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문제 정의
- 국지적인 오염원이 없고, 한국과 중국 대륙 사이에 있어 장거리 이동 오염물질의 거동을 살피는데 최적의 장소이다. 본 연구에서는 이어도 해양과학기지에서 채취한 PM?。시료를 분석하여 농도의 변화 및 수용성 이온 성분의 특성을 살펴보고자 한다. 이러한 연구는 해양지역의 미세입자의 특성뿐만 아니라, 동북아시아 지역의 대기오염 및 장거리 이동에 따른 여러 오염물질의 영향을 파악하고 원인을 규명하는데 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 보인다.
가설 설정
- 4회의 측정기간 동안의 이론값과 측정값의 차이를 손실량으로 하고 이를 당량 비 (ion balance) 와 비교하였다(그림 6). 모든 NO3- 이온은 NH4NO3 의 형태로 존재하고 모든 SO} 이온은 (NH4)2SO4 또는 NH4HSO4의 두 가지 형태로 존재한다고 가정하였다. 낮은 농도를 보이는 Na+ 이온은 무시하였다.
제안 방법
- 2005년 3월에 실시된 ABC-EAREX2005 동안 1시간 연속 측정된 PM, 5 이온 자료(문 광주 등, 2005)와 이어도에서 15~ 16일, 19~20일, 23~24일, 28일 동안 총 4회 채취된 PM25 자료를 비교하였다(그림 7). 비교 기간 동안 전체 이온 농도 변화의 경향성은 유사하였다.
- 32개 시료의 각 이온 성분들을 월별로 평균하여 농도 및 백분율 변화를 나타내었다(표 4). 질량 농도는 봄철에 높았지만, 주요 성분인 SO, " 이온은 상대적으로 낮은 성분비를 보였다.
- 이들의 화학 양론 비를 이용하여 이론적 NOf 농도를 계산하였다.4회의 측정기간 동안의 이론값과 측정값의 차이를 손실량으로 하고 이를 당량 비 (ion balance) 와 비교하였다(그림 6). 모든 NO3- 이온은 NH4NO3 의 형태로 존재하고 모든 SO} 이온은 (NH4)2SO4 또는 NH4HSO4의 두 가지 형태로 존재한다고 가정하였다.
- 양이온은 CS14 (Dionex) 칼럼을, 음이온은 ASII (Dionex) 칼럼을 사용하여 분석하였다. 검출한계는 약 lOppb (μg/L)이며, 분석의 정밀성 및 정확성을 높이기 위하여 시료 10개마다 표준용액을 분석하여 보정하였다.
- 5 질량농도와의 관계를 살펴보았다. 결측치를 제외한 총 66개 시료의 PN&5 질량농도에 대한 풍향 빈도를 계산하였다(그림 5). 풍향을 16개 구역으로 나누어 각각의 빈도수를 계산하여 계절별로 질량과의 상관성을 나타냈다.
- 국내외 해안가 및 섬 지역에서 장기 측정된 PM2.5 질량농도를 비교하였다(표 1). 이어도의 농도는 제주, 태안과 비슷한 수준을 보였으며, 해안가에 위치하면서 산업지역인 대만의 Linyuan지역 농도보다는 확연히 낮았다.
- 본 연구에서는 군집 분석의 결과를 토대로 6개의 군집으로 공기 궤적을 나누어 보았다(그림 4). 군집별 농도 및 월 분포는 측정기간 동안의 역 궤적 중 75% 이상 같은 군집 이 나타나는 자료를 선별하여 계산하였다. 각각의 군집개수는 NW3가 234개로써 전체 측정 기간 중 가장 우세하게 나타났다.
- 2Q04 년 6월 1일부터 2006년 7월 31일까지의 공기의 궤적을 SPSS를 이용하여 결측치를 제외한 755개의 자군집 분석을 실행하였다. 본 연구에서는 군집 분석의 결과를 토대로 6개의 군집으로 공기 궤적을 나누어 보았다(그림 4). 군집별 농도 및 월 분포는 측정기간 동안의 역 궤적 중 75% 이상 같은 군집 이 나타나는 자료를 선별하여 계산하였다.
- 시료 측정 기간 동안 10분 평균된 풍향 자료를 이용하여, pm2.5 질량농도와의 관계를 살펴보았다. 결측치를 제외한 총 66개 시료의 PN&5 질량농도에 대한 풍향 빈도를 계산하였다(그림 5).
- 필터를 초순수 19mL와 ImL의 메탄올을 섞은 용액에 넣어 이온 성분을 용출하였다. 양이온은 CS14 (Dionex) 칼럼을, 음이온은 ASII (Dionex) 칼럼을 사용하여 분석하였다. 검출한계는 약 lOppb (μg/L)이며, 분석의 정밀성 및 정확성을 높이기 위하여 시료 10개마다 표준용액을 분석하여 보정하였다.
- 역 궤적 분석을 위해 NOAA HYSPLIT4를 이용종} 여 1,500m의 고도에 대해 6시간 간격으로 120시간 동안의 공기 거동을 살펴보았다(Rolph, 2003). 2Q04 년 6월 1일부터 2006년 7월 31일까지의 공기의 궤적을 SPSS를 이용하여 결측치를 제외한 755개의 자군집 분석을 실행하였다.
- 공해상에 위치한다. 이 동북아시아의 배경 대기지역에서의 입자성 물질의 거동을 살펴보기 위해 PM25 측정을 실시하였다. 연구 기간 중의 PMh에 대한 전체 평균은 21.
- SO42-, NH「, NO「이온은 대부분 (NH4)2SO4, NH4HSO4, NaNO* NH4NO3, NaSQ의 형태로 존재하게 된다. 이들의 화학 양론 비를 이용하여 이론적 NOf 농도를 계산하였다.4회의 측정기간 동안의 이론값과 측정값의 차이를 손실량으로 하고 이를 당량 비 (ion balance) 와 비교하였다(그림 6).
- 이어도 PM2.5의 질량농도와 이온 조성을 통계 분석과 공기의 역 궤적 분석을 실시하여 미세입자의 기원과 이동경로를 살펴보았다. 해양지역에 위치함에도 해염입자 등의 1차 오염성분에 비해 이차 오염성분이 상대적으로 높은 이온 성분 비를 나타냈고, 이는 한반도나 일본보다는 중국대륙을 거쳐 오는 장거리 이동 오염원에 상당한 영향을 받기 때문이다.
- , 2007). 이어도에서 관측된 미세입자는 공기의 이동 경로 및 체류 시간에 따라 그 농도를 달리 하였다. 해양지역보다 대륙 지역을 거쳐 온 공기에서 고농도를 보였으며, 오랜 체류시간을 가진 공기가 고농도를 나타냈다.
- 입자 농도 변화에 큰 영향을 미친다(Wang 2007; DeGaetano and Doherty, 2004). 이어도에서 측정된 2004년 6월부터 2006년 6월까지의 1시간 평균기상자료를 이용하여 일별 평균 강우 누적량, 강우빈도 수, 상대습도 그리고 온도를 계절별로 나타내었다(그림 2). 봄은 3월~4월.
- 이온 성분(SO广, NO「, Cl\ NH4+, Na+, K+, Mg2+, Ca*은 이온 크로마토그래피 (Waters, 626 system) 로 분석하였다. 필터를 초순수 19mL와 ImL의 메탄올을 섞은 용액에 넣어 이온 성분을 용출하였다.
- 장비 운전의 안전성을 위해 1일 휴식 한 후 3일간 다시 시료를 채취하는 방식으로 한 달간 약 8 개의 시료를 채취하였다. 채취된 필터는 약 2개월 간격으로 기지를 방문할 때마다 교체하였다. 수거된 필터는 즉시 냉동 보관 용기에 담아 운반하였다.
- SCf-와 NH4+는 전체 이온의 59%와 27% 로써 제주도의 45%와 18%보다 높았다. 측정기간 동안 1,000 m와 500 이의 고도에 대해 6시간 간격으로 72시간 동안 공기의 역 궤적 분석을 실시하였다(그림 8). 이 기간 동안 이어도와 고산의 공기궤적은 대부분 유사한 거동을 보였지만, 28일의 경우, 다른 양상을 보였다.
- 수거된 필터는 즉시 냉동 보관 용기에 담아 운반하였다. 측정에 쓰인 필터는 측정 전후 데시케이터에서 항량이 되도록 건조시킨 후 검출한계 0.01 mg의 저울(Denver instrument)로 무게를 측정하였다. 필터의 무게는 3회 측정하여 평균값을 사용하였다.
- 결측치를 제외한 총 66개 시료의 PN&5 질량농도에 대한 풍향 빈도를 계산하였다(그림 5). 풍향을 16개 구역으로 나누어 각각의 빈도수를 계산하여 계절별로 질량과의 상관성을 나타냈다. 상관계수는 0.
대상 데이터
- 2004년 12월부터 2005년 9월 사이 4회 채취된 32 개 시료의 각 이온 성분별 농도 분석을 하였다. 이 기간 중 이온 성분의 평균농도는 SOU-와 NH「가 각각 5.
- 2004년 6월부터 2006년 6월까지 약 2년 동안 대기 중의 PM25 시료를 채취하였다. PM25 채취장비는 싸이클론 방식으로 8개의 필터 팩이 장착되어 연속적으로 채취가 가능한 RAAS 2.
- 2Q04 년 6월 1일부터 2006년 7월 31일까지의 공기의 궤적을 SPSS를 이용하여 결측치를 제외한 755개의 자군집 분석을 실행하였다. 본 연구에서는 군집 분석의 결과를 토대로 6개의 군집으로 공기 궤적을 나누어 보았다(그림 4).
- 바람 등에 의한 장비손상을 막기 위해 해수면으로부터 26m 상공에 위치한 컨테이너 안에 설치하였다. 47 mm Zefluor 필터 (Pall Corp.) 를 이용하여 16.7 1pm의 유량으로 3일간 연속으로 시료를 채취하였다. 2005년 3월의 경우만 이틀간 채취 하였다.
- 장비는 해염입자의 영향을 최소화하고 비. 바람 등에 의한 장비손상을 막기 위해 해수면으로부터 26m 상공에 위치한 컨테이너 안에 설치하였다. 47 mm Zefluor 필터 (Pall Corp.
- 이어도 해양과학기지에서 2년 동안 총 79개의 PM25 시료를 채취하였다. 결측치를 제외한 전체 평균은 21.
- 2005년 3월의 경우만 이틀간 채취 하였다. 장비 운전의 안전성을 위해 1일 휴식 한 후 3일간 다시 시료를 채취하는 방식으로 한 달간 약 8 개의 시료를 채취하였다. 채취된 필터는 약 2개월 간격으로 기지를 방문할 때마다 교체하였다.
데이터처리
- 01 mg의 저울(Denver instrument)로 무게를 측정하였다. 필터의 무게는 3회 측정하여 평균값을 사용하였다. 필터는 무게측정 후 이온 분석을 위해 30 mL 시료병 (HDPE: High Density Polyethylene)에 담아 냉동 보관하였다.
이론/모형
- 중의 PM25 시료를 채취하였다. PM25 채취장비는 싸이클론 방식으로 8개의 필터 팩이 장착되어 연속적으로 채취가 가능한 RAAS 2.5-300 (Thermo Fisher Scientific Inc.)을 사용하였다. 장비는 해염입자의 영향을 최소화하고 비.
성능/효과
- 8 靛血3의 분포가 나타났다. 2년간의 계절적인 변화에서, 봄철의 농도가 다른 계절에 비해 높은 경향을 보였으며 90gg/m3 이상의 농도 또한 2회 나타났다. 여름에는 가을과 겨울의 농도와 비슷한 중간값을 보였으나, 전체적으로 평균값은 타 계절에 비해 낮게 나타났다.
- 이는 난방 연료로써 석탄의 사용이 급격히 증가하기 때문이다. HYSPLIT 역궤적 분석, 주풍향 분석을 통해 이어도 지역 대기는 중국대륙을 거쳐 오는 공기 덩어리에 큰 영향을 받으며 PM25 농도 또한 서풍 계열의 바람과 밀접한 관련 이 있음을 확인하였다. 이러한 결과로 이어도가 제주도보다 높은 농도를 보이면서도 유사한 농도변화를 띄는 것으로도 보여진다.
- 899의 높은 상관계수를 보였으며 질량농도와 매우 높은 상관성을 보였다. SO广와 N%+와 같이 인위적으로 발생되어 대기 중 화학반응에 의해 이차적으로 생성되는 이온 성분들의 농도가 높았다. 특히 석탄과 같은 화석연료에서 주로 발생되는 SO;; 가 대기 중에서 광화학 반응에 의해 생성된 so『-가 질량농도에 가장 높은 비중을 차지하였다.
- 반면 태평양(E)에서 이동한 공기에서 가장 낮은 농도를 보였다. 몽골 서부와 러 시 아에서 유입되어 빠르게 이동한 공기보다 중국을 거쳐 이어도 주변에서 오래 머문 공기에서 더 높은 농도가 나타났다. 특히 40gg/m3 이상의 농도가 나타났을 때, 대부분 공기가 중국 산동(山東)반도 주변을 거쳐 운반되었다.
- 3 μg/n? 미만으로 낮았다. 이어도는 해양에 위치함에도 불구하고, 해염입자성분과 같은 1차 오염성분보다 광화학반응 등에 의해 생성되는 2차 오염성분이 큰 농도비를 보였다. Na+가 낮은 농도를 보였기 때문에 SO42-의 대부분이 nss-SCM■■임을 알 수 있다.
- 5 질량농도를 비교하였다(표 1). 이어도의 농도는 제주, 태안과 비슷한 수준을 보였으며, 해안가에 위치하면서 산업지역인 대만의 Linyuan지역 농도보다는 확연히 낮았다. 하지만 국지적인 오염원이 없음에도 청정지역인 아일랜드 일본, 미국의 측정지역보다 2배 이상의 고농도를 보였다.
- 이때 이어도의 NO「농도는 앞선 3회의 측정 기간에 비해 매우 낮았으며 양이온도 대부분 NF%+으로 존재하였다. 이어도의 이온농도는 전체적으로 제주도에 비해 높게 나타났으며, 2차 오염원의 비율 또한 상대적으로 높았다. 지정학적으로 이어도가 제주도에 비해 중국의 영향을 더 크게 받기 때문에 농도가 상대적으로 높은 것으로 보인다.
- 5|ig/m3)로 나타났다. 중국 동북부(NW2)에서 발생 한 공기와 중국과 한반도 주변지역 (NW3)에 오래 머무른 공기에서 가장 높은 농도를 보였다. 반면 태평양(E)에서 이동한 공기에서 가장 낮은 농도를 보였다.
후속연구
- 본 연구에서는 이어도 해양과학기지에서 채취한 PM?。시료를 분석하여 농도의 변화 및 수용성 이온 성분의 특성을 살펴보고자 한다. 이러한 연구는 해양지역의 미세입자의 특성뿐만 아니라, 동북아시아 지역의 대기오염 및 장거리 이동에 따른 여러 오염물질의 영향을 파악하고 원인을 규명하는데 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 보인다.
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