<사진. KISTI 미리안 사진자료
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

유타 주 오일과 가스정에서 유래한 겨울철 오존 오염

현재 미국은 수압 파쇄(hydraulic fracturing)와 결합된 수평 시추(horizontal drilling) 등과 같은 새로운 추출 기술 덕분에, 40년 동안 가장 급속한 오일 및 가스 생산의 팽창을 경험하고 있다. 이 기술의 수질 효과에서 기후에 대한 증가된 메탄 누출의 영향까지 이러한 개발의 환경 영향에 대한 집중된 논의가 이루어지고 있다. 대기 질 영향(air quality impact)은 질소산화물(nitrogen oxides, NOx = NO + NO2)과 휘발성 유기 화합물(VOCs; volatile organic compounds)의 배출과 관련이 있다. 질소산화물과 VOCs의 광화학은 부정적인 건강 효과를 가지는 2차 오염물질인 오존 생산으로 이어진다.

오일 및 가스 탐사, 추출 및 관련 활동에 의해 대기로 배출되는 화학 물질은 연방 정부의 건강 기준을 초과하기 충분히 높은 수준의 겨울철 높은 수준의 오존(ozone)으로 이어지는 반응을 점화시킬 수 있다고 미국 국립 해양 대기청(NOAA; National Oceanic and Atmospheric Administration)이 주도한 새로운 연구는 밝혔다.

새로운 기술이 유타 주 윈타 지역(Uintah Basin)과 미국 이외의 다른 지역뿐 아니라 수많은 국가에서 오일 및 가스 개발을 가속시키는 데 도움을 주려고 하는 시점에 이 연구가 발표됐다. 연구 결과는 대기 질 관리자로 하여금 어떻게 오존 오염(ozone pollution)의 영향을 최소화할 수 있는지를 결정하는 데 도움을 줄 것이다.

오존 수준이 치솟을 때, 미국 환경보호청(EPA; Environmental Protection Agency) 전문가들은, 사람들 특히, 어린이, 노인 및 기존에 호흡기와 관련된 징후를 가진 사람 등과 같이 민감한 집단에 해당하는 사람들은 외부에 머무는 시간을 제한할 것을 권고했다.

일반적으로 일광의 강도가 더 강렬한 여름철이 오존 오염을 생성하는 화학 반응을 점화시킬 수 있기 때문에, 겨울철 오존 오염(winter ozone pollution)은 놀라운 것이라고 콜로라도 대학(University of Colorado)의 NOAA 산하 CIRES(Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences) 소속의 과학자인 Peter Edwards는 밝혔다.

최근 미국 서부에 위치한 오일과 가스 생산 지역 관찰은 현재의 대기 질 기준을 초과하는 오존 혼합 비율 유정을 규명했다. 이 지역에서 겨울철 오존 생산을 이해하는 것은 상당히 어려운 일이다. 눈이 덮여 있는 차가운 기간 동안 기상학적 역전이 오일과 가스로부터 대기 오염물질이 집중될 때, 그러나 오존 생산을 위하여 필수적인 상용 광화학을 촉발시키는데 필요한 일사량(solar irradiance)과 절대 습도(absolute humidity)가 최소일 때, 겨울철 오존 생성이 일어난다.

Edwards와 그의 동료 연구진은 겨울철에 유타 주 동북 지역에서 휘발성 유기 화합물(VOCs; volatile organic compounds)이 오염을 형성하는 반응을 촉발할 수 있을 정도로 충분히 높은 수준으로 구축된다는 것을 보여주었다. 겨울철에 상층의 따뜻한 공기는 아래의 차가운 공기를 붙잡아 VOCs를 농축시키는 역전 현상을 생성한다. 눈(snow)의 존재는 일광 반사를 증가시켜, 오존 생성을 가속시킨다. EPA는 유타 지역 동북부에서 배출되는 VOCs의 97 %가 오일과 천연가스 활동으로부터 유래하는 것을 추정하고 있다고 새로운 연구는 밝혔다.

예를 들면, 2013년에, 유타 주 어레이(Ouray)에서 오존은 겨울철 동안 국가 대기 질 기준의 49배를 초과했다. 반대로, 인구가 밀집된 지역인 캘리포니아 주 리버사이드 도시 지역에서 기준은 같은해 용량의 50% 가량을 초과했지만 겨울철은 그렇지 않았다.

따라서 이것은 동일한 시작 첨가물인 질소산화물과 VOCs 등이 리버사이드 지역에서 오존을 형성하지만 겨울철 유타 주에서는 다른 시작 물질이 존재한다고 공동저자이며 NOAA 산하 지수 시스템 연구실(ESRL; Earth System Research Laboratory) 소속의 과학자인 Steven Brown은 밝혔다. 겨울철 조건 하에서 유타 주에서 훨씬 더 높은 VOCs가 오존 생성을 촉발하는 카르보닐 화합물(carbonyl compounds)을 생성하는 데 실패한다.

이 연구는 NOAA 산하 ESRL 소속의 James Roberts가 주도하는 윈타 지역에서 일련의 겨울철 연구에서 수집된 자료를 기반으로 한다. 연구진은 2013년과 2014년에 눈이 많이 내리는 겨울에서 2012년 눈을 거의 볼 수 없었던 경우까지 세 번의 겨울철 동안 다양한 조건을 겪었다. VOCs의 오일과 가스 배출은 3년 모두에서 높았지만, 높은 오존 수준은 춥고, 눈이 많았던 침체된 기간 동안 높았다.

NOAA, CIRES 및 다른 기관 등의 출신 과학자들은 오존과 오염물질을 만들어내는 VOCs와 질소산화물과 같은 화학적 첨가물(chemical ingredient)에 대한 세부적인 측정을 수행했다. 연구진은 겨울철 오존 형성 이면의 화학을 보다 더 잘 이해하기 위하여 화학 모델을 사용했다.

유타 주 동북쪽 오일과 가스 지역에서 멀리 떨어진 위치에서 얻은 자료를 이용하여, 연구진은 극심한 겨울철 오존 오염 사건으로 이어지는 광화학의 정량적 평가를 제공했으며, 이러한 특이한 환경에서 오존 생성을 제언하는 핵심 요인을 규명했다. 연구진은 오존 생성이 우세한 산화제 공급원으로 카르보닐 광분해(carbonyl photolysis)로 이어지는 여름철 도시 조건보다 더 낮은 질소산화물과 훨씬 더 높은 VOC 농도에서 일어난다는 것을 발견했다. 극심한 VOC 농도는 질소산화물의 오존 생성 효율을 극대화한다. 셰일로부터 오일과 가스 추출이 전 세계적으로 성장할 가능성이 있다. 이 분석은 대기 질 영향을 모니터링하고 완화하기 위한 전략에 정보를 제공하는 데 도움을 줄 수 있으며, 일차 오염물질에 대한 겨울철 오존의 반응에 대한 보다 더 폭넓은 견해를 제공할 수 있을 것이다.

유타 주에서 이러한 연구는 대기 오염 화학이 다소 다르다는 생각을 가지게 한다고 공동저자이며, NOAA ESRL에서 CIRES와 협력 연구를 수행 중인 Joost de Gouw는 밝혔다. 이 연구 결과는 오존 사건에 직면해 있는 주 및 지방 정부의 대기 질 관리자들이 정책을 고안하는 데 도움을 줄 수 있으며, 산업 대표들이 그들이 사업을 운영하는 지역에서 대기 질 기준을 충족하는 데 도움을 줄 수 있다.

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