오존층은 성층권에 있는 얇은 오존 가스층으로, 태양의 해로운 자외선을 차단하여 지구 생명을 보호합니다. 만약 오존층이 없다면 강력한 자외선이 지표면에 도달하여 피부암과 백내장을 일으키고, 식물의 광합성을 방해하며, 플랑크톤을 죽여 해양 생태계를 붕괴시킬 것입니다. 1985년 남극 상공에서 오존 구멍이 발견되었습니다. 봄철마다 오존층에 거대한 구멍이 뚫리며, 면적이 남극 대륙보다 컸습니다. 원인은 프레온 가스였습니다. 냉장고, 에어컨, 스프레이에 사용되던 프레온이 성층권으로 올라가 오존을 파괴했습니다. 과학자들이 경고하고 전 세계가 행동했습니다. 1987년 몬트리올 의정서가 체결되어 프레온 생산이 금지되었고, 이는 역사상 가장 성공적인 환경 협약이 되었습니다. 오존층은 회복되고 있습니다. 2060년대에는 1980년 수준으로 돌아갈 것으로 예상됩니다. 인류가 환경 위기를 극복할 수 있다는 희망을 보여준 사례입니다. 이 글에서는 오존층의 구조와 역할, 오존층 파괴의 메커니즘, 몬트리올 의정서와 회복 과정, 그리고 남은 과제를 상세히 알아보겠습니다.
오존층의 구조와 역할
오존은 산소 원자 3개로 이루어진 분자입니다. 화학식은 O₃이며, 우리가 숨 쉬는 산소 O₂와는 다릅니다. 오존은 청록색을 띠고 독특한 냄새가 나며, 지표면 근처에서는 유해한 대기 오염물질이지만 성층권에서는 생명을 지키는 보호막입니다. 오존층은 성층권 고도 15~35킬로미터에 집중되어 있으며, 특히 20~25킬로미터에서 농도가 가장 높습니다. 전체 오존을 지표면 기압으로 압축하면 두께가 겨우 3밀리미터에 불과합니다. 매우 얇지만 결정적인 역할을 합니다. 오존은 자외선을 흡수하는 성질이 있습니다. 태양에서 오는 자외선은 파장에 따라 UV-A, UV-B, UV-C로 나뉩니다. UV-C는 가장 위험하지만 성층권의 산소와 오존이 모두 흡수합니다. UV-B는 중간 위험도이며, 오존층이 대부분 차단합니다. 오존층이 없다면 UV-B의 대부분이 지표에 도달할 것입니다. UV-A는 비교적 약하지만 일부는 지표에 도달하며, 피부 노화를 일으킵니다. 자외선 차단이 중요한 이유는 명확합니다. UV-B는 DNA를 손상시켜 피부암과 백내장을 유발합니다. 오존층이 1퍼센트 감소하면 피부암 발생률이 2~3퍼센트 증가합니다. 면역 체계도 약화시킵니다. 식물은 자외선에 민감하여 광합성이 방해받고 성장이 저해됩니다. 농작물 수확량이 감소하고 생태계가 교란됩니다. 해양 생태계는 특히 취약합니다. 플랑크톤은 먹이 사슬의 기초이지만 자외선에 매우 민감합니다. 오존층 감소는 플랑크톤 개체수를 줄여 전체 해양 생태계를 위협합니다. 오존의 생성과 소멸은 자연적으로 균형을 이룹니다. 자외선이 산소 분자 O₂를 쪼개 산소 원자 O를 만들고, 산소 원자가 산소 분자와 결합하여 오존 O₃가 됩니다. 오존은 자외선을 흡수하여 다시 산소 분자와 산소 원자로 분해됩니다. 이 순환이 계속되며 오존 농도가 일정하게 유지됩니다. 이를 채프먼 순환이라고 합니다.
오존층 파괴의 발견과 원인
1985년 영국 남극 조사단의 조 파먼이 남극 상공의 오존 농도가 급격히 감소했다는 것을 발견했습니다. 봄철인 9월과 10월에 오존층에 구멍이 뚫렸으며, 오존 농도가 정상의 절반 이하로 떨어졌습니다. 처음에는 측정 오류로 생각했지만, 여러 측정소와 인공위성 자료가 모두 같은 결과를 보였습니다. 오존 구멍은 실제로 존재했습니다. 원인은 프레온 가스였습니다. 프레온 또는 염화불화탄소 CFCs는 1930년대 개발된 화학물질로, 냉매, 발포제, 세척제, 스프레이 분사제로 널리 사용되었습니다. 무독성이고 불연성이며 화학적으로 안정적이어서 완벽한 산업 물질로 여겨졌습니다. 하지만 바로 그 안정성이 문제였습니다. 프레온은 대기 하층에서 분해되지 않고 천천히 성층권으로 올라갑니다. 10~20년이 걸려 성층권에 도달하면 강한 자외선이 프레온을 분해하여 염소 원자를 방출합니다. 염소 원자 하나가 10만 개 이상의 오존 분자를 파괴할 수 있습니다. 염소 원자가 오존과 반응하여 산소와 일산화염소를 만들고, 일산화염소는 다른 오존과 반응하여 다시 염소 원자를 방출합니다. 염소 원자는 촉매처럼 작용하며 소모되지 않고 계속 오존을 파괴합니다. 남극에서 오존 구멍이 가장 심한 이유가 있습니다. 남극 겨울은 극야로 매우 춥습니다. 성층권 온도가 영하 80도 이하로 떨어지며 극 성층권 구름이 형성됩니다. 이 구름 표면에서 염소를 활성화하는 화학반응이 일어납니다. 봄이 되어 태양이 돌아오면 활성화된 염소가 오존을 급속히 파괴합니다. 극 소용돌이가 남극 대륙을 고립시켜 오존이 적은 공기가 갇혀 구멍이 형성됩니다. 북극도 오존 감소가 일어나지만 남극보다 덜합니다. 북극은 남극보다 따뜻하고 극 소용돌이가 약해 효과가 작습니다. 하지만 북극 오존층도 위협받고 있습니다.
몬트리올 의정서와 회복
국제적 대응
1974년 마리오 몰리나와 셔우드 롤랜드가 프레온이 오존층을 파괴할 수 있다고 경고했지만, 산업계는 반발했습니다. 1985년 오존 구멍 발견으로 위기가 현실화되자 세계가 움직였습니다. 1987년 9월 캐나다 몬트리올에서 역사적인 협약이 체결되었습니다. 몬트리올 의정서는 프레온과 기타 오존 파괴 물질의 생산과 사용을 단계적으로 금지하기로 했습니다. 선진국은 1996년까지, 개도국은 2010년까지 프레온 사용을 중단하기로 합의했습니다. 196개국과 유럽연합이 비준하여 유엔 역사상 최초로 모든 회원국이 참여한 조약이 되었습니다. 의정서는 여러 차례 개정되어 규제를 강화했습니다. 1990년 런던 개정은 완전 폐지 일정을 앞당겼고, 1992년 코펜하겐 개정은 추가 물질을 규제 대상에 포함했습니다. HCFC는 프레온의 대체물질로 개발되었지만 역시 오존을 파괴하여 단계적 폐지가 결정되었습니다. 2016년 키갈리 개정은 HFC를 규제 대상에 추가했습니다. HFC는 오존을 파괴하지 않지만 강력한 온실가스이므로 기후 변화 대응 차원에서 규제되었습니다. 의정서는 성공적이었습니다. 프레온 생산은 99퍼센트 이상 감소했고, 대기 중 프레온 농도는 감소하기 시작했습니다. 오존층도 회복 징후를 보입니다. 남극 오존 구멍의 크기와 깊이가 최악의 시기보다 개선되었습니다. 전 세계 오존층은 2000년 이후 조금씩 두꺼워지고 있습니다. 과학자들은 오존층이 2060년대에 1980년 수준으로 회복될 것으로 예상합니다. 남극은 2070년경, 북극은 2030년대에 회복될 것입니다.
남은 과제
불법 프레온 배출이 발견되었습니다. 2018년 과학자들이 CFC-11 농도 감소 속도가 늦어진 것을 발견했습니다. 추적 결과 동아시아, 특히 중국 일부 지역에서 금지된 프레온이 불법으로 생산·사용되고 있었습니다. 국제 사회가 압력을 가하여 중국 정부가 단속을 강화했고, 불법 배출이 감소했습니다. 하지만 모니터링이 계속 필요합니다. 기후 변화가 오존층에 영향을 줍니다. 온실가스 증가로 대류권은 따뜻해지지만 성층권은 오히려 차가워집니다. 차가운 성층권은 극 성층권 구름 형성을 촉진하여 오존 파괴를 심화시킬 수 있습니다. 복잡한 상호작용이 예측을 어렵게 만듭니다. HFC 대체도 과제입니다. HFC는 오존을 파괴하지 않지만 온실가스이므로 키갈리 개정으로 규제되었습니다. 자연 냉매인 암모니아, 이산화탄소, 탄화수소가 대안이지만, 기술적 경제적 과제가 있습니다. 개도국 지원이 필요합니다. 의정서는 다자기금을 설립하여 개도국이 대체 기술을 도입하도록 지원했습니다. 계속된 지원으로 모든 국가가 참여할 수 있어야 합니다. 지구공학 우려도 있습니다. 일부는 기후 변화 대응으로 성층권에 입자를 살포하여 태양광을 반사시키자고 제안합니다. 하지만 이는 오존층을 손상시킬 위험이 있어 신중해야 합니다. 몬트리올 의정서는 환경 협력의 모범입니다. 과학이 문제를 발견하고, 정치가 해결에 합의하며, 산업이 대안을 개발하고, 시민이 지지했습니다. 기후 변화에도 같은 성공을 이룰 수 있을까요. 오존층 회복은 희망을 줍니다. 인류가 힘을 합치면 환경 위기를 극복할 수 있습니다.