환경생물공학 수업수업노트-7: 대기
-차 례-
1. 대기와 그 성분
(1) 대기의 역활
(2) 대기의 주요 성분
(3) 산소
(4) 질소
(5) 이산화탄소
(6) 원시지구의 대기성분
2. 대기오염
(1) 대기오염과 이산화탄소
(2) 일산화탄소
(3) 오존
(4) 질소화합물
(5) 탄화수소
(6) 염화불화탄소
(7) 황산화물
(8) 황화수소
(9) 에어로솔
(10) 자동차 배기가스
(11) 연료 첨가제
(12) 스모그
3. 지구 온난화
(1) 지구 온난화
(2) 지구 온난화의 영향
- 강 의 내 용 -
1. 대기와 그 성분
(1) 대기의 역활
1) 동물과 식물에 필요한 산소와 이산화탄소의 저장소
2) 수분분배의 역할
3) 지구를 둘러싸고 있는 절연체
a. 일정한 온도의 유지 기능
b. 유성으로부터 지구를 보호
c. 일정한 파장의 빛 만 선택적으로 투과시킴
(2) 대기의 주요 성분
1) 질소: 78%
2) 산소: 21%
3) 아르곤: 0.93%
4) 이산화탄소: 0.03%
5) 기타 기체 원소: 0.04%
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Name |
Symbol |
Percent volume |
|
Nitrogen |
N2 |
78.084% |
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Oxygen |
O2 |
20.948% |
|
Argon |
Ar |
0.934% |
|
Carbon dioxide |
CO2 |
0.031% |
|
Neon |
Ne |
0.00182% |
|
Methane |
CH4 |
0.00020% |
|
0.0005Helium |
He |
0.00052% |
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Krypton |
Kr |
0.00011% |
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Hydrogen |
H2 |
0.00005% |
|
Xenon |
Xe |
0.000009% |
(3) 산소
1) 호흡의 원리
a. 인체에 들어온 공기:활성 산소 + 불활성 질소 + 미량의 다른 기체 + 수분 산소
b. 폐포 혈액에 용해되어 휘발성 영양분이 되어 조직에 전달
c. 신진대사에 소모
d. 노폐물과 CO2가 되어 세포조직에 대기
e. 새로 전달되는 산소와 교체
f. 혈액을 타고 다시 폐로 와서 기화한 후에 몸 밖으로 배출.
2) 폐기종
a. 폐포막의 손상에 의한 폐의 가스교환의 능력 저하
b. 산소 부족에 의한 질식 현상을 나타냄
c. 원인: 흡연, 대기오염물질, 작업장의 나쁜 공기
3) 저산소증
a. 원인
- 흡입 공기중의 산소 농도 감소 (약 2,700m 상고의 농도는 해수면의 3/4)
- 폐 기능의 악화
- 심장 기능의 악화: 혈액순환 부진, 저혈압
- 동맥혈액의 산소 운반 장애: 혈색소 저하, 일산화탄소 중독
- 산소 소모량의 증가
b. 인체의 변화
- 뇌세포 외액의 pH 감소,
- 뇌혈관 확장 및 뇌혈류량 증가
- 이상한 행동 유발, 정신이 혼란해지며 의식이 소멸
4) 고산소증
a. 원인: 산소의 분압이 높은 상태에서 장시간 노출
b. 인체의 변화
- 허파에 물이 고임
- 여러 가지 괴로운 증세: 두통, 메시꺼움, 근육마비, 현기증, 시각 장애, 흥분
c. 예방책
- 스쿠버 다이버: 압축공기 또는 헤륨과 같은 가스와 혼합된 산소이용
- 산소의 안전농도: 약 60%
(4) 질소
1) 질소동화작용 (질소고정)
a. 미생물에 의한 질소고정
b. 미생물과 공생하는 고등식물의 중요한 질소원
2) 잠함병
a. 잠수하는 동안 질소의 분압이 높아져 폐포를 통하여 혈액에 확산
b. 물위로 상승할 때, 혈액 속의 질소가 폐포를 통하여 배출될 시간이 짧음
c. 혈관 속의 질소 기포가 생김
(5) 이산화탄소
1) 식물의 탄소동화작용의 원료 (탄소 공급원)
2) 공기 중의 이산화탄소의 농도는 약 330ppm (0.03%)
3) 높은 농도에서 장시간 노출시 호흡, 혈액순환 및 중추신경 활동에 장애
(6) 원시지구의 대기 성분
2. 대기오염
(1) 자연적 발생
1) 발생원
a. 화산, 유성, 지진, 낙뢰
b. 자연적인 유기물의 부패
c. 해양
2) 발생물질
a. 분진, 탄산가스 (CO2), 질소산화물 (NOx), 금속 산화물, 방사성 물질
b. 탄산가스, 황화수소(H2S), 암모니아 (NH3), 아민 (NH2)
c. 해염 미스트, 염화수소(HCl), 요소 (NH2CONH2), 탄산가스
(2) 인공적 발생
1) 발생원
a. 화석원료를 사용하는 대부분의 공장
b. 화학공장
c. 자동차, 항공기
2) 발생물질
a. 매연, 분진, 이산화황 (SO2). 질소화합물, 탄산가스, 일산화탄소
b. 황화수소, 암모니아, 염화수소, 황산 미스트, 불소 수소, 유기 용제가스
(3) 대기오염 물질
1) 대기오염과 이산화탄소
a. 이산화탄소 농도의 증가
- 인구증가 및 산업 규모의 증가에 따른 화석원료의 사용량 증가
- 화석원료: 목재, 석탄, 석유
- 1950년 이래 연간 방출량은 90억 톤이며 대기 중에 연간 1.6ppm씩 증가
b. 이산화탄소 농도 증가에 따른 결과 및 영향
- 온실효과: (참조: 2장 생태학)
- 지구온난화
c. 이산화탄소의 제거
- 광분해가 불가능
- 생물학적 또는 화학적 처리만 가능
2) 일산화탄소
a. 특징
- 무색, 무취, 무미, 무자극성
- 독성이 높음
- 적혈구의 헤모글로빈과의 친화력이 산소 보다 240배 높음
b. 일산화탄소의 생성
- 화석연료의 불완전한 연소에 의하여 생성
- 흡연자의 날숨의 일산화탄소의 농도가 높음
c. 영향
- 맥박, 혈압 및 신경 등의 생리적인 영향
- 장기간 노출시 사망
- 태아의 건강에도 영향을 미침
- 식물의 질소고정을 억제
3) 오존
a. 특징
- 대기중의 농도는 0.05 ppm
- 자외선에 의하여 원자상의 산소가 분자상의 산소와 결합하여 생성
b. 영향
- 가장 강력한 산화제
- 독성이 매우 강함
- 고등 동물 및 식물에도 악영향
c. 오존층
d. 오존층의 형성과 파괴
4) 질소화합물
a. 발생
- 토양 세균에 의한 발생
- 자동차 배기가스
- 석탄속의 암모니아 가스에 의한 발생
- 유독한 질소산화물: 아산화질소 (N2O), 일산화질소 (NO), 이산화질소 (NO2)
삼산화질소 (N2O3), 사산화질소 (N2O4) 및 오산화질소 (N2O5)
b. 영향
- 시각 장애
- 맥동성 (이산화질소)
- 대기중의 다른 화합물과 반응하여 스모그를 형성
5) 탄화수소
a. 탄화수소
- 탄소와 수소로 구성된 화합물
- 지방족, 치환족, 방향족
- 메탄 (대표적인 탄화수소)
b. 발생
- 늪, 수중 바닥 속에 친전한 유기물의 혐기적인 분해에 의하여 생성
- 석탄 및 석유 매장지역에서 발생
- 자동차 배기 가스와 같은 인공적 발생이 문제
6) 염화불화탄소 (CFCs, chlorofluorocarbons)
a. 발생
- 냉동장치의 냉매
- 살충제나 헤어스프레이와 같은 압축 에어러솔의 구성성분
- 1975년까지 연간 200 만톤 생산
b. 영향
- 자연상태에서는 안정하나 기권의 상층부에서 자외선에 의하여 분해
- 해리된 염소원자는 오존을 공격하여 오존층을 파괴
- 오존층의 파괴는 지구절연체 역할을 하는 대기의 기능을 파괴하는 결과
- 오존층의 파괴에 의하여 지구 밖에서 지구로 들어오는 자외선을 차단시키지 못함
7) 황산화물
a. 발생
- 화산폭발, 황이 함유된 광석의 정련, 황산제조 과정
- 가정용 난방원료, 공장, 발전소 등에서의 화석원료의 연소과정에서 발생
- 미국의 경우, 1970년 3,700만톤 발생하였으나 1990년에는 9,500만톤 발생
b. 영향
- 석부식종: 대리석과 석회석 구조물을 파괴시킴
- 철근구조물의 부식
- 산성비: pH 약 2.5의 산성비
- 아황산가스: 눈이나 기관지에 심한 고통
c. 대비책
- 황함량이 낮은 원료 사용
- 집진시설을 이용한 화합물의 수거
8) 황화수소 (H2S)
a. 발생
- 식물체나 동물체의 부패과정에서 발생
- 유황천, 화산분출물, 천연가스의 가스정
- 생산량: 육지; 6,000-8,000만톤, 해양; 3,000만톤, 공장; 300만톤
b. 영향
- 황화수소는 쉽게 폐포를 통과하여 혈액속으로 스며듬
- 두통, 메스꺼움, 피로감 및 허탈감 및 혼수상태에 빠져 죽음
9) 에어로솔
a. 에어로솔
- 작은 고체입자나 물방울이 부유하고 있는 것
- 연기, 안개, 수증기 등
- 화학물질, 꽃가루, 해염, 세균, 바이러스 등
b. 발생원
- 화산 폭발, 산불
- 공장
c. 영향
- 황산 또는 아황산가스와 같은 물질과 함께 부식작용을 촉진
- 먼지를 형성하여 물리적인 피해 유발: 검댕 등에 의한 섬유물질 손상
- 발암물질을 포함하기도 하여 암을 유발
10) 자동차 배기가스
a. 성분
- 일산화탄소 및 이산화탄소
- 벤조피렌: 강력한 발암물질
b. 제거 방법
- 일산화탄소: 가솔린의 완전 연소
- 배기가스의 순환에 의한 재연소
- 소음기 앞의 배출구에 촉매변환장치를 설치: 촉매; 백금
11) 연료 첨가제
a. 연료 첨가제
- 브롬화에틸렌, 염화에틸렌
- 사에틸납
- 대기오염의 주 원인 물질
b. 제거 방법
- 옥탄가가 낮은 언료를 사용하여 납의 사용량을 절감
- 자동차의 배출구에 납제거 장치를 설치
- 연소 촉매변환장치 설치
12) 스모그
a. 살인적 스모그
- 뮤즈 벨리 사건: 기온역전층에 의한 공장배기 가스의 축척
- 도노라 사건: 아황산가스의 축척
- 런던 스모그:1952년 런던에서 발생
b. 스모그와 만성질환
- 눈에 일시적인 상해
- 폐기종: 폐포가 파괴되어 생기는 병
- 만성협착증
c. 동물에 대한 영향
- 번식력 감소 및 폐염에 대한 감수성 증가
- 카르보닐 화합물의 형성에 의한 폐의 신축성 저하
d. 식물에 대한 영향
- 생장력 감소
- 수확량 감소
e. 광학적 스모그
- 광학적 스모그: 산소, 오존, 배기가스 등이 반응하여 형성된 물질
- 필요한 에너지를 자외선에서 얻음
- 질산과산화아세틸 (peroxyacetyl nitrate, PAN)
- 옥시던트: 염증을 일으키는 대기오염물질
13) 중금속 오염 (중금속: 인체의 유해한 금속을 지칭하는 단어)
a. 납
- 전지, 활자, 도료의 제조에 사용
- 대기의 최대오염원, 가솔린의 노킹 방지제 (알칼납)
- 담뱃잎에도 납이 포함
- 아동의 지적 능력 저해 및 폭력성 유발
b. 수은
- 자연 발생원: 화산분화, 수은 광산 지역
- 아말감: 수은과 금속의 합금
- 페닐 수은: 도열병 예방 농약
- 초산페닐 수은: 페인트에 사용
- 미나미타병
c. 카드늄
- 광석중에서 아연을 주성분으로 하는 광석에 존재
- 니켈-카드늄 축전지에 사용
- 자동차 엔진부분과 TV 제조에도 사용
- 비료, 살충제 제조에 사용
- 이타이이타이병
d. 셀렌
- 금속 정련의 부산물
- 살충제, 합금, 고무 및 유리 공업에서 발생
3. 지구 온난화
(1) 지구 온난화
1) 지구 온난화의 원인: 이산화탄소 농도의 증가
a. 화석원료 사용의 증가에 의한 대기원의 이산화탄소의 농도 증가
- 화석원료 (석탄 및 석유)를 사용한 주택의 난방
- 자동차의 에너지원
- 도시의 조명과 전력생산을 위한 화석원료의 사용
b. 벌목 및 농업을 위한 토지 확장에 따른 식물체의 감소
2) 대기의 이산화탄소 농도의 상승에 의한 온실효과: 지구 온난화
a. 지난 100년간 지구의 평균기온이 0.3~0.6℃ 증가
b. 해수면은 10~25cm 상승
3) 온실효과 (greenhouse effect)
a. 온실가스: 이산화탄소 및 메탄 등
b. 온실가스에 의하여 지구에서 방출된 열 (적외선 상태)이 지구 밖으로 방출되지 않음
c. 결과적으로 지구의 온도가 상승
http://environment.nationalgeographic.com/environment/global-warming/gw-overview-interactive.html
(2) 온난화의 영향 (지구의 평균기온 상승)
1) 건강에의 악영향
a. 점차 더워지는 온도에 의한 열스트레스 (heat stress)에 의한 사망의 위험성 증가
b. 아열대 현상의 빈도 증가
2) 해수면 상승
a. 해변과 해안의 습지를 위협하고 저지대가 침수
b. 1880년 이후 현재, 2000년까지 약 19cm의 해수면이 상승
c. 2100년의 해수면은 1990년에 비하여 약 100 cm 상승 예상
d. 해수면이 50cm 상승하면 4천5백만명에서 9천만명이 위험에 노출됨
3) 물 순환의 교란: 이상 기후 증가
a. 어떤 지역에서는 가뭄이 심해지며
b. 어떤 지역에서는 홍수가 심해짐
c. 중동과 아프리카 지역의 물 부족이 더 심각해짐
4) 사람과 자연지역의 변화
a. 기후 변화는 식생의 지리적 분표를 변화시킴
b. 지구 숲의 약 33%가 이산화탄소의 농도 증가에 의한 기후변화의 영향을 받고 있음
c. 북미 숲에서 사는 종이 북쪽으로 500km 이동할 수 있음
5) 농업과 식량공급의 위기
a. 이산화탄소의 농도 증가는 곡물의 생산성에 악영향을 미침
b. 온도 상승에 의한 곡물 분포상의 유연성을 감소시키고 더 많은 관계용수가 필요함
c. 해충의 영역이 확장되어 살충제의 사용량이 증가됨
(3) 지구 온난화 보고서
(4) 지구의 온도를 낮추는 기술
1) 온실가스 감축
a. 화석원료 대체 재생에너지 개발
b. 식목에 의한 이산화탄소 농도 감소
2) 개발 중인 기술
a. 햇빛을 차단하여 지구 온도를 낮춤
- 이산화황을 성층권에 살포하여 태양광을 차단
- 해수를 수증기로 변환하여 햇빛을 차단
- 태양광을 반사하는 우주거울을 설치
b. 이산화탄소의 소모를 촉진
- 바다에 쇳가루를 부려 이산화탄소를 소모하는 플랑크톤의 생육을 촉진
c. 심해수를 이용한 지구의 냉각
d. 해저 암반의 모래층에 이산화탄소를 흡착하여 포집
