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문제 정의
- 그리고 야외관측캠페인 기간 동안 CMP- DOAS를 이용하여 두 광경로에서 동시에 이산화질소를 측정한 첫 응용사례에 대해 소개하고자 한다.
- 특히, 이동하는 배출원이 존재하는 지역 및 대상지역이 복잡한 지형 특성을 가지고 있을 때는 확산상태를 파악하기가 더욱 어렵다. 복잡한 구조의 도로를 포함하고 있는 도시에서 가스상오염물질의 공간적 분포를 파악하는 것이 그 예이다. 이러한 관측장소에서는 미량기체의 확산을 정확히 이해하기 위해서는 관측장비의 높은 공간 및 시간분해능이 요구된다.
- 본 연구는 이차원 CCD 검출기를 LP(LongPath)- DOAS 기술에 적용한 것에 해당한다. 따라서 선행연구들(Lee el al.
- 본 연구에서는 CMP-DOAS를 처음으로 개발하고 현장 분석에 응용한 첫 연구사례를 소개하고자 두 개의 광경로에서 동시에 이산화질소의 혼합비를 측정한 예를 제시하였다. 한달 동안의 테스트 기간 동안, 지점 모니터링과의 비교검증에서 이산화질소의 경시적 변화 경향이 높은 상관관계를 유지한다는 사실을 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 처음으로 개발한 인공광원을 광원으로 하는 능동형 CMP-DOAS의 원리를 소개하고자 하였다. 그리고 야외관측캠페인 기간 동안 CMP- DOAS를 이용하여 두 광경로에서 동시에 이산화질소를 측정한 첫 응용사례에 대해 소개하고자 한다.
- 가능하다. 이를 통해 각각의 광경로에 존재하는 대기 미량기체의 공간적 농도분포를 동시에 실시간측정 하는 첫 연구사례 이다. Leigh et al.
제안 방법
- 2009년 1월 1일부터 30일까지 30일 동안 CMP* DOAS를 이용한 두 광경로에서 이산화질소의 평균농도를 한 시간 간격으로 연속적으로 관측 하였다. 관측순서는 램프시그널을 받은 후 램프를 끄고 동일한 노출시간으로 대기 배경시그널을 측정하였다.
- CMP-DOAS로 관측한 결과의 검증을 위하여 화학 발광형 이산화질소 실시간 모니터 링 장비 (ECOTECH, EC9841A)를 광원들과 동일한 장소에 배치시켜 관측하였다. 사용한 화학발광형 이산화질소 모니터링 장비는 0.
- 또한 측정한 스펙트럼에서 Xenon 램프의 고유 시그널을 제거해 주기 위해, 관측 전후에 측정한 Xenon 램프 시그널을 빼주었다. Xenon 램프 시그널과 암전류 등 다양한 간섭영향을 제거한 스펙트럼은 로그를 취한 후 대 기분자와 에 어로솔에 의한 Rayleigh 및 Mie 산란에 의한 영향을 제거해 주었다. 이를 수행하기 위해 수치적으로 파장에 대한 빠른 변화특성 신호만을 통과 시 키는 필터 링 (high pass filtering)을 하였다.
- 그림 1은 위에서 바라본 CMP-DOAS 의 구성을 보여주고 있다. 관측대상 지점에 원하는 파징영역을 포함하는 광원들을 위치시키고 시스템의 수신 망원경들로 광원들로부터 조사한 빛을 수신 및 집광시켜 광섬유를 통해 분광기로 광신호를 전송한다. 이때, 광섬유는 그림 1에서 보는 바와 같이 세로로 직렬배열하여 이차원 toroidal 반사경의 상하부에 각각 조사하게 된다.
- 하였다. 관측순서는 램프시그널을 받은 후 램프를 끄고 동일한 노출시간으로 대기 배경시그널을 측정하였다. 또한 관측 전 후에 대기 중 광경로를 통과하지 않은 Xenon 램프를 시스템 가까이에서 측정하였다.
- 4 nm 의 파장 분해능을 가진다. 광섬유의 상하부를 통해전송되 어 CCD 칩 상하부에 각각 집광한 광신호의 상호 간섭을 피하기 위해, 그림 2와 같이 CCD 칩에 광신호를 분리 조사할 수 있도록 분광기 입구 슬릿에서 두 광섬유 사이에 충분한 간격을 두었다.
- 5 km 혹은 1km에서 특정농도의 이산화질소를 지속적으로 유지하면서 연속측정을 할 수 있어야 한다. 그러나 현실적으로 이와 같은 조건을 유지하기는 어려움이 있으므로 측정한 최대오차- 를 이용하여 최소검출한계를 대략적으로 산출할 수 있었다. 관측기간 동안 측정한 최대 오차는 1.
- 50°E) 옥상에 시스템을 설치하였다. 두 광원은 그림 3에 묘사한 바와 같이 광주과학기술원 정문 앞도로를 부분적으로 가로질러 수신시스템으로부터 서쪽과 동남쪽에 각각 0.57 km (광경 로 1)와 0.96 km (광경로 2) 떨어진 곳에 배치 시켰다. 시스템은 지상에서 15m 그리고 광경로 (1)과 (2)에 해당하는 광원은 지상으로부터 각각 6 m와 8 m 고도에 배치하였다.
- 관측순서는 램프시그널을 받은 후 램프를 끄고 동일한 노출시간으로 대기 배경시그널을 측정하였다. 또한 관측 전 후에 대기 중 광경로를 통과하지 않은 Xenon 램프를 시스템 가까이에서 측정하였다. 수은램프를 관측하여 관측한 수은 시그널을 스펙트럼 분석 시 파장과 픽셀 매핑에 사용하였다.
- 이를 수행하기 위해 수치적으로 파장에 대한 빠른 변화특성 신호만을 통과 시 키는 필터 링 (high pass filtering)을 하였다. 또한 불필요한 노이즈를 제거하기 위해 파장에 대한 느린 변화특성 신호만을 통과시키는 필터링 (low pass filtering)을 실행하였다. 최종 처리한 스펙트럼에서 농도를 구하기 위해 기준 이산화질소 스펙트럼 (Van- daele et al.
- 암전류와 영점보정 및 대기 중 원하지 않는 경로로 들어온 빛의 영향을 제거하기 위해 관측한 스펙트럼에서 배경스펙트럼을 빼주었다. 또한 측정한 스펙트럼에서 Xenon 램프의 고유 시그널을 제거해 주기 위해, 관측 전후에 측정한 Xenon 램프 시그널을 빼주었다. Xenon 램프 시그널과 암전류 등 다양한 간섭영향을 제거한 스펙트럼은 로그를 취한 후 대 기분자와 에 어로솔에 의한 Rayleigh 및 Mie 산란에 의한 영향을 제거해 주었다.
- 그러나 본 연구에서 개발한 CMP-DOAS의 경우 인공광원을 이용함으로 광경로 길이를 정확히 파악할 수 있으므로 대상기체의 농도 정보를 제공할 수 있다. 또한 태양광을 사용하는 경우 저녁 관측이 현실적으로 어려우나 본 연구에서는 기존의 Concur- rent MAX-DOAS를 능동형 CMP-DOAS로 적용하여 낮과 밤 연속 관측이 가능하다. 특히, 자연광을 이용하는 수、동형보다 외부 환경 및 날씨의 영향을 받지 않고 지속적인 관측을 수행할 수 있는 장점을 가지고 있다.
- 사용하였다. 램프의 빛을 반사경을 이용하여 평형광을 만들어 빛의 확산에 의한 손실을 최소화하였다. 시스템의 수신 망원경은 볼록 석영렌즈(f=200 mm, 0=50.
- 광원수신망원경을 통해 들어온 빛은 광섬유를 통해 분광기로 전송한다. 본 연구에서는 두 개의 광경로에 해당하는 각각의 광섬유를 분광기 (Czerny Turner type, f/# 3)의 입구 슬릿에 연결하였다. 분광기 입구 슬릿은 세로 15 mm 가로 0.
- 기술 (Platt and Stutz, 2008)과 분석 방법을 근거하여 WinDOAS (Van Roozendael and Fayt, 2001)를 이용하여 Xenon 램프로 측정한 스펙트럼을 분석하였다. 수은램프로 측정한 스펙트럼을 이용하여 세로축의 파장정보를 지닌 2, 048개의 픽셀을 파장 정보로 변환하였다. 암전류와 영점보정 및 대기 중 원하지 않는 경로로 들어온 빛의 영향을 제거하기 위해 관측한 스펙트럼에서 배경스펙트럼을 빼주었다.
- 시스템의 정밀도를 산출하기 위해, 499.9ppbv의 이산화질소를 채운 10cm 지름의 셀로 20회 연속측정 하였다. 정밀도는 다음과 같이 계산할 수 있다.
- 수은램프로 측정한 스펙트럼을 이용하여 세로축의 파장정보를 지닌 2, 048개의 픽셀을 파장 정보로 변환하였다. 암전류와 영점보정 및 대기 중 원하지 않는 경로로 들어온 빛의 영향을 제거하기 위해 관측한 스펙트럼에서 배경스펙트럼을 빼주었다. 또한 측정한 스펙트럼에서 Xenon 램프의 고유 시그널을 제거해 주기 위해, 관측 전후에 측정한 Xenon 램프 시그널을 빼주었다.
- Xenon 램프 시그널과 암전류 등 다양한 간섭영향을 제거한 스펙트럼은 로그를 취한 후 대 기분자와 에 어로솔에 의한 Rayleigh 및 Mie 산란에 의한 영향을 제거해 주었다. 이를 수행하기 위해 수치적으로 파장에 대한 빠른 변화특성 신호만을 통과 시 키는 필터 링 (high pass filtering)을 하였다. 또한 불필요한 노이즈를 제거하기 위해 파장에 대한 느린 변화특성 신호만을 통과시키는 필터링 (low pass filtering)을 실행하였다.
대상 데이터
- CMP-DOAS를 이용한 대기 중 이산화질소 농도측정을 위해 광주광역시 시내로부터 북쪽에 위치한 광주과학기술원 고등광 기술연구소 (35.13°N, 126.50°E) 옥상에 시스템을 설치하였다. 두 광원은 그림 3에 묘사한 바와 같이 광주과학기술원 정문 앞도로를 부분적으로 가로질러 수신시스템으로부터 서쪽과 동남쪽에 각각 0.
- Locations of CMP-DOAS setup. The instrument was installed on the rooftop of the APRI building on th댢 campus of Gwangju Institute of Science and Technology (GIST). Triangles indicate the locations of retro-reffectors.
- 수신망원경을 하나로 하며, 분리한 움직 임을 가지는 모터 (stepper-motor) 를 이용하여 여러 개의 광원을 스캔하는 방식도 가능하다. 그러나 동시에 같은 광경로에서 수신하는 광신호를 측정하기 위해 광경로의 수와 같은 두 개의 수신 망원경을 사용하였다. 광원수신망원경을 통해 들어온 빛은 광섬유를 통해 분광기로 전송한다.
- 본 연구에서 개발한 CMP-DOAS 시스템은 백색광을 낼 수 있는 Xenon램프를 광원으로 사용하였다. 램프의 빛을 반사경을 이용하여 평형광을 만들어 빛의 확산에 의한 손실을 최소화하였다.
- , 1994)을 수은램프 시그널에서 생성한 기기 함수 및 파장정보를 콘볼루션 (convolution) 시킨 후 최종 처리한 스펙트럼과 최소자승법으로 분석을 하였다. 분석 파장영 역은 이산화질소 외 에 다른 가스흡수 영향이 없는 399~415nm로 선택하였다. 그림4는 관측기간 중 2009년 1월 13일 아침 7시에 광경로 (2)에서 관측한 스펙트럼에서 측정한 이산화질소의 광학 두께 및 피팅 후 남은 신호를 보여준다 측정한 광학두께의 양은 이산화질소 한 분자의 흡수 단면적에 선형적으로 비례하므로 추가적인 검정 없이 농도환산이 가능하다.
- 96 km (광경로 2) 떨어진 곳에 배치 시켰다. 시스템은 지상에서 15m 그리고 광경로 (1)과 (2)에 해당하는 광원은 지상으로부터 각각 6 m와 8 m 고도에 배치하였다. 관측지역의 북쪽은 교통량이 비교적 작은 도로 및 논과 밭들이 위치한다.
- 램프의 빛을 반사경을 이용하여 평형광을 만들어 빛의 확산에 의한 손실을 최소화하였다. 시스템의 수신 망원경은 볼록 석영렌즈(f=200 mm, 0=50.8 mm) 와광섬유로 구성되어 있다. 수신망원경을 하나로 하며, 분리한 움직 임을 가지는 모터 (stepper-motor) 를 이용하여 여러 개의 광원을 스캔하는 방식도 가능하다.
이론/모형
- 차등흡수분광.기술 (Platt and Stutz, 2008)과 분석 방법을 근거하여 WinDOAS (Van Roozendael and Fayt, 2001)를 이용하여 Xenon 램프로 측정한 스펙트럼을 분석하였다. 수은램프로 측정한 스펙트럼을 이용하여 세로축의 파장정보를 지닌 2, 048개의 픽셀을 파장 정보로 변환하였다.
- 추가적으로, 수신광학계를 더욱 정밀하게 설계함으로써, 수십 개의 경로에서 동시측정 이 가능할 것으로 예상된다. 또한, 차등흡수분광법을 이용하여 광.역대의 파장영역을 조사한다면, 보다 다양한 가스상 물질들을 다경로에서 실시간 동시 측정하는 것이 가능할 것이다.
- 또한 불필요한 노이즈를 제거하기 위해 파장에 대한 느린 변화특성 신호만을 통과시키는 필터링 (low pass filtering)을 실행하였다. 최종 처리한 스펙트럼에서 농도를 구하기 위해 기준 이산화질소 스펙트럼 (Van- daele et al., 1994)을 수은램프 시그널에서 생성한 기기 함수 및 파장정보를 콘볼루션 (convolution) 시킨 후 최종 처리한 스펙트럼과 최소자승법으로 분석을 하였다. 분석 파장영 역은 이산화질소 외 에 다른 가스흡수 영향이 없는 399~415nm로 선택하였다.
성능/효과
- 같은 그림에서 (b)는 광경로 (2)에서 측정한 이산화질소의 농도를 나타내고 있다. 관측기간 동안 광경로 (1)의 지점 모니터링에서 측정한 이산화질소의 혼합비는 3.7~ 168.4ppbv였으며, CMP-DOAS로 측정한 이산화질소의 범위는 8.2~ 147.9ppbvi 지점모니터링이 CMP-DOAS광경로 (1) 의 측정값 보다 좀 더 넓은 혼합비 범위를 보였다. 지점모니터링 (1) 및 CMP-DOAS광경로 (1)의 이산화질소 평균값은 각각 61.
- 자동차로 인한 이산화질소 배출원이 있는 도로에 가까운 지점 모니터링에서 측정한 이산화질소의 농도가 조금 더 높은 것을 보여주었다. 그리고 농도가 높을수록 거의 CMP-DOAS 로 측정한 이산화질소의 혼합비가 선형적으로 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 도로에서부터 상대적으로 저농도 지역인 CMP-DOAS시스템이 있는 위치까지 이산화질소의 농도가 선형적으로 감소하는 현상을 간접적으로 보여주는 것으로 해석할 수 있다.
- 본 연구는 이차원 CCC를 검출기로 이용하여 두 개 이상의 광경로를 통해 들어오는 빛을 수신하는 것이 가능하다. 이를 통해 각각의 광경로에 존재하는 대기 미량기체의 공간적 농도분포를 동시에 실시간측정 하는 첫 연구사례 이다.
- (Stutz and Platt, 1996). 본 연구에서 최대 측정 오차를 고려하여 계산할 경우 정확도는 ±1% 수준임을 알 수 있다.
- 본 연구에서는 화학발광법과의 비교연구를 수행하였으며, 두 측정 결과 사이에 매우 높은 일치도를 확인할 수 있었다. 그러나, 측정결과의 보다 정확한 상대적 불확실성을 정량적으로 파악하기 위해서는 기존의 LP-DOAS장비로 측정한 값들의 비교연구가 필요한 것으로 판단된다.
- 한달 동안의 테스트 기간 동안, 지점 모니터링과의 비교검증에서 이산화질소의 경시적 변화 경향이 높은 상관관계를 유지한다는 사실을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 감안할 때 CMP- DOAS는 한 대의 광수신시스템을 사용하여 비교적 낮은 비용으로 다경로에 존재하는 미량기체들의 동시 측정에 유용하게 적용 가능하다는 것을 확인하였다. 추가적으로, 수신광학계를 더욱 정밀하게 설계함으로써, 수십 개의 경로에서 동시측정 이 가능할 것으로 예상된다.
- 5℃에서 일정하게 유지하였다. 이를 통해, 외부온도 변화에 의한 분광기 및 기타 광학계의 틀림 현상을 최소화하여 파장왜곡 현상을 줄였다. 관측기간 동안 CCD 칩은 3단계 Peltier 냉각기로 -70℃를 유지함으로써 CCD에서 발생하는 암전류를 최소화하였다.
- 두 경우 모두 광경로에서 측정한 값과 지점에서 측정한 값들의 높은 상관관계를 보여주고 있다. 자동차로 인한 이산화질소 배출원이 있는 도로에 가까운 지점 모니터링에서 측정한 이산화질소의 농도가 조금 더 높은 것을 보여주었다. 그리고 농도가 높을수록 거의 CMP-DOAS 로 측정한 이산화질소의 혼합비가 선형적으로 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
- 예를 제시하였다. 한달 동안의 테스트 기간 동안, 지점 모니터링과의 비교검증에서 이산화질소의 경시적 변화 경향이 높은 상관관계를 유지한다는 사실을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 감안할 때 CMP- DOAS는 한 대의 광수신시스템을 사용하여 비교적 낮은 비용으로 다경로에 존재하는 미량기체들의 동시 측정에 유용하게 적용 가능하다는 것을 확인하였다.
후속연구
- 역대의 파장영역을 조사한다면, 보다 다양한 가스상 물질들을 다경로에서 실시간 동시 측정하는 것이 가능할 것이다. 관련 연구를 지속적으로 수행한다면 다양한 산업지역, 발전소 주거지역, 광역도시 등에서 대기오염물질들을 효과적으로 감시 및 관리할 수 있는데 기여할 수 있을 것으로 사료된다.
- 그러나 현재의 기술 수준으로는 정확한 흡수 광경로 길이를 측정할 수 없으므로 대상 가스상물질의 칼럼밀도 정보만을 제공할 수 있다. 그러나 본 연구에서 개발한 CMP-DOAS의 경우 인공광원을 이용함으로 광경로 길이를 정확히 파악할 수 있으므로 대상기체의 농도 정보를 제공할 수 있다. 또한 태양광을 사용하는 경우 저녁 관측이 현실적으로 어려우나 본 연구에서는 기존의 Concur- rent MAX-DOAS를 능동형 CMP-DOAS로 적용하여 낮과 밤 연속 관측이 가능하다.
- 수 있었다. 그러나, 측정결과의 보다 정확한 상대적 불확실성을 정량적으로 파악하기 위해서는 기존의 LP-DOAS장비로 측정한 값들의 비교연구가 필요한 것으로 판단된다. 또한 이산화질소뿐만 아니라 오존이나 이산화황 등 다양한 가스물질들에 대한 측정 및 성능평가 연구의 수행을 통해, CMP-DOAS의실용화 가능성을 평가할 수 있을 것으로 예상된다.
- 그러나, 측정결과의 보다 정확한 상대적 불확실성을 정량적으로 파악하기 위해서는 기존의 LP-DOAS장비로 측정한 값들의 비교연구가 필요한 것으로 판단된다. 또한 이산화질소뿐만 아니라 오존이나 이산화황 등 다양한 가스물질들에 대한 측정 및 성능평가 연구의 수행을 통해, CMP-DOAS의실용화 가능성을 평가할 수 있을 것으로 예상된다.
- 일반적으로 이산화황, 포름알뎨히드 둥 다수의 기체가 UV영역에서 흡수 특성을 가지고 있다. 본 연구에서는 이러한 가스들을 효과적으로 측정하기 위해, 350nm에서 광양자 효율이 약 60% 이상인 back-illuminated 형식의 CCD를 사용하여 CCD 칩의 노출시간을 줄일 수 있었다’ 관측 파장 범위는 307 ~416nm로 하여 이산화질소의 흡수 파장 영역뿐 아니라 후속연구를 위해 포름알데히드와 이 산화황의 흡수파장영역 을 포함시 켰다. 파장 분해능 (full width half maximum 기준)은 CCD 의 가운데 지점에 대하여 최적화 되었으며, 360 nm에서 0.
- 또한, 차등흡수분광법을 이용하여 광.역대의 파장영역을 조사한다면, 보다 다양한 가스상 물질들을 다경로에서 실시간 동시 측정하는 것이 가능할 것이다. 관련 연구를 지속적으로 수행한다면 다양한 산업지역, 발전소 주거지역, 광역도시 등에서 대기오염물질들을 효과적으로 감시 및 관리할 수 있는데 기여할 수 있을 것으로 사료된다.
- 이러한 결과를 감안할 때 CMP- DOAS는 한 대의 광수신시스템을 사용하여 비교적 낮은 비용으로 다경로에 존재하는 미량기체들의 동시 측정에 유용하게 적용 가능하다는 것을 확인하였다. 추가적으로, 수신광학계를 더욱 정밀하게 설계함으로써, 수십 개의 경로에서 동시측정 이 가능할 것으로 예상된다. 또한, 차등흡수분광법을 이용하여 광.
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