산성비

빗물 속에 녹는 대기오염물질의 양은 지형, 고도, 사면, 바람의 노출 정 도, 강수강도와 강수빈도 및 강수시간에 따라 달라진다. 더구나 오염지역 과 청정지역 빗물의 성분 차이는 대단히 크며, 그중에서도 황산화물(SOx) 농도의 차이가 가장 뚜렷하게 나타난다. 예를 들면, 아시아에서 말레이시 아 반도에 있는 타나라타(Tanah Rata), 보르네오섬의 라와만다우(Lawa Mandau) 및 네팔의 단쿠타(Dhankuta)에서는 공기 중의 이산화황(SO2)이 0.3µg∙m-3(공기 1m3당 0.3µg) 이하로 아주 적지만, 중국의 구이저우성(貴州省)과 베트남의 하노이에서는 20µg∙m-3 이상으로 대단히 많다. 이들 두 지역 사이의 이산화황 농도의 차이는 무려 70배 이상이다. 대기강하물 중에서 자칫 무시하기 쉬운 먼지는 빗물의 중요한 성분이다. 특히 봄철에 황사와 비가 함께 내릴 때는 빗물 속에 황사 먼지를 많이 함유하는데, 그것은 알칼리성이기 때문에 빗물의 산도를 낮추는 효과가 있다. 먼지의 성분인 칼슘과 마그네슘은 빗물에 녹아서 황산이나 질산을 중화시킨다. 도시와 공업단지의 빗물에 녹아 있는 먼지의 성분은 수소이온(H+), 암모늄이온(NH4 +), 황산이온(SO4 2-) 및 질산이온(NO3-)이고, 해안에 가까운 곳의 먼지에는 높은 농도의 나트륨이온(Na+), 염소이온(Cl-) 및 마그네슘이온(Mg2+)이 들어 있다. 시멘트를 생산하는 광산지역, 논밭갈이를 많이 하는 농촌 및 바람이 센 사막지역의 빗물에는 특히 먼지가 많이 들어 있다. 더구나 우리나라는 봄에 중국에서 날아오는 황사 먼지가 많은 특수 지역이다. 빗물의 화학성분은 바닷물의 영향을 크게 받는다. 바닷물이 바람에 날려 빗물에 녹기 때문이다. 우리나라는 반도 국가이므로 빗물이 해염(sea salt)의 영향을 받는다. 해안에 가까울수록 빗물에 해염 성분이 많이 녹아 있지 만 해염에서 온 성분들은 중성을 띠고 있으므로 빗물의 산도에 영향을 미치지 않는다. 예컨대, 해염에서 오는 나트륨과 염소는 빗물을 중성으로 유지시키므로 빗물의 산도를 계산할 때 흔히 무시한다. 하지만 해염은 빗물의 이온세기(ionic strength)를 높이고 토양과 배출수의 이온 성분에 깊은 영향을 미친다. 그리고 바닷물 자체는 알칼리성(pH 8.2)이기 때문에 빗물의 산도를 낮추는 역할을 한다. 한편 산성비 속의 황산 농도를 계산할 때는 빗물의 황산의 총량에서 해염에서 온 황산을 빼고 계산한다. 비해염성(non-sea salt) 황산만이 빗물의 산도를 높이기 때문이다. 하지만 해안지역에서 이런 이온들은 빗물에 많이 녹아 있고 토양 성분에 깊은 영향을 미치므로 간과할 수 없다. 염소이온(Cl-)은 빗물을 산성화시키는 음이온이다. 빗물 속에 녹아 있는 염소이온은 주로 바닷물에서 기원한다. 바닷물이 바람에 날리면 그 속의 염소가 대기 중의 질산(HNO3)이나 황산(H2SO4)의 미립자, 곧 에어로졸과 반응하여 염산(HCl: 염화수소)이 형성된다. 이렇게 형성된 염산은 빗방울에 녹아서 수소이온을 유리하므로 산성비로 된다. 빗물 속의 염소이온은 바다까지의 거리가 가까울수록 크게 증가한다(그림 1-2 참조). 따라서 우리나라와 같은 반도나 일본과 같은 섬나라는 빗물 속에 염소가 많아서 빗물을 산성화시키는 특수한 지리적 환경에 놓여 있는 것이다. 실제로 바다에 인접한 제주, 속초, 강화 등지에서는 내륙보다 빗물의 염소이온 농도가 높아서 빗물을 산성화시키고 있다. 질소는 옛날부터 비료로 사용되어 왔기 때문에 빗물 속의 질소화합물에 대한 기록이 오랫동안 수집되어 왔다. 영국의 로덤스테드(Rothamsted) 실험농장에서는 농작물의 질소비료와 관련하여 1850년대부터 최근에 이르기까지 빗물의 질소 함량을 계속 측정해 오고 있어 빗물 속의 질산과 암모늄 농도의 계절변화와 연도변화를 비교하는 데 좋은 자료를 제공하고 있다. 그 결과에 따르면 토양과 배출수의 암모늄 농도는 과거부터 현재까지 여름에 가장 높은 계절변화를 나타냈다. 이와 대조적으로 질산 농도는 과거에는 계절변화가 거의 없었지만 최근에 와서 봄과 여름에 많이 높아졌고, 또 1900년대 초에 비해 최근에 약 2배로 높아졌다. 요즘 우리나라의 빗물에도 질산이온이 증가하는 추세이다(표 6-1 참조). 우리나라의 대기산성강하물에는 언제부터인지 질소 성분이 아주 많아졌다. 질소 비료는 식물의 가장 중요한 영양소이지만 너무 많으면 오히려 해가 된다. 질소 비료가 부족한 숲에 질소를 더 시비하면 질소를 흡수하지만 대기질소강하량이 너무 많으면 숲에서 계류수를 통해 질산이온이 유출된다. 이렇게 질산이온이 유출되는 숲을 질소포화에 있다고 말한다. 유럽이나 미국 북동부와 마찬가지로 우리나라의 숲에도 질소포화의 징후가 나타나고 있다. 질소로 포화된 숲은 1차 생 산성이 낮아지고 무기영양소의 불균형이 일어나서 삼림쇠퇴로 이어지며 병해와 상해가 생길 수 있다. 질소로 포화된 삼림토양은 pH가 낮아지고 무기화작용과 질산화작용이 왕성해지며, 메탄을 적게 흡수하고 아산화질소를 많이 배출하여 지구온난화를 촉진할 수 있다. pH는 용액의 산도(acidity)를 측정하는 잣대이다. 이 잣대는 pH 1.0(극산성)에서 pH 14.0(극염기성)의 범위를 갖는다. 수소이온과 수산이온이 각각 1,000만 분의 1몰씩 똑같은 농도로 들어있는 물은 pH 7.0이며 중성이다. 물은 수소이온이 많으면 수산이온이 적어지고, 반대로 수소 이온이 적으면 수산이온이 많아진다. 수소이온이 수산이온보다 많은 물은 산성이며, 수산이온이 수소이온보다 많은 물은 염기성(알칼리성)이다. 산성용액은 pH 6.0에서 pH 1.0의 범위에 있고, 염기성용액은 pH 8.0에서 pH 14.0의 범위로 표시한다. pH가 낮을수록 산도가 높아지고 pH가 높을수록 염기성이 높아지는 것이다. pH는 power of Hydrogen의 약자로서, 1909년에 Sørensen이라는 덴마크의 생물화학자가 창안하였다.