이산화탄소는 지구 대기 중에 존재하는 미량 기체입니다. 지표면에서 방출되는 적외선 영역대의 복사에너지를 흡수하는 온실가스 중 하나로서 지구시스템의 에너지 평형에 중요한 역할을 하며 육상 및 해양 표층에서 생물권의 탄소 흡수에 중요한 공급원이 됩니다. 대기 중 이산화탄소 농도는 기후의 장기적인 변동에 따라 자연적으로 변화할 수도 있고 화석연료 사용
증가에 따라 인위적으로 증가하여 기후의 급격한 변화를 유발할 수 있습니다.
이산화탄소의 특성
이산화탄소는 무색 기체로 존재합니다. 약간 신맛이 있습니다.
이산화탄소는 탄소 원자 하나에 산소 원자 둘이 결합한 화합물입니다. 색깔이 없고, 냄새도 없고, 맛도 없습니다.
이산화탄소는 화학적으로 활성이 낮고, 물에 녹으면 약한 산성을 띠며 탄산을 생성합니다. 고온에서는 가역적으로 일산화탄소와 산소로 분리되며, 수소와 가역적으로 반응하여 일산화탄소와 물을 생성합니다. 이산화탄소는 산소와 반대로 연소를 방해하기 때문에 이산화탄소를 약제로 하는 소화기를 이용해 불을 끌 수 있습니다.
대기 중의 일부 기체는 파장별로 복사에너지를 흡수합니다. 이산화탄소는 주로 15 ㎛ 파장대 영역인 적외선 영역에서 에너지를 흡수합니다. 태양에서의 광자 에너지가 이산화탄소 분자를 진동시키고, 그 직후 이산화탄소 분자는 다른 적외선 광자를 방출합니다. 이때 탄소 분자는 남아 있는 에너지가 다 소모될 때까지 진동을 합니다. 이렇게 적외선 에너지를 흡수하고 재방출하는 특성 때문에 이산화탄소는 효과적인 온실가스가 됩니다.
이산화탄소의 온실효과
이산화탄소는 지구에서 방출되는 장파복사 에너지를 흡수하는 대표적인 온실기체입니다. 태양에너지는 구름과 지면의 반사, 대기 중 흡수 및 산란 등의 과정을 거친 후에 지표면에 흡수되고, 지표면에 흡수된 에너지는 다시 원적외선으로 바뀌어 지표면으로부터 방출됩니다. 방출되는 적외선은 구름이나 수증기, 이산화탄소, 메탄 등의 대기 중 온실기체에 의해 흡수되어, 지구복사 에너지의 일부를 다시 지표면으로 되돌려 보내며, 이로 인해 지표면과 하층 대기의 온도가 올라가고 상층 대기의 온도가 감소하는 온실효과가 발생합니다.
식물과 이산화탄소
식물은 광합성 과정에서 이산화탄소를 흡수하여 이를 탄수화물의 형태로 만듭니다.
식물에 흡수된 이산화탄소는 빛에너지와 반응하여 물을 광분해하는 과정을 거치면서 전자를 얻고 부산물로 산소를 만듭니다. 이러한 광분해 과정을 거치고 나면, 탄소고정(Carbon fixation) 반응이 일어나는데 이때 엽록체에 존재하는 루비스코(RuBisCO)라는 효소에 의해서 탄소가 글리세르알데하이드-3-인산이라는 삼탄당 단당류로 변하게 됩니다. 이렇게 변한 G3P는 이후 포도당 또는 다른 탄수화물의 형태로 변하게 됩니다.
식물은 호흡을 통하여 대기 중으로 이산화탄소와 물을 방출합니다.
대기 중의 이산화탄소
대기 중 이산화탄소는 2018년 1월 현재 전지구 평균 농도가 407.45ppm인 미량 기체입니다. 대기 중의 이산화탄소의 농도는 식생의 계절변화에 따라 뚜렷한 변동을 하며, 북반구 식생이 증가하기 직전인 5월에 최대가 되고, 식생의 성장에 의해 이산화탄소의 농도는 감소하다가 9월에 식생이 쇠퇴하기 직전 최소치를 보입니다. 이산화탄소의 농도는 대체로 전 지구적으로 잘 섞이기 때문에 지역적 차이가 크지는 않습니다. 연직적으로는 지표면에서 이산화탄소의 농도의 변동이 크고, 상층에서는 변동이 상대적으로 적습니다.
인간의 활동으로 인해 대기 중의 이산화탄소 농도는 산업혁명 이후 약 43% 이상 상승했습니다. 인간의 활동에서 나오는 대부분의 이산화탄소는 석탄 및 기타 화석 연료를 사용하면서 배출됩니다. 또한 산림 벌채, 바이오매스 연소 및 시멘트 생산 공정을 통해서 대기 중으로 방출됩니다.
지구온난화를 일으키는 이산화탄소
지난해 여름 전 세계에 기록적인 폭염으로 일본과 터키, 북아일랜드의 일부 지역은 관측 사상 최고 기온을 경신했습니다.
전 지구의 기온이 상승하는 지구온난화에 대해서 알아보아야 합니다.
장기간에 걸쳐 전지구 평균 지표면 기온이 상승하는 현상을 지구온난화라고 합니다.
태양으로부터 지구로 유입되는 에너지는 대부분 가시광선의 형태입니다. 이 중 약 30%는 지표나 지구대기에 의해 반사되어 우주로 나가고 70%는 지면까지 도달하게 되며 도달한 에너지는 다시 우주로 방출됩니다. 이때 대기에 포함되어 있는 이산화탄소, 메테인, 수증기 등의 온실가스가 이 열을 흡수해서 지구의 기온을 일정한 수준으로 유지시켜줍니다. 이를 통해서 인간과 동식물이 살기 좋은 환경이 유지되어왔습니다.
그러나 산업혁명 이후 화석연료와 화학물질의 사용이 증가하면서 이산화탄소와 이산화질소, 프레온가스 등의 온실가스가 대기 중에 배출되었고, 이로 인해 지구 밖으로 방출된느 복사열이 감소하게 되어 지구의 기온이 상승하고 기후변화가 일어나고 있습니다. 이렇게 장기간에 걸쳐 전지구의 평균 지표면 기온이 상승하는 현상을 지구온난화라고 합니다.
지구온난화는 결국 홍수, 폭우, 사막화, 태풍과 같은 이상기후를 유발하며 이로 인해 발생한 자연재해는 인간의 목숨까지 위협하고 있습니다.
이처럼 여러 온실가스 중에서 이산화탄소는 지구온난화지수가 낮은편입니다. 그럼에도 이산화탄소량을 줄이는 것에 전 세계가 집중하는 이유는 무엇일까요? 산업화의 확산으로 화석연료의 사용량이 증가하여 인위적으로 배출되는 온실가스가 증가하는 가운데 전체 온실가스의 80% 이상이 이산화탄소로 구성되어 있기 때문입니다. 지구온난화지수를 고려하더라도 대기 중 이산화탄소량이 너무 많아 온실효과에 많은 영향을 주고 있어 전 세계가 이산화탄소를 줄이고자 노력하고 있습니다.
이산화탄소를 줄이는 방법
대기 중 이산화탄소량을 줄이기 위해 이산화탄소를 여러가지 방법으로 성분을 분리하여 모으는 포집으로 지하나 해저에 저장해두는 기술이 있습니다. 이 기술이 처음 등장했을 때에는 혁신적인 기술처럼 보였으나, 문제점이 발견되었습니다.
해양에 저장할 경우 해양 산성화로 인한 해양 생태계가 파괴가 될 수 있다는 문제점이 있었으며, 다른 기술까지 고려해야 한다는 점에서 들이는 노력에 비해 효과가 좋지 않다는 것이었습니다. 이러한 관점에서 이산화탄소를 감축할 대상으로만 여기는 것이 아니라 연료나 원료 등과 같이 새로운 자원으로 재활용해야 한다는 의견이 나오기 시작했습니다.
이산화탄소의 재활용 기술
이산화탄소를 재활용하는 CCUS(Carbon Capture, Utilization, and Storage, 이산화탄소 포집, 활용 및 저장 기술) 기술이 연구되고 있습니다. 미국, 유럽연합, 중국 등 주요국들은 CCUS 기술을 적극적으로 연구 중이며, 우리나라 또한 온실가스 배출전망치를 기존보다 감축하고자 새로운 기술을 개발 중입니다.
CCUS 기술은 크게 CCS와 CCU 두 가지로 나뉩니다. CCS(Carbon Capture and Storage, 탄소의 포집, 저장 기술)는 산업 및 발전에서 배출되는 이산화탄소가 대기에 배출되기 전에 먼저 포집하고 이를 옮겨 지중이나 해저 지층에 영구적으로 폐기, 저장하는 기술입니다. 이 기술은 비용에 비해 효과적인 온실가스 감축 방안이지만, 높은 초기 투자 비용과 처리에 드는 많은 에너지, 지층 저장의 안전성 등 기술적으로 보완할 과제가 많이 남아 있습니다.
다른 하나는 포집한 이산화탄솔르 저장하는 것이 아니라 화학적, 생물학적 변환 과정을 거쳐 유용한 자원으로 재활용해서 부가가치가 높은 물질로 전환하는 CCU 기술(탄소자원화 기술)입니다. 현재 연구된느 CCU 기술에는 이산화탄소를 다른 물질로 변환시키는 방법에 따라 크게 화학반응을 이용한 방법, 미세조류 등 유기체를 이용한 방법, 광물과 반응시키는 방법이 있습니다. 이 기술들은 연구를 위해 장기적인 계획을 세우고 따라가야 한느 미래 기술이며, 조직화하고 장기적인 지원이 필요한 상황입니다.
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