스모그, 산성비, 그리고 오존 구멍: 오염의 화학

1962년 봄, 메릴랜드주 실버스프링의 숲속 집에서 레이철 카슨이라는 해양생물학자가 책상에 앉아 있었다. 압지 위에는 원고가 놓여 있었고, 그 옆에는 맹금류 개체 수 감소를 조사한 현장 기록이 쌓여 있었다. 책의 제목은 침묵의 봄이었고, 거의 완성된 상태였다. 카슨은 작고 흩어진 관찰들을 모아 하나의 논증을 세우는 데 수년을 보냈다. 살포 작전 이후 죽어가는 새들, 부화에 실패한 둥지, 알을 품은 어미의 무게에 깨져버린 알들. 다섯 달 뒤인 1962년 9월 27일 호턴 미플린 출판사가 이 책을 펴내자, 그 흩어졌던 관찰들은 하나의 공적인 논증이 되었고, 오염 화학은 일반 대중이 이름 붙이고 따져볼 수 있는 무언가가 되었다.

카슨이 이해했고 또 다른 모든 사람에게 이해하도록 강요한 것은, 오염이 막연한 것이 아니라는 사실이었다. 그것은 산업에 대한 나쁜 감정의 안개가 아니다. 그것은 특정한 분자들이, 특정한 농도로, 살아 있는 조직과 대기에 특정한 작용을 가하는 일이며, 그것도 측정할 수 있는 시간 척도 위에서 벌어지는 일이다. 이 글은 오염을 대표하는 화학들을 차례로 짚어 나간다. 런던을 질식시킨 스모그, 비가 되어 내린 산, 오존층에 구멍을 갉아낸 염소 원자, 그리고 도무지 분해되지 않으려는 더 새로운 불소화합물까지. 이들 각각은 날짜가 적히고 수치로 측정된 실제 화학 이야기이며, 이들을 한데 모으면 왜 그토록 많은 환경법이 20세기 후반에 쓰였는지가 설명된다.

어떻게 한 살충제가 먹이 사슬을 타고 올라갔는가

침묵의 봄의 중심에 있던 화학물질은 DDT, 즉 제2차 세계대전 이후 모기와 농업 해충을 방제하기 위해 널리 살포된 합성 살충제였다. DDT 자체는 곤충에게 그러하듯 새에게 급성으로 치명적인 독은 아니다. 카슨이 기록한 문제는 그보다 더 미묘했고, 어떤 의미에서는 더 섬뜩했다. DDT는 지방에 잘 녹고 화학적으로 안정적이어서, 생물 체내에서 빠르게 배출되지 않고 환경에서도 쉽게 분해되지 않는다. 작은 물고기가 그 미량을 흡수하면, 그 화합물은 지방 조직에 들어앉아 그대로 머문다. 더 큰 물고기가 작은 물고기를 여럿 잡아먹으면, 그것들 전부의 부담이 합쳐져 축적된다. 먹이 사슬 꼭대기에 있는 물고기를 잡아먹는 맹금류가 여러 계절에 걸쳐 큰 물고기를 많이 먹을 무렵이면, 그 조직 속 농도는 물이나 토양에 존재하는 어떤 양보다도 엄청나게 높아진다.

이것이 바로 생물농축의 과정이며, 맹금류에게 그것이 가져온 결과는 생식 실패의 화학이었다. DDT와 그 분해 산물은 암컷이 알껍데기에 칼슘을 침착시키는 방식을 방해하여, 부화를 견디기에는 너무 얇은 껍데기를 만들어 냈다. 독수리, 물수리, 송골매의 개체군은 단 한 번의 극적인 중독으로 무너진 것이 아니라, 먹이 그물 전체에 퍼진 느린 회계 실패로 인해 붕괴했다. 이 논증은 충분히 강력했기에, 1970년 미국 환경보호청이 설립되었을 때 그 초기의, 그리고 그 성격을 규정한 행동 중 하나가 바로 1972년 6월 14일 대부분의 용도에 대해 DDT를 금지한 것이었다.

오존층을 먹어치운 촉매

침묵의 봄 이후 10년이 지나, 캘리포니아 대학교의 두 화학자가 같은 종류의 세심한 추론을 상층 대기로 돌렸다. 1974년 Nature에 발표한 논문에서 마리오 몰리나와 F. 셔우드 롤런드는 클로로플루오로카본, 즉 당시 냉장고와 에어로졸 캔과 발포제용으로 비활성이고 불연성이며 무독성인 기체로 귀하게 여겨지던 CFC에 대해 겉보기에 단순한 질문을 던졌다. CFC를 그토록 유용하게 만든 바로 그 안정성이 위험이라고 그들은 주장했다. 이 분자들은 지표면에서 무엇과도 반응하지 않기에, 그곳에서는 아무것도 그것을 파괴하지 못한다. 그것들은 그저 수년에 걸쳐 떠다니다가, 마침내 성층권까지 곧장 올라간다.

날씨가 일어나는 곳보다 한참 위, 성층권 높은 곳의 대기는 강렬한 자외선이 떠다니는 CFC 분자에 도달할 만큼 충분히 희박하며, 그 자외선이 마침내 광분해를 통해 분자를 쪼개어 염소 원자를 떼어 낸다. 그리고 자유로워진 염소 원자는 일회성 독이 아니다. 그것은 촉매다. 염소 원자는 오존 분자와 반응하여 산소 원자 하나를 빼앗아 일산화염소를 형성하고, 뒤에는 보통의 이원자 산소를 남긴다. 그 일산화염소는 다시 자유 산소 원자와 반응하여 염소를 풀어 주고, 염소는 다시 똑같은 일을 반복한다. 염소는 한 단계에서 소모되고 다음 단계에서 재생되므로, 살아남아 오존을 거듭거듭 공격한다. 몰리나와 롤런드는 염소 원자 하나가 다른 어떤 반응이 마침내 그것을 그 순환에서 제거해 내기 전까지 오존 분자를 약 10만 개 가량 파괴할 수 있다고 추정했다. 오존이 중요한 이유는 성층권 오존층이 태양의 자외선, 곧 DNA를 손상시키고 피부암을 일으키는 그 영역의 빛을 상당 부분 흡수하기 때문이며, 따라서 그 층이 얇아지는 것은 추상적인 손실이 아니다.

런던이 숨 쉴 수 없었던 닷새

오존 파괴가 수십 년과 수 킬로미터의 고도에 걸쳐 펼쳐지는 느리고 보이지 않는 화학이었다면, 1952년 12월의 런던 대 스모그는 그 정반대였다. 단 일주일 만에 거리 높이에서 수천 명의 목숨을 앗아간 격렬한 화학이었다. 12월 5일부터 12월 9일까지, 정체된 고기압계인 고기압권이 도시 위에 자리 잡으면서 기온 역전을 일으켰다. 정상적으로는 높이가 올라갈수록 공기가 차가워지므로, 따뜻한 지표면 공기가 위로 올라가며 오염 물질을 실어 나른다. 역전이 일어나면 따뜻한 공기 층이 지면 가까이의 찬 공기 위에 올라앉아 뚜껑처럼 작용하면서, 그 아래에서 방출된 모든 것을 가둬 버린다.

12월 초의 추위 속에서 런던이 내뿜은 것은 가정과 발전소의 수십만 개에 이르는 석탄 화로의 산물이었다. 석탄 연소는 이산화황과 함께 미세 입자상 물질, 곧 불완전 연소로 생긴 그을음과 재를 방출한다. 역전이라는 뚜껑 아래에서, 그것을 흩뜨릴 바람도 없이, 이산화황과 입자상 물질은 엄청난 농도에 이르렀고, 이 둘이 함께 짙고 산성이며 누런 검은빛의 안개를 형성했다. 이산화황은 안개의 수분 속에서 산화되어 황산 방울을 만들었고, 사람들은 그것을 폐 속으로 곧장 들이마셨다. 사망자 수는 처음에 약 4,000명으로 추정되었으나, 이후의 분석은 그 수를 크게 상향하여 그 뒤 몇 주와 몇 달 동안 발생한 초과 사망자가 대략 12,000명에 이른다고 수정했다. 이 재앙은 1956년 영국 대기오염방지법의 직접적인 원인이 되었으며, 대기 오염이 평범하고 잘 이해된 화학에 의해 사람을 죽인다는 것을 보여 주는 가장 분명한 사례 중 하나로 남아 있다.

빗물 자체가 산성으로 변할 때

런던을 중독시켰던 바로 그 두 화합물 계열, 곧 황산화물과 질소산화물은 산성비의 원천이기도 하다. 그리고 이들을 잇는 화학은 분명하게 말해 둘 가치가 있는데, 그것이 하나의 굴뚝을 수백 마일 떨어진 바람 아래쪽에서 죽어가는 숲과 연결하기 때문이다. 석탄과 석유를 태우면 이산화황이 방출되고, 엔진이나 화로의 높은 온도에서 무언가를 태우면 공기 속의 질소와 산소 자체로부터 질소산화물이 만들어진다. 일단 공중에 오르면, 이 기체들은 산소와 수증기와 반응하여 황산과 질산을 형성하고, 이는 구름 방울에 녹아들어 자연 강수보다 한참 낮은 pH를 띤 비, 눈, 또는 안개로 떨어진다.

산성비는 멀리 떨어진 곳에서 피해를 입힌다. 그 산성은 숲의 토양에서 영양분을 빼앗고 독성 알루미늄을 유리시키며, 호수와 하천을 산성화하여 어류 개체군을 붕괴시키고, 석회암과 대리석으로 된 건물과 조각상을 서서히 녹인다. 그 배출물은 떨어지기 전에 국경을 넘어 이동하기에, 산성비는 단 하나의 도시는커녕 단 하나의 나라도 홀로 해결할 수 없는 최초의 오염 문제 중 하나가 되었다. 이것이 바로 1990년 미국 대기오염방지법의 중대한 개정과 유럽 전역의 유사한 조치를 이끈 까닭의 일부다.

실제로 효과를 본 조약

오존 이야기는 보기 드물게 희망적인 결말을 가지고 있으며, 그 까닭을 이해할 가치가 있다. 몰리나와 롤런드의 경고 이후, 그리고 1980년대 중반 영국 과학자들이 남극 대륙 상공에서 오존이 계절적으로 극적으로 얇아지는 현상, 이른바 오존 구멍을 측정한 이후, 각국 정부는 드문 일을 해냈다. 최악의 상황이 닥치기 전에 그 화학에 따라 행동한 것이다. 오존층을 파괴하는 물질에 관한 몬트리올 의정서는 1987년 9월 16일 서명을 위해 개방되었고, 1989년 1월 1일 발효되었다. 그것은 각국이 CFC와 그에 관련된 오존 파괴 화학물질을 단계적으로 폐기하도록 약속하게 했고, 그 뒤 수십 년에 걸쳐 대체로 성공을 거두어 오존층은 이제 서서히 회복되고 있다.

이 조약 뒤에 놓인 추론에 대해서는 정확히 짚을 가치가 있는데, 그 역사가 종종 흐려지기 때문이다. 몬트리올 의정서는 CFC가 성층권 오존을 촉매적으로 파괴한다는 바로 그 이유 때문에 서명되었다. CFC가 강력한 온실가스이기도 하여 기후 강제력에 기여한다는 사실은, 나중에야 초점이 맞춰진 별개의 우려였다. 이 조약의 강점은 그것이 단 하나의, 잘 확립되고 정량화 가능한 화학적 메커니즘에 기반했다는 점, 그리고 CFC의 대안이 기술적으로 달성 가능했다는 점에 있었다. 명확한 분자적 원인과 실현 가능한 대체물이라는 그 조합이, 그것을 지금껏 쓰인 환경 협정 가운데 가장 효과적인 것 중 하나로 만든 것이다.

깨지지 않을 결합

오염 화학의 가장 새로운 장은, 역설적이게도 너무 안정적이도록 설계된 화합물에 관한 것이다. 통틀어 PFAS로 알려진 과불화 및 폴리불화 알킬 물질은, 보통 탄소에 결합되어 있는 수소 원자가 불소로 치환된 유기 분자다. 듀폰은 1938년 이 계열의 한 유명한 일원인 테플론을 상업화했고, 이후 그 화학은 눌어붙지 않는 코팅, 방수 직물, 식품 포장, 그리고 소방용 거품으로 퍼져 나갔다. 그것들의 유용성의 원천이자 그것들이 제기하는 문제의 원천은 단 하나의 결합이다. 탄소-불소 결합은 약 485킬로줄/몰로, 유기화학에서 가장 강한 단일 결합이다.

바로 그 결합 강도 때문에 PFAS는 영원한 화학물질이라는 별명을 얻었다. 그것들은 물에서 가수분해되지 않고, 산화에 저항하며, 미생물도 환경적으로 의미 있는 어떤 시간 척도에서도 그것들을 생분해하지 못한다. 그래서 일단 방출되면 수년 동안 잔존하며 토양과 물과 살아 있는 몸속에 축적된다. PFAS와 더불어, 두 가지 다른 현대의 부류가 오늘날의 그림을 완성한다. 폭이 2.5마이크로미터 미만인 미세 입자상 물질, 곧 PM2.5라고 표기되는 것은 폐의 폐포 깊숙이 침투하여 혈류로 들어갈 만큼 작으며, 세계보건기구는 이런 종류의 대기 오염을 매년 수백만 명의 조기 사망과 연결 짓는다. 폴리머 폐기물의 분해로 떨어져 나온 5밀리미터 미만의 미세 플라스틱 조각은 그보다도 더 새로운 이야기로 아직 규명되는 중이며, 여기서 핵심 과학 작업은 그 영향에 관한 것만큼이나 노출을 어떻게 측정할 것인가에 관한 것이다. 2023년에 이르러 EPA를 비롯한 규제 기관들은 PFAS에 대한 음용수 기준을 제안하기 시작했으며, DDT에서 시작된 바로 그 규제의 논리를 현재로 확장했다.

핵심 요점

오염 화학은 산업에 대한 막연한 고발이 아니라 정밀하고 날짜가 적히며 정량적인 학문이며, 바로 그 정밀함이 규제를 가능하게 만드는 것이다. 그것은 먹이 사슬을 타고 올라가는 DDT의 생물농축과 뒤이은 알껍데기의 얇아짐을 폭로한 1962년 레이철 카슨의 침묵의 봄에서부터 1972년 미국의 DDT 금지까지 이어지고, 자외선에 의해 CFC에서 풀려난 염소 원자 하나가 오존 분자를 약 10만 개 가량 촉매적으로 파괴할 수 있음을 보인 1974년 몰리나-롤런드 논문을 거쳐 1987년 몬트리올 의정서로 이어지며, 기온 역전이 석탄에서 비롯된 이산화황과 입자상 물질을 가두어 약 12,000명의 초과 사망을 일으킨 1952년 12월의 런던 대 스모그와 나란히 놓이는데, 다른 곳에서는 산성비로 떨어지며 1970년과 1990년의 대기오염방지법을 이끈 바로 그 산화물들이다. 그리고 오늘날의 끈질긴 문제들로 나아가는데, 깨지기를 거부하는 약 485킬로줄/몰의 PFAS의 탄소-불소 결합, 폐의 가장 깊은 조직까지 도달하는 PM2.5 입자, 그리고 아직 측정되고 있는 미세 플라스틱이 그것이다. 모든 경우에 교훈은 같다. 분자도, 용량도, 잔존 시간도 알 수 있으며, 지난 70년의 조약과 법은 전적으로 그 알 수 있음 위에 놓여 있다는 것이다.