부해 속에서 오존을 바라보다
기후변화와 지표면 오존, 바람계곡의 나우시카
거대 산업문명의 붕괴 후 천년 뒤, 황폐해진 대지를 독을 가진 균류가 장악했고 썩은 바다 부해를 만들어 인간의 생존을 위협하는 세계가 있다. '바람계곡 나우시카'에서는 불의 7일이라는 전쟁에서 거신병이라는 거대한 생체 무기로 인해서 지상이 불타고 문명이 다 파괴되는 일이 생겼다. 이 잔해 속에서 생겨난 부해는 독성을 내뿜어 사람들이 마스크 없이는 5분도 버티기 힘들게 한다. 사람들은 부해를 없애려고 태워 보는 등 노력을 기울였지만 그때마다 오무라는 거대한 생물이 몰려들어 부해를 태우려는 마을과 국가들이 멸망했다. 이 과정에서 오무는 죽을 때까지 달렸고, 오무가 죽어 썩어간 자리에 다시 부해가 생겨 국가들이 썩어갔다. 사람들에게 부해는 절망으로 다가왔으며 오무는 두려움의 대상이었다. 다른 이들과는 다르게 나우시카는 부해나 곤충, 오무를 다른 관점에서 바라본다. 그는 이 모든 것들을 하나의 생태계로서 바라보고 존중하고자 한다. 하지만 바람계곡의 바깥쪽 거대한 국가들에서 비롯된 세계의 흐름은 나우시카의 가치관과는 다른 방향으로 움직이고 있었다. 불의 7일에서 과오를 마치 잊어버리기라도 한 듯이 다시 힘에 의해서 돌아가는 세상을 만들려고 한 것이다. 토르메키아라는 군사 국가의 왕녀이자 사령관은 군사력을 바탕으로 소국들을 점령해나가고 있었다. 이 과정에서 오무와 부해는 강력한 인간 세상을 만들려고 하는 야망의 걸림돌 밖에 되지 않았다. 그녀는 거신병을 다시 깨워 오무와 부해를 태워버리려 했지만 성급함에 이루어지지는 않았다. 만약 성공했다면 불의 7일이 재현되었을 수 있는 사건이었다. 이런 야망은 자연을 그 자체로 바라보고 이해하려 하는 나우시카의 자기희생을 통해 저지된다. 그녀는 오무를 비롯한 자연과 인간 사이에서 잠시나마 평화와 균형을 만든다. 하지만 거대 국가들의 야망이 지속되며, 나우시카의 가치관에 공감하고 이해하지 않는 이상 인간이 자연을 상대로 한 파괴, 그로 인한 인간 문명의 파괴는 언제든 되풀이될 수 있는 문제일지 모른다.
영화에서 부해가 독성 가스를 내뿜어 인간의 호흡을 위협하는 모습은 현재 우리가 직면한 지표면 오존(O₃) 문제와 유사한 측면을 보인다. 부해처럼 지표면 오존 역시 인간의 건강을 직접적으로 위협하는 대기 오염물질로 작용한다. 그러나 부해가 복잡한 생태계적 상호작용의 산물이듯, 지표면 오존 또한 다양한 화학적 과정과 기상 조건, 인위적 배출원들 간의 복잡한 상호작용을 통해 형성된다. 나우시카가 부해의 본질을 이해하려 노력했듯이, 우리도 지표면 오존의 형성 메커니즘과 그 변화 요인들을 이해할 필요가 있다. 특히 기후변화가 가속화되는 미래에 지표면 오존 농도가 어떻게 변화할지 예측하고 대응하는 것은 인류의 지속가능한 삶과 연결된 일이다.
부해와 지표면 오존
부해는 불의 7일 전쟁 이후 파괴된 세상에서 생겨났다. 독성을 내뿜는 부해의 숲에서는 사람들이 마스크 없이는 생존할 수 없다. 이 부해를 보고 생각났던 것이 지표면의 오존이다. 여기서 말하는 오존은 성층권에서 자외선을 막아주는 오존층의 오존이 아니라, 지표면 근처에서 식물과 사람 모두에게 피해를 주는 오염물질로서의 오존이다. 부해의 독성과 오존의 유사한 특징은 그들이 항상 만들어지는 것이 아니라 특정한 환경에서 생성된다는 것이다. 부해는 해로워서 반드시 제거해야 할 위험한 물질로 여겨졌지만, 나우시카는 실험실에서 부해 식물을 키우면서 다른 인식을 갖게 되었다. 자연 상태와는 달리 실험실에서는 독성을 내뿜지 않았던 것이다. 오직 그녀만이 부해의 진정한 본질을 정확히 이해하고 있었다. 마찬가지로 오존도 자연적 요인과 인위적 요인에 의해 만들어지지만, 그 요인들이 반대로 환경 조건에 따라 오존을 제거할 수도 있다. 따라서 오존 문제를 해결하려면 나우시카처럼 오존의 특성을 정확히 이해하는 것이 필요하며, 이는 오존이 어떻게 형성되는지를 파악하는 것부터 시작된다.
지표면 오존은 직접적으로 대기에 배출되는 물질이 아니라 다른 물질로부터 형성되는 2차 오염물질이다. 일산화탄소(CO), 휘발성 유기화합물(VOCs), 질소산화물(NOx; NO, NO2) 같은 전구물질들이 햇빛과 반응하여 오존이 만들어진다. 이를 광화학 반응이라고 한다. 다양한 변수들이 이러한 오존의 생성과 소멸에 영향을 주는데, 대표적인 것이 인공배출, 토지 피복(land cover), 식생이다. 식생은 오존의 생성과 소멸에 모두 관여한다. 예를 들어 Isoprene과 같이 식생이 배출하는 생물학적 휘발성 유기 화합물(BVOCs)은 환경에 따라 오존을 만들 수도 있고 소멸하게도 한다. 높은 질소산화물이 있는 환경에서는 오존을 만들지만 낮은 질소산화물 농도의 환경에서는 오존을 제거하기도 한다. 반대로 식물의 잎과 기공은 오존을 달라붙게 하거나 흡수하여 공기 중에서 오존을 제거하기도 한다. 이는 식생에 의한 건식침착(dry deposition)이며, 대표적인 오존 제거 메커니즘이다. 식생 외에도 교통, 인쇄, 세탁, 자동차 도장 등의 인간 활동에서 나오는 인위적인 VOC도 오존에 영향을 준다. 하지만 앞서 잠시 언급했듯이 물질들이 항상 오존을 만드는 것은 아니다. VOCs와 NOx의 상호작용에 따라 오존은 생성되기도 하고, 반대로 감소되기도 한다. 결국 이 물질들이 어떤 환경에 놓여 있는지에 따라 오존의 농도가 달라진다. 이처럼 오존은 VOC와 NOx 중 어느 물질에 더 민감하게 반응하느냐에 따라 다음 두 가지 환경으로 나눌 수 있다. VOC 민감 환경(VOC-limited regime)에서는 VOC가 증가하면 오존이 증가하고, NOx가 증가하면 오존이 오히려 감소할 수 있다. NOx 민감 환경(NOx-limited regime)에서는 NOx, 특히 NO가 증가할수록 오존도 함께 증가한다. 두 가지 분류 기준은 배출원으로부터의 거리와도 연관이 있다. 자동차와 같은 배출원에서부터 가까운 지역에서는 주로 VOC 민감 환경이 나타나고, 멀어지는 지역에서는 NOx 민감 환경이 나타난다. 따라서 도시는 주로 VOC 민감 환경이며, 교외지역은 NOx 민감 환경이 나타난다. 오존을 줄이기 위해서는 그 지역이 어떤 특성을 지니고 있는지를 파악하고, 어떤 물질의 배출을 줄일 것인지에 대한 판단이 이어져야 한다. 이는 기후변화로 인해 변화하는 대기 환경에서 더욱 중요한 대응 방향이 된다.
현재 및 미래기후에서의 지표면 오존
영화 나우시카에서 부해는 항상 존재했던 것도 아니고 모든 지역에 부해가 동일하게 나타나는 것은 아니다. 불의 7일 이전에는 부해가 존재하지 않았다. 또 불의 7일 이후에도 어떤 곳은 부해가 광범위하게 나타나는 반면, 나우시카가 사는 바람 계곡처럼 비교적 깨끗한 지역도 있다. 이처럼 오염물질도 지역에 따라 다르게 나타나며, 지표면 오존 역시 현재와 미래의 기후 조건에서 지역별·계절별로 다른 특징을 보인다. 현재 기후에서 지표면 오존은 지역별로 아시아, 미국, 중앙아프리카 지역에서 높은 농도를 갖는다. 계절적으로는 봄과 북반구 여름에서는 오존 농도가 높고, 가을과 겨울에서는 오존 농도가 낮다. 여름에는 온도가 높고 햇빛이 강해져 식물에서 생물학적 휘발성 유기화합물(BVOC), 특히 isoprene의 배출이 증가하고, 광화학 반응도 활발해져 오존 생성이 촉진된다. 반대로 가을과 겨울에는 상대적으로 낮은 농도를 보인다. 그렇기 때문에 미래기후에서의 지표면 오존 연구에서도 여름철에서의 오존 농도 변화를 많이 다루고 있다. (H.Bhattaraietal., 2024)에 따르면 미래 시나리오에 따라 여름 오존 농도는 다르게 나타나는데, 예를 들어 지속가능한 발전 경로인 SSP1 시나리오에서는 오존 농도가 감소하는 반면, 탄소 집약적 개발 경로인 SSP5 시나리오에서는 오히려 더 많은 지역에서 오존 농도가 증가한다. 미래 기후에서 오존의 변화는 토지 피복 변화, 기후변화, 온실가스를 제외한 기타 배출물 등이 영향을 줄 것이다. 토지 피복 변화에서 중요한 부분 중 하나는 산림의 변화이다. 식생은 앞서 언급했듯이 생물학적 휘발성 유기 화합물을 통해 오존을 생성할 수도 있고 건식침착을 통해서 오존을 제거할 수도 있다. 예를 들어, SSP1에서는 아한대·온대 지역의 산림이 늘어날 것으로 예상되며 이로부터 방출되는 isoprene이 오존 생성을 증가시킬 수 있다. 반대로 SSP3과 SSP5에서는 열대우림이 줄어들어 isoprene 배출이 줄어 오존 생성이 감소할 수 있지만 동시에 식생이 줄어들면서 오존을 제거하는 능력(건식침착)도 감소해 전체적인 효과는 상쇄될 수 있다. 온실가스 증가로 인한 기후변화는 토지피복(land cover) 보다 상당한 수준의 오존 농도 변화를 야기한다. 기후변화로 인한 기온의 증가는 오존의 증가와 높은 연관이 있다. 기온의 상승은 isoprene 배출의 증가를 야기하고 중위도나 아열대의 높은 NOx 환경과 만나면 이는 오존의 증가로 이어질 수 있다. 낮은 NOx 환경에서는 오히려 isoprene이 오존을 분해할 수도 있기도 하다. 온실가스를 제외한 기타 물질의 배출도 오존 농도에 영향을 준다. SSP1에서는 NOx, 일산화탄소(CO), 메탄(CH₄) 등의 배출이 강력하게 감축되면서 오존 농도도 전반적으로 줄어들 것으로 예상된다. 반면, SSP3이나 SSP5에서는 이런 배출물들이 증가하면서 오존 농도도 상승할 것으로 보인다. 배출 물질 중에서 NOx는 오존 발생에 중요한 물질이므로 미래 기후에서 NOx의 변화는 오존의 증감과 이어질 수 있다. 지역별로는 유럽과 미국과 같은 선진국에서는 NOx의 감소가 모든 시나리오에서 예상되지만, 인도나 중앙아프리카에서는 증가할 것으로 예상되는 NOx가 오존을 증가시킬 수 있다. 그러나 NOx의 감소가 항상 오존을 감소시키는 것은 아닌데, SSP5 시나리오에서 중국 남부의 예시처럼 NOx가 높은 지역에서 약간의 NOx감소는 오히려 오존제거 과정을 감소시켜 도리어 오존 농도가 증가할 수도 있다. 전체 오존의 변화는 토지 피복 변화, 기후변화, 배출에 따른 영향을 종합적으로 고려할 필요가 있다. SSP1 시나리오에서는 배출 감축의 영향이 토지 피복 및 기후변화의 효과를 상쇄하며 전반적으로 오존 농도가 줄어들 것으로 보인다. 반면, SSP3과 SSP5에서는 배출 증가와 기후변화가 동시에 오존 농도를 높이는 방향으로 작용해, 대부분의 지역에서 미래 오존 오염이 악화될 수 있다.
오존과 건강
부해에서 사람은 특수한 마스크 없이 5분 넘게 호흡할 수 없다. 지표면 오존은 그만큼 치명적이진 않지만 인체에 유해하며 세계보건기구(WHO)에서는 그 기준을 정해두고 있다(50 ppb). 구체적으로 오존이 건강에 미치는 영향을 보면, 오존은 기관지 염증과 기도 과민증을 유발한다. 단기 노출은 사망률과 심혈관 및 호흡기 질환의 증가와 관련이 있다. 단기 오존 노출은 전 세계적으로 총 사망률, 호흡기 및 심혈관 사망률을 증가시키는 것으로 나타났다. 특히 미국 Medicare 인구 데이터를 활용한 연구에서 이 위험은 현재의 국가 대기 질 기준보다 낮은 수준에서도 발생했다. 만성 폐쇄성 폐질환(COPD) 입원율과 단기 오존 노출 간의 연관성이 최근의 연구들에서 밝혀졌다. 어린이들은 오존의 단기 노출로 인해 천식으로 인한 응급실 방문이 증가하며, 노인은 오존에 더 취약하다는 것이 발견됐다. 최근 연구들에서는 장기적인 오존 노출이 심혈관 및 호흡기 사망 위험 증가, 폐 기능 저하, 폐기종 진행과 관련 있음을 시사하기도 한다. 오존에 대한 장기 노출의 역학적 증거는 짧은 노출에 비해 상대적으로 제한적이다. 이는 다른 오염물질과 비교하여 인과 관계를 뒷받침하는 연구가 적기 때문이다. 그러나 앞으로는 미래기후에서 오존이 연속적으로 세계보건기구의 기준치를 넘는 날이 꽤 많을 것이라는 연구도 존재한다. 중국은 모든 시나리오에서 기준치 초과일이 1년에 150일 이상이라는 전망이 있다. 미국의 경우 동부보다 서부에서 더 기준치를 넘는 경우가 많은데 SSP1 시나리오를 제외하고 1년에 200일 이상으로 예상된다. 유럽의 경우 상대적으로 나은 결과를 보여주는데, SSP1,2에서는 50일 미만, SSP3,5에서는 50~100일 정도를 초과한다고 예상된다. 그리고 북반구가 남반구보다 초과일이 더 많을 것이다. 이처럼 장기노출에 대한 전망이 있지만 인체에 어떤 영향을 주는지에 대한 연구는 아직 부족하다. 그렇기 때문에 오존의 장기노출에 대한 연구는 앞으로 미래기후 보건에서 중요한 분야이다. 앞으로 더 많은 인구가 오존에 장기노출될 수 있기 때문이다. 오존은 사람의 건강뿐만 아니라 작물의 생산성도 저하시킨다. 주요 작물 생산지인 중국이나 인도에서 오존의 영향은 그 인근 수억 명의 사람들에게 피해가 이어질 수 있다. 이는 유엔이 제시한 지속가능한 발전목표 중 기아종식(SDG2), 건강과 웰빙(SDG3), 육상생태계(SDG15) 등을 위협한다.
오존 규제와 저감 방안
영화의 오프닝에서는 "부해의 독성으로 인해 수많은 국가와 마을이 사라졌다"는 내레이션이 나온다. 현실에서도 오존은 오랜 시간 동안 인간 건강과 생태계에 피해를 주어 왔다. 대표적인 사례로는 미국 로스앤젤레스에서 발생한 광화학 스모그 사건이 있다. 이 스모그는 주로 질소산화물(NOx), 휘발성유기화합물(VOCs), 그리고 오존(O₃) 등 2차 오염물질들이 태양광 아래에서 반응하면서 발생한 현상으로, 많은 시민들이 호흡기 질환을 앓는 등 심각한 피해를 입었다. 이러한 경험을 바탕으로 많은 국가들이 오존 농도에 대한 대기환경기준을 마련하게 되었다. 현재 우리나라의 대기환경기준은 8시간 평균 0.06 ppm, 1시간 평균 0.1 ppm 이하로 설정되어 있다. 미국은 8시간 평균 0.07 ppm을 기준으로 하고 있으며, 캘리포니아 주는 보다 엄격하게 1시간 평균 0.09 ppm, 8시간 평균 0.07 ppm을 적용하고 있다. 유럽연합(EU) 또한 8시간 평균 0.06 ppm 수준의 권고 기준을 운영 중이다. 대기오염이 심각한 중국은 도시와 산업지대 등을 중심으로 오존 농도 기준을 다르게 설정하고 있으며, 8시간 평균 0.1 ppm, 1시간 평균 0.08 ppm 수준의 2등급 기준을 적용하고 있다. 아래 표는 주요 국가의 오존 기준을 정리한 것이다.
송민영, 전혜준. (2022). 서울시 오존생성 VOCs 배출시설의 특성 및 오존 저감 방안 연구. 서울연구원. 자료를 바탕으로 만든 표이와 더불어 오존의 전구물질인 VOC에 대한 규제도 강화되고 있다. 우리나라는 ‘특정대기유해물질(HAPs)’ 중 상당수 VOC 물질을 지정하여 관리하고 있지만, 개별 물질별로 명확한 배출 기준이 정해져 있지는 않다. 반면 유럽은 오존 생성 전구물질에 대한 측정 및 감시 지침이 잘 마련되어 있다. 유럽 대기질 지침은 EU 회원국에게 최소 1개 이상의 VOC 측정소 설치를 요구하고 있으며, 이는 오존 생성 경로와 배출원의 상관성을 파악하고, 감축 정책의 효과를 평가하는 데 활용된다. 또한, ‘국가 배출 감축 지침(NECs)’을 통해 NOx와 VOC의 국가별 총 배출량 상한을 설정하고 있다. 중국도 고농도 오존 발생 기간을 고려하여 정유 및 석유화학 산업에서의 VOC 배출을 계절별로 관리하고 있으며, 일본은 법적 규제와 더불어 사업체의 자발적인 감축 프로그램을 운영하여 상당한 VOC 저감 효과를 거두고 있다. 각국은 오존 농도 상승 시, 경보제를 통해 시민들에게 신속히 알리고, 단계별 행동 지침을 제공하고 있다. 특히, 호흡기 질환자, 어린이, 노인 등 대기오염에 민감한 집단은 ‘민감군’으로 분류되어 이들에게는 보다 엄격한 권고 사항이 주어진다. 우리나라는 ‘취약군’으로서 야외 근로자 등 장시간 외부 활동이 필요한 집단에 대한 별도의 대응 지침을 마련하고 있다. 이처럼 각국은 오존 농도에 대한 기준을 정립하고, 대응 체계를 강화해 왔다. 이러한 노력에도 불구하고 최근 오존 농도는 다시 증가하는 추세다. 에어코리아에 따르면, 2015-2024년 동안 오존주의보 발령 횟수 및 일수는 증가했다. 2015년 133회의 오존 주의보가 발령되었던 것과 비교하면 2024년 655회의 주의보 발령 횟수는 상당한 증가 치이다. 발령 일수도 2015년 33회에서 81회로 매우 증가했다. 이는 오존 관리를 더욱 정교하고 체계적으로 수행할 필요성을 시사한다. 서울기술연구원이 발표한 『서울시 오존생성 VOCs 배출시설의 특성 및 오존 저감 방안 연구(2022)』에서는 오존 저감을 위한 세 가지 주요 방향을 제안하고 있다. 첫째, 과학 기반의 정밀한 관리 강화이다. 오존은 2차 오염물질로, 다양한 물질과 환경 조건이 복합적으로 작용해 생성되기 때문에, 지역·시간·계절·물질별 특성 파악이 중요하다. 이를 위해 보다 촘촘한 관측망 구축과 시뮬레이션 모델 연구가 병행되어야 한다. 둘째, 질소산화물 관리 강화이다. NOx는 주로 교통 부문에서 배출되므로, 차량 배출가스 저감 등 이동오염원 관리 정책이 핵심이다. 셋째, VOC 배출 저감이다. 우리나라에서 VOC의 상당 부분은 도장 공정에서 사용하는 유기용제에서 발생하므로, 고배출 사업장의 관리 강화 및 유기용제 대체물질의 사용 권고가 필요하다. 또한, 시민들의 인식을 높이는 것도 중요하다. 고농도 오존 상황에서 민감군이 적절한 행동을 취할 수 있도록 정보를 제공하고, 자발적인 오염 저감 행동을 유도하는 것도 하나의 실질적 대응 방안이 될 수 있다.
부해의 위와 아래는 전혀 다른 세상이다. 한쪽은 마스크 없이는 살아남을 수 없는 환경이며, 다른 한쪽은 청정하다. 그러나 이는 결과적인 것이다. 부해의 위는 사람들이 파괴했던 세상이며, 아래는 부해가 정화를 통해 깨끗하게 만든 환경이다. 나우시카의 세계에서 부해는 어느 날 갑자기 생겨난 것이 아니다. 인간이 세상을 파괴하고 오염시켰기 때문에 이를 다시 원래의 상태로 되돌리기 위해 생겨난, 일종의 생태계적 반응이었다. 우리의 오존 문제도 다르지 않다고 생각한다. 식생에서 원래부터 VOC는 생성되었지만, 인간은 질소산화물 등 또 다른 전구물질을 배출하며 지표면 오존의 생성을 촉진해 왔다. 결국 우리가 겪는 피해는 우리 스스로 자초한 것이다. 특히 기후변화는 오존 농도를 더욱 증가시킬 수 있으며, 이는 인류의 지속가능한 발전을 저해하고, 사람들이 건강하게 살아갈 수 있는 환경을 위협한다. 그렇지만 나우시카가 보여주었듯, 문제를 만든 것도 인간이라면 이를 해결할 수 있는 존재도 인간이다. 우리는 나우시카처럼 문제의 본질을 이해하고 해결해나야 하며 지속가능한 방법을 모색해야 한다. 지표면 오존의 형성과 변화 요인을 과학적으로 이해하고, 이를 바탕으로 한 정책적·사회적 노력이 필요하다. 무엇보다도 지표면 오존이라는 물질이라는 것이 있고 사람의 호흡기에 좋지 않다는 인식만 증가하면 오존도 미세먼지처럼 빠르게 좋아질 수 있을 것이다.
참고자료
Bhattarai, H., Tai, A. P., Martin, M. V., & Yung, D. H. (2024). Impacts of changes in climate, land use, and emissions on global ozone air quality by mid-21st century following selected Shared Socioeconomic Pathways. Science of the Total Environment, 906, 167759.
Kim, S. Y., Kim, E., & Kim, W. J. (2020). Health effects of ozone on respiratory diseases. Tuberculosis and Respiratory Diseases, 83(Supple 1), S6.
Sillman, S. (1999). The relation between ozone, NOx and hydrocarbons in urban and polluted rural environments. Atmospheric environment, 33(12), 1821-1845.
송민영, 전혜준. (2022). 서울시 오존생성 VOCs 배출시설의 특성 및 오존 저감 방안 연구 (2022-SR-07). 서울연구원.
