책정리

- 45억 년 전 지구가 생성됐을 때, 대기에는 산소가 없었다. 사실 우리는 대기에 산소가 있는 다른 행성을 아직 알지 못한다. 대기에 산소가 있을 가능성이 생긴 것은, 5억 년쯤 지나 고 나서 단세포 유기체들이 산소를 만들어내기 시작한 뒤부터였다. 하지만 대기는 또 10억 년 동안 무산소 상태로 유지됐다. 원시 식물 이 생산한 모든 산소를 수소가 삼켜버렸거나, 철이나 다른 지질학적 물질과 반응하는 데 소모했기 때문이다. 이 상태는 광합성이 시작되기 전에 약 10억 년 동안 지속됐고, 광합성이 진행된 다음에야 산소가 대기에 축적되기에 충분해졌다. 그와 동시에 화산에서 나오 는 수소는 줄어들기 시작했다.
약 23억 년 전부터 대기의 산소 농도는 약 3퍼센트까지 꾸준히 상승하기 시작했고, 아주 오랜 기간 같은 수준에 머물렀다. 정말 로 아주 아주 오랜 시간, 7억 년 전이나 그 무렵까지 유지됐다. 그 뒤로 산소 농도는 미친 듯이 오르기 시작했다. 눈 깜짝할 사이, 그 러니까 불과 5000만 년 동안 가파르게 상승해 13퍼센트까지 올랐 고, 약 3억 년 전 석탄기에 사상 최고 수준까지 한 번 더 급격하게 상승한다. 그 무렵 산소 농도는 지금보다 50퍼센트 더 높았다. 이런 산소 농도는 생물의 형태를 주목할 만하게 발달시켰다. 이를테 면 갈매기만 한 잠자리, 다리 길이가 거의 0.5미터에 이르는 거미, 몸길이가 1미터까지 뻗은 지네' 등이다. 이런 무시무시한 벌레들은 산소를 30퍼센트 이상 포함하는 대기 덕에 큰 몸을 유지할 수 있을 만큼 호흡이 가능했기에 존재할 수 있었다.
3억 년 전 무렵 산소 농도가 증가한 원인은 탄소를 포함한 어마 어마한 숲이 급속히 매장됐기 때문으로 보인다. 탄소가 없어졌다는 건 광합성으로 생산된 산소가 대기 외에는 갈 곳이 없다는 뜻이다. 산소는 가장 높은 농도일 때 대기에 약 35퍼센트까지 축적될 수 있 었다. 하지만 결코 현재에 만족하지 않는 우리 인류는 부지런하게 지난 200년 동안 이 균형을 바로잡고 있다. 편리하게도 석탄이나 석유로 바뀐 오래된 숲들을 파내, 열과 전기를 생산하기 위해 불태 우고 있는 것이다.
우리가 아는 한, 지구는 산소를 생산하는 유일한 행성이다. 우리 는 대기에 산소가 있는 다른 어떤 행성도 아직 발견하지 못했다. 생 명이 진화할 수 있는 기준을 충촉하는 다른 행성이 있을지도 모르 지만, 확실히 산소를 기반으로 한 생물의 증거는 찾지 못했다. 만약 산소가 풍부한 다른 대기를 찾는다면, 이것은 그 행성에서 생물이 진화했고 활발히 광합성을 했다는 강력한 징후다.

-우리는 주로 지름이 10마이크로미터(μm) 이하인 입자들을 다루어왔다. 이것은 '흡입성 미립자'로 불리곤 했지만, 지 금은 일반적으로 'PM'이라고 한다. 엄밀히 따지면, PM10은 '공기 역학 직경 10마이크로미터에서 50퍼센트를 걸러내도록 설정된 입 구를 통과한 입자'를 뜻한다. PM이 무엇인지 궁금하게 여긴 적 이 있다면, 그리고 왜 PM이라고 부르는지 궁금했다면 이제 알았 을 것이다. 나는 여러분이 묻기를 잘했다고 생각하기를 바란다. 이 입자들은 입과 코를 통해 흡입될 정도로 작지만, 우리 폐에 들어가 기에는 크다. 따라서 관심은 PM2.5 혹은 PM 이라고 하는 더욱 작은 입자에게 돌아갔다. 즉, 지름 2.5마이크로미터 이하거나 1마이 크로미터 입자들이다. 이 입자들은 우리가 호흡할 때 (숨을 들이마실 때) 곧장 폐로 들어갈 수 있다. 그래서 PM2.5를 '호흡성' 입자상 물질 (초미세먼지)이라고 부르기도 한다. 그리고 PM0.1을 연구하기도 한 다. 이것은 지름 0. 1 마이크로미터 이하인 입자다. 1마이크로미터는 100만분의 1미터, 혹은 1000분의 1밀리미터다. 따라서 자에 표시 된 밀리미터 눈금 두 개 사이에 PM2.5 입자 500개를 줄 세울 수 있 다. 물론 웬만큼 따분한 오후가 아니고서야 이런 일을 하고 싶지는 않을 것이다. 그림은 사람의 머리카락과 바닷가의 모래알에 비교한 PM의 크기다.

- 오존층 파괴 물질들에 대한 몬트리올 의정서가 불과 2년 뒤에 체결 됐다. 여기에 더해 문제를 일으킨 물질의 사용을 금지하고 대체하 는 조치가 이어졌다. 어떤 경우에는 금지된 물질을 대체하는 물질 이 기존 물질만큼이나 나쁜 것으로 밝혀져, 다시 금지되기도 했다. 몇 가지 요인 덕분에 이렇게 신속한 조치가 가능했다. 첫째, 과학이 상당히 분명하고 모호하지 않았다(오늘날 기후 변화에 대한 인간의 영 향과 매우 유사하다). 둘째, 건강에 심각한 영향을 미칠 수 있었고 쉽 게 인식할 수 있었다. 셋째, 문제 해결에 필요한 수단을 상품 개발자와 제조업자들이 만들 수 있었다. 에어로졸 분무제나 냉장업계는 대체 화학물질을 상당히 빠르게, 합리적인 가격에 찾아내고 실행했 다. 결과적으로 가격 상승이나 다른 행동을 요구하는 등 소비자에게 호응을 얻지 못할 가능성이 있는 대규모 변화는 필요하지 않았다. 따라서 지금 해야 할 일은 우리가 이미 대기에 집어넣은 염소와 불소가 성층권으로 올라가 거기 있어야 하는 오존에 최악의 손상을 입히는 70년 정도를 기다리는 것이다. 그리고 오존층이 회복되기를 바라는 것뿐이다. 2016년에 측정한 오존홀의 크기는 1991년부터 2016년까지의 평균보다 약간 작았다. 2015년에 비해서 면적이 약 간 작아졌고, 깊이도 약간 줄었다. 따라서 옳은 방향으로 가고 있는 것이지만, CFCs가 있기 전의 평균보다는 훨씬 작다. 아직 해결되기 에는 이르다.

- 탄화수소와 질소산화물, 태양광이 있는 한 탄화수소는 점진적으 로 산화한다. 그 과정에서 OH에서 R, RO2, RO, HO2, OH로 그 리고 다시 OH로 순환하는 동안 점점 더 많은 오존을 만들어낸다. 이 순환이 일어날 때마다, 일산화질소는 이산화질소로 산화되고, 이것은 상당히 빠르게 또 다른 오존 분자를 만든다.
바로 그 점이 문제다. 조건이 맞으면 순환하면서 매번 오존을 만 들어낸다. 그 결과로 오존이 급속히 형성된다. 수많은 탄화수소와 수많은 이산화질소 그리고 약간의 태양광이면 지저분한 연무의 성 스럽지 못한 삼위일체가 형성된다. 우리가 광화학적 스모그라고 부 르게 되는 바로 그것이다. 이 고삐 풀린 오존 농도 증가는 눈의 염 증과 작물 피해를 일으키는 원인이다. 하지만 어떤 조치를 취하기
는 어렵다. 오존 노출을 줄이는 가장 좋은 방법은 해가 많이 내리쬐 지 않는 곳에 사는 것이다. 하지만 캘리포니아 주민에게 캘리포니 아에서 살지 말라고 이야기해보아라. 그렇게 극단적인 방법을 제외 하면, 전략은 오존으로 가득 찬 대기 분수계를 만드는 두 가지 주재 료인 탄화수소와 질소산화물의 배출량을 줄이는 데 집중된다.

- 저고도 지상 오존의 핵심은 매우 반응성이 높은 화학물질인 오 존히 접촉 가능한 많은 물질을 산화시킨다는 점이다. 예를 들어 작 물이나 자연 생태계의 특수 식물, 우리의 목과 폐가 있다. 착각하지 마라. 오존은 고약한 것이다. 우리는 때로 사무실 복사기 프린터 근처에서 오존 냄새를 맡을 수 있다. 복사기에서 사용하는 밝은 빛이나 고압 방전이 첫 번째 반응, 즉 이산소 분자가 산소 원자 둘로 나뉘는 반응을 일으키기 때문이다.
용기만 있다면 번개가 내리친 직후 공기 냄새를 맡아봐도, 같은 냄새가 불쑥 올라올 것이다. 번개를 맞아 까맣게 그을린 골퍼의 향 기가 아니라, 전기적 불꽃이 대기를 지나가며 형성한 오존 냄새다.
- 독일 화학자 크리스티안 쇤바인은 1840년 이 기체를 최초로 분리해 냈고, '냄새'를 뜻하는 '오존'이라는 이름을 붙였다. 당시 질소와 산 소를 포함해 대기의 기본 구성은 잘 알려져 있었지만, 오존의 화학 식은 1865년까지 규명되지 않았다. 아마도 오존의 독특한 냄새 때 문에, 어쩌면 강력한 산화제로서의 소독 작용 때문에 오존은 발견 당시부터 건강에 이롭다고 널리 알려졌다. 사실 내가 경솔하게 추 측했던 것과 달리 '오존ozone'이라는 이름에 든 그 모든 O는 산소와 는 아무런 관계가 없다. 이 말은 그리스어로 '냄새 맡다'라는 뜻의 'ozein'에서 온 것이다.
내게 오존 냄새는 유쾌한 것이 아니다. 하지만 우리가 19세기로 돌아간다면, 오존은 소독제로서뿐 아니라 건강과 안녕에 좋은 물질 로서 대중 의식에 확고히 박혀 있는 걸 발견할 것이다. 사람들은 건 강을 주는 오존을 찾아 해변으로 가거나 심지어 크로이던 [영국 런던 남부 지역]의 오존 수영장으로 갔다. 해변 특유의 톡 쏘는 냄새는 (적 어도 영국 주변에서는 오존 때문이다. 사람들은 그것이 '냄새' 중의 냄새라고 생각했다. 깨끗하고, 과학적이고 원기를 회복시키는 것이 라 여겼다. 오존은 사람에게 아주 좋은 것이고, 19세기의 온갖 질병 으로부터 회복하게 도와주는 것이라는 믿음이 있었을 것이다. 요즘 은 인기가 덜하니 천만다행이다. 
- 하지만 이미 잘 알고 있다시피, 해변 특유의 냄새 중 대부분은 사실 오존이 아니다. 해변의 특징은 보통 사무실 복사 장비의 상쾌한 향기가 아니다. 해변의 냄새는 주로 부패하는 해초의 유기황화물 때문에 발생한다. 부패하는 해초나 냄새나는 황화물을 강조하기 보다는 싱싱하고 신선하게 들리는 '오존'을 내세우는 편이 경쟁적인 20세기 초 해변 휴양지 비즈니스 세계에서 더 나은 영업 전략이었 음은 쉽게 이해할 수 있다. 물론 요즘처럼 정보가 풍부한 사회에서 는 대기화학과 오존이 건강에 미치는 영향에 대한 이해가 널리 보 급돼 있어 오존이 건강에 좋다고 정말로 믿는 사람은 아무도 없다.
- 오존에 대응하기
이제는 오해를 바로잡은 것 같다. 오존은 확실히 기분 좋은 화학 물질이 아니며, 가능하면 피해야 한다. 하지만 이 점을 잊지 말자. 비록 우리 가까이에 있으면 나쁘지만, 성층권의 오존은 태양의 유 해한 자외선을 대부분 흡수하는 훌륭한 일을 한다. 오존은 파장이 100~300나노미터인 가장 유해한 태양광이 거의 우리에게 닿지 않 는 세상에서 살 수 있도록 해주었다. 그 세상이 우리가 사는 세상인 한. 그것은 좋은 일이다. 우리는 성층권의 오존이 계속 우리를 위해 자외선 복사를 흡수해주길 원한다. 그래야 우리가 계속해서 밖으로 나가 햇빛을 받으며 라임레지스나 토키, 빅터하버 혹은 크로이던과 같은 멋진 장소에 갈 수 있다. 그리고 우리는 이미 소중한 오존층을 거의 잃을 정도로 아슬아슬한 상태에 있다.
따라서 이상적으로 우리는 여기 아래쪽 대류권에는 오존 농도를 최소한으로 유지하고, 저 위쪽 성층권에는 충분한 오존이 남도록 최선을 다해야 한다. 우리가 정확히 그 반대를 만들었다니 얼마나 부끄러운 일인가. 저 위쪽 성층권 오존층에는 구멍을 만들고, 동시 에 여기 아래쪽 지면 높이에서는 오존 농도를 높였다. 우리가 원하지 않았던 딱 그 상황이다!
저고도 오존의 문제는 오존 자체를 배출하는 어떤 원천도 없다는 것이다. 따라서 다른 몇몇 오염원에 대해 그랬듯이, 배출을 제한할 수 없다. 이것은 인간 활동이 오존 농도에 아무런 기여도 하지 않는 다는 뜻이 아니다. 그것과는 거리가 멀다. 하지만 지상 오존 농도는 대기 중 질소산화물과 휘발성 유기화합물의 양에 의해 결정된다. 그리고 태양광의 세기에 의해서도 결정된다. 이것은 내가 '성스럽지 못한 삼위일체'라고 불렀던 것이다. 낮 동안에는 태양광의 작용 때 문에 오존과 질소산화물과 이산화질소 사이에서 끊임없는 순환이 일어나고, 이것은 오존의 재생성으로 이어진다. 물론 밤에는 태양 광이 없으므로 오존은 일방통행로에 들어서고 가능한 만큼 많은 일 산화질소와 반응한다.

- 만약 휘발성 유기화합물의 농도 가 질소산화물(그래프의 중앙에서 대각선 아래로 향하는 선) 농도의 약 8배라면 질소산화물이나 휘발성 유기화합물, 혹은 양쪽 모두를 줄 임으로써 오존 농도를 줄일 수 있다.
그러나 만약 질소산화물에 비해 휘발성 유기화합물이 훨씬 더 많 다면, 휘발성 유기화합물를 줄이거나 늘리는 것은 오존 농도에 큰 변화를 주지 않는다. 이것은 표에서 'NOx 의존'으로 표시된 구역이 다. 이런 상황에서는 오존 농도를 빠르게 줄이는 방법은 질소산화 물 농도를 줄이는 것이다.
이와 비슷하게, 만약 휘발성 유기화합물에 비하여 질소산화물이 훨씬 많다면 질소산화물 농도를 줄이는 것은 오존을 줄이는 데 큰 도움이 되지 않는다. 도시의 환경에서 보이는 전형적인 상황이다. 이 상황에서 오존 농도를 개선하는 가장 효과적인 접근법은 휘발성 유기화합물 농도를 줄이는 것이다.
이런 것들은 과학이 우리에게 알려주는 것이다. 그러나 우리가 대기질을 개선하기 위해 할 수 있는 일을 살펴보고 있는 만큼, 실용 성에도 주의를 기울여야 한다. 과학은 우리에게 질소산화물 농도가 상대적으로 낮은 지역(예를 들어 시골 지역)에서 오존 농도를 줄이려 면 질소산화물 농도를 더 줄여야 한다고 말한다. 질소산화물 농도 가 어떻게 감소하든지, 감소한 오존 농도가 그에 부합하는 이익을 가져다줄 것이다. 하지만 이미 저농도인 오염원의 배출량을 줄이는 것은 언제나 힘든 일(근본적으로는 비용이 많이 든다는 뜻이다)이라 는 게 문제다. 배출량을 더 줄이고자 고를 수 있는 선택 사항이 많 지 않다. 좋다, 그러니까 우리는 휘발성 유기화합물 농도를 살펴볼 것이다. 더 끌리는 선택일지도 모른다. 하지만 여기서 문제는 오존 농도를 줄이는 면에서 어떤 이득이라도 보려면 그에 앞서 배출량을 상당히 줄여야 한다는 것이다.
반대로, 질소산화물 농도가 높은 지역에서는 질소산화물 배출량 을 줄이는, 비용 효율이 높은 선택권이 있다. 예를 들어 사람들에게 자가용 이용을 줄이도록 권장하거나, 고배출 차량에 부담금을 물리 고, 도시 개발자에게 전기 차량 충전소 설치를 의무화하고, 난방과 온수 공급에 무공해 기술을 사용하도록 권장하는 일 등이 있다. 모두 훌륭하다. 그리고 배출량을 충분히 줄일 수 있다면, 이것은 결국 오존 농도 개선에도 도움이 될 것이다. 그러나 질소산화물 농도가 높은 지역에서 배출 감소 계획을 시행하더라도 초기 단계에서는 오 존 농도에 좋은 변화가 잘 보이지 않는다. 그리고 대기에서 오존을 제거하는 일산화질소의 가용성이 감소하기 때문에 심지어 오존 농 도가 증가할 수도 있다.
- 수백 년의 기간에 걸쳐 우리는 접근 가능한 화석연료를 거의 다 소비하 게 될 테고, 다른 에너지원에 의존하게 될 것이다. 그렇게 한 다음 에는, 그리고 우리가 대기로 밀어 넣은, 긴 수명의 온실가스가 마침 내 제거된 다음에는, 어쩌면 지구 기후가 회복되는 길로 접어들지 도 모르겠다. 그런데 불행하게도 그렇게 되지는 않을 것 같다. ‘기 후 변화에 관한 정부간 패널은 다음과 같이 말한다. “이산화탄 소 배출이 멈추더라도 기후 변화의 양상은 대부분 수 세기 동안 지 속될 것이다. 이는 과거와 현재와 미래의 이산화탄소 배출이 만들 어낸 여러 세기에 걸친 상당한 기후 변화라는 약속이다.” 그러니까 우리는 변화된 기후에 갇힌 모양새다. 그리고 더 높은 해수면과 예 측 불가능한 날씨처럼 기후 변화에 수반되는 그 모든 것에서 앞으로 오랫동안 벗어날 수 없을 것 같다.
화석연료에서 멀어지는 장기적인 변화를 어떻게 관리할 것인가? 이것이 향후 200년 동안 삶의 질을 결정하는 요소 중 하나가 될 것 이다. 뒷걸음질 쳐서 1000년 전에 했던 것처럼 바이오매스에 의존 할 수도 있고, 아니면 기존 재생 가능 에너지 기술과 어쩌면 새로운 기술을 가지고 앞으로 나아갈 수도 있다. 화석연료의 가용성이 앞 으로 수십 년, 수백 년 내에 감소하면서, 좋든 싫든 화석연료의 사 용은 머지않아 줄어들 것이다. 에너지 가격과 세계적인 긴장이 상 승하며, 우리는 열, 전력, 물, 음식, 이동성을 공급하려고 안간힘을 쓸 것이고, 위안이 되지 않겠지만 화석연료의 종말은 적어도 대기 오염 측면에서는 좋은 소식이 될 것이다. 만약 우리가 에너지 효율 이 높고 배출이 적은 기술과 생활 방식을 개발한다면 그렇게 될 것 이다. 그러지 않고 나무와 동물의 배설물을 태워 요리하고 난방하 는 방식으로 돌아간다면, 심신을 쇠약하게 만드는 대기오염의 영향 에 계속 시달릴 것이다. 하지만 그렇게 된다면, 인류는 아마도 더 긴급한 문제를 걱정해야 할 것이다.