산성비

빗물 속의 중요한 양이온은 수소이온(H+), 나트륨이온(Na+), 칼륨이온 (K+), 마그네슘이온(Mg2+), 칼슘이온(Ca2+) 및 암모늄이온(NH4 +)이다(표 3-1 참조). 수소이온을 제외한 나머지 양이온들을 염기성 양이온(basic cation)이라고 한다. 앞에서 설명했듯이 염기성 양이온은 빗물 속의 음이온과 반응하여 pH를 높이는 작용을 한다(산도를 낮춘다). 예를 들면, 염소이온(Cl-)을 함유하여 산도가 높아진 빗물이 나트륨이온(Na+)을 흡수하면 염소와 나트륨이 결합하여 소금(NaCl)으로 중화되기 때문에 산도가 낮아진다. 하지만 수소이온은 빗물 속의 황산, 질산 및 염산에서 유리된다. 이러한 강산이 빗물에 녹아 있으면 수소이온을 유리하므로 산도가 높아지는 것이다. 빗물에는 여러 가지 성분들이 들어 있다. 빗물 수집기에 받아놓은 빗물 속에는 굴뚝에서 나온 그을음, 바람에 날린 먼지, 새나 곤충이 떨어뜨린 잡 물 등이 섞여 있는데, 이를 통틀어 총강하물(bulk deposition)이라고 부른 다. 하지만 빗물 속에 들어 있는 오염 물질의 양은 대단히 적기 때문에 측 정하기가 매우 어렵다. 특히 빗물의 산도와 관련되는 질산이나 암모늄과 같은 이온뿐만 아니라 요즈음의 빗물에 비교적 많이 들어 있는 황산마저도 그 양이 적기 때문에 보통 분석방법으로는 정확히 측정하기가 어렵다. 그래서 자칫하면 빗물은 베일에 가려져 모르고 지나기 일쑤이다. 이런 문제는 오랫동안 한 장소의 빗물을 비교하고, 각 연구자가 한 장치를 공동으로 사용하여 같은 조작으로 반복측정함으로써 어느 정도 극복할 수 있다. 숲 위에 내린 비(임외우)와 숲을 통과한 비의 화학성분은 크게 다르다. 그것을 알기 위해서는 숲의 구조를 이해할 필요가 있다. 나무의 모양은 우산에 비유할 수 있다. 나무줄기는 우산대에 비유되고 나뭇가지는 우산살에 비유되며 나뭇잎은 우산의 천에 비유된다. 나무의 가지와 잎을 합친 지붕 모양의 부분을 수관(canopy)이라고 부른다. 숲 위에 비가 내리면 빗물 대부분은 수관을 구성하는 잎과 가지를 적시고 땅에 떨어지며, 일부는 줄기를 적시면서 내려온다. 수관을 통과해 땅에 떨어지는 빗물을 수관통과수(throughfall)라 하고, 줄기를 타고 내려오는 빗물을 수간유하수(stemflow)라 하며, 이 둘을 합한 것을 총수관통과수(total throughfall)라고 한다. 총수관통과수의 성분 농도는 빗물보다 훨씬 높아진다. 빗물은 땅 표면을 흐르고 계류와 하천을 거쳐 호수에 머물거나 바다로 흘러간다. 바다에 들어가기 전의 민물을 통틀어서 지표수(surface water)라고 한다. 빗물은 숲, 토양, 암석 등을 스치면서 흐르는 동안에 여러 가지 물질을 녹이거나 침전시키면서 물리적∙화학적∙생물학적 변화를 받아 지표수로 된다. 지표수는 종류가 다른 삼림과 구성성분이 다른 암석과 토양을 스치며, 문화적 배경과 관리체계가 다른 분수계를 지나지만 모두 비슷한 이온 조성을 가진다(10, 23). 그림 7-1은 미국과 캐나다 및 노르웨이 산성수지역의 지표수와 세계 평균의 지표수의 이온 조성이 공통됨을 보여 준다. 지구상의 지표수는 대부분 중성이거나 약알칼리성이다. 우리나라에는 산성비가 내리는데도 암석∙토양의 완충능과 삼림의 중화능에 의해 지표수는 중성이나 알칼리성을 유지한다. 토양에 스며들고 남은 빗물은 땅 표면을 흘러 지표유출수(runoff)로 되며, 이것이 모여서 계류수나 하천수로 되고 마침내 호수나 바다로 흘러든다. 지표유출수, 계류수와 하천수 및 호수의 물을 통틀어 지표수(surface water)라고 한다. 토양은 빗물과 지표수를 연결하는 다리 구실을 할 뿐만 아니라 자체에서 산성물질을 생산하는 점에서 주목되고 있다. 토양은 지표수의 질을 결정하는 데 매우 큰 구실을 한다. 이는 토양이 토양용액이나 유기물질에 녹는 광물질의 공급원이기 때문이다. 토양에서는 식물이 무기영양소를 흡수하고 생물체가 분해되는 과정에서 스스로 산성화(acidification)가 일어난다. 어떤 지역에서는 1년 동안의 산성강하물의 양보다 토양에서 배출하는 산성물질의 양이 더 많은 곳도 있다. 더구나 강수량이 많은 지역의 토양과 지표수는 많은 빗물에 의해 토양으로부터 염기성 양이온이 씻겨 나가기 때문에 산성화가 빠르게 진행된다. 토양 입자는 물과 반응하여 수산화물을 형성하는 이른바 가수분해(hydrolysis)가 일어나면 물에 잘 녹는다. 토양 입자는 물과 이산화탄소(CO2)가 반응하여 탄산(H2CO3)이 생기는 이른바 탄산화작용(carbonation)이 일어나면 가용성 중탄산과 반응하여 물에 잘 녹는다. 그리고 물과 결합 하여 수화(hydration)가 일어나면 연해지고 부피가 커지며 구조가 변하고 압력이 가해진다. 토양 입자는 산소와 화학적으로 결합하는 이른바 산화(oxidation)가 일어나면 전기적 중성이 깨지고, 전자를 얻어서 음성 원자가 높아지고 양성 원자가가 낮아지는 이른바 환원(reduction)이 일어나서 전기적으로 불안정한 화합물이 되므로 물에 의해 부풀어서 압력을 받는다. 이처럼 토양 입자는 가수분해, 탄산화작용, 수화, 산화 및 환원과 같은 화학작용을 받으면 잘게 쪼개진다. 이 밖에 토양 입자는 식물의 뿌리에서 나오는 산에 의해 잘게 쪼개진다. 토양 입자가 물리적∙화학적∙생물학적 작용을 받아 잘게 쪼개지는 현상을 풍화(weathering)라고 한다. 이처럼 토양은 모암이 풍화를 거쳐 생긴 산물이다. 앞에서 살펴본 바와 같이 리기다소나무의 잔뿌리는 농촌에 비해 도심에 가까울수록 흙 표면에 뻗고 나이테는 얇게 형성되고 도시와 공업단지 주변 의 수목은 때에 어울리지 않게 잎이 황색으로 변해 잎이 일찍 떨어진다. 소 나무 가지에 붙는 잎을 자세히 살펴보면 도시에서 멀리 떨어진 청정지역에 서는 가지 끝에서 3마디까지 잎이 촘촘히 붙는데, 도심에 가까울수록 끝의 첫마디에만 붙는다. 이처럼 수목들이 활력을 잃고 고사하는 징후를 삼림쇠퇴(forest decline)라 한다. 삼림쇠퇴는 주로 대기오염과 토양의 산성화 때문에 일어난다. 유럽의 공업단지 주변에서는 1960년대 중엽에 벌써 삼림쇠퇴가 관찰되었다. 우리나라에서도 울산과 여천공업단지 및 수도권(서울) 주변에서 삼림쇠퇴가 관찰되고 있다.