오존을 보호해야 지구를 살릴 수 있다

오존층(ozone layer)은 기후 변화, 자연 및 생물다양성 손실, 오염 및 폐기물과 같은 겉보기에 더 시급한 지구 위기에 밀려 대부분의 사람들 마음 속에서 관심이 덜한 실정이다. 오존층이 기후변화 완화에 중요한 역할을 한다는 사실을 잘 모르기 때문이다. 그런데 사실, 새로운 연구에 따르면 오존층을 보호하면 지구의 탄소격리 능력도 증대된다고 한다.

그러나 우리가 그러한 연구 내용과 기후 변화에 대한 우리의 역할이 무엇인지 깨닫기 전에 먼저 오존층이 무엇인지, 그리고 그것이 무엇을 의미하는지에 대해 알고 있어야 한다.

지구의 성층권 내에 존재하는 오존은 자외선(UV)에 의한 산소분자의 분리에 의해 생성된다.

미국항공우주국(NASA)은 지구를 둘러싸고 있는 대기를 이른바 '보안 담요(security blanket)'로 묘사했지만, 사실은 '다층 케이크(multi-layered cake)' 형태의 층으로 구성되어 있다. 그럼 이러한 '다층 담요'로 구성된 대기에 대해 좀 더 자세히 살펴보자.

지구 대기권의 구조

대기는 NASA에서 설명하는 것처럼 고도에 따라서 생기는 중력의 차이와 구성분자의 밀도에 따라 가장 낮은 층부터 가장 높은 층까지 5개 주요 층으로 구성된다. 그리고 각각의 층은 고도에 따라서 기온 차가 심한 것을 관측할 수 있다.

① 대류권(지표면에서 최대 약 12km 높이까지) ― 대류권의 높이는 지구의 극에서 더 낮고 적도에서 더 높다. 이 층에는 지구상의 모든 생물이 필요로 하는 모든 공기가 포함되어 있다. 우리가 숨쉬는 공기와 광합성을 위해 식물이 필요로 하는 공기가 존재하며, 모든 수증기와 에어로졸 (대기에 부유하는 미세한 고체 또는 액체 입자)의 약 99 %를 포함한다. 지구 날씨의 대부분이 대류권에서 발생하기 때문에 날씨에 의해 생성된 거의 모든 구름이 여기에서 발견된다.

② 성층권(지표면에서 12km~50km 사이) ― 성층권에는 태양의 유해한 자외선으로부터 우리를 보호하는 오존층이 있다. 지구 표면에서 15~35km 떨어진 이 층은 오존 농도가 높은 지역이기 때문에 '오존층'이라고 불린다. 이 자외선으로 인해 온도가 상승하고 성층권으로 올라갈수록 온도가 상승한다. 성층권은 날씨 변화가 거의 없기 때문에 구름 역시 별로 없지만 극지방에서는 성층권 구름이 때때로 관찰되기도 한다. 성층권은 또한 제트기가 더 이상 올라갈 수 없는 대기의 가장 높은 부분이다.

③ 중간권(지표면에서 50km~80km 사이) ― 위로 올라갈수록 온도가 따뜻해지는 성층권과 달리 중간권에서는 온도가 위쪽으로 갈수록 점점 더 차가워진다. 중간권의 꼭대기는 지구 시스템 내에서 가장 추운 곳으로 평균 기온이 영하 85°C 정도이다. 이 층의 상단에는 수증기가 거의 없지만 밤에 빛나는 야행성 구름을 형성하는데, 이는 지구 대기에서 가장 높은 구름이며 특정 조건에서 육안으로 볼 수가 있다. 또한 대부분의 유성은 이 층에서 타버리기 때문에 우리에게 도달하지 못한다.

④ 열권 (지표면에서 80km~700km 사이) ― 열권은 가장 낮은 부분에 전리층(ionosphere)을 포함한다. 전리층은 지구의 대기가 우주와 만나는 곳이다. 보다 구체적으로 설명하면, 이온이 없는 지구의 중성 대기와 지상에 묶인 날씨가 하전(荷電)입자와 전기장 및 자기장의 복잡한 시스템으로 구성된 우주 환경으로 바뀌는 곳이다. 열권에서는 분자의 밀도가 매우 낮기 때문에 고도에 따라 온도가 상승한다. 이 층에는 구름이나 수증기가 없지만 '오로라 보리엘리스(aurora borealis)'라는 북극광(Northern lights)과 '오로라 오스트랄리스(aurora australis)'라고 불리는 남극광(Southern lights)이 때때로 여기에 나타난다. 열권에 지속적으로 존재하는 것은 이 층에서 우리 지구 행성을 공전하는 국제우주정거장(ISS)일 것이다.

⑤ 외기권(지표면에서 700km~10,000km 사이) ― 지구 대기의 가장 높은 층은 외기권이다. 이곳의 분자는 밀도가 매우 낮기 때문에 가스처럼 행동하지 않는다. 외기권의 꼭대기는 태양풍과 합쳐지는 곳으로, 외기권은 날씨가 없지만 오로라와 남극광을 종종 가장 낮은 부분에서 볼 수가 있다. ISS가 열권에서 지구를 공전하는 방식과 유사하게 대부분의 지구 위성은 외기권에서 궤도를 돌고 있다.

외기권 너머에는 우주 공간의 가장자리가 있다. 지구 대기가 끝나고 우주 공간이 시작되는 명확한 경계 표시는 없지만 대부분의 과학자들은 지구 대기의 99.99997%가 이 지점 아래에 있기 때문에, 지구의 대기권과 우주 공간 사이의 경계를 정의하려는 시도로 전환점을 표시하기 위해 '카르만 선(Karman line)'으로 알려진 정의(delineation)를 참조한다. 카르만 선은 지구 표면에서 100km 떨어진 곳에 있다. 그러나 2019년 NASA의 연구에 따르면 지구의 대기는 실제로 '지오코로나(geocorona)'라고 불리는 수소 원자 구름의 형태로 우주로 거의 629,300km까지 확장될 수 있다. 이 거리는 달의 궤도를 훨씬 넘어선다.

오존층의 역할

오존층 자체는 햇볕을 통해 화상을 유발하는 'UV-B'로 알려진 자외선으로부터 우리를 보호하는 보이지 않는 방패 역할을 한다.  자외선 복사는 이것의 파장에 의거하여 UV-A(400~315nm), UV-B(315~280nm), UV-C(280~100nm)까지 3가지 범주로 나뉜다. 높은 수준의 자외선에 노출되면 유전학상의 손상을 유발하여 그 결과 피부암이나 백내장 같은 위험이 증가하는 것으로 알려져 있다. 높은 수준의 UV-B에 장기간 노출되면 인간의 건강을 위협하고 대부분의 동물, 식물 및 미생물에 피해를 준다.

그런데 문제는 이미 30년도 넘는 이전부터 오존층이 고갈되기 시작하면서 심각한 상황에 직면했다는 사실이다.

염소와 브롬을 함유한 할로겐(halogen)이 포함된 가스가 대기 중으로 대량으로 방출되면 심각한 오존층 파괴가 발생할 수 있다. 이 가스 중 하나가 성층권의 오존층에 도달하면 자외선을 흡수하고 염소 원자를 분해 및 방출하는데, 하나의 염소 원자는 최대 100,000개의 오존 분자를 파괴할 수 있다.

과학자들은 1970년대 중반에 오존층에서 이러한 효과를 관찰하기 시작했지만, 1985년이 되어서야 비로소 남극 위에서 오존층(오존층 파괴가 심한 지역)의 '구멍'이 발견되었다. 영국남극조사(British Antartic Survey) 연구원들에 의해 맨처음 발견된 이 현상은 '총량 오존 매핑 분광계(TOMS: Total Ozone Mapping Spectrometer)'를 활용한 전체 오존 기둥에 대한 NASA의 위성 추정치에 의해 확인되었다. '오존 구멍'이라고 불리지만 실제로는 오존층이 상당히 얇아지는 것을 의미하기 때문에 잘못된 이름이다.

오존층에 미치는 영향으로 인해 할로겐을 함유한 인공 화학 물질은 총칭하여 '오존층 파괴 물질(ODS)'로 알려져 있으며 그 때로 돌아가보면 사람들의 일상 생활에서 어디에나 존재했었다.

그 당시에는 대부분의 관심이 염화불화탄소(CFC)에 주어졌는데, CFC가 에어컨, 냉장고, 에어로졸 캔에 널리 사용되었기 때문이다. 다른 ODS로는 하이드로클로로플루오로카본(HCFC), 할론 및 메틸 브로마이드 등이 있다. 이와 같은 오존층 파괴 용매는 컴퓨터, 전자 제품 및 가전 제품용 부품을 깨끗이 청소하는 데 사용되었다. 그리고 자동차 대시 보드, 주택 및 건물의 단열 폼, 온수 보일러 및 신발 밑창 등 다양한 품목이 CFC 또는 HCFC를 사용하여 만들어졌다. 할론은 사무실, 컴퓨터 시설, 군사 기지, 비행기 및 선박의 화재 예방에 널리 사용되었다. 과일과 채소조차도 해충 방제를 위해 메틸 브로마이드로 훈증 처리를 했다.

이러한 위기에 대응하기 위해 전 세계적으로 각국 정부는 1985년  오존층 보호를 위한 비엔나 협약을 채택하기에 이르렀다. 그리고 2년 후인 1987년 9월 16일, 오존층을 파괴하는 물질에 관한 몬트리올 위정서가 채택되었다. 또한 비엔나 협약의 몬트리올 의정서에 따라 정부, 과학자 및 산업계로 구성된 이해 관계자들은 모든 오존층 파괴 물질의 99%를 제거하기 위해 협력에 나섰다. 이처럼 다자간 환경 협약을 통해 거의 100개에 이르는 오존층 파괴 물질의 생산과 소비를 규제하고 있다.

국제 조약은 선진국과 개발도상국에 대해 서로 다른 시간표를 적용, 단계적으로 다양한 ODS의 소비와 생산을 줄여나가고 있다. 이 조약에 따른 모든 당사자는 ODS의 다른 그룹의 단계적 폐지, ODS 무역 통제, 데이터 연간 보고, ODS의 수입 및 수출을 통제하기 위한 국가 라이선스 시스템 및 기타 문제와 관련된 개별적 책임을 지고 있다. 선진국과 개발도상국은 동등하면서도 차별화된 책임을 가지고 있지만, 더 중요한 것은 양쪽 모두 구속력 있고 구체적인 일정과 측정 가능한 약속을 지켜야 한다는 것이다.

몬트리올 의정서는 보편적 비준을 달성하는 아주 드문 국제 조약 중 하나이다. 이것이 성공하는데 기여한 요인 중 하나는 조약 제10조에 따라 1991년에 설정된 소위 '몬트리올 의정서 이행을 위한 다자간 기금'이다. 이 기금의 목적은 개발도상국 당사국이 조약의 통제 조치를 준수하도록 재정 및 기술 지원을 제공하는 것이다. 형평성을 위해 당시 개발도상국의 1인당 연간 ODS 소비량과 생산량이 0.3kg 미만이라는 점이 고려되었기 때문이다.

기금 마련의 목적은 주요 개발도상국들이 조약에 가입하도록 설득하기 위한 것이었다. 개발도상국이 환경 조약에 따른 의무를 이행할 수 있도록 돕기 위해 만들어진 최초의 기금 인 몬트리올 의정서의 다자간 기금은 환경에 관한 초기 '프로토타입(prototype)' 국제기금협약으로 알려지게 되었다. 수혜자 측면에서 140개 개발도상국 중 거의 모든 당사국이 자국에서 ODS의 단계적 폐지 프로그램을 시행했다. 이 기금은 39억 달러 이상 투입되어 산업 전환, 기술 지원, 교육 및 역량 구축을 포함한 8,600개 이상의 프로젝트에 자금을 지원했다.

그 결과 현재까지 몬트리올 의정서 당사국들은 1990년대 수준에 비교해서 전 세계적으로 ODC의 98%를 단계적으로 폐지했다. 이러한 물질의 대부분은 강력한 온실가스이기도 하기 때문에 이 조약은 지구 온도 상승을 억제하는 데 많은 도움이 되고 있다.

1990년부터 2010년까지 이 조약에 의한 통제 조치로 135기가 톤(1 giga ton=10⁹ ton)의 이산화탄소(CO₂)에 맞먹는 온실가스 배출량을 줄인 것으로 추정되는데, 이는 연간 11기가 톤씩 감소한 셈이다. 또 다른 추정에 따르면, 몬트리올 의정서는 2030년까지 매년 200만 명이 피부암에 걸리지 않도록 해줄 것으로 예상된다. 

성층권 내 오존층의 구멍은 1979년부터 2000년까지 최대 범위에 도달했으나 다행히 이후 몇 년을 거치면서 크기의 증가세가 멈췄다. 2001년 이래로 몇 년 사이 주로 성층권 온도에 기인하여 오존 구멍의 크기가 변하면서 오존층이 회복의 징후를 보이기 시작했으며, 온도가 높을수록 오존 구멍이 작아졌다.

앞으로 남극의 오존 구멍은 CFC가 대기를 떠나면서 점진적으로 회복되겠지만 완전히 회복하려면 수십 년이 걸릴 것으로 보인다.

2018년 NASA의 연구에 따르면 화학 물질 사용금지로 인한 오존 구멍 회복에 대한 최초의 직접적인 증거가 확인됐다고 한다.

NASA의 고다드(Goddard) 우주비행센터에서 대기를 연구하는 과학자인 앤 더글라스(Anne Douglass)의 언급이다.

"CFC의 수명은 50년에서 100년 사이이므로 대기 중에 매우 오래 남아 있습니다. 오존 구멍이 사라진다고 해도, 우리는 2060년 또는 2080년까지 수명이 지속될 것으로 보고 있습니다. 그리고 그때에도 여전히 작은 구멍은 있을지도 모릅니다"

과학자들은 남극 위의 오존층이 2070년 경에는 1980년 수준으로 회복될 것으로 예상하고 있다.

그러나 우리가 몬트리올 의정서로 달성한 모든 것에도 불구하고 오존층이 완전히 회복되는 데는 여전히 오랜 시간이 걸릴 것으로 보인다. 이것은 우리가 지구상에서 하는 모든 일이 우리가 원하는 만큼 빨리 고칠 수는 없는, 장기적인 결과를 초래한다는 것을 상기시키는 중요한 알림인 것이다. 오존층은 여전히 치유 중이기 때문에 새 장비를 구입할 때 '오존 친화적', 'HCFC 프리' 또는 '에너지 효율' 라벨을 계속 찾아야 한다. 그리고 오래된 기술의 경우 오작동으로 인해 CFC가 대기 중으로 누출될 수 있으므로 정기적인 유지 관리 또는 서비스를 보장해야 한다.

오존층은 이제 환경 문제가 해결된 것처럼 보일 수 있지만 온실가스 배출량 감소와는 별개로 기후변화 완화 측면에서 오존층의 역할이 전면에 등장하고 있다.

NASA의 2021년 연구에 따르면 오존층을 보호하면 지구의 탄소격리 능력도 보호되는 것으로 나타났다. 오존층이 식물을 포함한 모든 생명체를 보호하고 더 나아가 대기에서 CO₂를 흡수하는 능력을 제공한다는 점을 감안할 때 이것은 매우 의미가 있다.

세계가 회피하는 시나리오에서 이 연구가 보여준 것은 1970년대부터 매년 3%의 지속적인 CFC 배출이 식물에 어떤 영향을 미치는지에 대한 것이다. 이러한 시나리오에서 고갈된 오존층은 더 유해한 자외선이 지구 표면에 도달하도록 하여 식물이 조직과 토양에 탄소 저장하는 능력을 제한하게 된다. 그러면 대기 중 CO₂ 수준이 현재보다 30% 이상 높아질 것이다.  결과적으로 지구는 식물에 미치는 영향으로만 따져도 온도가 추가로 0.85°C 더 뜨거워질 것이다.

훨씬 더 많은 양의 유해한 자외선은 인간뿐만 아니라 식물에게도 일광화상(sunburn)을 유발할 수 있으며, 식물이 햇볕에 타면 광합성에 큰 타격을 입으면서 대기에서 탄소를 흡수할 수 없어 식물 조직과 토양에 저장할 수도 없게 된다.

전반적으로, 식물에 미치는 더 유해한 자외선의 영향은 숲, 토양 및 초목에 저장되는 탄소를 5,800억 톤이나 감소시킬 것으로 보인다.  이 정도의 탄소는 흡수되지 않고 대기로 방출되어 대기 중 CO₂ 수준을 현재 예상하는 세계적인 시나리오에 비해 평균 30%나 증가시키게 된다.

여러 모델링에 따르면 대기 중 CO₂의 엄청난 증가만으로도 2100년까지 지구 온도가 0.85°C 상승할 것으로 보고되고 있다. 우리는 지구온난화에 더하여 CO₂ 및 기타 비(非) ODS 온실가스의 사전 및 계획된 배출로 인해 벌써부터 온도 상승을 경험하고 있다.

이 연구의 핵심은 몬트리올 의정서가 감소되지 않은 ODS 배출로 인한 추가 오존층 파괴로 인해 영향을 받았을 탄소를 흡수하고, 격리하는 식물의 능력을 보호함으로써 기후변화 완화에 기여했다는 것이다. 의정서는 아마도 기후변화 측면에서 우리에게 시간을 벌어주었을 것이다. 그러나 몬트리올 의정서에서 얻은 가장 중요한 교훈은 우리가 원할 때 함께 협력할 수 있다는 것을 보여준 것이다.

어떤 사람들은 화석연료를 빠르게 대체할 수 없기 때문에 파리 협정의 목표를 달성하기가 어렵다고 말한다. 문제는 태양열과 풍력과 같은 재생 가능 에너지원이 있다는 것이다. 그렇더라도 하룻밤 사이에 화석연료에서 재생 가능 에너지로 에너지원을 대체할 수도 없을 뿐더러, 재생 가능 에너지로의 전환이 지구의 평균 기온 상승을 1.5°C 이내로 유지하는 데 필요한 속도를 따라가지 못할 것이다.

아무튼 몬트리올 의정서 이행을 위한 다자간 기금이 개발도상국으로 하여금 ODS를 단계적으로 폐지하도록 지원하는 데 성공했다. 이는 개발도상국이 청정 에너지로 전환하기 위한 자금 지원의 중요성을 분명히 보여주었다. 특히 개발도상국이 기후변화를 유발하는 CO₂ 배출량의 대부분에 대한 책임이 없음에도 가장 큰 고통을 겪고 있다는 점을 감안할 때 선진국은 지구 기후 행동의 성공 여부를 결정하기 위해 기후 기금 약속을 이행해야 할 것이다. 2022년 이집트 '샤름 엘 셰이크'에서 열린 제27차 당사국총회(COP27)에서 합의한 손실 및 피해 기금과 함께 개발도상국을 일컫는 이른바  '남반구(Global South)'의 시민사회단체들은 기후변화의 영향을 가장 많이 받는 국가에 보조금 형태의 재정 지원을 해줄 것을 요구하고 있다.

우리는 예측만 번복하다가 화석연료로 인한 온실가스 배출로 지구의 평균 기온만 상승시켰다는 사실을 알게 되었다. 우리가 이미 경험하고 있는 극한의 날씨 외에도 이와 같은 지구온난화는 탄소를 흡수하고 격리하는 식물의 능력에도 유사한 영향을 미칠 것이다. 온도 상승은 탄소를 격리하는 식물의 능력을 감소시켜 더 높은 온도로 이어지고 탄소 격리를 더욱 못하도록 악화시킨다.

우리 대부분이 알고 있고 또한 당연하게 여길 수 있듯이 우리의 지구라는 행성계와 관련된 과정은 복잡하고 상호 연결되어 있다. 예컨대, 한 가닥이 나머지 부분에 영향을 줄 수 있는 복잡한 거미줄과 같은 것으로 볼 수 있다. 우리는 1980년대에 오존층의 파괴가 명백해졌을 때 그것을 인식하고 그에 따라 행동한 바가 있다. 이제 우리는 지금이라도 다시 그렇게 해야 한다.

이러한 행동은 우리의 삶의 방향을 자연 중심과 지구라는 행성의 경계 주변으로 바꾸고, 우리가 사는 지구의 모든 자원이 유한하다는 것을 이해하는 것으로 시작한다. 자연의 순리를 따르지 않으면 우리들 스스로 우리의 삶을 옥죄게 될 것이 불보듯 뻔하기 때문이다.