세계에서 가장 최북단에 위치한 도시인 알래스카 배로(Barrow) 상공의 대기에서 전례 없는 수치의 분자가 존재함이 발견되었다.

염소분자는 해빙이 녹으면서 배출되는 바다 소금은 햇빛과 반응하여 염소원자를 생산하여 이것이 염소분자를 형성한다.

 

염소원자는 반응성이 크기 때문에 메탄이나 수은원소를 포함한 대기 중 물질들을 산화시킬 수 있으며 수은원소보다 강한 산화제인 브롬의 화학반응을 활성화시킬 수 있다. 산화된 수은은 산화되기 전보다 반응성이 증가하며 북극 생태계 위에 침적될 수 있다.

본 연구는 북극에서 염소분자를 처음으로 측정한 연구이며 대기 중에서 이러한 고농도의 염소수치가 발견된 것 또한 처음이다. 본 연구를 수행한 미국 조지아공대(Georgia Institute of Technology)의 Greg Huey 교수는 지금까지는 아무도 배로 지역이나 극지의 염소 수치가 이렇게 높을 것이라고는 예상하지 못하였다고 설명하였다.

본 연구 결과는 과학저널 Nature Geoscience를 통하여 발표되었으며, 미국가과학재단(National Science Foundation, NSF)의 지원을 받아 수행되었다.

연구진은 2009년 봄 6주의 기간 동안 화학적이온화 질량분석기(chemical ionization mass spectrometry)를 사용하여 북극의 염소분자 수치를 직접적으로 분석하였다. 연구진은 처음에는 그들의 분석 결과에 대하여 회의적이었기 때문에 이 결과가 정확한지를 확인하기 위하여 수 년 동안 다른 방법의 분석들을 동시에 진행하였다.

배로 상공의 염소분자 수치는 400ppt (10조분의 1) 정도로 측정되었다. 염소는 강한 산화제이며 다른 대기 중 화학물질들과의 반응성이 크기 때문에 염소 원자가 대기 중에서 짧은 시간 존재한다는 것을 고려하여도 높은 수치이다.

염소분자의 농도는 이른 아침과 늦은 오후에 최대치에 도달하고 밤에는 거의 0에 도달한다. 낮 동안의 평균 염소분자 수치는 오존 농도의 경향과 일치하며, 이것은 햇빛과 오존이 염소분자를 형성함을 의미한다.

기존의 북극에 대한 연구 결과는 배로와 기타 북극 지역에서 산화수은의 수치가 높음을 보고하였다. 북극에서 수은원소의 주요 발생원은 세계 각국에 존재하는 석탄화력발전소이다.

 

배로지역에서는 봄철에 대기 중 오존과 수은원소의 양이 감소하는데, 이 시기는 염소와 브롬 같은 할로겐 원소가 해빙이 녹음에 따라 대기 중으로 배출되는 시기이다.

염소분자는 매우 반응성이 커서 대기 중 화학반응에 아주 큰 영향력을 미치게 된다. 본 연구를 통해 염소 원자가 배로 상공에서 가장 주도적인 산화물질임이 확인되었다. 인근의 다른 지역은 많은 도심지역에서 산화제를 형성하는 주요 전구체인 수증기와 오존이 적어 대기 중 산화제의 수치가 낮다.

배로지역에서는 내륙을 제외하고는 눈으로 덮인 얼음덩어리들이 사방으로 확장된다. 염소분자의 가장 궁극적인 공급원은 바다 소금에 존재하는 염화나트륨으로, 이 눈으로 덮인 얼음들에서 기인하는 것으로 보인다. 그러나 바다소금이 염소분자로 어떻게 전환되는가에 대해서는 아직까지 알려진 바가 없다.

연구진은 그 메커니즘은 알지 못하지만, 현재 해빙이 크게 변화하고 있기 때문에 대기 화학에 어떤 일들이 일어날지에 대해 예측할 수 있는 능력이 전혀 없다고 설명하였다. 현재 대기 중 염소에 대하여는 무지한 상태이다.

연구진은 해빙이 빠르게 변화하고 있다는 것을 이미 알고 있다. 해빙은 다음 겨울이 올 때까지 계속해서 감소하고 있으며, 이것은 해빙이 녹은 지역을 확장시키고 더 많은 해빙들이 계절에 따라 녹고 얼음을 반복하게 만든다. 해빙의 이러한 계절적인 변동은 더 많은 염소분자가 대기 중으로 배출되도록 한다.

연구진은 북극에서 기후 변화가 진행되고 있다는 것은 확실하다고 덧붙였다. 이것이 해빙의 성상을 변화시키고 그 부피를 변화시켜 그 표면과 화학적 성질까지 변화시키게 될 것이다.

 

 

 

Scientists studying the atmosphere above Barrow, Alaska, have discovered unprecedented levels of molecular chlorine in the air, a new study reports.

 

Molecular chlorine, from sea salt released by melting sea ice, reacts with sunlight to produce chlorine atoms.

 

These chlorine atoms are highly reactive and can oxidize many constituents of the atmosphere including methane and elemental mercury, as well activate bromine chemistry, which is an even stronger oxidant of elemental mercury. Oxidized mercury is more reactive and can be deposited to the Arctic ecosystem.

 

The study is the first time that molecular chlorine has been measured in the Arctic, and the first time that scientists have documented such high levels of molecular chlorine in the atmosphere.

 

"No one expected there to be this level of chlorine in Barrow or in polar regions," said Greg Huey, a professor in the School of Earth and Atmospheric Sciences at the Georgia Institute of Technology in Atlanta.

 

The study was published January 12 in the journal Nature Geoscience and was supported by the National Science Foundation (NSF), part of the international multidisciplinary OASIS program.

 

The researchers directly measured molecular chlorine levels in the Arctic in the spring of 2009 over a six-week period using chemical ionization mass spectrometry. At first the scientists were skeptical of their data, so they spent several years running other experiments to ensure their findings were accurate.

 

The level of molecular chlorine above Barrow was measured as high as 400 parts per trillion, which is a high concentration considering that chlorine atoms are short -lived in the atmosphere because they are strong oxidants and are highly reactive with other atmospheric chemicals.

 

Molecular chlorine concentrations peaked in the early morning and late afternoon, and fell to near-zero levels at night. Average daytime molecular chlorine levels were correlated with ozone concentrations, suggesting that sunlight and ozone may be required for molecular chlorine formation.

 

Previous Arctic studies have documented high levels of oxidized mercury in Barrow and other polar regions. The major source of elemental mercury in the Arctic regions is coal-burning plants around the world. In the spring in Barrow, ozone and elemental mercury are often depleted from the atmosphere when halogens -- chlorine and bromine -- are released into the air from melting sea ice.

 

"Molecular chlorine is so reactive that it's going to have a very strong influence on atmospheric chemistry," Huey said.

 

Chlorine atoms are the dominant oxidant in Barrow, the study found. The area is part of a region with otherwise low levels of oxidants in the atmosphere, due to the lack of water vapor and ozone, which are the major precursors to making oxidants in many urban areas.

 

In Barrow, snow-covered ice pack extends in every directly except inland. The ultimate source of the molecular chlorine is the sodium chloride in sea salt, Huey said, most likely from the snow-covered ice pack. How the sea salt is transformed into molecular chlorine is unknown.

 

"We don't really know the mechanism. It's a mystery to us right now," Huey said. "But the sea ice is changing dramatically, so we're in a time where we have absolutely no predictive power over what's going to happen to this chemistry. We're really in the dark about the chlorine."

 

Scientists do know that sea ice is rapidly changing, Huey said. The sea ice that lasts from one winter to the next winter is decreasing. This has created a larger area of melted ice, and more ice that comes and goes with the seasons. This seasonal variation in ice could release more molecular chlorine into the atmosphere.

 

"There is definite climate change happening in the Arctic," Huey said. "That's changing the nature of the ice, changing the volume of the ice, changing the surface area and changing the chemistry of the ice."