광화학 스모그

사진은 홍콩 섬의 모습.
光化學霧霾
photochemical smog

1 개요

석유 연료가 연소된 후, 이후 빛을 받아서 화학 반응을 일으키는 과정을 통해 생물에 유해한 화합물이 만들어져서 형성되는 스모그이다. 미국 로스앤젤레스 시에서 최초로 발견되어 LA형 스모그라고도 한다. 환경오염을 일으키기 때문에 자동차 배기가스를 줄이는 등의 방법을 통해 예방해야 한다. 백금 촉매가 각광을 받는 이유가 괜히 있는게 아니다.

석탄이 원인이었던 런던형 스모그와는 구별되며, 이 때문에 런던형(아황산가스)이 외향적인 흐린 하늘로 대변되는 개발도상국의 상징이라면 광화학 스모그는 선진국의 상징이 되었다. 물론 선진국형이라는건 어디까지나 보이지 않아서 좀 암울도가 덜하다는 것 뿐 심각한 환경 문제이다. 2000년대 들어서 그래도 좀 잡히는 것 같은게 다행.

2 발생 원인과 과정

광화학스모그는 자동차나 공장의 배출가스 중에 포함된 친환경 질소산화물(NOx)과 탄화수소(HC)가 태양광선을 받아 유독물질인 PAN(peroxyacetyl nitrate - 과산화아세틸 질산화합물)과 광화학 옥시던트(Ox - 산소계 분자) 등을 형성하여 생기며, 이 중 PAN이 공기 중에 떠다니며 수증기와 함께 짙은 안개를 형성한다. 한편, 배기가스 중의 SO2(아황산가스, 이산화황)는 공기 중에서 오존(O3)과와 반응하여 삼산화황(SO3)을 만드는데, 이것은 수증기와 반응하여 황산(H2SO4)의 작은 입자로 되었다가 산성안개나 산성비로 되어 지상에 떨어져 특히 식물에 큰 피해를 입히며, 인체의 경우에는 눈이나 목의 점막을 자극하여 호흡곤란을 가져온다.

보다시피 빛(자외선) 때문에 일어나는 화합반응이므로 일사량이 많고 고온이면서 바람이 약한 날 나타난다. 상승기류가 적어야하므로 역전층이 있으면 좋고, 분지면 아주 직빵이다. 로스엔젤레스가 딱 이 케이스. 우리나라 서울의 경우 5, 8월에 잘 나타난다. 특히 한반도가 저기압 전면에 있고 남서쪽에서 기류가 유입될 때 이와 비슷한 선진국형인 광화학 스모그가 관찰되고 있다.

3 해결

일단 원인이 되는 질소산화물 NOx를 제거하는 방법이 대표적이다. 질소산화물의 생성방식은 휘발유를 태우는 고온의 가솔린 엔진 등에서 공기중에 풍부한 질소가 산소와 결합하는 것이다. 대강 생각해도 공기는 약 4/5의 질소와 1/5의 산소로 이뤄져있으니, 아무리 확률이 낮더라도 어느정도 이상은 NOx가 생길 수 밖에 없다. (아예 아황산가스가 문제인 런던형보다는 적어서 망정이지.) 탄화수소를 만드는 불완전연소 역시 문제였다.

그래서 그 해결이 "촉매 전환 장치"다. 귀금속 백금과 로듐을 쓴 이 장치는 값이 비싸다는 흠을 제외하면 유해 가스 배출량을 10분의 1∼40분의 1 정도로 줄일 수 있다. 대신 이 때문에 망한게 납을 사용한 유연휘발유(1992년). 이후 에테르계의 MTBE(메틸 3가 부틸 에틸)를 7% 쓴 무연 휘발유가 나왔으나 MTBE(Methyl tert-butyl ether)도 수질오염을 일으킨다는 연구로 인해 2004년 미국의 캘리포니아, 뉴욕 주를 시작으로 2005년에는 25개 주에서 사용이 금지되었다. MTBE의 대체품으로 ETBE(Ethyl tert-butyl ether)나 에탄올, 기타 알킬레이트 류가 쓰이나 상대적으로 비싸다. 다만 MTBE가 수질오염에 끼치는 영향에 대한 논쟁이 있어 미국 일부 주를 제외하고는 다른 국가들은 전면 금지를 하고 있지 않다. 게다가 환경 규제가 약한 개발도상국이나 비축분을 다 소모해야하는 군대 등에서 여전히 유연휘발유를 사용하고 있다.

경유를 쓰는 디젤 기관의 경우 역시 백금을 쓴 디젤산화촉매(DOC)를 쓴다. 플라스마 반응기를 사용하기도 한다.

이 때문에 아예 하이브리드 카나 전기자동차, 수소 자동차 등으로 문제를 해결하는게 궁극적인 해결방법으로 여겨지고 있다. 그러므로 그전까지는 대중교통을 애용하도록 하자.

다만 발전소, 제련소나 일반 연소 작업처럼 질소산화물과 탄화수소가 발생할 곳은 아직도 널려있다는게 문제.

4 관련 사건

• 미국의 로스앤젤레스에서는 1943년경부터 맑은 날씨에 안개가 발생하는 새로운 스모그 현상이 나타나기 시작했다. 이 스모그에 의하여 눈의 자극, 식물의 낙엽현상, 좋지 못한 냄새, 가축, 농작물 피해, 고무의 균열 등의 피해가 생겼다. 이 현상에 대해서는 10년이 지난 1956년경에 와서야 이산화질소와 탄화수소의 광화학적 반응에 의한 것이라는 설이 정설로 확인되었다. 하지만 이후로도 근 3~40년이 넘도록 해결이 안 됐다. 사실 당연한 것이 로스앤젤리스의 전차가 50년대-60년대에 죄다 폐선되었고 기존의 노면전차를 대체할 지하철이나 광역 철도망의 건설도 1980년대에나 이루어졌고 개통은 90년대에 이루어졌으니 해결이 되지 않는게 당연할수 밖에 없다. 물론 베이징과 텐진, 상하이, 멕시코시티, 도쿄, 서울, 타이베이, 홍콩, 뉴욕 시, 과거의 런던등의 사례들처럼 전철망이 속속 건설되거나 잘 각추어져있다고 해도 꼭 스모그가 안 일어나는 건 아니지만 로스앤젤레스는 아예 대체교통망에 대한 인식자체가 없었기 때문에 스모그에 대한 대처가 이들 도시에 비해서 심각하게 미비했고, 그나마 전철이 개통된 것도 서울보다도 16년이 늦은 1990년의 일이고, 현재까지도 이용률이 썩 높은 편이 아니다. 그래서인지 무려 주민의 83%가 고통을 느꼈다는 통계가 있다. # 그리고 뉴욕 시와 시카고도 스모그로 악명이 높다. 차 없으면 살기 힘든 미국의 환경 상 LA처럼 교통이 허접한 대도시가 스모그로 몸살을 앓는 건 당연지사다. 1996년 올림픽을 치루며 비로소 대중교통이 들어온 애틀랜타도 비슷하게 스모그가 심한 편이다.
• 중국도 본토 대도시인 베이징, 상하이, 광저우와 특별행정구인 홍콩에서 스모그가 나타난다. 물론 베이징의 살인 스모그에 비하면 홍콩은 애교 수준. 베이징은 비가 잘 안 오는 건조 기후인데 공해가 합쳐져 중국대륙 내에서도 최악의 공기질을 자랑한다. 바다와 면한 상하이와 광저우는 좀 낫다. 특별행정구인 홍콩은 스모그가 예전부터 심해 정부가 주차비를 비싸게 물리는 등 차량 규제에 나섰다. 그리고 대만도 스모그가 심한 편이다. 타이베이 스모그도 꽤 심한 편. 이쪽도 중국본토 푸젠 성의 오염물질을 뒤집어 쓰기 일쑤다.
• 일본에서는 1970년 7월 18일, 첫 광화학 스모그가 발생했다. 도쿄 스기나미 구의 고등학교에서 체육 수업을 받던 학생들이 갑자기 눈의 통증이나 두통 등을 호소하며 쓰러졌으며, 40여명이 병원으로 실려갔다고 한다. 이에 일본에서는 7월 18일을 '광화학 스모그의 날'로 지정했다고. 현재도 도쿄/요코하마는 스모그가 꽤 심한 편이다. 차량이 워낙 많기 때문이다.
• 1980년대 말부터 1990년대 초 멕시코시티와 서울에서 다발적으로 보도되었다. 한국은 1987년이 시초로 이때부터 본격적으로 차량이 많아졌다.
• 싱가포르는 이 도심형 스모그를 막고자 ERP라고 도심 차량 통행 통제 시스템을 설치해 차를 끌고 도심에 들어오면 통행료를 물린다. 혼잡 방지 및 공해 방지라는 2가지 측면에서 매우 유용한 시스템으로 이 덕분에 싱가포르는 차 없이도 살 수 있는 지역이자 나라이며 도시 전체가 녹지와 고층건물이 공존하는 열대의 정원 도시가 되었다. 실제로 와 보면 공기가 다른 동남아 도시와 달리 깨끗하다. 특히 교통체증이 심한 방콕이나 중국 대도시들에서 있다 오면 느낌이 확 다르다. 다만 따지고 보면 2000년대 이후로 중국내 대도시 지역에서 지하철을 무시무시한 속도로 깔면서 중국내 대도시들의 대중교통 수준도 급속히 올라가서 싱가포르를 뛰어넘는곳도 상당해졌고 주요 지역을 중심으로 고속철도도 무시무시한 속도로 깔고있는중이다. 다만 높아져가는 경제수준에 비례해서 자가용도 급속히 늘어나고 있는데다가 그 많은 공장을 한꺼번에 정리할수도 없는 노릇이고 그 동안의 무분별한 개발의 여파로 고비사막 지역의 사막화가 지속해어 이어져오고있는 중이라 상황이 나빠졌으면 나빠졌지 좋아지지 않는다는게 문제일 뿐(...)