greenhouse effect ( 온실효과 )

 

2009년 12월에 덴마크 코펜하겐에서는 UN 기후변화회의 제15차 당사국 총회가 열린다. 이 회의에서는 2013년 이후 각국에서 실시할 온실 가스 감축 수준과 방식을 결정할 예정이다. 이보다 앞서 1997년에 일본 교토에서 열린 제3차 당사국 총회에서는 ‘기후변화에 관한 UN 규약의 교토 의정서(약칭 교토 의정서(Kyoto Protocol))’가 채택되었고, 2005년부터 발효되었다. 교토 의정서는 온실 효과를 보이는 6종의 온실 가스의 배출량 감소 목표치를 정하고 있는데, 2008년~2012년 사이에 선진국의 전체 온실 가스 배출량을 1990년 대비 최소한 5.2%를 감축할 것을 목표로 하고 있다. 우리나라는 2002년에 이 조약을 비준하여, 온실 가스 배출량의 감축 의무를 지게 되었다.   교토 의정서에서 정한 6종의 온실 가스

 

 

 

온실 가스는 지구의 복사열인 적외선을 흡수하여, 지구로 다시 방출하는 기체를 말한다 온실 가스는 대기권에 존재하는 기체 중에서 지구의 복사열인 적외선을 흡수하여, 지구로 다시 방출하는 특성을 갖는 기체를 일컫는 말이다. 온실 효과를 보이는 주요 기체와 이의 대기 중 농도는 수증기(H2O: 약 1%), 이산화탄소(380 ppmv), 메탄(1.8 ppmv), 산화이질소(0.3 ppmv), 오존(O3: 0~0.7 ppmv) 등이다. 여기서 ppmv는 부피 백만분율을 나타낸다. 이들 기체 중 온실 효과에 대한 기여도는 수증기가 약 60%, 이산화탄소가 약 25%, 그리고 메탄이 약 7%로 알려져 있다. 이외에도 여러 플루오르 화합물 기체가 비록 농도는 낮지만 온실 효과에 기여한다. 이들 기체가 대기 중에 존재하지 않으면, 지구는 복사 냉각에 의해 지금보다 평균 온도가 대략 33 oC 낮아질 것으로 파악되고 있다. 따라서 온실 가스는 지구를 따뜻하게 유지해주는 역할을 한다. 대기 중에 온실 가스가 없으면, 밤과 낮의 온도 차이가 너무 커서 현재 존재하는 지구의 생물체 중 많은 수가 생존하기 어려워질 것이다. 그러나 이들의 과다 배출이 지구 온난화를 초래함으로써 빙하가 녹아 해수면이 상승하고, 생태계가 변하고, 각종 기후 이변을 가져다 주어 국제적 협약으로 이들의 배출량 감축을 추진하고 있다.

 

 

투발루의 해변. 원래는 해변이었지만 온난화로 인한 수면 상승으로 모래사장이 사라져버렸다.
<출처: Stefan lins at ko.wikipedia.com>

 

 

대기 중의 수중기 함량이 일정한 수준을 유지하는 까닭은, 비와 눈이 내리고 다시 지구 상의 물이 증발하는 순환구조 때문이다. 이산화탄소도 마찬가지 원리로 일정하게 유지된다. 각종 유기물의 부패에서 생성되는 것과, 식물과 식물성 플랑크톤의 광합성에 의해 소비되는 것, 그리고 바닷물에 용해되는 것 등이 순환하면서 이산화탄소 양이 유지되어 온 것이다. 산업혁명 이전까지 수천년 동안은 260~280ppmv로 거의 일정 수준을 유지하여 왔다. 하지만 18세기 중엽에 시작된 산업혁명은 석탄, 그리고 뒤이어 석유와 같은 화석 연료 사용의 급증을 가져왔으며, 이로 인해 이산화탄소의 배출이 크게 증가되었다. 이에 반하여 농업용지의 확충, 각종 산업 용지의 확보, 목재 및 종이 사용의 증가는 이산화탄소를 흡수하던 삼림자원의 감소를 가져왔다. 특히 열대 우림의 벌채는 지구의 이산화탄소 흡수 능력을 크게 감소시켰다. 이에 의해 이산화탄소의 배출과 흡수의 수지 균형이 깨어지고, 대기 중 이산화탄소의 농도는 산업혁명 이전인 1750년에 비해 35% 이상 증가하게 되었다. 이와 같은 증가 추세는 중국 등 미개발 국가의 산업화가 가속화된 최근 들어 더욱 두드러지고 있다. 따라서 대기 이산화탄소 농도 증가가 지구온난화의 첫 번째 요인으로 온실 가스 감축의 주된 대상이 되었다.     이산화탄소 외 메탄, 플루오르 화합물 등 6종의 기체가 지구 온난화에 영향을 준다 메탄과 플루오르 화합물의 배출도 지구 온난화에 크게 기여하고 있어, 교토 의정서에는 이들을 감축대상 온실 가스에 포함시켰다. 메탄은 이산화탄소보다 분자당 10배 이상 큰 온실 효과를 보인다. 산업혁명 이전에 비해 대기 중 메탄 농도는 150% 증가하였다. 가축의 방귀 및 축산 분뇨, 논, 쓰레기 매립장, 도시 가스의 누출 등이 주된 메탄 가스의 발생원이다.

 

  

 

염화 플루오르화 탄소화합물(CFC)은 냉장고, 에어컨 등의 냉매로 사용되어 왔다. 다른 여러 가지 플루오르 화합물 기체도 소화기나 스프레이 분사체 등의 산업 용도로 사용되어 왔다. 이들은 산업혁명 이전에는 없던 새로운 온실 가스이다.   플루오르 화합물 기체는 대기 중 평균 체류 기간이 길고 온실 효과 가 크며, 성층권에서 오존층을 파괴하는 주된 기체이기도 하다. 오존층 파괴 때문에 프레온 가스인 CFC-12는 이미 사용이 금지되었으며, 보다 온실 효과가 적은 수소화 플루오르 탄소도 2030년에는 완전히 사용 금지될 예정이다.   이산화탄소 배출과 지구온난화를 연관시켜 최초로 논의한 사람은 아레니우스(Svante August Arrhenius, 1859~1927)이다. 그는 어떤 물질을 물에 녹인 용액이 전기를 통하는 것은 이 물질이 이온으로 해리되기 때문이라고 밝혀 1903년에 노벨화학상을 수상하였으며, 반응속도 상수의 로그(log) 값과 절대온도의 역수 사이에는 1차 함수 관계가 성립됨을 보이고, 이를 통해 반응의 활성화 에너지 개념을 도입한 사람이다. 아레니우스는 1897년에 대기 중의 이산화탄소 농도가 2배로 증가하면 지구는 5~6 oC 더워진다고 계산하였다. 1906년에는 이를 1.6 oC(수증기 효과를 감안 하면 2.1 oC)로 수정하였는데, 현재의 추정치는 2~4.5 oC 이다. 당시의 미미한 이산화탄소 농도 증가로부터 그 효과를 비교적 정확하게 추정한 것에서 그의 혜안을 엿볼 수 있다.

지구 온난화에 대해 최초로 논의한 아레니우스 <출처: 노벨상 위원회>

 

 

 

왜 질소와 산소 기체는 온실 효과를 보이지 않는가? 지구 대기는 질소가 78.1%, 산소가 20.1%, 그리고 아르곤이 0.9%이다. 이들의 농도는 이산화탄소의 0.038%(380 ppmv)보다 월등히 높다. 하지만, 질소, 산소와 아르곤 기체는 적외선을 흡수하지 않아 온실 효과를 보이지 않는다. 이는 1850년대 말에 실험으로 증명되었으며, 20세기 초반에는 분광학적으로 설명되었다. 약 300K(27 oC)인 지구는 흑체 복사의 법칙에 따르면 복사광의 최대 세기의 파장이 약 10μm인 적외선을 방출한다. 따라서 온실 효과를 보이는 기체는 적외선을 흡수할 수 있어야 한다. 분자가 적외선을 흡수하면 진동에너지가 높아지게 되는데, 모든 분자가 적외선을 흡수하는 것은 아니다. 적외선을 흡수하여 진동에너지 상태가 변하기 위해서는 진동할 때 분자의 쌍극자 모멘트가 변해야 하는데, 질소와 산소는 같은 원자로 구성된 이원자 분자로 진동할 때 쌍극자 모멘트가 변하지 않아 적외선을 흡수할 수 없다. 아르곤은 단원자 분자로 진동에너지가 없어 역시 적외선을 흡수하지 않는다. 반면에 이산화탄소와 메탄은 비록 쌍극자 모멘트가 없는 비극성 분자이나, 이들 분자의 진동 방식 중 일부에서는 진동할 때 쌍극자 모멘트가 변하기 때문에 적외선을 흡수하고, 따라서 온실 효과를 나타낸다.

 

  

이산화탄소(CO₂의 진동방식. (가)의 경우를 제외하고는 진동할 때 쌍극자 모멘트가 변해 적외선(IR)을 흡수한다.
(다)와 (라)는 굽힘 진동으로 굽힘이 일어나는 면만 다를 뿐 같은 진동 방식이며, 따라서 같은 파장의 적외선을 흡수한다.
진동은 분자의 질량 중심이 변하지 않는 분자 내부 운동이다.

 

 

분자의 진동 방식의 수는 분자에 있는 원자의 개수(N)에 의해 달라지는데, 선형 분자는 3N-5, 비선형 분자는 3N-6이다. 따라서 물은 3가지 진동 방식이 있고, 이들 모두는 진동할 때 쌍극자 모멘트가 변해 적외선을 흡수한다. 이산화탄소는 4가지 진동 방식 중 3가지에서 쌍극자 모멘트가 변해 적외선을 흡수한다 (그림 참조). 동종 이원자 분자 이외의 다원자 분자들은 모두 적외선을 흡수하며, 이들이 대기 중에 있는 경우에 온실 효과를 보일 수 있다.     온실 가스 감축을 위한 우리의 노력

 

 

얼음이 다 녹아서 이사를? 북극곰의 삶의 터전이 줄고 있다.

최근에 우리 정부는 2020년까지 온실 가스 배출량을 2005년 대비 4% 줄이겠다는 목표를 설정하였다. 이는 당초 배출 전망에서 30%를 감축하는 것이다. 탄소(이산화탄소) 배출은 전력생산, 수송, 가정 및 산업용 에너지 등에서의 배출이 전체 배출의 거의 90%를 차지한다. 이를 감축하기 위해서는 에너지의 효율적 사용과 더불어 태양, 풍력, 조력, 바이오 에너지 등 화석에너지를 대체하는 신∙재생 에너지원의 개발이 중요할 것이다. 최근 논의되는 수소에너지는 원자력 발전에 의해 생산되는 전기로 물을 전기 분해하여 수소 기체를 생산하지 않는 한 온실 가스 감축에는 큰 실효성이 없다.   대체에너지 개발과 아울러 이미 배출된 이산화탄소를 포획하고 고정화시켜 제거하는 노력도 필요하다. 또한 메탄 가스의 주요 배출원인 축산업 분뇨와 매립지에서 발생하는 메탄을 포획하여 연료로 사용함으로써 보다 온실 효과가 적은 이산화탄소로 전환하거나, 화학 원료로 사용하는 것도 보다 적극적으로 모색되어야 할 것이다.

 

 

 

 

글 박준우 / 이화여대 화학‧나노과학과 교수

서울대학교 화학과를 졸업하고 템플대학교에서 박사학위를 받았다. 현재 이화여대 화학‧나노과학과 교수이다. 저서로 <뮤코다당류의 생화학과 생물리학>이 있고, 역서로 <젊은 과학도에 드리는 조언> 등이 있다.

발행일  2009.12.10

요약

대기를 가지고 있는 행성 표면에서 나오는 복사에너지가 대기를 빠져나가기 전에 흡수되어, 그 에너지가 대기에 남아 기온이 상승하는  현상이다.

본문

대기가 온실의 유리처럼 기능하기 때문에 온실효과라는 이름이 붙었다. 하지만 온실의 정확한 원리는, 땅이 태양빛을 흡수해서 온도가 상승한 후 그렇게 해서 데워진 공기가 확산되는 것을 유리(또는 비닐)가 막음으로써 온실 내부 온도가 상승하는 데에 있다. 때문에 복사에너지 흡수가 원인인 대기의 온실효과와는 차이가 있다. 단 열에너지 자체가 외부로 확산되지 않아서 온도가 상승한다는 점에서 결과는 마찬가지다. 지구의 온실효과 지구에 대기가 존재하지 않으면 태양에서 받는 빛에너지를 그대로 다시 방출할 것이다. 이러한 이론에 따라 계산해 보면 지구 표면의 온도는 약 -20℃까지 떨어지게 된다. 현재 지구의 평균기온은 약 15℃이기 때문에 30℃가 넘는 차이가 나는데, 이 차이가 바로 온실효과 때문에 생긴다. 지구는 태양에서 에너지를 받은 후 다시 에너지를 방출하여 복사평형을 유지한다. 이때 대기 중에 있는 여러 가지 온실기체는 지구가 방출하는 긴 파장의 빛을 흡수하여 그 에너지를 대기 중에 묶어 두게 된다. 이렇게 대기 중에 들어온 에너지는 기체 분자의 운동량을 증가시켜 대기의 온도가 상승한다. 즉, 현재의 온난화 현상이 있기 이전에도 온실효과는 지구의 대기와 함께 항상 있어 왔던 현상인 것이다. 여기에는 수증기, 이산화탄소, 메테인 같은 온실기체가 관여하고 있으며 특히 수증기가 가장 큰 작용을 한다. 온실효과와 지구온난화 흔한 오해 중의 하나는 온실기체가 우주로 나가는 복사에너지를 감소시켜서 지구온난화가 일어난다고 생각하는 것이다. 실제로 온실기체에 의해 감소하는 지구의 복사에너지는 전체 복사에너지의 양에 비하면 매우 적어서 거의 0에 가깝다. 사실 현재 온난화가 일어나는 것은 대기 중에 붙잡혀 있는 에너지의 양 자체가 증가한데 그 이유가 있다. 이는 인구의 증가와 산업화 진행에 따라 온실 기체의 양이 과거에 비해 늘어난 것이 원인이다.