미국 퍼듀대학(Perdue University)의 연구팀은 미국 과학재단(National Science Foundation)의 지원을 받아 수행된 연구에서 눈의 태양광 반사가 북극의 대기 중 브롬 성분의 주 원인이 되며, 이것이 오염물질을 제거함과 동시에 오존을 파괴하는 독특한 화학반응의 주요 요소임을 발견하였다.

본 연구는 또한 북극해빙 표면에 덮여 있는 눈들이 이전에는 브롬 순환에서 중요한 역할을 하지 못하였으나 최근 빠르게 감소하고 있는 북극해빙의 손실은 고위도 지역에서 대기화학 균형에 극심한 악영향을 미칠 수 있음을 나타내었다.

본 연구팀을 이끈 Paul Shepson은 본 연구 결과가 지구 평균보다 3배 이상 빠르게 표면 온도가 증가하고 있는 북극의 급격한 기후 변화로 인하여 대기 중 화학성분의 구성이 변화할 수 있음을 보였다고 설명하였다.

Shepson은 본 연구를 통해 북극에서 정확히 무슨 일이 일어나는지와 그것이 인간 생활에 최적화되어있는 대기의 미묘한 화학적 균형에 어떻게 영향을 미치는가를 이해하고자 하였다. 대기 화학 물질의 구성은 온도, 기상 현상을 좌우하며 대기 오염물질을 정화하는 화학 반응을 일으킨다.

대기의 하층에 존재하는 오존은 성층권의 오존층과 연관된 오존과는 다른 행태를 보인다. 하층 대기의 오존은 온실가스로서 인간과 지구 환경에 독성을 가지고 있으나, 동시에 대기를 정화하는 데에 필수적인 물질이기도 하다. 오존은 햇빛, 수증기와 반응하여 산화제(Oxidizing agent)를 생성하고 이것은 인간 활동으로 인해 대기 중으로 배출된 오염물질의 대부분을 제거한다.

극지의 온도는 수증기가 존재하기에는 너무 낮아서, 북극에서 이러한 대기 정화 작용은 해염에서 발생되는 할로겐 가스인 브롬에 의한 해빙 표면에서의 정화 작용에 의지하는 것으로 보인다. 이 가스상 브롬은 대기 중의 오존과 반응하여 그것을 파괴시킨다. 북극에서 이러한 브롬의 화학 작용은 아주 효과적으로 발생하여서 봄철 해빙 상부의 대기에서 오존 성분은 대부분 제거되게 된다.

Shepson은 이것은 대기 중 오존 화학 반응의 아주 일부에 지나지 않으며, 이 독특한 북극의 대기 화학 반응은 브롬이 지구의 다른 측면에도 영향을 미칠 잠재력이 있음을 보여준다고 설명하였다. 브롬의 화학 작용은 대기 중에 존재하는 오존의 양을 조절하지만, 브롬은 눈과 해빙에 의존하고 있어 기후 변화가 오존의 화학적 반응에 큰 영향을 미칠 것임을 의미한다.

극지의 대기 중에는 많은 양의 브롬이 존재한다고 알려져 있지만 자연적인 가스상 브롬의 구체적인 공급원은 수 세기 동안 의문으로 남겨져 왔다. 본 연구팀의 일원인 Kerri Pratt은 북극에서 일어나는 현상을 가장 빠르고 잘 이해하는 방법은 그곳으로 가서 그 화학 반응이 일어나는 곳에서 실험을 수행하는 것이라고 생각했다고 설명하였다.

연구팀은 체감온도가 영하 45도에서 35도에 이르는 알래스카 Barrow 인근에서 실험을 수행하였다. 그들은 신생 해빙, 염분을 함유한 고드름, 눈을 분석하여 브롬가스가 해빙과 툰드라 위에 덮인 눈에서 기인함을 발견하였다.

그 동안 해빙이 브롬가스의 배출원이라고 여겨져 왔으나, 본 연구팀은 그 배출원이 해빙 위에 덮인 눈임을 발견하였다. 이 눈은 대기와 직접적으로 접촉해 있다. 그러나 해빙 또한 이 프로세스에서 중요한 역할을 한다. 해빙이 없이는 눈이 바다로 떨어져 화학적 반응이 일어나지 못하기 때문이다. 이것은 북극 해빙의 감소가 대기 화학에 직접적으로 영향을 미치는 여러 가지 원인 중 하나이다.

연구팀은 또한 햇빛이 눈에서 브롬가스가 배출되는 것을 촉발하며 오존의 존재가 브롬가스의 생산을 증가시킴을 발견하였다. Pratt은 해염과 북극연무(Arctic haze)로 불리는 스모그 층에서 나오는 산 성분이 눈의 차가운 표면과 만나면 독특한 화학 반응이 일어난다고 설명하였다. 눈과 대기가 만나는 접촉면이 이 반응에서 중요한 역할을 한다.

브롬가스의 양을 빠르게 증가시키는 일련의 화학반응들은 “브롬 폭발(Bromine explosion)”로 불리며 대기 중에서 일어난다고 알려져 있다. 연구팀은 이것이 눈 결정과 바람 사이의 공간에서도 발생하여 눈 위의 대기 중으로 브롬가스가 배출된다는 연구 결과를 보였다.

연구팀은 표면 반응을 방지하기 위하여 특수하게 코팅된 알루미늄으로 만들어진 스노우 챔버(Snow chamber)에 담긴 눈과 얼음 샘플에 대한 10번의 실험 연구를 수행하였다. 오존이 함유되어 있거나 함유되어 있지 않은 깨끗한 공기가 챔버로 들어가고 어두운 경우와 자연광이 주어지는 경우에 대한 실험이 수행되었다.

또한 연구팀은 탐사용 항공기를 이용하여 브롬 원자와 오존의 반응에 의해 형성되는 물질인 일산화브롬(Bromine monoxide)의 수치도 분석하였다. 연구팀은 이 물질이 눈으로 덮인 신생 해빙과 툰드라에서 가장 일반적으로 존재하며, 이는 스노우 챔버를 이용한 실험 결과와 일치함을 발견하였다.

연구팀의 향후 계획은 본 연구를 통해 제안된 화학 반응 메커니즘을 테스트하고 더 많은 챔버 실험을 수행하는 것이다. 또한 Shepson은 북극해의 이산화탄소, 오존, 일산화브롬 수치를 측정하기 위하여 해빙에 부표를 달아 실험을 수행하고자 한다.

Pratt은 현재 북극에서는 매우 빠른 속도로 기후가 변화하고 있으며, 기후 변화로 인한 온도 상승과 눈 및 얼음의 감소가 계속된다면 북극의 대기 화학성분에 어떠한 일이 일어날 것인가가 큰 의문이라고 덧붙였다.

출처: KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

원문: http://www.sciencedaily.com/releases/2013/04/130424112305.htm

제공:kisti, 다른기사보기기사등록일시 : 2013.04.30 17:07

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