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바다 : 이산화탄소의 포집, 온난화
이산화탄소
- 탄산음료의 효능
- 탄산의 혈중 pH완충, 인산의 pH완충
- 체내 이산화 탄소의 농도감지
- 지구 : 온난화의 주범은 누구인가
- 얼음물고기 : 산소용해도
물 그물에 걸려든 이산화탄소
과거 대기의 온실효과가 없었다면 지표면의 평균 온도는 현재보다 33℃ 정도 낮게 나타날 것이라고 추정된다. 그러면 지금과 같이 지구상의 생물들은 존재하기 어려웠을 것이다. 하지만 이제는 온실효과가 수면을 상승시키고, 거대한 홍수를 일으키며, 식량난과 심각한 폭풍을 가져올 수 있다. 따라서 온실효과를 일으키는 이산화탄소를 줄이거나 없애야 하는 방법을 찾아야 한다.
지구온난화현상에 대한 기여도가 60%인 이산화탄소를 없애기 위해 여러 방안이 제안됐다. 이 중에는 기존의 이용시스템을 유지하면서 이산화탄소의 배출을 억제하는 방법과 에너지를 이산화탄소의 배출량이 적은 것으로 전환하는 방법이 있다. 그러나 경제활동 위축과 에너지 이용시스템의 혼란을 막기 위해서는 이산화탄소의 배출 억제보다 에너지 절약 기술을 개발하고 배출된 이산화탄소를 분리, 회수해 처리하는 것이 바람직하다. 이산화탄소를 분리, 처리하는 방안으로는 물리, 화학적 특성을 이용한 많은 방법이 있다. 대량의 가스를 처리하는 방법은 바닷속에 저장하는 것이 현재까지는 최선의 대안이다.
지구온난화가스를 심해에 저장하는 기술은 기체수화물(가스 하이드레이트)이라는 물질에 대한 이해가 필요하다. 기체수화물이란 물이나 페놀과 같은 수소결합이 가능한 분자들이 형성하는 3차원의 구조에 메탄, 에탄, 이산화탄소, 질소 등 비교적 저분자량 가스분자가 물리적으로 포집돼 완성되는 복합체이다. 눈으로 보기에는 얼음과 매우 유사하나 그 물리적 성질은 약간의 차이를 보인다. 샤벳 모양의 덩어리로서 매우 밝은 백색을 띤다.
구조체를 형성하는 분자를 주체(host)라 하며 포집되는 가스분자를 객체(guest)라 한다. 이렇게 형성된 구조체는 주체가 물인 것을 하이드레이트, 페놀이나 크레졸 등 물을 제외한 유기물질이 주체인 것을 크러스레이트라 명명한다. 바닷물을 주체로 하고, 이산화탄소가 객체가 되는 수화물을 심해에 형성시키는 것이 바로 이산화탄소를 바다에 가둬두는 것이다.
기체수화물은 화학반응에 의한 것이 아니라 물로 만들어진 그물에 기체가 걸려든 것으로서 이들이 만들어지려면 적절한 온도와 압력을 만들어줘야한다.이러한 조건들은 객체에 따라 달라지며 일정한 온도와 압력 조건이 바뀌면 물로 만들어진 그물이 풀어져 각자 상태로 복원된다. 현재까지 알려진 이산화탄소 수화물의 구조는 46개의 물분자로 얽혀진 그물에 6개의 이산화탄소가 붙들려 있는 것으로 돼 있다. 이 말 대로라면 물에 담길 수 있는 이산화탄소의 양이 얼마나 어마어마한지 짐작할 수 있다.
38조톤의 탄소는 바다에
이산화탄소는 영하 0.05-영상 12.5 ℃의 온도조건과 12기압 이상의 압력조건이 유지되면 기체수화물로 존재할 수 있다. 바닷속은 이러한 조건을 자연적으로 갖추고 있는 천혜의 장소이다. 난류가 흐르는 곳에서도 약4백-5백m의 수심이면 이러한 온도와 압력이 유지될 수 있다. 또한 기체수화물의 비중이 물보다 크므로 물에 뜨는 빙산과는 달리 바닷속 깊이 가라앉혀 둘 수 있다.
지구상에서 이산화탄소가 가장 많이 모여있는 곳은 바로 해양이다. 그 양은 대기 중에 포함된 약 7천3백50억톤으로 추정되는 탄소양의 약 50배에 해당한다. 그리고 전세계에서 매년 발생되는 이산화탄소양의 약 7천배에 해당하는 38조톤의 탄소가 해양에 있을 것으로 추정된다. 이 때의 탄소 양은 이산화탄소에 포함된 탄소뿐 아니라 메탄, 탄산칼슘 등에 포함된 탄소의 총량이다. 따라서 해양으로 이산화탄소를 저장, 폐기하는 것은 매우 타당하다고 보인다.
특히 저장된 이산화탄소가 수화물에서 방출돼 해수표면으로 이동되는데는 약 1천년 정도의 시간이 걸린다.
또 방출되는 양도 전체 흡수량의 약 4% 정도로 추산되므로 바다 속에 저장하는 방법은 대기 중의 이산화탄소의 양을 조절하는 효과적인 방법이다. 하지만 1천년 후에 벌어질 바다의 산성화에 대비해야 한다.
바닷물 속에 포함되어질 수 있는 최대 이산화탄소의 양은 염도에 따라서 다르지만 일반적으로 0℃와 24℃에서 각각 65, 32 mol/m3인 것으로 알려지고 있다. 현재 해수 중 이산화탄소 평균 농도가 약 2 mol/m3 이므로 저장 가능량은 앞으로도 상당할 것으로 추산된다.
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온실효과 36%, 태양이 만든 수증기 탓
[중앙일보]입력 2011.12.07 강찬수 환경전문기자 envirepo@joognang.co.kr
남아프리카공화국 더반에서는 지난달 28일 제17차 기후변화협약 당사국 총회가 시작됐다. 9일까지 계속되는 이번 회의에서는 내년 말 만료되는 교토의정서 후속 대책을 집중 논의 중이다. 선진국의 온실가스 감축 목표를 정한 교토의정서를 연장하거나, 새 감축방안을 내놓아야 하지만 전망은 어둡다. 각국이 온실가스 감축 책임을 서로 미루고 있어서다. 과학자들은 지금처럼 온실가스 배출을 계속한다면 인류에게 되돌이킬 수 없는 상황이 벌어질 것이라고 경고한다. 기상청은 날마다 백령도 등 전국 다섯 곳에서 2~4차례 커다란 풍선을 띄운다. 하늘로 올라가면서 기압·기온·습도·풍향·풍속 등을 자동 측정해 무선으로 데이터를 보내오는 ‘라디오존데(radiosonde)’라는 장비다.
최근 기상청은 국내에서 가장 오래전부터 라디오존데를 띄우고 있는 경기도 오산 공군기지의 29년간(1981~2009) 기온 측정 데이터를 분석했다.그 결과 1.5㎞ 상공의 대류권(지표면에서 약 10㎞ 상공까지)에서는 영상 4.2도에서 영상 5.4도로 1.2도 상승했다. 반면 20㎞ 상공의 성층권(대류권 위에서부터 50㎞까지)에서는 영하 57도에서 영하 58.6도로 1.6도나 떨어졌다. 지구를 덥히는 이산화탄소(CO2)나 메탄(CH4) 등 온실가스 작용이 구체적으로 확인된 것이다.
온실가스의 작용 원리는 이렇다. 태양에서 지구에 도달한 양만큼의 에너지가 다시 우주로 빠져나가야 지구의 기온은 일정하게 유지된다. 태양에서 지구에 도달하는 빛은 파장이 짧고 에너지가 강한 자외선(UV)이나 가시광선이다. 지구에서 우주로 나가는 에너지는 파장이 상대적으로 길고 에너지가 약한 적외선(IR)이다.
대류권에 존재하는 온실가스는 이 적외선을 흡수한다. 대류권의 온실가스가 증가하면 우주로 나가는 에너지가 줄어들면서 열이 쌓이고 지구가 더워진다. 반면 성층권에서는 적외선 에너지가 줄면서 기온이 떨어진다.
국립기상연구소 조천호 기후연구과장은 “온실가스 증가로 지구 열균형이 달라지고 있다”며 “80년대 이후 선진국의 공장 매연(검댕)은 줄고 온실가스 배출이 늘면서 지구 기온변화가 짧은 시간 내에 빠르게 나타났다”고 말했다.
가시광선이 빨강·노랑·보라 등 여러 빛이 섞여 있듯이 적외선도 3~25㎛(마이크로미터, 1㎛=1000분의 1㎜)의 다양한 파장이 섞여 있다. 적외선을 구성하는 광자(光子·photon)는 다양한 에너지 값을 갖고 있다는 것이다. 각각의 온실가스는 자신에게 적당한 에너지 값을 가진 광자만을 흡수한다. CO2가 흡수하는 광자와 CH4가 흡수하는 광자는 에너지 값이 서로 다르다.
◆최대 온실가스는 수증기=지난해 세계 CO2 배출량은 2009년보다 5.9% 늘어난 334억t으로 사상 최고치를 기록했다. 세계기상기구(WMO)도 최근 지난해 CO2와 CH4 농도가 각각 389ppm과 1.81ppm이었다고 발표했다. 산업혁명 전인 1750년의 CO2와 CH4 농도는 각각 280ppm과 0.7ppm이었다. 이 작은 변화가 지구의 기후를 변화시켰고, 인류가 전전긍긍하고 있는 것이다.
하지만 기후 전문가들은 “온실효과에 기여하는 정도로 본다면 단연 수증기(H2O)가 최대의 온실가스”라고 말한다. 대기 중 CO2 농도는 389ppm, 즉 100만분의 389 정도인 데 비해 수증기는 보통 1만ppm에 이른다. 전체 온실효과의 36%를 발휘하지만 대부분 바다에서 증발하기 때문에 인간이 수증기를 어떻게 할 수가 없다. 대신 수증기 다음으로 온실효과가 큰 CO2나 CH4의 배출량을 줄일 수밖에 없다.
적외선 광자와 반응하려면 보통 세 개 이상의 원소로 이뤄진 물질이어야 한다. 질소(N2)와 산소(O2)는 온실가스가 아니지만 CO2나 CH4·H2O·오존(O3)·아산화질소(N2O)가 온실가스인 이유다. 같은 온실가스라도 적외선 에너지 흡수능력과 대기 중 존속기간 등을 감안한 온난화잠재력(GWP)은 큰 차이가 있다. CO2의 온난화잠재력을 1이라고 했을 때 CH4는 21, N2O는 310이다. 같은 양이 있을 때 CH4의 온실효과는 CO2의 21배다.
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