오존층 — 자외선을 막는 층은 왜 성층권에 있을까

자외선 지수가 높은 날에는 햇빛에 오래 있지 말라는 안내가 나옵니다. 그래도 지표에 닿는 자외선은 햇빛이 처음 가진 자외선의 일부일 뿐입니다. 나머지는 하늘 높은 곳의 오존층이 흡수합니다. 그런데 오존층은 왜 땅 가까이도, 대기 꼭대기도 아닌 성층권에 있을까요? 답은 오존이 만들어지는 방법에 있습니다.

오존은 자외선이 만듭니다

오존($\mathrm{O_3}$)은 산소 원자 셋이 붙은 분자입니다. 공기의 5분의 1 을 차지하는 산소 분자($\mathrm{O_2}$)가 재료입니다. 햇빛 속의 파장이 짧고 에너지가 큰 자외선이 산소 분자에 부딪히면 분자가 산소 원자 둘로 쪼개집니다. 쪼개진 산소 원자는 혼자 있지 못하고 곁의 산소 분자와 붙어 오존이 됩니다.

만들어진 오존도 자외선을 흡수하고 다시 쪼개집니다. 이렇게 생기고 깨지기를 되풀이하는 동안 자외선의 에너지가 열로 바뀌어 주위의 공기를 데웁니다. 성층권이 위로 갈수록 따뜻한 것이 이 때문입니다(대기의 연직 구조). 자외선을 막는다는 것은 벽처럼 튕겨 내는 것이 아니라 흡수해서 써 버리는 것입니다.

왜 하필 성층권일까

오존이 생기려면 두 가지가 함께 넉넉해야 합니다. 산소 분자를 쪼갤 센 자외선과, 쪼개진 원자가 붙을 산소 분자입니다.

대기 꼭대기는 자외선이 가장 세지만 공기가 너무 묽습니다. 쪼개진 산소 원자가 짝을 만나기 어려워 오존이 별로 생기지 않습니다. 아래로 내려오면 공기는 점점 짙어지지만, 자외선은 위쪽의 산소와 오존에 흡수되며 점점 약해집니다. 땅에 가까워지면 산소 분자를 쪼갤 만한 자외선이 거의 남지 않습니다. 그래서 위에서 내려오는 자외선과 아래에서 짙어지는 공기가 만나는 높이, 곧 20 ~ 30 km 에 오존이 가장 많이 모입니다. 그곳이 성층권입니다.

프레온이 오존층을 깨뜨립니다

냉장고와 스프레이에 쓰던 프레온(염화 플루오린화 탄소, CFC)은 땅에서는 거의 반응하지 않을 만큼 안정합니다. 그래서 분해되지 않고 성층권까지 올라갑니다. 거기서 센 자외선을 받으면 비로소 쪼개지며 염소 원자를 내놓습니다. 염소 원자는 오존에서 산소 원자 하나를 떼어 내 오존을 산소 분자로 바꾸고, 자신은 다시 풀려나 다음 오존을 깨뜨립니다. 반응에 쓰이고도 없어지지 않으니 염소 원자 하나가 오존을 연달아 깨뜨립니다.

오존이 가장 크게 줄어드는 곳은 남극 상공입니다. 겨울 동안 극도로 차가운 성층권에 구름이 생기고, 그 얼음 알갱이 위에서 염소가 반응하기 쉬운 꼴로 바뀌어 쌓입니다. 봄이 되어 햇빛이 돌아오면 염소가 한꺼번에 풀려나 오존을 깨뜨리고, 오존이 크게 비는 오존 구멍이 생깁니다. 1987 년 몬트리올 의정서로 프레온의 생산을 막은 것은 이 때문입니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 오존층의 높이와 역할. 성층권의 20 ~ 30 km · 자외선을 흡수 · 성층권의 기온을 높인다.
• 성층권에서 기온이 위로 갈수록 오르는 까닭. 오존의 자외선 흡수.
• 오존 생성 반응 순서. 산소 분자 분해 → 산소 원자와 산소 분자의 결합.
• 프레온이 성층권까지 가는 까닭. 반응성이 작아 분해되지 않고 올라가며, 성층권의 자외선에 분해되어 염소를 낸다.
• 오존층이 얇아질 때. 지표에 닿는 자외선 증가 · 피부암과 백내장 위험 증가.

자주 헷갈리는 것

• "오존층이 얇아져 지구가 더워진다" — 다른 문제입니다. 오존층은 자외선을 막고, 온실 효과는 적외선을 붙잡는 기체의 일입니다.
• "오존은 몸에 좋다" — 성층권의 오존은 지표를 지키지만 지표 가까이의 오존은 자동차 배기가스에서 생기는 대기 오염 물질입니다. 오존 주의보는 이쪽 이야기입니다.
• "오존층은 오존만 모인 층이다" — 오존이 가장 많은 그 높이에서도 오존은 공기의 아주 작은 부분입니다. 대부분은 여전히 질소와 산소입니다.

정리합니다. 오존은 자외선이 산소 분자를 쪼개야 생기므로, 자외선이 센 위쪽과 공기가 짙은 아래쪽이 만나는 성층권 20 ~ 30 km 에 가장 많습니다. 오존은 자외선을 흡수해 열로 바꾸며 지표를 지키고 성층권을 데웁니다. 프레온에서 나온 염소는 쓰이고도 남아 오존을 연달아 깨뜨립니다.

그림 참고: [NOAA Chemical Sciences Laboratory, Twenty Questions and Answers About the Ozone Layer](https://csl.noaa.gov/assessments/ozone/2018/twentyquestions/) 의 도해 구도를 따라 다시 그렸습니다.