온실 기체

현대사회에서 문제가 되고 있는 온실기체는 수증기와 같은 자연발생하는 온실 가스가 아니라 급격한 산업화로 비롯된 화석 연료의 지나친 사용으로 발생한 이산화탄소와 같이 인간에 의해 발생한 온실기체이다. IPCC의 기후변화에 관한 2007년 보고서에 따르면 ‘인류 활동에 의한 세계적인 온실기체배출은 산업화 이후로 계속해서 증가해오고 있으며, 1970년과 2004년 사이에 70%나 상승했다.’고 한다. 온실기체의 성분 중 가장 중요하게 생각되는 것은 CO2인데, 인간에 의해 발생한 CO2의 배출은 1970~2004년 사이에 80%나 상승했다.

 

온실기체는 일반적으로 자연·인위적인 지구 대기 기체의 구성 물질이다. 또한, 지구표면과 대기 그리고 구름에 의하여 우주로 방출되는 특정한 파장 범위를 지닌 적외선 복사열 에너지를 흡수하여 열을 저장하고 다시 지구로 방출하는 기체를 말한다. 이러한 온실기체의 특성으로 온실효과가 발생하는데, 주로 수증기, CO2, 아산화질소, 메탄, 오존, CFCs 등이 온실효과를 일으키는 흔한 지구 대기의 온실가스 성분이다.

이 성분들 중에 주로 수증기에 의하여 자연적인 온실 효과가 발생하게 되는데, 이는 지구의 기온 유지에 필수적인 작용이다. 비록 태양이나 물의 순환과 같은 많은 요소들에 의하여 지구의 날씨와 에너지 균형이 유지되지만, 온실 기체가 없다면 지구의 평균기온은 상당히 낮아지게 될 것이다.

 

온실가스 또는 온실 기체는 지구의 지표면에서 우주로 발산하는 적외선 복사열을 흡수 또는 반사하여 지구 표면의 온도를 증가시키는 역할을 하는 특정 기체를 말하는데 두가지 이상의 서로 다른 원자가 결합된 모든 기체가 이에 해당한다. 다만 일산화탄소(CO), 염화수소(HCl)등은 두개의 다른 원자로 결합된 분자이지만 대기에서의 잔류 수명이 몹시 짧아 온실효과에 거의 영향을 주지 않는 기체이므로 온실가스로 다루지 않는다.

 

지구 대기의 온실기체

지구의 기온이 생물들이 서식하기에 적절한 수준으로 유지되기 위해서는 온실기체의 역할이 주요하다. 만약 온실가스가 없다면 지표면의 연간 평균 온도는 영하 18도가 되어 지구상에 생명체가 존재하기 어려울 것이다. 현재 지표면 연간 평균 온도인 영상 15도를 유지하는 데 있어서 온실기체가 많은 역할을 하는 것이다. 하지만 이 기체들이 적절한 양 이상으로 높아지게 되면, 온실기체가 흡수하고 내뿜는 에너지가 과다하게 되어 지구의 열평형에 변화가 생기고 결국 '자연적 온실효과'에 의한 알맞은 기온보다 지구의 평균기온이 상승하게 된다. 이를 '강화된 온실효과(enhanced greenhouse effect)'라 하며 이로 인해 지구가 보통의 상태보다 지나치게 더워지는 현상을 '지구온난화'라고 한다.

지구 대기에 가장 풍부한 온실기체로는 수증기, 이산화탄소, 메탄, 아산화질소, 오존, CFCs, HFCs, PFCs, SF6 등이 있다.

 

많은 물리적·화학적 반응요소에 대한 영향을 고려하더라도, 대기의 주요 구성성분인 질소와 산소, 아르곤은 온실기체가 아니다. 산소와 질소는 안정한 이원자 분자이고 아르곤은 안정한 단원자 분자이기 때문에 태양복사파장과 만나게 되었을 때 정전기적 전하를 띄지 않고, 전반적으로 복사에 의한 영향을 받지 않는다. 그 결과 이들 기체는 온실효과에 영향을 미치지 않고, 이로 인하여 온실기체에 포함되지 않는다.

 

특정한 기체가 온실효과에 미치는 정확한 수치를 따지는 것은 불가능하다. 왜냐하면, 각각의 온실기체마다 복사강제력이 다르고 대기중에서 머무르는 기간이 다르며, 다양한 기체들이 온실효과에 미치는 영향이라는 것은 상호 유기적이고 다양하기 때문에 수로 표현하는 것이 불가능하기 때문이다.

대기 중에 존재하는 기체 이외에도 지구의 온실효과에 영향을 미치는 요소가 있는데, 그 중 구름에 의한 영향이 가장 크다. 구름도 온실기체와 마찬가지로 적외선 복사를 흡수하고 내뿜기 때문이다. 그래서 구름 또한 온실기체의 특성을 가지고 있다.

 

온실기체는 화합물이 가지고 있는 구조와 종류에 따라 열을 축척하고 재방출하는 능력이 모두 다르고, 이로 인하여 온실효과를 일으키는 기체의 잠재력이 달라진다. 이 온실기체가 온실효과에 미치는 기여도를 숫자로 표현한 것이 지구온난화지수(global warming potential: GWP)이다. 지구온난화지수는 이산화탄소를 1로 기준하여 메탄 21, 아산화질소 310, 수소불화탄소(HFCs) 1300, 과불화탄소(PFCs) 7000이다.

 

기체에 의한 온실효과의 기여도는 각 기체의 특성과 양에 큰 영향을 받는다. 예를 들어, 탄화수소 결합을 가진 메탄의 경우 이산화탄소보다 큰 영향을 미치는 온실기체이지만 대기 중에 존재하는 농도가 아주 작기 때문에 온실효과에 미치는 영향이 작다.

 

인위적 온실기체

산업화 이전의 다양한 환경적 변화를 고려하더라도, 산업화 이후 인간의 활동으로 인하여 CO2와 다른 종류의 온실기체 농도가 증가했을 수 있다. 예를 들면, 대기 중에 측정된 이산화탄소의 현재 농도는 산업화 이전과 비교하여 100ppm이상 높다. 이산화탄소의 자연적 발생원은 인위적인 활동으로 야기된 발생원보다 20배 이상 크다. 하지만 오랜 기간 동안 자연적으로 발생한 이산화탄소는 식물이나 바다의 플랑크톤에 의한 탄소고정과 같은 자연적 자정작용에 의하여 밸런스를 이루어왔다. 이와 같은 작용으로 자연적인 온실기체의 발생원은 문제시 되지 않는 것이다. 그러나 인간에 의한 온실기체의 발생은 인위적으로 만들어지고 대기 중으로 무분별하게 배출되기 때문에 자연에 의한 자정작용을 기대 하기 어렵고, 이로 인하여 배출된 온실기체가 줄어들지 않고 계속해서 대기 중에 누적되어 문제가 되는 것이다.

인간의 활동으로 인해 발생하는 온실기체의 주요 발생원으로는 다음과 같다.

• 높은 이산화탄소 농도의 증가를 야기하는 것은 산림을 벌채하는 것과 화석연료의 연소이다.
• 엄청난 수의 가축 사육으로 인해 가축의 장에 존재하는 박테리아의 발효와 과다한 비료의 사용, 벼농사와 같은 토지의 이용 습지의 변화 등이 높은 농도의 메탄을 대기 중으로 방출하도록 한다.
• 냉매와 같은 용도의 CFCs 사용
• 화학비료를 사용한 농사가 많아짐에 따른 아산화질소 농도의 증가

특히 화석연료가 떠오르는 것은 땅속이나 해저에 묻혀 있는 유기탄소 성분을 지상으로 끄집어 내어 연소시켜 이산화탄소로 전환시킴으로써 자연적인 탄소순환 싸이클만 있을 때보다 대기중의 이산화탄소 농도가 빠르게 증가하는 원인을 제공하기 때문이다. 이산화탄소, 메탄, 아산화질소, 그리고 HFCs, PFCs, SF6와 같은 물질들이 주요한 인위적 온실기체이며, 교토의정서에 의해 지정되어 감축대상이 된 물질들이다.