 강력하지만 오존과 산소에 완전히 차단되어 지표에 도달하지 않습니다. UVB는 오존층이 대부분 흡수하지만 일부는 통과하여 피부 화상과 암을 일으킵니다. UVA는 가장 약하고 오존이 거의 흡수하지 못해 대부분 통과하지만, 피부 노화를 유발합니다. 만약 오존층이 사라지면 UVB와 UVC가 그대로 내리쬐어 생명이 위협받습니다. 피부암은 수십 배 증가하고, 백내장으로 실명하며, 면역 체계가 약해집니다. 식물은 광합성이 억제되어 성장이 멈추고, 농작물 수확량이 급감합니다. 플랑크톤은 자외선에 매우 민감하여 죽으며, 먹이 사슬 기반이 무너져 어류가 사라집니다. 전 세계 어업이 붕괴하고 수억 명이 식량 부족에 시달립니다. DNA가 손상되어 돌연변이가 증가하고, 생태계 전체가 혼란에 빠집니다. 오존층은 생명 진화에도 결정적이었습니다. 35억 년 전 지구에 생명이 탄생했을 때 오존층은 없었고, 생명은 바다 깊은 곳에서만 살았습니다. 물이 자외선을 일부 차단했기 때문입니다. 약 24억 년 전 남세균이 광합성을 시작하며 산소를 방출했고, 수억 년에 걸쳐 대기 산소가 축적되며 오존층이 형성되었습니다. 오존층이 충분히 두꺼워지자 육상 생명이 가능해졌고, 약 5억 년 전 생물이 육지로 진출했습니다. 오존층 없이는 육상 생명 진화가 불가능했습니다.
오존층 파괴와 오존 구멍
염화불화탄소 CFC는 1920년대 발명되어 기적의 화학물질로 여겨졌습니다. 무독성, 불연성, 안정적이어서 냉매, 발포제, 세정제로 널리 사용되었습니다. 냉장고와 에어컨은 CFC 덕분에 보급되었고, 스프레이 캔도 CFC를 추진제로 썼습니다. 1960년대까지 연간 수백만 톤이 생산되었고, 아무도 문제를 의심하지 않았습니다. 1974년 마리오 몰리나와 셔우드 롤런드가 경고했습니다. CFC는 대기 하층에서 분해되지 않고 성층권까지 올라가며, 강력한 자외선을 받아 염소 원자를 방출하고, 염소가 오존을 파괴한다는 이론을 발표했습니다. 염소 하나가 연쇄 반응으로 오존 분자 수만 개를 파괴하며, CFC 하나가 대기에 50~100년 머물러 오랫동안 영향을 줍니다. 산업계는 반발했고, 증거가 불충분하다며 규제를 반대했습니다. 하지만 과학계는 더 많은 연구로 이론을 확인했고, 1985년 결정적 증거가 나왔습니다. 영국 남극 조사단의 조 파먼이 남극 상공 오존층이 극적으로 감소했다고 보고했습니다. 매년 9~10월 남극 봄에 오존이 절반 이상 사라지는 현상이었고, 1970년대 초부터 시작되어 점점 심해졌습니다. 오존 구멍이라 불렸고, 면적은 남극 대륙보다 컸습니다. NASA 위성 자료가 이를 확인했고, 세계는 충격에 빠졌습니다. 남극 오존 구멍은 독특한 조건 때문입니다. 남극 겨울은 극야로 햇빛이 없고 매우 추워 영하 80도 이하로 내려갑니다. 극 소용돌이가 형성되어 남극 상공 대기를 고립시키고, 극 성층권 구름이 만들어집니다. 이 구름은 얼음 결정으로 이루어지며, 표면에서 화학 반응이 일어나 염소 분자를 활성화합니다. 봄이 와서 햇빛이 돌아오면 염소 분자가 자외선으로 분해되어 염소 원자가 되고, 오존을 맹렬히 파괴합니다. 극 소용돌이가 약해지며 외부 공기가 유입되어 오존이 부분적으로 회복되지만, 매년 반복됩니다. 북극도 비슷하지만 덜 심각합니다. 북극은 남극보다 따뜻하고 극 소용돌이가 약하여 오존 감소가 적습니다. 하지만 2011년과 2020년은 북극도 큰 오존 구멍이 생겼고, 온난화 역설적으로 성층권을 더 차갑게 만들어 극 성층권 구름이 증가했기 때문입니다. 중위도 지역도 오존이 감소했습니다. 남극만큼 극적이지는 않지만, 1980년대 전 세계 오존이 평균 3~5퍼센트 줄었습니다. 호주, 뉴질랜드, 칠레 남부는 남극과 가까워 영향이 컸고, 피부암 발병률이 증가했습니다. 호주는 세계 최고 피부암 발병률을 기록하며, 자외선 지수를 매일 발표하고 야외 활동 시 선크림과 모자 착용을 강력히 권고합니다.
몬트리올 의정서와 회복
국제 협력의 성공
오존 구멍 발견은 국제 사회를 움직였습니다. 과학적 증거가 명확하고, 위협이 전 지구적이며, 해결책이 존재했기 때문입니다. 1987년 9월 몬트리올 의정서가 체결되어 CFC와 기타 오존 파괴 물질의 생산과 사용을 단계적으로 금지했습니다. 선진국은 1996년까지, 개발도상국은 2010년까지 CFC 생산을 중단하기로 했습니다. 의정서는 계속 강화되었습니다. 1990년 런던 개정으로 일정을 앞당겼고, 1992년 코펜하겐 개정은 더 많은 물질을 추가했습니다. 할론, 사염화탄소, 메틸클로로폼도 금지되었고, 수소염화불화탄소(HCFC)는 과도기 대체재로 허용했다가 2030년까지 단계적 폐지하기로 했습니다. 몬트리올 의정서는 역사상 가장 성공적인 환경 협약입니다. 유엔 회원국 197개국 모두가 비준했고, 유일하게 보편적 비준을 달성한 조약입니다. CFC 생산은 99퍼센트 이상 감소했으며, 1980년대 연간 120만 톤에서 현재 사실상 0입니다. 대체 물질이 개발되었습니다. 수소불화탄소(HFC)는 염소가 없어 오존을 파괴하지 않지만, 강력한 온실가스입니다. 냉매는 암모니아, 이산화탄소, 탄화수소로 전환되고 있으며, 스프레이는 압축 공기나 펌프로 바뀌었습니다. 기술 혁신으로 성능은 유지하거나 향상되었습니다. 오존층은 회복되고 있습니다. 성층권 오존 파괴 물질 농도는 감소 추세이며, 남극 오존 구멍은 여전히 나타나지만 크기와 깊이가 줄어들고 있습니다. 2019년은 기록상 가장 작았고, 기상 조건이 따뜻했기 때문이기도 하지만 장기 추세는 회복입니다. 세계기상기구와 유엔환경계획의 2022년 평가에 따르면, 오존층은 2066년까지 1980년 수준으로 회복될 것으로 예상됩니다. 남극은 가장 늦어 2066년, 북극은 2045년, 중위도는 2040년경 회복될 것입니다. 회복에 시간이 오래 걸리는 이유는 CFC가 대기에 수십 년 머물기 때문입니다. 이미 방출된 CFC가 천천히 분해되며, 성층권 염소 농도가 서서히 감소합니다. 하지만 추세는 분명하며, 행동하지 않았다면 2050년 오존층이 붕괴하여 재앙이 일어났을 것입니다. 몬트리올 의정서는 수백만 명의 피부암을 예방했고, 생태계를 보호했으며, 기후 변화도 완화했습니다. CFC는 강력한 온실가스여서 금지로 이산화탄소 환산 수천억 톤의 배출을 막았습니다.
남은 과제와 미래
성공에도 불구하고 과제가 남아있습니다. 불법 CFC 생산이 2018년 발견되었습니다. 동아시아에서 CFC-11 배출이 증가하는 것이 관측되었고, 조사 결과 중국에서 불법 생산되고 있었습니다. 발포 단열재에 저렴한 CFC-11을 몰래 사용했으며, 국제 압박으로 단속이 강화되어 배출이 다시 감소했지만, 감시가 필요합니다. HFC도 문제입니다. 오존은 파괴하지 않지만 온실가스 효과가 이산화탄소의 수백~수천 배이며, 냉방 수요 증가로 사용량이 급증하고 있습니다. 2016년 키갈리 개정으로 HFC를 단계적으로 감축하기로 했고, 2047년까지 85퍼센트 감축 목표입니다. 대체재로 HFO(수소불화올레핀)와 자연 냉매가 개발되고 있습니다. 기후 변화는 오존층에 복잡한 영향을 줍니다. 온난화로 대류권은 따뜻해지지만 성층권은 차가워지며, 차가운 성층권은 오존 회복을 늦출 수 있습니다. 극 성층권 구름이 더 자주 형성되어 염소 활성화가 증가합니다. 반면 대기 순환 변화는 오존 분포를 바꾸며, 예측이 어렵습니다. 지구공학 제안도 우려됩니다. 온난화를 막기 위해 성층권에 황산 에어로졸을 주입하자는 아이디어가 있지만, 오존층에 악영향을 줄 수 있습니다. 화산 폭발 후 성층권 황산이 오존을 감소시킨 사례가 있으며, 신중해야 합니다. 몬트리올 의정서는 희망의 이야기입니다. 과학이 문제를 발견하고, 국제 사회가 협력하여 해결했으며, 산업이 혁신으로 대응했습니다. 기후 변화에도 같은 접근이 필요하지만, 훨씬 복잡합니다. 오존은 소수 화학물질을 금지하면 되었지만, 기후는 전체 에너지 시스템을 바꿔야 합니다. 그래도 몬트리올은 가능함을 보여줍니다. 오존층은 회복되고 있고, 우리는 지구를 치유할 수 있습니다.