환경문제의 대두
대기오염은 최근에 인식되기 시작한 새로운 환경문제가 아닙니다. 이미 1307년 영국에서는 석탄을 태울 때 발생하는 연기로 인한 심각한 문제 때문에 에드워드 1세가 런던 지역의 석회로에서의 석탄사용을 금한 적이 있었습니다. 또한 불과 수십 년 전부터 대기오염으로 인해 몇 차례의 심각한 사건이 발생함으로써 분들은 공기의 질에 대해 인식하기 시작하였습니다. 그 중 가장 유명한 사건은 1952년 영국 런던에서 발생한 것으로 당시 수일 동안 안개와 연기가 런던 전지역을 뒤덮어 4,000여 명이 사망하였습니다. 그 외 1948년 미국 펜실베이니아 도노라 지역에서 스모그가 4일 동안 정체되어 20명이 사망하였고 약 6,000명이 고통을 호소한 사건이 발생하였습니다. 당시 도노라 지역의 인구는 14,000명에 불과하여 인구당 사망률이 가장 높은 대기오염사건으로 기록되었습니다. 이러한 사건들은 매우 높은 농도의 황산화물과 부유입자를 함유한 스모그 때문에 발생하였으며 이 스모그는 화력발전소와 제련소 등의 시설에서 사용하는 화석연료, 특히 석탄의 연소로 인해 생성된 것이었습니다. 반면 대도시에서의 스모그는 일산화탄소, 질소산화물, 그리고 탄화수소 등이 일으키는 광화학 스모그의 형태이며 가장 주된 오염물질 배출원은 자동차배기 가스입니다. 대기오염이 일으키는 심각한 문제는 낮은 농도의 독성물질이 장기간 정체되어 인간에 안구염증, 호흡기 질환 등의 급성 중독현상을 일으킨다는데 있으나 그 외에도 여러 문제를 야기시키고 있습니다. 즉, 토양과 물을 오염시킬 뿐만 아니라 식물의 조직을 파괴함으로써 성장을 저하시키고 이러한 식물의 성장 저하가 다시 토양생태계와 수생 생태계에 악영향을 미치게 됩니다. 또한 대기오염은 동물의 호흡기, 안구, 치아와 뼈 등에 여러 질병을 일으켜 식물의 성장 저하와 더불어 전세계적 혹은 지역적인 문제를 야기합니다. 그리고 건축물과 기념물의 변색, 부식 등과 도시환경에서의 가시거리가 줄어드는 등의 피해가 발생합니다. 따라서 각국에서는 현재 대기오염물질의 배출한계를 정해 배출량을 규제하는 노력을 기울이고 있습니다. 지금부터는 지구 대기의 기본적인 특성을 먼저 살펴본 후 주된 대기오염물 질의 특성과 발생원, 그리고 최근에 그 심각성이 인식되고 있는 실내 대기오염 문제를 다루고자 합니다.
대기권의 층구조
지구의 대기를 구성하는 가스들은 지구의 중력에 의해 지표면 근처에 존재하며 고도가 높아질수록 온도, 밀도, 조성 등이 점차적으로 변합니다. 대기권은 고도에 따른 온도변화에 의해 대류권, 성층권, 중간권, 열권으로 구분됩니다.
대류권
대류권이란 지표에서 고도 약 10-15km까지의 대기권을 말하며 대류권과 성층권의 경계면의 위치는 위도와 계절에 따라 변합니다. 대류권 내에서는 고도에 따라 온도가 감소하기 때문에 대기가 불안정한 상태에 있게 되어 구름의 형성, 강우, 바람 등 대부분의 기상현상이 발생합니다. 대류권 하부에 대기경계층이 존재하며 이 층에 의해서 대류권과 지표면의 대기접촉부가 구분됩니다. 대기접촉부의 하부에서 공기의 흐름은 부력에 의한 자연적인 대류와 지표면의 전단력에 의한 강제적인 대류에 크게 영향을 받으며 지표로부터 수 m까지의 대기에서는 온도구배, 풍속구배, 습도구배 등이 매우 크고 시간에 따른 각 구배의 변화량도 매우 큽니다. 구배가 발생하는 원인은 지표와 대기 사이의 에너지와 질량교환이 일정하지 않기 때문입니다. 대기경계층의 높이는 하루 동안에도 수시로 변하며 주간에는 야간에 비해 약 1km 정도 증가합니다. 대부분의 중요한 대기오염물질은 대기경계층을 뚫고 성층권까지 이동하지만 화학적으로 안정한 가스는 이동성이 낮아 대류권의 상부까지만 이동합니다. 또한 대기경계층 하부에 즉 지표면의 바로 위에 지표층이 존재하며 지표에서부터 지표층까지의 높이는 대기경계층 높이의 약 1/10입니다. 지표층의 특성들은 지표의 굴곡과 지표와 대기 사이의 열교환에 많은 영향을 받으며 지표층에서의 에너지와 질량의 유동은 높이에 관계없이 거의 일정합니다.
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