도시화와 산업화가 진행됨에 따라 대기 중에 유해 물질이 축적되어 시야를 흐리고 인체에 악영향을 미치는 대표적인 대기 오염 현상이 바로 스모그다. 연기를 뜻하는 '스모크'와 안개를 뜻하는 '포그'의 합성어로 처음 만들어진 이 용어는 오늘날 단순한 안개를 넘어 대기 하층에서 일어나는 복잡한 물리 및 화학적 오염 물질의 상호작용을 통칭한다. 스모그는 발생 원인과 기상 조건, 그리고 주성분에 따라 전통적인 '런던형 스모그'와 현대적인 '광화학 스모그'의 두 가지 유형으로 명확히 구분된다.
첫 번째 유형인 런던형 스모그는 석탄 연소 과정에서 배출되는 오염 물질이 주원인이 되는 '환원형 스모그'다. 1세기부터 2세기 중반까지 석탄을 주 에너지원으로 사용하던 런던 등 유럽의 산업 도시에서 겨울철마다 빈번하게 발생하였으며, 특히 1952년 수천 명의 사망자를 낸 대기오염 참사를 통해 그 위험성이 본격적으로 각인되었다. 런던형 스모그는 주로 겨울철 새벽이나 아침 시간대에 복사냉각으로 인해 지표면 부근의 공기가 차가워지고 상층의 공기가 따뜻해지는 '역전층' 현상이 발생할 때 형성된다. 대기의 수직 순환이 완전히 차단된 정체된 공기 중에서, 난방과 공업용으로 태운 석탄에서 나온 아황산가스와 그을음 등의 미세먼지가 차가운 안개 방울과 결합하여 대기 하층에 자욱하게 갇히게 된다. 이 환경은 대기를 환원 상태로 만들어 호흡기 점막에 심각한 손상을 입히는 특징을 지닌다.
반면, 현대 도시에서 주로 목격되는 광화학 스모그는 자동차 배기가스가 태양광의 자외선과 만나 일으키는 2차 광화학 반응의 결과물이다. 1940년대 미국 로스앤젤레스에서 처음 보고된 이래 'LA형 스모그'로도 불리는 이 현상은, 석탄 연소가 주원인인 런던형과 달리 석유계 연료를 태우는 과정에서 배출되는 질소산화물과 휘발성유기화합물이 핵심 전구물질이다. 여름철 한낮처럼 일조량이 풍부하고 기온이 높은 날, 대기 중에 퍼져 있는 질소산화물이 태양의 강력한 자외선을 흡수하여 산소 원자를 분리해 낸다. 이 유래된 산소 원자가 공기 중의 산소와 결합하면서 강력한 산화력을 가진 오존을 생성하고, 동시에 다양한 유기 화합물과 반응하여 눈과 목을 따갑게 만드는 2차 오염 물질을 합성해 낸다. 이 때문에 광화학 스모그는 바람이 약하고 햇빛이 강한 오후 시간대에 가장 짙게 관측되는 '산화형 스모그'의 성격을 띤다.
이처럼 스모그는 단순히 매연이 안개와 섞이는 물리적 혼합 현상을 넘어선다. 런던형 스모그가 겨울철 석탄 연소와 기상학적 역전층이 결합된 환원성 오염의 산물이라면, 광화학 스모그는 여름철 자동차 배기가스와 태양광 자외선이 만들어내는 정교한 광화학 반응의 산물이다. 대기과학자들은 위성 관측과 지상 대기 질 모니터링 시스템을 통해 이들 오염 물질의 확산 경로와 농도를 추적하며 도시 대기 환경의 안전성을 관리하고 있다. 결국 스모그는 인류가 배출한 인공적인 에너지 부산물이 대기라는 거대한 자연 생태계 속에서 물리적 조건과 태양 에너지를 만나 어떻게 변형되는지를 보여주는 대표적인 환경 과학적 지표다.