국내 대류권 광화학 오존 연구의 현황과 방향

1. 서 론

대류권에서 오존은 가장 농도가 높은 산화제이면서도, OH, NO₃와 같은 강산화 반응기의 생성에 필수적인 전구물질이다. 인간의 영향이 지금과 비교하여 현저히 작았던 1850년대부터 1900년초까지 유럽에서 관측된 오존농도는 17~23 ppbv으로 현재와 비교하면 매우 낮은 수준이지만, 청정 해양지역을 제외하고는 1950년대 이후 배경지역의 오존 평균농도가 23~46 ppbv로 상당히 증가된 상태이다 (Vingarzan, 2004). 대류권 오존의 대부분은 지표근처에서 질소산화물과 휘발성유기화합물이 관여하는 일련의 광화학적 반응을 통해 생성되기 때문에 인간활동이 많은 지역의 오존농도는 배경지역보다 높은 수준으로 존재하며 건강 위해성이 높아서, 미국의 경우 1979년에 처음으로 1시간 평균농도가 120 ppbv를 넘지 않도록 하는 오존 대기질기준을 제정하고, 2015년에는 8시간 평균값의 연간 4번째 최고위 값이 3년 연속으로 70 ppbv를 넘지 않도록 하는 기준을 새로이 시행 중에 있다 (Kim et al., 2019; Mccarthy and Lattanzio, 2017). 유럽은 8시간 오존 평균의 하루 중 최대농도가 120 µg/m³ (56 ppbv)를 3년 동안 연 평균 25일을 넘어서는 안되는 것을 기준으로 하고 있다 (European Parliament, 2008). 우리나라 오존의 대기환경기준은 2015년 이후에 8시간 평균치가 60 ppbv 이하 (99백분위수), 1시간 평균치는 100 ppbv 이하 (999천분위수)를 만족해야 해서 미국, 유럽과 비교하여 가장 엄격한 기준을 가지고 있다 (Park et al., 2016).

이와 같이 엄격한 기준과 달리 우리나라는 대부분 지역에서 특히 봄과 여름철에 오존의 환경 기준을 초과하고 있으며 이에 대한 대책이 시급히 요구되는 상황이다. 더욱 우려되는 사실은 최근 전 세계적인 자료의 분석을 통해 미국과 유럽의 경우 오존의 농도가 1990년대 중반 이후에 대도시 지역을 포함한 대부분의 지역에서 꾸준히 감소하고 있는 경향이나, 국내 오존은 세계에서 가장 빠른 증가를 나타내고 있음이다 (Chang et al., 2017). 특히 국내 오존 증가의 기울기가 다른 지역보다 매우 높은 것뿐만 아니라, 증가 추이 분석 신뢰도가 다른 지역보다 높아서 오존의 증가 증거가 확실한 것이 특징이다. 이와 같은 국내 오존농도의 빠른 증가 추이는 일 평균보다 일 중 8시간 최대 농도에서 더욱 뚜렷이 나타나고 있어 과학적 원인규명과 적절한 대응이 시급하다 (Kim et al., 2018b).

기준농도 이상의 오존에 짧은 시간 노출되어도 기관지에 급성악화를 유발하고, 심할 경우 사망에 이르러 오존농도 증가가 응급실 방문과 실제로 밀접한 상관성을 갖고 있음이 보고되고 있다 (Turner et al., 2016; Lee et al., 1999). 미국의 경우, 적절한 오존 대책이 수반되고 농도를 60 ppbv 이하로 개선할 경우에 8000명 가까운 조기사망을 예방할 수 있을 것으로 추정하고 있다. 미세먼지와 비교하여 오존의 위해성이 상대적으로 작은 것으로 알려져 있지만, 중국 등 연구에서도 오존에 짧은 시간에 노출되어도 심혈관장애에 따른 사망률이 증가하는 것이 보고되고 있다 (Yin et al., 2017). 연구 결과와 위해성 관점에서 미세먼지보다 상대적으로 관심이 부족한 오존의 인체 위해성 분야와 다르게, 식생을 포함한 생태 피해는 매우 광범위하고 중국, 인도 한국 등 아시아 지역에서는 이미 한계치를 넘어 심각한 수준인 것으로 파악되고 있다 (Agathokleous et al., 2018; Fleming et al., 2018).

오존은 식물의 기공을 통해 잎으로 확산되어 들어가 강력한 산화제로 작용하면서 광합성과 생리학적 기능을 감소시키며 식물의 영양물질 생산을 줄이고 성장을 저해하여, 특히 농작물의 품질을 현저히 저해하고 생산성을 떨어뜨리는 결정적인 영향을 준다 (Mills et al., 2018; Avnery et al., 2011a). 오존이 곡물 등 식물의 생장에 심각한 위해성을 지시하는 지표로 유럽과 미국에서는 식물에 대한 영향 임계값 40 ppbv가 넘는 오존농도의 누적 시간 (AOT40)과 60 ppb 이상 노출량의 합계인 SUM60 등을 사용하고 있다. 일반적으로 AOT 지표의 경우 농작물은 3 ppm-h, 산림은 5 ppm-h를 넘지 않는 것을 기준으로 하고 있다 (Van Dingenen et al., 2009). Avnery et al. (2011b)은 2000년 기준 2030년까지 다양한 기후변화 시나리오를 대입하여 전 세계적으로 오존의 영향으로, 보리는 4~26%, 콩은 9.5%~19%, 옥수수는 2.5~8.7%의 생산 감소가 발생할 것으로 추정하였다. 특히 아시아 지역은 식량 생산 변동에 대한 민감도가 크고 오존의 농도가 유럽, 북미 지역과 달리 계속 증가하고 있어서 오존에 따른 작물 감소 피해가 훨씬 확대될 것으로 추정되지만, 곡물 종과 환경 특성에 따른 장기적이고 정량적인 노출-반응 연구가 미흡하다 (Agathokleous et al., 2018).

대류권 광화학 오존의 형성에는 햇빛과 함께 질소산화물 (NO_x)과 휘발성유기화합물 (VOCs)이 필수적이기 때문에, 단순하게 보면 이들 전구물질의 배출 변화에 따라 오존의 농도가 선형적으로 연계되어 변화해야 하지만, 다수의 연구에서 전구물질 배출변화와 오존농도 간에 비선형적 관계가 있으며 전구물질의 배출감소가 오존의 감소를 항상 수반하지는 않는 것으로 보고하고 있다 (Itahashi et al., 2015; Vellingiri et al., 2015). 특히 NO 배출원이 풍부한 도심지역의 경우 NO의 배출감소는 오존 적정반응을 줄여서 오히려 오존의 증가를 유발한다 (Han et al., 2013; Cohan et al., 2005; Mannschreck et al., 2004). 이와 같은 이유로 일반적으로 도심에서는 오존의 농도가 VOCs에 민감하게 조정되어서 NO_x보다는 VOCs의 관리가 더 효과적인 것으로 알려져 있으나, 뉴욕과 서울과 같은 대도시 지역에서 점차 VOCs 제한조건의 환경이 확대되는 것으로 나타나, 이들 도시에서 오존관리의 최적화를 위해서는 NO_x의 제어가 현재보다 더욱 효과적이 될 것으로 전지구화학모형과 위성관측을 이용한 최근 연구에서 추정하고 있다 (Jin et al., 2017). 전지구적으로 인위적인 VOCs 배출원보다 발생량이 많은 생물성 휘발성유기화합물 (BVOCs) 국내 배출현황의 정확한 파악도 국내 오존관리에 매우 중요한 요건이다 (Sanderson et al., 2003).

본 연구의 목적은 지금까지 국내외에서 발표된 연구논문을 기반으로 자연적 배출원을 포함한 오존 전구물질들과 오존의 국내 농도변화와 배출변화 추이를 분석하고, 이들의 배경농도 변화 또는 장거리 이동기여율, 오존이 미치는 인체 및 생태학적 영향, 미세먼지와 오존의 연관 관계, 기후변화와 상관성을 파악하고자 한다. 이를 통해 세계적으로 가장 높은 수준의 오존 증가율을 보이고 있는 국내 오존문제의 시급한 관리와 정책을 위해 필요한 과학적 연구의 방향을 제시하고자 한다.

2. 국내 오존연구 현황

Google Scholar와 Web of Science를 이용하여 국내 오존을 대상으로 지난 20년간 발표된 국내 및 해외 (SCI, SCOPUS, KCI) 논문을 분석한 결과, 오존 연구는 2000년대 초반부터 본격적인 태동이 된 것으로 볼 수 있다. 2000년대 초반에 국내외를 모두 포함해서 연간 수 편에 불과하던 오존 연구논문이 2010년 초반까지 연 20편이 넘는 수준까지 증가하다가, 2010년 중반 이후 오히려 감소하거나 정체되는 경향이 뚜렷하다 (그림 1-A). 2000년대 중반까지는 전체 편수에서 국내발표 논문수가 다수를 차지하였으나 2013년부터 해외발표 논문의 수가 국내발표 논문보다 많아지는 추세를 알 수 있다. 같은 그림에서 2000년대 중반까지 국내외에서 발표된 오존 연구는 SCI와 SCOPUS에 등재된 저널에 발표된 입자상연구와 비슷한 수준을 유지했으나, 그 이후에는 해외발표 입자상물질의 연구가 국내외를 포함한 전체 오존 연구 결과보다 압도적으로 많아지게 되었다. 특히 2010년대 초반 국내에서 입자상오염물질에 대한 관심과 연구 지원이 두드러지게 많아지면서 입자상관련 발표논문이 기하급수적으로 증가한 것을 볼 수 있다. 해외 유력 저널에 실린 논문을 기준으로 국내 오존 연구는 입자상연구의 1/5 수준에 불과할 뿐만 아니라, 가까운 중국의 경우 2019년에만 해외저널에 출판된 논문의 수가 400여 편이 넘어 우리나라의 20배에 가까운 연구 결과를 도출하고 있는 것을 고려할 때, 오존 연구에 대한 연구자들의 관심과 국가적 지원이 시급히 확대될 필요가 있다.

Fig. 1.

Scientific publication statistics for Ozone study for Korean; (A) annual publication trends for Ozone and PM studies, (B) proportions of research fields and topics in Korea Ozone studies.

2000년 이후 국내의 오존관련 논문을 분야별로 비교해 보면 오존의 현황 분석을 위한 측정 및 분석분야의 논문이 가장 많고 (43.4%), 확산 및 반응 (22.9%), 실태 및 관리 (18.4%), 위해성 (8%), 실내대기질 (3.8%), 기후변화 (2.4%), 방지기술분야 (1.0%) 순이다 (그림 1-B). 효율적인 오존저감 대책마련을 위해서는 과학적인 이해가 우선되어야 하기 때문에 관측과 모델을 이용한 연구가 많은 부분을 차지하는 것은 다행스러운 일이지만, 연구 내용과 도출 결과들을 보면 심층적인 원인 분석보다는 단순한 현황분석 연구가 많은 것은 앞으로 개선될 여지가 많이 있다. 특히 위해성 및 기후변화와 관련된 연구가 전체의 오존 연구의 10.4%밖에 차지하지 않는 것은 우리나라 오존 연구의 편향성을 보여주는 단적인 예이며, 아직까지 기후변화와 국민 건강보호를 위한 기초연구가 부족한 상황을 잘 보여주고 있다.

2. 1 추이 분석

국내 오존농도 변화 추이에 대한 분석은 상당히 지속적이고 다양하게 수행되었다 (Jeong et al., 2020; Kim et al., 2018b; Shin et al., 2017; An et al., 2015; Kim and Yeo, 2013; Ghim and Kim, 2013; Park, 2010; Oh and Kim, 2002). 지난 20여 년간 국내의 오존은 2001~2008 인천지역을 제외하고는 거의 모든 지역에서 증가하는 것으로 나타나고 있다 (표 1). 가장 많은 분석이 이루어진 서울의 오존 1시간 평균의 연 변화는 0.6~0.76 ppbv/yr로 다른 연구들에서도 비교적 균일한 결과를 보여주고 있다. 전반적으로 도심지역에서 1시간 오존농도의 연 평균 변화는 0.4~1.0 ppbv/yr 수준으로 나타났으나 8시간 평균 최대 농도의 연 평균 변화는 1.2~1.4 ppbv/yr로 높게 나타났다. 인체와 생태 위해성에 밀접한 관련이 있는 8시간 평균의 일 오존 최대 농도의 변화가 휠씬 빠르게 나타나고 있는 점은 오존관리에 있어서 시사하는 바가 매우 큰 것으로 이에 대한 집중적인 분석연구가 앞으로 수반되어야 할 것이다. 1950년대 이후에 2010년까지 북반구 여러 지역에서 관측한 오존 증가 양상은 0.1~0.5 ppbv/yr 수준으로 1950년 이후에 농도가 약 100% 증가하고, 1970년 이후에는 9~55% 증가한 것으로 분석되고 있다. 하지만 유럽의 경우 1990년대부터 오존의 증가가 더디어지고 2000년대부터 정체 후 이제는 거의 모든 지역에서 오존이 감소 추세이다 (Cooper et al., 2014). 미국 동부에서는 오존이 여름철에 감소하나 겨울철에 증가된 반면 서부에서는 봄철에 오존의 증가가 2010년대 나타났으나, 현재는 거의 모든 지역에서 오존감소가 관측되고 있다 (Chang et al., 2017). 최근 20년간 대부분의 선진국가에서는 오존이 감소하고 있는 상태이나, 국내에서 나타나는 오존 증가 추세가 세계적으로 가장 높은 수준일 뿐만 아니라 증가 기울기의 유의성이 가장 높은 수준이어서 국내 오존문제의 심각성과 시급성을 반영하고 있다.

Table 1.

Long-term trends of yearly O3 in Korea from the peer-reviewed literature since 2000.

국내 오존변화의 또 다른 특징은 2010년 이후 오존 증가 추이가 그 이전보다 훨씬 빨라져, 2010년 이후의 농도 증가는 그 전 10년 기간보다 증가폭이 50% 정도 높아진 것으로 나타났다 (Jeong et al., 2020). 오존 증가는 관측 지점과 시점에 따라 차이가 크게 나타나고 있으며 전반적으로 도시지역이 농도 증가의 기울기가 가장 크고 배경이나 교외지역의 경우 증가속도가 상대적으로 작게 나타났다 (Kim et al., 2018b; Kim and Kwon, 2004). 다양한 권역별, 관측망 특성별 오존변화는 관측 지점에 인접한 지역의 개발과 환경 변화 특성에 많이 좌우되지만, 오존의 직접적인 결정인자로 오존 전구물질들 (NO_x, VOCs)의 배출 변화가 가장 중요한 것으로 알려져 있다. 표 1에서 인천과 진주 지역 오존의 변화 양상이 주변 지역과 큰 차이를 주는 이유의 대부분이 오존 전구물질의 국소적인 배출 변화와 관측지점의 이동 등과 연관성이 있는 것으로 추정되지만, 추세선의 불확도가 커서 심층적인 분석이 어렵다 (Shin et al., 2017; Park, 2010). 흥미로운 것은 서울의 오존농도가 기상요소에 가장 크게 좌우되었으며, 기상요소를 배제할 경우 국지적인 전구물질의 배출 변화보다 장거리 수송에 의한 배경농도 증가에 의한 영향을 받을 것으로 분석되기도 하였다 (Nguyen et al., 2017; Kim and Yeo, 2013; Shin et al., 2012). 하지만 이와 같은 지역별 추이와 기여도는 권역에 맞는 오존의 거동에 변화를 주는 다양한 요인들의 종합적이고 심층적 분석이 이루어진 후, 좀 더 정교하게 분석될 필요가 있다.

2. 3 자연적 VOCs 배출

자연적으로 존재하는 VOCs (BVOCs)는 주로 육상식생에 의해 전지구적으로 약 1,150 TgC 정도 배출되어 인위적인 VOCs 배출 총량보다 10배 정도 큰 것으로 추정되고 있으며 isoprene (44%)과 terpene류 (11%)가 전체의 반 이상을 차지하는 것으로 알려져 있다 (Messina et al., 2016; Guenther et al., 1995). BVOCs는 인위적인 VOCs (AVOCS)가 제한적인 도시의 풍하 외곽지역에서 NO_x와 함께 오존의 형성에 매우 중요한 인자이다. 전지구적으로 육상지역은 isoprene에 의해서 오존의 농도가 약 8~12 ppbv 상승하는 것으로 추정되고 있다 (Sanderson et al., 2003; Wang and Shallcross, 2000). 우리나라 수도권에서 평가된 연구에서는 자연적인 VOCs 배출이 50% 줄어들 때 오존의 감소가 6~12 ppbv 정도로 나타나서 다른 지역보다 자연적 VOC의 영향이 큰 것으로 보인다 (Park and Lee, 2007) (표 2). 특히 수도권의 풍하방향 산림에서 BVOCs가 오존생성에 5~20 ppbv까지 영향을 주는 것이 조사되었다 (Kim et al., 2013b; Kim et al., 2013c). 또한 수도권 풍하방향으로 춘천까지 기류의 이동에 따라 최대 34 ppbv의 추가적인 오존이 BVOCs의 배출에 의해 발생할 수 있음이 보고되기도 하였다 (Jeon et al., 2014). 이에 반해 부산권역에서는 자연적인 VOCs 배출 영향이 2~4 ppbv 수준으로 조사되었다 (Kim et al., 2010).

Table 2.

Ozone formation enhancement by BVOCs emissions in Korea.

이와 같은 지역별 자연적 VOCs 배출영향이 차이가 나는 것은 질소산화물의 수준과 기상 등 다양한 변수도 존재하지만 가장 큰 요인은 지역별, 수종별, 환경별로 BVOCs의 배출량이 달라지기 때문이다. 보통 BVOCs의 배출량 산정에는 BEIS (Biogenic Emission Inventory System)나 MEGAN (Model of Emissions of Gases and Aerosols from nature) 모델을 이용하며 온도, 일사량, 잎면적지수, 식생 등의 생물학적, 물리화학적 요소를 조절 인자로 활용한다 (Bash et al., 2016; Guenther et al., 2006). 하지만 동일한 시기와 지역에서도 이들 입력 조절인자들의 오류에 따라 배출량 산정에 최종 불확도가 300%까지 확장되는 것으로 보고되고 있다 (Guenther et al., 1995). BVOCs에 의한 오존 및 2차생성 입자상 물질의 생성 기여율 산정은 이들의 배출량이 다양한 환경에서 정확하게 산정되어야 가능하기 때문에 미국과 유럽에서는 최근에도 지역과 환경에 따른 BVOCs의 배출량 산정연구가 상당히 활발하게 진행되고 있다 (Tripathi and Sahu, 2020; Maki et al., 2019; Bonn et al., 2019; Rhew et al., 2017; Potard et al., 2017; Cappellin et al., 2017; Vaughan et al., 2017; Rantala et al., 2016; Bachy et al., 2016; Bahlmann et al., 2015; Valach et al., 2015). 우리나라의 경우 국토 면적의 65%가 산림인 점을 고려하면 BVOCs가 오존에 기여하는 바가 상당히 큰 것으로 추정되지만 이에 대한 연구가 아직은 충분하지 못하다.

Ji et al. (2002)은 8~10월 사이에 국내 소나무와 잣나무에서 배출되는 terpene류의 배출량이 대기 중의 온도 외에도 대상나무의 나이, 계절변화, 잎면적지수에 따른 생리학적 차이에 따라 달라짐을 확인하였다 (표 3). 우리나라 낙엽송의 85% 이상을 차지하는 참나무과 수종에서 isoprene의 배출량을 겨울철을 제외한 전계절을 측정한 결과 여름>봄>가을의 순으로 나타났다 (Son et al., 2006). 동일지역과 환경에서 침엽수와 활엽수 간 BVOCs 배출속도를 비교한 결과 isoprene은 활엽수에서 침염수에 비해 10배 이상 배출된 반면, terpene은 침엽수에서 높게 측정되었다 (Kim and Lee, 2012; Kim and Lee, 2010). 배출량의 직접적인 비교는 아니지만 전남과 경기 지역 산림에서 BVOCs/AVOCs의 비를 α-pinene/toluene로 추정한 결과가 0.31~0.47로 나타났다 (Kim et al., 2005). 외국의 산림에서 이 비는 적어도 0.71을 상회하고 대부분 1 이상을 보이는 것을 감안할 때 상당히 낮은 비이다. 이는 우리나라 식생의 BVOCs 배출속도가 낮은 것이 아니라 같은 지역에서 관측된 toluene의 농도가 다른 국가지역보다 높아서 나타난 결과로 해석된다.

Table 3.

BVOCs emission rates for various vegetation types in Korea.

BVOCs의 기존 외국 배출모형들을 활용하여 일부 앞서 국내에서 측정된 배출계수를 모형에 새롭게 적용하여 지역 및 국가 배출량의 정확도를 높이기 위한 노력이 시도되었다 (Lee et al., 2015; Kim et al., 2008b; Cho et al., 2006). 하지만 외국에서 산정한 배출요인과 계수, 민감도가 국내 상황에 맞지 않는다. 국내 산정 자료를 적용했음에도 대상지역이 극히 한정되어서 국내 BVOCs 배출 자료의 개선여지는 다른 연구분야보다 크다. 더욱이 기후변화에 따라 국내의 식생과 기후가 달라질 것이 명확함에도 불구하고 수종, 계절적, 지역적으로 매우 제한적인 자료를 활용해야만 하는 문제는 조속히 개선될 필요가 있다. Sanderson et al. (2003)은 우리나라 오존은 식생과 기후변화에 상당히 민감하게 변화하는데, 2090년까지 식생의 변화가 없고 기온만 변할 경우, 오존의 농도가 현재보다 20~30 ppb 높아지지만 식생의 변화를 고려할 때, 오존의 증가치는 오히려 10~20 ppb 정도만 높아질 것으로 추정하고 있어서 효율적 오존 관리와 대응을 위해서 BVOCs 발생변화의 기초연구가 필수적으로 선행되어야 할 것이다.

2. 4 생태영향

오존의 식생에 대한 위해성을 평가하기 위해서 AOT40 (낮시간 동안 40 ppb가 넘는 시간대 농도의 3, 6, 7개월 누적 농도), M7 (09:00~15:59까지의 평균농도의 3, 6, 7, 12개월 평균농도), M12 (08:00~19:59까지의 평균농도의 3, 6, 7, 12개월 평균농도), 또는 W126 (08:00~19:59 시간대의 3, 6, 7, 12개월 누적 농도), SUM06 (낮시간 동안 60 ppb가 넘는 시간대 농도의 3, 6개월 누적 농도) 등의 지표가 있지만 전반적으로 유럽은 AOT-40을 미국은 W126을 많이 사용한다 (표 4) (Mills et al., 2018). 유럽에서는 곡물의 경우 3개월 누적 AOT40이 3 ppm-h이 5% 생산량 감소를, 산림은 6개월 누적 AOT40이 5 ppm-h 이상일 때 5%의 생물량 감소가 나타나는 기준을 삼고 있다. 미국의 경우 나무가 영향을 받기 시작하는 임계기준으로 3개월 누적 W126을 7 ppm-h로 산정하고 있으며 10 ppm-h에서 잎에 피해가 발생하고, 17 ppm-h 이상에서 일반 식생과 생태계 피해가 발생하는 기준값으로 산정하고 있다. 곡물의 5% 생산감소 기준치는 3개월 누적 W126로 15 ppm-h이다.

Table 4.

Estimated economic impacts resulted from ozone damage to crops in Korea (reproduced and updated from Van Dingenen et al., 2009).

최근 발표된 IGAC (international Global Atmospheric Chemistry)의 TOAR (Tropospheric Ozone Assessment Report) 연구에 따르면 2010~2014년 오존 관측치를 적용할 경우 한국을 포함한 동아시아의 AOT40은 16,023 ppb-h, W126은 18,572 ppb-h으로, 식생에 뚜렷한 영향을 줄 수 있는 수준으로 보인다 (Mills et al., 2018). 국내에서 2000~2005년 오존 관측치를 이용하여 지역별 3개월 누적 AOT40을 산정한 결과에서도 유사하게 10,000 ppb-h을 초과하는 지역이 많이 발견되었다 (Cho, 2007). 하지만 AOT40만으로 지역의 식생에 미치는 피해를 단정적으로 평가할 수는 없으며, 산림에 대한 AOT40의 임계치가 5,000 ppb-h라는 것은 유럽에서 개발된 수치로서 우리나라 산림식생에 얼마나 유용할지 검증된 바가 없어 일본에서 새로운 평가 지수인 오존 기공누적치 (AFst0, accumulative stomatal ozone uptake)를 개발하고 시험한 것처럼 우리나라 식생에 적합한 새로운 지수나 AOT40의 임계치를 도출할 필요가 있다. 미국과 한국 (수원)에서 동시 진행된 북미사시나무의 오존 민감성을 연구한 결과 수원의 SUM06 지수가 1200 ppb-h로 미국 뉴욕주 2100 ppb-h보다 현저하게 낮음에도 불구하고, 오히려 탄소동화 능력은 8% 작아지는 것으로 나타났다 (Yun et al., 2001). 이외에도 도심 가로수의 오존 피해와 산림의 순일차 생산력이 오존에 의해서 현재 8.25% 감소하고 있으며 2090년에는 그 피해가 5,85~11.15%까지 증가될 것을 추정한 연구도 보고되어 있다 (Park et al., 2018b).

작물생산의 경제사회적 중요성에 비하여 오존의 농작물에 대한 피해와 저항성에 대한 연구가 국내에서 부족하여 대부분 외국의 연구 사례를 활용하고 있다. 국내에서는 20년전에 콩과 벼에 대해서 오존의 영향을 평가한 연구가 보고된 이후에 주목할 만한 연구 진전이 이루어지지 않고 있다 (Lee and Sohn, 2000; Yun and Park, 2000; Sohn et al., 1997). 특히 이들 연구에서 같은 작물에서도 품종, 생육시기별로 피해차이가 매우 큰 것으로 나타나 추가적이고 세부적인 연구가 필요하다. 국내에서도 외국사례와 유사하게 콩류가 오존에 가장 민감한 것으로 보고되었다. 국내 오존에 따른 작물의 경제적 피해연구가 한정적이어서 해외의 연구 결과들을 통해 국내 작물 피해에 따른 손실을 유추할 수 있는데, 표 5는 전지구적 규모에서 산정한 몇 연구 중 국내의 피해부분을 발췌한 것이다 (Avnery et al., 2011a, b; Van Dingenen et al., 2009; Wang and Mauzerall, 2004). 옥수수, 밀, 벼, 콩을 포함한 작물의 피해액은 1990년 기준으로 3억불 정도이고 2000년 기준으로 AOT40 지시를 활용한 산정 피해액은 10억불까지 이른다. 하지만 벼를 빼고 산정한 결과에서는 피해규모가 확연히 줄어들지만 2030년에는 2010년보다 피해액이 2배에 이르는 것으로 산정되었다 (Avnery et al., 2011b).

Table 5.

Mortality risks due to ozone increment exposure in Korea (reproduced and updated from Bae and Kwon, 2019).

3. 추후 오존 연구 방향

점차 국민적 관심이 늘어나고 사회적 문제로 대두되고 있는 오존 오염의 가장 시급한 과제는 매우 복잡하고 비선형적인 오존생성의 정확한 발생기작 규명에 있다. 앞서 언급된 다양한 연구에서 이미 많은 과학적 시도가 있었고 일부 원인규명 분야에서 학술적으로 분명한 소득이 있었지만, 아직 명확하게 관리 방안이나 정책 수립에 활용할 수 있는 정보는 제한적이다. 오존 발생에 관련되는 주요 요인을 정리해 보면 기후변화, 전구물질 (NO_x, VOCs)의 배출량 변화, VOCs의 배출 개별종의 변화, NO_x 배출종 구성비 (NO₂/NO_x)의 변화, 미세먼지 감소에 따른 비균질 화학반응의 감소, 자연발생 VOCs 배출 기여, 오존과 전구물질의 배경농도와 장거리 이동영향, 야간반응기의 기여율 등이 있다. 이들의 각 부분별 현행 오존 발생 기여율뿐만 아니라 세계 최고 수준으로 나타난 국내 오존 증가에 각각 기여하는 바를 정량적으로 산정할 수 있어야 하며, 미래의 기후변화와 배출변화에 따라 오존농도 거동을 신뢰할 수 있는 수준에서 예측할 수 있어야 한다.

오존오염 연구는 미세먼지오염의 접근법과는 달리 지역적 특징과 변동성이 더 크게 나타나는 차이를 극복해야 한다. 결국 미세먼지 연구보다 좀 더 세부적 (종별)이고 정밀한 (시간 및 공간할당) 배출자료가 대상지역에 따라 확보되어야 하고 국내에서 아직은 기술적 축적이 미흡한 반응기 화학연구가 지역별로 본격적으로 도입되어야 가능하다. 동시에 발생된 오존이 식생과 건강에 주는 영향을 통계적인 유의성과 확장성을 가능한 담보할 수 있는 연구가 추진되어야 한다. 오존의 건강 및 식생 위해성이 앞서 조사된 바와 같이 미세먼지보다 지역적 차이가 커서 이들 연구도 지역별, 민감군별로 세분화되어 추진되어야 한다. 오존관리의 실행에서 가장 해결이 어려운 과제가 지자체 간 오존오염의 원인과 피해 주체가 다른 경우가 많다는 것이다. 오존오염의 합리적 관리와 시행을 위해서 지역적 오존오염의 주요 쟁점과 해결방안을 객관적이고 정확한 사실을 바탕으로 마련해야 하며, 이를 위해서는 지역별로 과학적 원인규명이 선행되어야 한다.

오존 연구의 또 다른 차별화된 방향성은 다수의 부처 연구개발 사업과 협업이 밀접하게 이루어져야 한다는 점이다. 오존의 영향이 대기를 매개로 하여 주로 인간에 대한 위해성으로 발현되지만 경제적 효과와 식량자원 확보의 틀로 확대하면 농업생산력 저하에 대한 연구가 지금보다 훨씬 전문화, 고도화되어야 한다. 이를 위해서는 앞으로는 농업부분의 연구와 협업이 더욱 강화되고 확대되어야 한다. 국내에서는 일부 작물에 대해서만 오존 민감도와 영향분석이 수행되어 국내 전반의 작물에 대한 피해액을 산정할 수 있도록 지금보다 더 다양한 작물 종으로 연구가 확장되어야 한다. 작물뿐만 아니라 우리 국토의 대부분을 차지하고 있는 산림에 주는 피해를 산정해야 하며 이를 위해서 수종별 영향 평가를 위해 산림분야와 연구협력 및 새로운 과제 개발이 요구된다. 수종과 식생에서 배출되는 BVOCs의 정확한 산정이 오존 발생 잠재력을 평가하는 데 가장 기본적인 요인을 고려하면 식생에서 발생하는 BVOCs와 오존의 인체 건강위해성 평가는 다른 연구와 비교하여 범부처연구개발 필요성의 최우선순위에 있다.

오존문제의 물리화학적 복잡성과 지역적 변동특성 때문에 오존 연구는 대규모 집중적인 종합관측 (campaign)을 통해 수행하는 것이 보통이며 최근에 국내에서도 KORUS-AQ 등의 프로그램을 통해 국내 연구자들의 참여가 확대되고 있다 (Crawford, manuscript in preparation, https://espo.nasa.gov/home/korus-aq/content/KORUS-AQ). 현실적으로 미국을 제외하고는 한 국가의 연구 역량과 자원만을 가지고 오존문제의 종합적이고 심층적인 분석이 가능한 나라가 없는 실정이다. 최근 우리나라 대기오염 연구는 과거보다 매우 빠른 속도로 질적으로 양적으로 성장하고 있다. 2010년 이후 학술 연구 결과가 급격하게 증가하였고 해외 저명학술지에 개제되는 논문의 수도 같은 기간 크게 증가하며 국내 연구진의 연구 역량이 확장한 계기는 국제적인 대규모 종합관측에 적극적 참여를 통해 이루어진 것으로 평가된다. 2001년 ACE-Asia, 2005년 ABC-EAREX, 2015년 MAPS-Seoul, 2016년 KORUS-AQ 등 대규모 국제공동협력을 통해 국내 연구자들의 선진연구 기회가 확대되고, 나아가 국내 대기질 원인 규명에 크게 기여하였다. 계속적으로 반응기화학, 광화학생성 중간물질 분석 등 일부 국내 연구기반이 부족한 분야에서 해외연구자들과 협업을 꾸준히 보완할 필요가 있다. 지금까지 대부분 국내의 오존 연구는 개별 또는 제한적인 연구자들이 수행하면서 국소적이고 단편적인 문제의 현상규명으로 제한될 수밖에 없었는데 앞으로는 국내에서도 오존 연구는 대규모 종합관측을 지향하여 범연구자, 범부처, 범국가적 공동연구로의 확대를 통해 효율적이고 체계적인 연구 결과를 도출하려는 노력이 필요하다. 대규모 국제공동연구는 세계적 수준의 연구 결과를 단기간에 도출하고 이를 정책에 반영할 수 있는 동시에, 주변국의 참여와 오존문제 해결을 위한 국제적인 이해를 유도할 수 있다.

오존 연구는 미세먼지 연구분야에서 달성한 최근의 다양한 성과와 진전을 적극적으로 활용하고 최대한 연계할 필요가 있다. 미세먼지 원인규명에 적용한 과학적 접근방법, 원인규명 결과와 정책적 방안들은 오존문제와 많은 부분을 공유하기 때문에 앞서 확보된 연구 자원과 인프라의 활용을 최대화할 수 있는 연구 방향을 마련할 필요가 있다. 특히 NO_x, VOCs 등 인위적 전구물질의 배출량부분에서 오존과 미세먼지연구는 연구수행방법과 결과를 대부분 공유할 수 있어서 우선적으로 연계 및 보완연구가 가능하다. 독자적인 오존의 연구개발을 추진하는 것보다 기존에 마련된 미세먼지 연구를 위한 장기 계획에 중복을 최소화하고 차별화된 부분을 집중적으로 보완함으로써 연구개발 예산과 자원을 효율화하는 지혜가 필요하다.

마지막으로 과학적으로 마련된 오존의 현상규명 결과와 관리방안을 바탕으로 수립된 오존관리 정책의 실행, 그리고 그 성과와 효율성을 중장기적 관점에서 중간에 평가하고, 필요시 개선된 보완 정책을 지원하는 정책점검 (accountability)의 선순환 구조를 지원할 수 있는 과학연구개발이 계획되어야 한다. 이를 위해서는 일회성, 단기성 연구는 가능한 지양하고, 연차별 단계적 연구를 추진하여 장기적으로 성과를 증폭하고 정책적 활용성을 극대화해야 한다. 무엇보다도 우리는 오존오염을 우리보다 휠씬 먼저 경험하고 있지만 아직까지 완전한 해결까지는 여전한 난제에 고민하고 있는 미국 등 외국의 사례를 참고하여, 장기적인 관점에서 오존오염을 최소화하는 방향으로 지속적 연구지원 체계를 마련하고 시행하는 노력이 필요하다.

Acknowledgments

이 연구는 국립환경과학원의 “도시지역 유해대기오염물질 모니터링 종합평가 (NIER-2020-01-02-014)”와 한국연구재단-중견연구 (2018R1A2B6005090)의 지원으로 수행되었습니다.

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