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문제 정의
- 두 지역은 배출원의 특성이 다를 뿐만 아니라 내륙과 해안에 위치하는 지역적 특성에 따라 계절별 기상특성 역시 뚜렷한 차이를 보인다. 그러므로 본 연구에서는 서울과 고산의 다른 기상특성과 계절별 에어로졸의 농도분포 특성을 고려하여 입자의 수분함유량을 추정하였고 화학성분에 따른 에어로졸의 광학 기여도를 살펴보았다.
- 보인다. 그러므로 본 연구에서는 인위적 오염원이 많은 서울과 대표적 청정지역으로 알려진 고산에서 계절별 에어로졸의 농도변화와 함께 에어로졸의 광학 특성에 대해 살펴보았다.
- 분석하는 것은 쉬운 일이 아니다. 본 연구에서는 위에서 언급한 여러 제한점을 감안하여 에어로졸의 직접 배출이 많은 서울과 장거리 이동의 영향을 볼 수 있는 고산에 서의 에어로졸 광학 특성을 비교하였다. 두 지역은 배출원의 특성이 다를 뿐만 아니라 내륙과 해안에 위치하는 지역적 특성에 따라 계절별 기상특성 역시 뚜렷한 차이를 보인다.
가설 설정
- 1 배 하였다. 유기 탄소 중 수용성 유기탄소 성분은 각각 홍콩의 도심과 시골의 비율을 적용하여 서울에서 45%, 고산에서 64%를 차지한다고 가정하였다(Yu, 2002).
- 25 ~40μm 파장범위와 0~99% 상대습도 범위에서의 광학 특성을 알려준다. 이때 에어로졸의 광학특성은 Mie 이론을 통해 계산되고 구름과 에어로졸은 외부혼합 (external mixtures)을 가정한다. OPAC에서는 다양한 상대습도에 따라 에어로졸의 광학특성을 계산하지만 같은 상대습도에서 건조한 에어로졸과 습한 에어로졸의 입경이 달라지는 현상(hysteresis effect) 은 고려하지 못한다.
- 층까지 적분하여 구하였다. 이때 지표에서 에어로졸 층까지의 성분별 농도가 균일하다고 가정하였으며 (Kim et al., 2006; Markowicz et al., 2003), 에어로졸 층은 Kim 阵 (2007b)의 서울과 고산의 라이다 연직 자료를 이용하여 전체 에어로졸의 70% 이상을 차지하는 영역에서 결정하였다. 그림 3에서는 이렇게 구한 각각의 화학성분별 에어로졸 광학두께를 보여준다.
제안 방법
- 본 연구에서는 2.1 절에서 구한 주요 수용성 이온의 농도와 표 1(a)의 에어로졸 측정 당시의 기상 조건을 입력자료로 하여 평형상태에 이르렀을 때의 입자상 에어로졸의 농도와 수분함량을 계산하였다.
- 이때 측정한 에어로졸의 화학 성분별 농도를 모델에서 얻어진 단일입자에 대한 질량농도로 나누어 에어로졸의 수 농도를 계산하였고, 이를 이용해 계절별 에어로졸의 광학 기여도를 산출하였다. OPAC에서 계산된 계절별 에어로졸 광학두께는 나중에 선포터미터로 관측한 에어로졸 광학두께와 비교하였다.
- 관심파장에서의 화학성분별 에어로졸 광학두께는 OPAC에서 구한 단일입자에 대한 소산계수에 에어로졸의 수 농도를 곱한 후 이 값을 지표에서 에어로졸 층까지 적분하여 구하였다. 이때 지표에서 에어로졸 층까지의 성분별 농도가 균일하다고 가정하였으며 (Kim et al.
- 본 연구에서 언급되는 모든 에어로졸광학두께는 550 nm에서의 값이므로 측정자료가 존재한다면 PM”보다는 산란과 흡수가 크게 일어나는 PM」, 와 비교하는 것이 훨씬 바람직할 것이다. 그러나 동일한 기간에 측정한 PM®의 질량농도를 구하는 것이 쉽지 않아 동일한 방법으로 지표에서 측정한 PM” 농도를 이용하여 측정된 에어로졸 광학두께와 계산된 에어로졸 광학두께의 차이를 비교해 보았다. 그 결과 조대입자의 영향이 강한 봄철을 제외하면 모든 계절에 에어로졸 광학두께는 PM” 질량농도에 비례 하는 것을 알 수 있었다.
- 특히 우리나라의 경우 에어로졸의 화학성분은 1990년대 초반부터 본격적인 측정이 이루어진 반면 에어로졸의 광학 측정은 2000년대 초반부터 시작되어 비교적 최근에 관측결과가 분석되고 있는 실정 이다. 그러므로 본 연구에서는 에어로졸의 화학성분 측정과 광학측정의 시기가 다르다는 것을 감안하여 계절특성이 현저히 다른 두 지역의 계절 특성에 초점을 맞추었다. Kim er a/.
- 에어로졸 연직분포의 계절 변화를 살펴보기 위해 1997년 10월에서 2004년 6월까지 서울과 고산의 라이다 자료를 이용해 신호가 매우 약하거나 노이즈가 심한 자료는 제외하였고 동일한 지역에 위치한 선포터미터 자료와 비교하여 낮 동안 구름에 의한 영향을 제거하였다. 밤에는 대류 경 계 층 이 하에서 소산계 수가 1.0 km'1 이 상인 값을, 대류경계층 이상에서는 소산계수가 0.5kn「' 이상인 값을 취하여 구름의 효과를 제거한 후 에어로졸의 영향만을 살펴보았다.
- 그러나 측정 . 분석자료가 풍부하더라도 연직 특성을 관측하는 광학자료와 지표에서 측정하는 화학성분별 농도자료를 비교 . 분석하는 것은 쉬운 일이 아니다.
- 관심파장인 550nm에서의 에어로졸 광학두께 (Aerosol Optical Depth: AOD)를 살펴보기 위해 본 연구에서는 관측파장을 2차 함수로 내삽하여 사용하였다(Kaskaoutis and Kambezidis, 2006; Knapp and Stowe, 2002). 선포터미터로 관측하는 에어로졸 광학두께는 구름이 없는 맑은 날 낮에 측정이 이루어졌으며 자료를 처리하는 과정에 있어서 구름이 있다고 여겨지는 날은 구름제거 알고리즘을 통해 스크리닝을 거친 후 이용하였다. 표 1(b)에서 선 포터 미터 관측 기간은 에어로졸 측정일과 차이가 있지만 본 연구에서는 에어로졸의 화학성분과 광학 특성의 계절변화에 관심을 두고 있기 때문에 관측일수와 샘플 수를 고려한다면 도심과 배경농도를 대표하는 두 지역의 계절변화를 살펴보기에 무리가 없다고 여겨진다.
- 디누더-필터팩 시스템에서 주요 가스상 물질은 NaCL NaqOs Citric Acid로 코팅 된 3단 원형 디누더 (URG, USA)에 흡착하였고 수용성 이온 성분은 테플론과 나일론의 2단 필터팩에 포집하였다. 수용성 이온 성분은 증류수와 메탄올에 적셔 초음파세척기 (Brason, 8210)에서 용출한 후 이온 크로마토그래피 (Dionex. DX-100)를 이용해 분석하였다. 주요 원소농도는 PIXE (Proton-Induced X-ray Emission spectroscopy; Menzel et al.
- 에어로졸의 연직분포는 523.5 nm 파장의 빛을 발사하여 후방 산란되는 양을 관측하는 라이다(Micro- Pulse Lidar; SES Inc., USA)를 통해 살펴보았다. 본연구에서는 Kim " (2007b)의 연구에서와 마찬가지로 지표에서 9km까지 연직 30m 간격으로 10분씩 이동 평균(moving average)한 자료를 이용 하였으며 전체 소산계수에 대한 후방산란 비율을 나타내는 라이 다 비는 45.
- 에어로졸의 화학성분 농도는 표 1(a)와 같은 계절별 기상조건에서 내륙 도심지역인 서울과 청정 해안지역인 고산에서 표 2와 같은 샘플러와 필터를 이용하여 각각 측정하였다. 서 울의 에 어 로졸은 Kang et al.
- 흡수계수, 단일 산란 알베도 등을 계산하였다. 이때 측정한 에어로졸의 화학 성분별 농도를 모델에서 얻어진 단일입자에 대한 질량농도로 나누어 에어로졸의 수 농도를 계산하였고, 이를 이용해 계절별 에어로졸의 광학 기여도를 산출하였다. OPAC에서 계산된 계절별 에어로졸 광학두께는 나중에 선포터미터로 관측한 에어로졸 광학두께와 비교하였다.
- , 1993a, b)는 황산염, 질산염, 암모늄 둥과 같은 인위적인 오염성분과 칼슘, 마그네슘, 나트륨등 토양 및 해염 성분들을 바탕으로 기온, 상대습도 등의 기상자료로부터 오염물질의 기체/입자상의 분배와 입자내 수분함량. 입자의 강산성도를 예측한다. 대기 중 에어로졸의 화학조성은 수분함량과 강산성도에 따라 결정되지만 현재의 입자 포집 방법으로는 입자내 수분과 산성도를 정량적으로 측정하기 어렵다.
- 이때 고산에서 사용한 필터팩은 서울과 달리 디누더를 장착하지 않은 상태이므로 샘플링 중간에 반휘발성 에어로졸의 휘발에 의한 오차가 발생할 수 있음을 고려해야 한다. 테플론 필터에 포집된 에어로졸의 질량농도는 샘플링 전후의 무게를 측정하여 구하였으며 이온 중 수용성 성분은 증류수와 초순수로 용출시킨 후 이온크로마토그래 피 (Dinex-100)로 분석하였다. 유기 탄소와 원소탄소는 미국 캘리포니아에 있는 AtmAA (Atmospheric Assessment Associates, Inc.
- 이는 OPAC 계산의 입력자료로 이용된 에어로졸 농도가 선포터미터 관측 당시의 에어로졸 농도보다 높았기 때문으로 여겨진다. 표 4에서 OPAC 계산에 이용된 에어로졸 측정일과 선포터미터 관측일에 해당하는 에어로졸의 계절변화를 환경부의 PMk, 농도를 통해 확인하였다. 본 연구에서 언급되는 모든 에어로졸광학두께는 550 nm에서의 값이므로 측정자료가 존재한다면 PM”보다는 산란과 흡수가 크게 일어나는 PM」, 와 비교하는 것이 훨씬 바람직할 것이다.
- 산란 . 흡수계수, 단일 산란 알베도 등을 계산하였다. 이때 측정한 에어로졸의 화학 성분별 농도를 모델에서 얻어진 단일입자에 대한 질량농도로 나누어 에어로졸의 수 농도를 계산하였고, 이를 이용해 계절별 에어로졸의 광학 기여도를 산출하였다.
대상 데이터
- , 1998)의 Cimel 318-1 선포터미터 (Sun photometer) 자료를 이용하였다. 서울은 서울대학교 (북위 37°27'28", 동경 126°57'03", 116m) 자연과학대학 옥상에서 관측하였고 고산은 앞에서 설명한 고산 관측소(북위 33°17'31", 동경 126°09, 43, /, 72 m) 에서 관측하였다. 선포터미터는 다중채널을 사용하는 automatic sun-and-sky scanning radiometer로 직 달일 사와 산란일사를 관측하며 관측파장은 1020.
- PMu 채취를 위해 Kim a a/. (2007a)의 연구와 같이 필터팩과 싸이클론(URG, USA)을 이용하여 현장 컨테이너 옥상에서 공기를 포집하였다. 이때 고산에서 사용한 필터팩은 서울과 달리 디누더를 장착하지 않은 상태이므로 샘플링 중간에 반휘발성 에어로졸의 휘발에 의한 오차가 발생할 수 있음을 고려해야 한다.
- 870. 675, 440 nm이다. 관심파장인 550nm에서의 에어로졸 광학두께 (Aerosol Optical Depth: AOD)를 살펴보기 위해 본 연구에서는 관측파장을 2차 함수로 내삽하여 사용하였다(Kaskaoutis and Kambezidis, 2006; Knapp and Stowe, 2002).
- 675, 440 nm이다. 관심파장인 550nm에서의 에어로졸 광학두께 (Aerosol Optical Depth: AOD)를 살펴보기 위해 본 연구에서는 관측파장을 2차 함수로 내삽하여 사용하였다(Kaskaoutis and Kambezidis, 2006; Knapp and Stowe, 2002). 선포터미터로 관측하는 에어로졸 광학두께는 구름이 없는 맑은 날 낮에 측정이 이루어졌으며 자료를 처리하는 과정에 있어서 구름이 있다고 여겨지는 날은 구름제거 알고리즘을 통해 스크리닝을 거친 후 이용하였다.
- 유기탄소(OC), 원소탄소(EC)를 측정하였다. 디누더-필터팩 시스템에서 주요 가스상 물질은 NaCL NaqOs Citric Acid로 코팅 된 3단 원형 디누더 (URG, USA)에 흡착하였고 수용성 이온 성분은 테플론과 나일론의 2단 필터팩에 포집하였다. 수용성 이온 성분은 증류수와 메탄올에 적셔 초음파세척기 (Brason, 8210)에서 용출한 후 이온 크로마토그래피 (Dionex.
- 。. 루- 관측하는 AERONET (Aerosol Robotic Network; Holben et al., 1998)의 Cimel 318-1 선포터미터 (Sun photometer) 자료를 이용하였다. 서울은 서울대학교 (북위 37°27'28", 동경 126°57'03", 116m) 자연과학대학 옥상에서 관측하였고 고산은 앞에서 설명한 고산 관측소(북위 33°17'31", 동경 126°09, 43, /, 72 m) 에서 관측하였다.
- (2007b) 은 동아시아의 MODIS (MODerate Resolution Imaging Spectrometer), AERONET, 라이다의 월별자료를 분석하며, 에어로졸 광학두께 최대값이 6월에 나타나는 이유를 상대적으로 낮은 풍속으로 인한 오염물질의 축적, 태양 복사에너지 증가로 인한 2차 에어로졸의 생성. 상대습도 증가로 인한 흡습성 에어로졸의 성장과 중국 동쪽 해안에서 발생하는 바이오매스 연소 등으로 추정하였다. 본 연구에서는 여름철 에어로졸의 흡습 성장에 관심을 갖고 SCAPE를 통해 입자내 수분을 계산한 결과 다른 계절에 비해 여름철 흡습성장이 지배적이지는 않았다.
- 서울은 서울대학교 (북위 37°27'28", 동경 126°57'03", 116m) 자연과학대학 옥상에서 관측하였고 고산은 앞에서 설명한 고산 관측소(북위 33°17'31", 동경 126°09, 43, /, 72 m) 에서 관측하였다. 선포터미터는 다중채널을 사용하는 automatic sun-and-sky scanning radiometer로 직 달일 사와 산란일사를 관측하며 관측파장은 1020. 870.
- (2004)에서와 같이 지상 15m의 건물에 세 대의 디누더 시스템을 장착하여 주요 가스상 물질과 수용성 이온 성분들. 유기탄소(OC), 원소탄소(EC)를 측정하였다. 디누더-필터팩 시스템에서 주요 가스상 물질은 NaCL NaqOs Citric Acid로 코팅 된 3단 원형 디누더 (URG, USA)에 흡착하였고 수용성 이온 성분은 테플론과 나일론의 2단 필터팩에 포집하였다.
이론/모형
- , USA)를 통해 살펴보았다. 본연구에서는 Kim " (2007b)의 연구에서와 마찬가지로 지표에서 9km까지 연직 30m 간격으로 10분씩 이동 평균(moving average)한 자료를 이용 하였으며 전체 소산계수에 대한 후방산란 비율을 나타내는 라이 다 비는 45.8 sr을 사용하여 Femald(1984)의 방법으로 소산계수를 산출하였다. 에어로졸 연직분포의 계절 변화를 살펴보기 위해 1997년 10월에서 2004년 6월까지 서울과 고산의 라이다 자료를 이용해 신호가 매우 약하거나 노이즈가 심한 자료는 제외하였고 동일한 지역에 위치한 선포터미터 자료와 비교하여 낮 동안 구름에 의한 영향을 제거하였다.
- 본 연구에서는 에어로졸의 상변화를 계산해 주는 평형 모델과 에어로졸에 의한 광학특성을 계산해 주는 광학모델 이 동시에 사용되었다. SCAPE (Simulat- ing Composition of Atmospheric Particles at Equilibrium; Kim et al.
- 테플론 필터에 포집된 에어로졸의 질량농도는 샘플링 전후의 무게를 측정하여 구하였으며 이온 중 수용성 성분은 증류수와 초순수로 용출시킨 후 이온크로마토그래 피 (Dinex-100)로 분석하였다. 유기 탄소와 원소탄소는 미국 캘리포니아에 있는 AtmAA (Atmospheric Assessment Associates, Inc.)에 의뢰하여 TMO (Thermal Manganese dioxide Oxidation; Fung, 1990) 방법을 이용해 분석하였다. 고산에서 측정한 에어로졸 성분에 대한 분석방법은 한진석 등(2004) 과 Lee ew/.
- 주요 원소농도는 PIXE (Proton-Induced X-ray Emission spectroscopy; Menzel et al., 2002; Valkovic et al, 1974) 방법으로 분석하였고 유기탄소와 원소탄소 측정에 사용돈! 필터는 DRI (Desert Research Institute, Nevada, USA)에 의뢰하여 TOR(Thermal/Optical Reflectance; Chow etal., 2004) 방법으로 분석하였다. 서울에서 측정한 에어로졸의 분석방법에 대한 보다 자세한 설명은 강충민(2003)에서 확인할 수 있다.
성능/효과
- 반면 고산에서는 봄철을 제외한 모든 계절에서 수용성 이온이 차지하는 비율이 전체 에어로졸의 70% 이상이었으며 수용성 이온의 광학 기여도 역시 85~94%로 높게 나타났다. 서울에 비해 겨울철 기온이 높고 상대습도가 높은 고산의 경우(표 1(a), (b)) 수용성 이온이 차지하는 비율은 88%로 다른 계절에 비해 높았고 입자내 수분 또한 높을 것으로 예상하였다. 고산에서는 겨울에 입자내 수분과 함께 수용성 이온에 의한 산란이 증가하면서 소산계수에 미치는 영향이 94%로 다른 계절에 비해 큰 것을 확인할 수 있었다.
- 서울에 비해 겨울철 기온이 높고 상대습도가 높은 고산의 경우(표 1(a), (b)) 수용성 이온이 차지하는 비율은 88%로 다른 계절에 비해 높았고 입자내 수분 또한 높을 것으로 예상하였다. 고산에서는 겨울에 입자내 수분과 함께 수용성 이온에 의한 산란이 증가하면서 소산계수에 미치는 영향이 94%로 다른 계절에 비해 큰 것을 확인할 수 있었다.
- 그러나 동일한 기간에 측정한 PM®의 질량농도를 구하는 것이 쉽지 않아 동일한 방법으로 지표에서 측정한 PM” 농도를 이용하여 측정된 에어로졸 광학두께와 계산된 에어로졸 광학두께의 차이를 비교해 보았다. 그 결과 조대입자의 영향이 강한 봄철을 제외하면 모든 계절에 에어로졸 광학두께는 PM” 질량농도에 비례 하는 것을 알 수 있었다. 앞에서 언급한 바와 같이 광학모델 계산에 의한 에어로졸 광학두께는 서울과 고산 모두 가을, 겨울에 선포터미터 관측에 의한 에어로졸 광학두께보다 높았고 이때의 에어로졸 질량농도 역시 높게 나타났다.
- 여름에는 대기 중에 풍부한 수증기량으로 인해 중층 대류권까지 존재하는 수용성 에어로졸의 흡습성장이 클 것으로 예상하였으나 화학 평형 모델을 통해 입자내 수분함량을 계산한 결과 수분의 영향은 미미하였다. 그러나 기온과 상대습도가 높고 수용성 이온의 농도가 풍부한 고산 에어로졸의 수분 함유 능력이 서울에 비해 크다는 것을 확인할 수 있었다.
- 60으로 다른 계절에 비해 흡수계수에 기여하는 원소탄소의 영향이 큰 것을 알 수 있다. 또한 그림 3에서도 여름철 서울의 원소탄소 화학조성이 17%로 다른 계절에 비해 가장 높은 비중을 차지하면서 전체 소산계수 중 원소탄소의 기여도가 48%로 높게 구해졌다. 반면 고산에서는 겨울철에 수噜성 이온이 전체 에어로졸의 88%를 차지하면서 전체 소산계수에서 수용성 에어로졸에 의한 영향이사계절 중 가장 높았다.
- 서울과 고산 모두 흡수 에어로졸보다는 산란 에어로졸의 영향이 크다는 것을 알 수 있다. 또한 전체적으로 서울의 단일산란 알베도가 고산보다 낮은 것을 볼 때 서울에서 흡수 에어로졸의 영향이 고산보다 훨씬 큰 것을 알 수 있다. 그러나 Carrico et al.
- 도심에서는 적은 양의 원소탄소가 흡수계수를 증가시키면서 소산계수를 증가시키는 것을 알 수 있었다. 반면 고산에서는 봄철을 제외한 모든 계절에서 수용성 이온이 차지하는 비율이 전체 에어로졸의 70% 이상이었으며 수용성 이온의 광학 기여도 역시 85~94%로 높게 나타났다. 서울에 비해 겨울철 기온이 높고 상대습도가 높은 고산의 경우(표 1(a), (b)) 수용성 이온이 차지하는 비율은 88%로 다른 계절에 비해 높았고 입자내 수분 또한 높을 것으로 예상하였다.
- 상대습도 증가로 인한 흡습성 에어로졸의 성장과 중국 동쪽 해안에서 발생하는 바이오매스 연소 등으로 추정하였다. 본 연구에서는 여름철 에어로졸의 흡습 성장에 관심을 갖고 SCAPE를 통해 입자내 수분을 계산한 결과 다른 계절에 비해 여름철 흡습성장이 지배적이지는 않았다. 다만 여름의 높은 기온과 상대습도는 에어로졸이 흡습 성장하기에 충분한 기상 조건을 만족하지만 에어로졸의 농도가 워낙 낮기 때문에 입자내 수분의 절대량이 높지는 않았다.
- 그림 3에서는 이렇게 구한 각각의 화학성분별 에어로졸 광학두께를 보여준다. 서울과 고산 모두 계절별 에어로졸 농도에 의한 에어로졸 광학두께는 수용성 이온에 의한 기여도가 크게 나타났다. 특히 서울에서는 고산과 달리 [Soot] 에 의한 기 여 도가 두드러 졌다.
- 에어로졸의 계절변화와 관련하여 두 지역의 에어로졸 광학두께를 선포터미터로 관측한 결과 에어로졸의 농도가 낮은 여름에 오히려 에어로졸 광학두께가 높았다. 여름에 지표 에어로졸의 질량농도는 낮게 측정되었으나 실제 에어로졸의 연직 부하량은 크다는 것을 라이다을 통해 확인할 수 있었다.
- 높았다. 여름에 지표 에어로졸의 질량농도는 낮게 측정되었으나 실제 에어로졸의 연직 부하량은 크다는 것을 라이다을 통해 확인할 수 있었다. 여름에는 대기 중에 풍부한 수증기량으로 인해 중층 대류권까지 존재하는 수용성 에어로졸의 흡습성장이 클 것으로 예상하였으나 화학 평형 모델을 통해 입자내 수분함량을 계산한 결과 수분의 영향은 미미하였다.
후속연구
- 표 4에서 OPAC 계산에 이용된 에어로졸 측정일과 선포터미터 관측일에 해당하는 에어로졸의 계절변화를 환경부의 PMk, 농도를 통해 확인하였다. 본 연구에서 언급되는 모든 에어로졸광학두께는 550 nm에서의 값이므로 측정자료가 존재한다면 PM”보다는 산란과 흡수가 크게 일어나는 PM」, 와 비교하는 것이 훨씬 바람직할 것이다. 그러나 동일한 기간에 측정한 PM®의 질량농도를 구하는 것이 쉽지 않아 동일한 방법으로 지표에서 측정한 PM” 농도를 이용하여 측정된 에어로졸 광학두께와 계산된 에어로졸 광학두께의 차이를 비교해 보았다.
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