greenhouse gases
수증기 Water Vapor H2O 72 %
이산화탄소 Carbon Dioxide CO2 9 %
메탄 Methane CH4 4 %
오존 Ozone O3 3 %
온실가스, 온실 기체, greenhouse gases, GHGs
지구의 지표면에서 우주로 발산하는 적외선 복사열을 흡수 또는 반사하여 지구 표면의 온도를 상승시키는 역할을 하는 특정 기체를 말하는데 두가지 이상의 서로 다른 원자가 결합된 모든 기체가 이에 해당한다. 다만 일산화탄소(CO), 염화수소(HCl)등은 두개의 상이한 원자로 결합된 분자이지만 대기에서의 잔류 수명이 매우 짧아 온실효과에 거의 영향을 주지 않는 기체이므로 온실가스로 다루지 않는다.
개요
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, 이산화탄소, 아산화질소, 메탄, 오존, CFCs 등이 온실효과를 일으키는 일반적인 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.
현대에 문제가 되고 있는 온실기체는 수증기와 같은 자연적인 온실 가스가 아니라 산업화로 비롯된 화석 연료의 과도한 사용으로 발생한 이산화탄소와 같이 인위적으로 발생한 온실기체이다. IPCC의 기후변화에 관한 2007년 보고서에 따르면 ‘인류 활동에 의한 세계적인 온실기체배출은 산업화 이후로 계속해서 증가해오고 있으며, 1970년과 2004년 사이에 70%나 증가했다.’고 한다. 온실기체의 성분 중 가장 중요하게 생각되는 것은 이산화탄소인데, 인위적으로 발생한 이산화탄소의 배출은 1970~2004년 사이에 80%나 증가했다.
지구대기의 온실기체
현대의 인위적 온난화 탄소 배출량의 증가분
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 큰 역할을 하는 것이다. 하지만 이 기체들이 적정한 양 이상으로 증가하게 되면, 온실기체가 흡수하고 방출하는 에너지가 과다하게 되어 지구의 열평형에 변화가 생기고 결국 '자연적 온실효과'에 의한 적절한 기온보다 지구의 평균기온이 상승하게 된다. 이를 '강화된 온실효과(enhanced greenhouse effect)'라 하며 이로 인해 지구가 자연적인 상태보다 지나치게 더워지는 현상을 '지구온난화'라고 한다.
지구 대기에 가장 풍부한 온실기체로는 수증기, 이산화탄소, 메탄, 아산화질소, 오존, CFCs, HFCs, PFCs, SF6 등이 있다. 이 기체들을 지구에 도달하는 태양복사 에너지를 흡수거나 복사에너지에 영향을 미치는 요소들을 고려하여, 각 기체들이 온실기체로서 온실효과에 미칠 수 있는 영향을 퍼센트로 바꾸어 보면 다음과 같다.
수증기 Water Vapor H2O 72 %
이산화탄소 Carbon Dioxide CO2 9 %
메탄 Methane CH4 4 %
오존 Ozone O3 3 %
특정한 기체가 온실효과에 미치는 정확한 퍼센트를 따지는 것은 불가능하다. 왜냐하면, 각각의 온실기체마다 복사강제력이 다르고 대기중의 체류기간이 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 방출하기 때문이다. 그래서 구름 또한 온실기체의 특성을 지니고 있다.
기체에 의한 온실효과의 기여도는 각 기체의 특성과 양에 큰 영향을 받는다. 예를 들어, 탄화수소 결합을 가진 메탄의 경우 이산화탄소보다 강한 온실기체이지만 대기 중에 존재하는 농도가 아주 작기 때문에 온실효과에 미치는 영향이 작다.
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.
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.
자연·인위적 온실기체
순수하게 인간에 의하여 만들어진 합성할로겐화탄소류를 제외하고, 대부분의 온실기체는 일반적인 생태계에서 발생한 요소와 인간의 특정한 활동으로 인하여 발생한다. 산업화 이전의 지구대기의 기체농도는 현재와 비교하여 상대적으로 일정했다. 인류 인구의 증가와 기술발전으로 인한 산업시대가 도래하여 주로 화석연료와 광대한 숲을 개간하는 일과 같은 인간의 활동으로 인해 온실가스가 대기 중으로 배출되고 있다. 과학자들이 남극과 북극의 아이스 코어를 조사하여 얻은 자료들이 과거와 현재의 온실가스가 얼마만큼 다른지를 보여준다.
인위적 온실기체
산업화 이전의 다양한 환경적 변화를 고려하더라도, 산업화 이후 인간의 활동으로 인하여 이산화탄소와 다른 종류의 온실기체 농도가 증가했을 수 있다. 예를 들면, 대기 중에 측정된 이산화탄소의 현재 농도는 산업화 이전과 비교하여 100ppm이상 높다. 이산화탄소의 자연적 발생원은 인간 활동으로 야기된 발생원보다 20배 이상 크다. 하지만 오랜 기간 동안 자연적으로 발생한 이산화탄소는 식물이나 바다의 플랑크톤에 의한 탄소고정과 같은 자연적 자정작용에 의하여 균형을 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 축적되어 문제가 되는 것이다.
인간의 활동으로 인해 발생하는 온실기체의 주요 발생원으로는 다음과 같다.
높은 이산화탄소 농도의 증가를 야기하는 것은 산림벌채와 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 농사의 증가로 인한 아산화질소 농도의 증가
특히 화석연료가 이슈화되는 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.
CFCs 또한 몬트리올 의정서에 의해 온실기체로 지정되었는데, 이는 CFCs가 지구온난화에 미치는 직접적인 영향 때문이라기 보다는 CFCs로 인한 오존농도의 감소 때문이다.
주요 온실기체
주요 온실기체 추세
온실효과를 일으키는 온실기체들 중에 이산화탄소는 주로 에너지사용 및 산업공정에서 발생하고, 메탄은 주로 폐기물, 농업 및 축산분야에서, 아산화질소는 주로 산업공정과 비료사용으로 인해 발생되며, CFCs, PFCs, SF6 등은 냉매 및 세척용도의 사용으로부터 배출된다. 이 물질들 가운데 이산화탄소가 전체 온실가스 배출량 중 80% 이상을 차지하고 있다.
이산화탄소
현재 인간에 의해서 발생한 온실기체 중에서는 이산화탄소가 대부분이다.
초기 지구 대기의 이산화탄소는 화산활동에 의해서 발생하였다. 이것은 따뜻하고 안정적인 기후 형성에 필수적인 요소였다. 현재 화산활동으로 인해 연간 약 145~225만 톤의 이산화탄소가 발생한다. 이것은 인간의 활동으로 인하여 발생하는 이산화탄소의 약 1%에 지나지 않는다.
이산화탄소는 다양한 자연적 발생원에 의하여 대기 중으로 배출되는데, 배출된 전체 이산화탄소중 약 95%가 만약 인간이 지구에 존재하지 않았다면 발생하지 않았을 양이다. 예를 들어, 숲이나 목초지에 존재하는 죽은 나무들과 같은 유기물질의 자연적 분해로 인해 발생하는 이산화탄소는 연간 약 220기가톤이다. 이 양은 인간에 의해 배출되는 양에 약 8배에 해당한다. 비록 자연적 발생원에 의해 대부분의 이산화탄소가 발생하지만, 자연적 발생으로 인한 이산화탄소는 최근의 농도 증가에 영향을 미치지 않는다. 왜냐하면 자연적 발생원은 대기 중에 이산화탄소를 제거하는 자연적 흡수계와 균형을 이루고 있기 때문이다.
자연적 탄소의 순환과정을 통한 이산화탄소의 증가는 산업화 이후 수십 년에 걸쳐 연간 3~4기가톤 이상의 대기 중 이산화탄소 농도 증가를 설명해 줄 수가 없다. 광합성, 호기, 부패, 바다 표면의 기체 교환과정과 같은 자연적 과정은 대지와 대기, 대양과 대기등과 같은 자연계의 거대한 탄소 순환 과정이다. 인간에 의해 발생한 탄소가 자연적 흡수계를 통해 거의 절반 가까이 흡수되지 않았다면, 현재 대기 중 이산화탄소의 농도는 기하급수적으로 증가했을 것이다.
2007년까지 지구 대기의 이산화탄소 농도는 약 384ppm이었다. 이것은 1832년 아이스코어 조사를 통해 알게 된 이산화탄소의 농도 284ppm와 비교해 보면 100ppm이 증가한 것을 알 수 있다. 대기 중에 이산화탄소가 차지하는 전반적인 농도의 비율이 아주 작음에도 불구하고, 이산화탄소는 지구 대기의 중요한 성분이다. 태양으로부터 지구로 전달되는 복사에너지는 넓은 범위의 파장을 지니고 있는데 이 파장중 이산화탄소가 대기 중에서 2.5~3.0, 4~5, 13~17 범위의 파장을 흡수하기 때문이다. 이산화탄소는 석유, 천연가스, 석탄 등의 화석연료를 공장이나 주거지에서 태울 때 발생하여 대기 중에 첨가되며, 자동차가 가솔린을 연소할 때나 사람들이 쓰레기를 소각할 때에도 발생한다.
이산화탄소가 온실효과에 미치는 영향이 가장 큰 이유는 이 기체가 대기 중에서 열에너지를 저장하는 능력이 뛰어나서가 아니다. 온실기체로서 이산화탄소는 같은 농도의 메탄과 비교해 보았을 때 약 20배 정도로 온실효과에 미치는 영향이 약하지만, 다른 온실기체에 비해 대기의 성분 중에 차지하는 절대량이 많기 때문이다.
산업화와 더불어 대기 중에 급증하게 된 이산화탄소는 화석연료의 과도한 사용이 증가의 주된 원인이다. 이 화석연료 중 주로 연료로 쓰이는 석유와 석탄을 비교해 보면, 석유보다는 석탄이 이산화탄소 방출을 더 많이 하는데, 석탄 중에서도 무연탄은 92%의 탄소로 이루어져 있어 가장 이산화탄소 방출을 많이 한다. 석탄은 자동차와 같은 동력기관의 연료로 사용되지는 않지만, 아직도 전력 생산에 많은 비중을 차지하는 발전방식이 화력발전이고 바로 이 화력발전의 연료로 석탄이 차지하는 비율이 아주 높기 때문에 석탄의 높은 이산화탄소 배출량은 문제가 되는 것이다.
산업화 이후 대기 중 이산화탄소 농도 증가의 약 75% 이상이 시멘트 제조업이나 화석연료의 연소등과 같은 요인으로 인하여 발생하는 이산화탄소의 배출 때문이다. 다른 증가 요소로는, 농업을 위한 산림벌채와 같은 토지 사용의 변화로부터 기인한다. 이 모든 변화는 인간의 활동으로 인하여 발생한다.
요즘 전 세계적으로 환경(Environmental), 사회적 책임(Social), 투명경영(Governance)의 합성어인 ESG 경영이 지구촌 최대 화두로 부상하고 있다. ESG 중 환경(E) 이산화탄소(온실가스) 배출 및 감축이 주 관심사이다. 각국은 2050년까지 넷제로(탄소 배출량과 탄소흡수량 동일) 환경을 실현하겠다는 의지 및 계획을 수립 하였다.
이러한 상황적 관점에서 보면 이산화탄소(온실가스)가 전 세계를 홍역에 빠트린 골칫거리 문제아로 보일 수 있다. 과연 자연적인 이산화탄소(온실가스)는 지구에 문제아 일까?
이산화탄소(온실가스)가 우리(지구)에게 어떤 영향을 미치고 있는지를 알아야 한다. 또한 지구 환경을 위협하는 이산화탄소(온실가스) 농도를 증가 시키는 주 원인이 무엇인지 확인할 시점이다. 세계적으로 2050년까지 넷제로(탄소 배출량과 탄소흡수량 동일) 목표 달성은 이산화탄소(온실가스)의 본질 작용을 이해하여야 만 실현시킬 수 있기 때문이다.
이산화탄소(온실가스)는 지구 대기에서 0.04% 뿐이다. 양적인 기준으로 보면 아주 사소한 분포이다. 그러나 이산화탄소 특성으로 인한 대기에서 온난화 작용은 지구상에서 모든 생명체들이 살 수 있는 기온(평균기온 15도)을 유지시키는 아주 중요한 역할을 하고 있다.
태양은 표면온도가 6000도 정도로 대부분 에너지를 가시광선으로 방출한다. 가시광선은 지구 대기를 투과하여 지면에 도달한다. 태양에너지로 가열된 지구가 이 열을 다시 반사(방출)시키는 작용을 못한다면, 지구는 점점 더 뜨거워 질 것이다. 그래서 지면에 흡수된 태양에너지는 적외선으로 바뀌어 반사(방출)된다.
공기의 약 99%를 차지하는 질소(N2)와 산소(O2)처럼 같은 원자로 구성된 이원자 분자와 0.93%를 차지하는 아르곤(AR)같은 단원자 분자는 적외선을 흡수하지 않는다. 반면, 이산화탄소(CO2),메탄(CH4),아산화질소(NO2),프레온(CFC) 처럼 서로 다른 원자들이 결합한 분자는 적외선 분자의 진동수에서 에너지를 흡수한다. 이 온실가스들이 적외선 복사에너지를 흡수하면 들뜨게 된다. 들뜬 이산화탄소(온실가스)가 주변에 있던 질소와 산소를 함께 움직여서 공기 운동에너지가 커지며 이로 인해 기온이 상승(이를 온실효과)한다.
산업혁명 이전(1750년) 이산화탄소 농도 0.03% 지구평균 기온 14도, 지금 이산화탄소 농도 0.04% 지구 평균 기온 15도이다. 산업혁명 이후 화석연료 사용등으로 이산화탄소 농도가 0.01% 증가, 지구평균 온도가 1도 상승했다.
이산화탄소(온실가스)가 없다면, 지구 적외선 에너지는 모두 우주 공간으로 반사(방출)되었을 것이다. 그러면 전 지구 평균 지상 기온은 영하 18도로, 지구 전체가 얼음으로 뒤덮여 생명이 생존할 수 없다. 현실은 이산화탄소(온실가스) 인해 평균 기온이 15도를 유지해 우리 인류들이 지구에서 살고 있다.
자연에 의한 이화탄소(온실가스)의 온실효과는 인류가 지구에서 평탄하게 살아갈 수 있는 환경을 제공했다.
반면 산업혁명 이후 인간들의 욕구(무한한 물질적 양적성장 등)를 추구하기 위한 무분별한 화석연료 사용의 인위적인 온실효과는 급격한 기후변화를 발생시키고, 빙하가 녹아 해수면을 상승시키는 등 엄청난 환경 재앙을 발생 시킬 수 있는 상황을 만들어 가고 있다.
자연적인 이산화탄소(온실가스)는 지구에 사는 모든 생명체에게 평탄하게 살 수 있도록 선한 환경작용을 하고 있다. 지구상에 공동으로 생존하는 여러 생명체 중의 하나인 인간들의 끝없는 무한 욕구 추구가 자연스런 이산화탄소(온실가스) 흐름를 거스르게(이산화탄소 농도증가) 하였고, 결국에는 전 지구적으로 공동생명체들에게 이전에 경험하지 못한 환경 재앙을 직면시키고 있다.
주 원인 제공자인 인간들이 욕구를 줄이며 화석연료 사용의 대폭적인 감축만이 이산화탄소(온실가스) 농도를 21세기말까지 0.045% 유지할 수 있는 지름길이다.
co2의 대기 중 농도는 지구 표면을 통한 방출과 흡수에 의해 결정된다. 대기 중에는 탄소 환산으로 약 750 gtc(7,500억 톤)가 co2의 형태로 축적될 수 있고 대기는 다른 2개의 큰 저장고인 육상 생물권 및 해양과의 사이에 다량의 이산화탄소 교환을 실시하고 있다. 대기와 육상 생물권과의 사이의 교환은 광합성에 의한 co2의 호흡 및 토양 유기물의 분해에 의한 방출에 의해 이루어진다. 이러한 생물 활동은 계절에 의한 변동이 크고, 대기 중의 co2 농도의 계절 변동을 만들어 내는 주된 요인이 되고 있다. 또, 대기와 해양의 표층수 사이에는 해역이나 계절에 따라 변화하는 co2 농도 차이에 의해 대기로부터 해양에의 흡수 또는 해양으로부터 대기로의 방출이 일어나고 있다. 남극빙상코어의 분석에 의하면 대기 중의 co2농도는 과거 42 만년을 거슬러 올라가 볼 때 현재의 값을 넘었던 적은 없었다. 또한 18 세기의 산업혁명 이전의 농도는 약 280 ppm으로 거의 안정되어 있었지만 1800년 이후 서서히 높아져 2000년에는 368 ppm(산업혁명이후 약 31% 증가)으로 증가하였으며 2004년도에는 전지구 평균값은 아니지만 전지구급 관측소인 마우나로아 관측소의 농도가 377 ppm에 이르고 있다. 20 세기에 있어서의 증가율은 적어도 과거 2만년 동안 전례가 없었던 기록을 보여준.
Greenhouse Gases are gases in the atmosphere that help Mother Earth trap heat from the sun’s rays. The atmosphere mainly consists of these six Greenhouse gases: Carbon Dioxide, Nitrous Oxide, Ozone, Methane, Water Vapour and Chlorofluorocarbons. These gases not only have positive but also negative impacts on our planet.
Carbon dioxide is made up of two atoms of oxygen and an atom of carbon. Its chemical formula is represented as CO2. It is released through volcanoes, forest fires, and decaying of dead animals and plants. It is emitted from the burning of fossil fuels like coal, oil and petroleum. Factories and vehicles emit this greenhouse gas. Deforestation is yet another cause that leads to excessive carbon dioxide in the atmosphere.
The next gas, Nitrous Oxide (N2O) also called ‘the laughing gas’ is released from power plants and fertilizers. N2O is found in nature in oceans and soil. This greenhouse gas is a part of the nitrogen cycle.
The most powerful greenhouse gas of all, Methane is also known as CH4. It is a natural greenhouse gas that is released through cattle and wetlands. Mining coal and growing rice are manmade causes of adding Methane to our environment.
Ozone, O3 blocks the sun’s harmful ultraviolet radiation to reach us. It is the layer of the atmosphere where the planes fly. It is released from burning gas from cars and factories.
Chlorofluorocarbons are the only manmade greenhouse gas. There is no natural source for this greenhouse gas, CFCs. It damages the Ozone layer.
Excess CFCs are released by manmade devices like refrigerators, fire extinguishers, air conditioners, and aerosol sprays, etc.
Water Vapour is water in a gaseous form. This gas condenses into liquid form and rains back on Earth. H2O, the water which we drink is a part of this natural cycle. Water Vapour blocks heat from escaping the atmosphere making it more warmer.