<주범은 따로 있다>
프레온 옹호론자들은 해수나 화산에서 분출되는 염소가 프레온류에 의한 것보다 더 많이 성층권에 도달할 것이기 때문에 프레온이 오존층의 파괴 주범은 아니라는 주장을 했다. 그러나 염소는 물에 녹으므로 쉽게 성층권에 도달하지 못하는 반면 프레온류는 물에 녹지 않으므로 성층권에 도달된다는 것이 증명되었다. 오존 구멍은 프레온류가 광범위하게 사용되기 전인 1956년에 이미 발견되었으므로 성층권의 오존 구멍의 형성에는 다른 요인이 있다는 주장도 제기되었다.
그런데 1988년에는 남극에서 오존 구멍이 없어졌다는 충격적인 보도가 있었다. 세계가 발칵 뒤집혀졌음은 물론이다. 그러나 오존 구멍이 없어진 것이 아니라 감소의 정도가 작아졌다고 수정 발표되어 처음의 발표는 해프닝으로 끝났다.
그 후 1995년의 측정에 의하면 남극 대륙의 1.6배, 구 소련령의 유럽 지역을 포함하는 유럽 대륙의 2배에 달하는 넓이의 오존 구멍이 관측되었다. 또한 해발 14～19킬로미터 지점에 거의 오존이 없는 층도 관측되었다. 이뿐이 아니다. 북반구 지역에서도 1996년을 기준으로 10년 동안 오존 전량이 3.6퍼센트나 감소했다는 관측도 있었다.
오존 구멍 형성의 원인을 밝힌 크루첸(Paul J. Crutzen), 몰리나, 롤랜드는 1995년에 노벨 화학상을 받았다.
크루첸은 1970년에 일산화질소가 오존층을 파괴한다는 것을 발표한 보상을 받은 것이다. 그는 자동차 배기가스에 포함돼 있는 질소산화물은 반응성이 강해 성층권에 도달되기 전에 이미 다 소멸돼 버리고 실제 성층권에 존재하는 질소산화물은 토양 내에서 미생물들에 의해 만들어진 일산화질소(N2O, 흔히 웃음가스)라고 설명했다. 그의 연구는 지구 현상을 이해하는데 생명현상과 연결시켜야한다고 강조했고 ‘생물지구화학’이라는 새로운 연구 분야를 활성화시켰다.
1930년대 미국의 토머스 미지웨이가 천사의 물질이라는 환호를 받은 ‘프레온’이 스위스의 폴 헤르만 뮐러(Paul Hermann Müller)의 DDT와 마찬가지로 악당의 물질이 된 것이다. 그러나 DDT와는 달리 프레온은 인간 생활에 절대적으로 필요하다는 것이 걸림돌이다. 더구나 프레온은 DDT와 마찬가지로 당장 인간에 직접적인 영향을 주지 않는다.
그러나 이에 굴할 프레온 사용 반대파들이 아니다. 그들도 CFC가 우리 생활에서 없어서는 안 될 것이지만 오존층 파괴는 인류의 생존을 위협하는 것이므로 그 사용을 억제해야 한다는 여론을 전개했다. 결국 그들의 주장이 강력한 호응을 얻어 드디어 국제적인 규제가 시작되었다. 처음에는 에어로졸의 사용 등을 규제하였지만 CFC의 사용량을 줄이는데는 효과를 보지 못했다. 그러자 1987년에 몬트리올 의정서가 채택됐으며 1990년, 1992년에는 규제 일정이 강화되었다. 결론은 각 국의 사정에 따라 규제 정도가 다르지만 2005년에는 개발 도상국을 포함한 전 세계에서 프레온의 사용을 전부 폐지한다는 것이다. 여기에는 모든 나라에서 프레온을 대체할 수 있는 대체 냉매를 사용해야 한다는 조건이 있다.
<왜 남극에 오존홀이 생기나>
남극에 오존홀이 생긴다는 것은 많은 학자들이 의아해했다. CFC의 방출이 대부분 북반구 중위도에서 일어나는데다 다른 지역의 오존층 파괴는 남극만큼 뚜렷하지 않기 때문이다.
남반구의 겨울(6, 7, 8월)이 되면 남극에서는 남극 대륙을 감싸는 동서 방향의 강한 강풍대가 형성되는데 이를 ‘극 와동’이라 부른다. 극 와동은 남북 방향, 곧 적도와 남극 사이의 공기 순환을 차단하여 따뜻한 저위도의 공기가 남극으로 유입하는 것을 막는다. 한편 겨울의 남극은 햇빛의 유입이 적고 장파복사에너지의 유출이 계속되어 복사에 의한 냉각이 지속된다. 극 주변의 성층권 공기 온도가 냉각되어 영하 90도에 이르면 성층권에 얼음 입자나 질산염(HNO3)의 언 결정이 나타나 극성층권 구름을 형성한다.
남극의 겨울이 시작되는 6월에는 CFC에서 분리된 염소원자가 염화수소(HCl)나 질산염소(ClONO2)의 형태로 일시적이지만 안정된 상태로 보관된다. 그러나 겨울이 계속되어 복사로 인한 냉각이 지속되면 7, 8월에 극성층권구름이 형성되는데 이때 질산염 결정들이 빠져나가고 구름은 염소분자(Cl2)를 내놓는다. 9월에 태양이 적도를 넘어 남반구 상공에 위치하면 남극 주변에도 점차 자외선이 유입되어 오존을 파괴하기 시작한다. 이러한 현상이 10월까지 지속되어 남극 하늘에 오존이 거의 없는 오존홀이 형성되는 것이다.
문제는 그동안 파괴되어 사라진 오존의 양이 보충되지 않는다는 점이다. 이 기간에도 극 와동의 세력이 충분히 강하여 저위도의 풍부한 오존이 남극 지방으로 유입되는 것을 방해하기 때문이다. 11월이 되면 극 와동의 세력도 약해져 남북 방향의 바람도 강해지고 이에 따라 따뜻한 공기의 유입과 함께 저위도로부터 풍부한 오존이 수송되어 오존홀을 메운다.
반면에 CFC가 많이 배출되는 북반구에 위치한 북극의 경우에도 역시 극 와동이 존재한다. 극 와동이 지구의 자전 현상에 의해 발생하기 때문이다.
그러나 남극처럼 강하게 발달하지 않는다. 북반구에는 히말라야나 로키 산맥 같이 높은 산이 있는 대륙이 존재하여 이를 방해한다. 즉 이런 지형적인 굴곡이 동서 방향의 주된 흐름을 방해하여 남북 방향의 흐름을 발생시킨다. 한 방향으로 흐르던 시냇물이 바위를 만나면 물이 바위 주변으로 흩어지는 이유와 같은 이치다. 이로 인해 남쪽의 좀더 높은 온도의 공기가 북극으로 유입되어 성층권의 온도는 남극보다 높으며 극성층권 구름이 쉽게 형성되지 않는다. 즉 성층권 구름의 발달이 약해 오존의 파괴가 남극에 비해 심하지 않은 것이다.
결론적으로 남극에서 오존홀이 뚜렷한 이유는 굴곡이 없는 해양으로 둘러싸여 있는 남극 대륙의 지리적인 특성 때문이다. 주로 북반구에서 인간 활동에 의해 성성된 DFC가 지표를 떠나 대류권의 순환을 통해 성층권으로 유입되고 다시 남극으로 이동한 뒤 지형적인 특징과 결합하여 오존홀을 형성하는 것이다. 북반구에 사는 우리들에게 다소 위안감을 준다는 것이 장점이지 않은가.
오존의 구멍을 보다 명확하게 규명하기 위해 냉전 시대의 유물인 미국의 U-2비행기가 과학용도로 특별히 개조되어 오존 구멍이 만들어지는 남극대륙 상공의 성층권 현장으로 투입되었다. 결론은 오존 구멍의 주범이 인간들의 작품인 염소산화물임을 분명히 보여주었다.
그러나 학자들을 헷갈리게 하는 것은 오존 구멍이 남극대륙의 사공이라는 '제한된 공간에서 남반구의 초봄(9월〜11월)에만 제한적으로 발생한다'는 것이다. 이 말은 이 시기를 지나면 오존 구멍은 거의 원상을 회복한다는 것을 의미한다. 공해의 주범으로 알려진 NOx와 ClOx가 오존을 분해하는 촉매로 일단 이들이 활동에 들어가면 오존의 파괴 반응이 지속된다. 그럼에도 불구하고 오존층이 유지되는 것이다. 정밀한 관찰에 의해 북에서도 소규모의 오존 구멍이 발견되기는 하지만 지구가 둥근데 왜 북극과 남극 그리고 초봄에만 생기는 것은 학자들에게 큰 의문점을 제기했다.
자연에는 촉매 기능을 중단시킬 수 있는 반응이 동시에 일어난다. 촉매들끼리 서로 결합하여 저장(reservoir) 화합물이 되면 촉매기능을 잃어버린다. HNO3, ClONO2, HCL, HOCl 등이 바로 대표적인 저장화합물이다. 물론 이들이 빛을 받으면 ClㆍClOㆍNO2 등으로 분해되면서 촉매작용이 다시 활성화 된다. 즉 남극의 겨울 동안 햇빛이 없어 어둡고 추운 극소용돌이 내에서 극성층운의 도움 하에 열심히 염소가 만들어진다. 초봄이 되어 햇빛이 비치기 시작하면 누적되어 있던 염소가 광분해되면서 오존을 분해하는 촉매작용이 일어나는 것이다.
그러나 저장화합물의 역할을 감안하다면 오존 문제에 너무 신경질적인 반응은 자제해야 한다고 말한다. 오존을 파괴하는 촉매반응을 중지시키는 이런 조절 기능이 적절한 양의 오존층을 유지시켜주므로 걷잡을 수 없는 속도로 오존이 파괴되는 일은 생기지 않는다는 뜻이다.
그러나 현재 오존층이 크게 손상되어 있는 것은 사실이므로 이전의 원래 모습으로 돌아가는 것이 얼마가 걸리는 지는 확실하지 않다. 적어도 수십년이 걸린다는 추정만 있을 뿐이다.
<과장된 프레온의 영향>
놀라운 것은 프레온 규제에 관한 국제 규약이 프레온을 더 이상 판매하지 못하게 하려는 음모에서 비롯되었다는 주장도 줄기차게 제기되었다. 그것은 바로 미국의 특허 제도에 기인한다는 것이다.
프레온은 1930년에 미국의 뒤퐁사에서 미지웨이에 의해 발명되었음은 이미 설명하였다. 전 세계에서 사용되는 거의 모든 냉장고, 에어컨, 스프레이, 컴퓨터 세척제 등에 필수적인 프레온이 사용되므로 뒤퐁사는 프레온이 개발된 이래 전 세계로부터 엄청난 로열티를 받아왔다. 뒤퐁사는 그들에게 가장 큰 이득을 남겨주는 프레온의 제조 방법을 철저하게 보호하여 세계 어느 나라에서도 프레온을 제작하는 것을 막았다. 그러나 문제는 시간이었다. 미국의 특허는 25년이 유효기간인데 1회에 한해서 연장이 가능하다. 1980년에 프레온의 제조 기법이 공개될 운명에 있었던 것이다.
우리나라는 물론 전 세계에서 프레온의 자체 개발을 서두른 것도 바로 이 당시부터이다. 그러나 뒤퐁사는 프레온의 특허권 해제에 대한 대안을 갖고 있었다. 바로 프레온의 약점을 오히려 역으로 이용하자는 것이다. 그들은 50년 동안 전 세계를 석권했던 프레온의 약점, 즉 오존을 손상한다는 것을 미리 알고 사전에 준비하기 시작했다. 프레온의 구성 성분 중에서 오존을 파괴하는 염소를 사용하지 않는 물질을 개발한 것이다.
프레온의 사용 기간 종료가 임박하자 대체 물질을 이미 개발한 그들은 국제 여론을 움직여 프레온의 사용을 금지시키고 그들이 개발한 대체 물질을 공급하려 했다는 것이 음모론의 실체이다. 물론 이 음모론에 증거가 있는 것은 아니다. 다만 그들의 특허 기간 동안에는 아무런 조치가 없다가 갑자기 프레온의 공해론을 제기한 것이 다소 이상하다는 것과 오존 구멍이 프레온의 문제점이 노출되기 이전인 1956년에도 이미 발견되었다는 것이 그 증거이다.
그러나 아직도 프레온에 의한 공해 문제는 말끔하게 해결된 것은 아니다. 우선 오존 구멍이 정말로 프레온에 의해서만 영향을 받았느냐는 아직도 학자들간에 이견이 좁혀지지 않고 있다. 자연에는 다양한 화학반응, 물리반응이 있으며 이들이 복잡하게 얽혀 있으므로 프레온 이외의 요인이 크게 영향을 미칠 수도 있다는 지적이다.
물론 많은 학자들은 프레온이 아닌 다른 원인에 의해 오존 구멍이 생길 수도 있지만 프레온이 오존층을 파괴한다는 것은 틀림없다는 데에 동의하고 있다. 프레온에 의해 조금이라도 문제가 생기고 있다는 것을 알면 당연히 규제해야 한다는 뜻이다.
학자들이 오존의 문제를 해결하기 위해 프레온을 사용하지 말아야 한다는 소극적인 대안에만 관심을 쏟는 것은 아니다.
가장 전진적인 발상은 프린스턴 대학의 스틱스 박사가 제안한 방법이다. 그는 산꼭대기에 거대한 레이저 장치를 설치하여 유해한 프레온을 겨냥해서 발사하자고 제안했다. 그 레이저 장치는 프레온을 대기권의 낮은 층에서 분해시켜 오존층까지 도달하지 못하게 하자는 것이다.
원리는 간단하다. 레이저로 응집된 빛을 프레온에 의해 가장 쉽게 흡수될 수 있는 주파수로 동조시키는 것인데 그의 계산에 의하면 전 세계에 적외선 레이저를 배치하면 1년에 적어도 1백만 톤의 프레온을 분해시킬 수 있다. 이 숫자는 현재 매년 대기 중으로 방출되는 프레온의 양과 같다. 물론 수증기나 이산화탄소와 같은 다른 분자에 흡수되지 않고 프레온에만 흡수되는 레이저 에너지를 얻는 방법이 아직까지는 개발되지 않은 상태이지만 인류는 언제나 필요한 것은 개발해왔다.
오존의 감소를 해결하는 보다 쉬운 방법은 사라진 오존을 보충하는 것이다. 지상에서 오존을 만들어 로켓, 항공기, 기구 등을 통해 성층권으로 올려 보내자는 것이다. 유사한 방법으로 냉각시킨 오존 ‘포탄’을 하늘로 발사하는 방법, 태양열을 동력으로 삼는 오존 발생기를 기구(氣球)를 통해서 띄우는 방법도 있다.
간단하게 제트기 편대를 이용해서 오존을 분사하는 방법도 제시되어 있다. 사실상 오존은 3개의 산소 원자로 이루어져 있을 뿐 원자가 2개인 대기 중의 산소와 차이가 크지 않아 원료는 무진장 있는 셈이다. 현재로서는 오존을 보충시키는 작업이 간단한 것은 아니지만 프레온의 방출을 줄이면서 오존을 증가시키는 방법이 불가능한 것은 아니다.
결국 프레온의 문제를 인간이 만들었다면 그것을 해결하는 것도 인간이어야 함은 당연한 일이다. 그 일을 한국의 과학자가 수행하지 못할 이유는 없다고 생각된다.
한편 대규모 냉동이 필요한 공장이나 스케이트장 같은 곳에서는 현재도 가격이 저렴한 암모니아를 이용하는 시스템이 사용된다. 암모니아는 전기를 사용하지 않고 가스나 유류를 이용하여 흡수식 냉동 및 냉난방이 가능하다. 아인슈타인도 1929년에 암모니아를 이용한 냉장고의 효율 개선을 위해 프로젝트를 수행했다.
CFC의 장본인인 미지웨이는 자신의 발명품이 예기치 않은 ‘치욕’을 겪는 것을 지켜볼 만큼 오래살지 못했다. 학자들은 그가 장수했다면 노벨상을 수상했을 것으로 생각한다. 특히 그가 프레온의 부작용을 알았다면 뛰어난 발명가 기질을 발휘하여 해결책을 내놓았을 것으로 본다.
그러나 그는 주위의 찬사를 받으며 소아마비에 걸려 눕게 되었다. 그러자 정신은 또렷하므로 침대에서 벗어날 도르래 장비를 고안했다. 그런데 어느 날 도르래 밧줄에 걸려 질식해 죽었다. 그날 과학계는 커다란 별 하나를 잃었다는 사람이 많았다. 물론 프레온의 오존층 파괴가 알려지자 그를 기억하려는 사람은 많지 않고 환경을 파괴한 악마로 묘사되었다.
1930년대 미지웨이가 공헌한 바는 정말로 대단하다. 어느 누구도 50년 뒤를 미리 내다보고 혁신적인 CFC가 오존층에 구멍을 내리라고는 생각하지 못했을 것이다. 당시에는 냉각제가 부실하여 음식물의 부패가 골칫거리였다. 그가 냉각 분야에 획기적인 성과를 냄으로써 많은 생명을 구했다는 것도 부인할 수 없다. 그를 부주의한 악당으로 묘사하는 것은 불합리하고 비과학적이라는 지적도 있음은 사실이다.
과학 팁 한 가지.
냉장고 속에 보관했던 과일이 더 맛이 있다 즉 더 단 맛을 느낀다고 말하는 사람들이 있는데 이는 사실이다. 과당이 많은 과일은 냉장고에 넣었다 먹을 때 더 달게 느끼기 때문이다. 설탕의 단맛을 100이라고 할 때 과당의 단맛은 115 전후로 과당이 설탕보다 더 단 맛을 낸다. 그런데 과당의 단맛은 온도에 따라 변한다. 물론 과일 속의 과당 함량이 온도에 따라 변한다는 뜻은 아니다.
과당은 알파형과 베타형이 섞여 수분에 녹아 있는 형태인데 베타형이 알파형에 비해 3배가 달다. 그런데 과일 속에 있는 알파형과 베타형 과당 비율은 온도에 따라 변화하기 때문에 같은 과일이라도 단맛의 차이가 생긴다. 온도가 내려가면 알파형이 베타형으로 바뀌므로 과일 속에 베타형이 많아진다. 반면에 온도가 올라가면 알파형이 더 많아진다. 따라서 온도가 내려간 냉장고 속의 차가운 과일이 더 달게 느껴지고 냉장고보다 온도가 높은 실내에 놓아둔 과일은 덜 달게 느껴진다. 냉장고가 필수품이 된 이유를 이해할 것이다.
참고문헌 :
「병주고 약주는 오존의 두얼굴」, 과학동아, 1995년 9월
『녹색세계사』, 클라이브 폰팅. 심지, 1995
『생각 1g만으로도 유쾌한 화학 이야기』, 레프 G. 블라소프외, 도솔, 2002
『장난꾸러기 돼지들의 화학피크닉』, 조 슈워츠, 바다출판사, 2002
『교양으로 읽는 과학의 모든 것』, 한국과학문화재단, 미래M&B, 2006
『역사를 바꾼 17가지 화학이야기』, 페니 르 쿠터, 사이언스북스, 2007
『노벨상과 함께 하는 지구 환경의 이해』, 김경렬, 자유아카데미, 2008
『과학에 둘러싸인 하루』, 김형자, 살림, 2008
『교양으로 읽는 과학의 모든 것』, 한국과학문화재단, 미래M&B, 2006
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