The ionic compositions were analyzed from the TSP samples collected at Gosan site in Jeju Island between 2000 and 2008, in order to examine the characteristics of atmospheric aerosols in accordance with the meteorological conditions. For the Asian Dust influence on the ionic compositions, the concen...
The ionic compositions were analyzed from the TSP samples collected at Gosan site in Jeju Island between 2000 and 2008, in order to examine the characteristics of atmospheric aerosols in accordance with the meteorological conditions. For the Asian Dust influence on the ionic compositions, the concentration ratios of $NH_4{^+}$, nss-${SO_4}^{2-}$, $NO_3{^-}$, and $K^+$ were about 1.2~2.3 during Asian Dust over Non-Asian Dust periods, noticeably that of nss-$Ca^{2+}$ was 6.8. Meanwhile the concentrations of nss-${SO_4}^{2-}$, $NO_3{^-}$, and $NH_4{^+}$ have increased as 1.8~4.4 times during the haze event periods, and 1.0~1.6 times during the fog and mist events. The ion balance has resulted that the anionic concentrations are relatively lower than the cationic concentrations, and the discrepancy appears more decidedly as a strong Asian Dust effect. The ammonium ion balance has shown that it exists as a mixture of $NH_4HSO_4$ and $(NH_4)_2SO_4$. The concentration ratios of nss-${SO_4}^{2-}/NO_3{^-}$ for Asian Dust, haze, fog-mist, and non-event periods were respectively 1.8, 5.9, 4.6, and 2.9, which were higher values compared to those in urban areas of China as well as other domestic regions. Especially, the high ratios of sulfur oxides could be presumed by the fact that the longrange transport of air pollutants from Asia continent might affect the atmospheric aerosols of Jeju Island.
The ionic compositions were analyzed from the TSP samples collected at Gosan site in Jeju Island between 2000 and 2008, in order to examine the characteristics of atmospheric aerosols in accordance with the meteorological conditions. For the Asian Dust influence on the ionic compositions, the concentration ratios of $NH_4{^+}$, nss-${SO_4}^{2-}$, $NO_3{^-}$, and $K^+$ were about 1.2~2.3 during Asian Dust over Non-Asian Dust periods, noticeably that of nss-$Ca^{2+}$ was 6.8. Meanwhile the concentrations of nss-${SO_4}^{2-}$, $NO_3{^-}$, and $NH_4{^+}$ have increased as 1.8~4.4 times during the haze event periods, and 1.0~1.6 times during the fog and mist events. The ion balance has resulted that the anionic concentrations are relatively lower than the cationic concentrations, and the discrepancy appears more decidedly as a strong Asian Dust effect. The ammonium ion balance has shown that it exists as a mixture of $NH_4HSO_4$ and $(NH_4)_2SO_4$. The concentration ratios of nss-${SO_4}^{2-}/NO_3{^-}$ for Asian Dust, haze, fog-mist, and non-event periods were respectively 1.8, 5.9, 4.6, and 2.9, which were higher values compared to those in urban areas of China as well as other domestic regions. Especially, the high ratios of sulfur oxides could be presumed by the fact that the longrange transport of air pollutants from Asia continent might affect the atmospheric aerosols of Jeju Island.
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문제 정의
대기 에어로졸 성분들의 발생기원과 조성 특성을 알아보기 위하여 구성성분들 간의 상관성을 조사하였다. 그리고 주요 이온성분들의 상관계수를 구하여 그림 5에 비교하였다.
그리고 분석 결과로부터 황사, 연무, 박무, 안개 등과 같은 기상현상이 대기 에어로졸 조성에 미치는 영향을 검토하였다. 또한 이로부터 기상현상이 배경지역 대기 에어로졸의 조성과 특성에 어떠한 영향을 미치는지 조사한 결과이다.
따라서 기상인자별로 대기 에어로졸의 화학조성을 조사하고 오염특성을 상호 비교해 보는 것은 의미가 있다. 본 연구는 청정지역인 제주도 고산측정소에서 장기간에 걸쳐 TSP 시료를 채취하여 주요 이온성분들을 분석한 결과이다. 그리고 분석 결과로부터 황사, 연무, 박무, 안개 등과 같은 기상현상이 대기 에어로졸 조성에 미치는 영향을 검토하였다.
특히 황사, 연무, 박무, 안개 같은 기상 현상은 대기에어로졸의 조성에 지대한 영향을 미치고 있어서 기상인자에 의한 영향을 집중적으로 검토해 볼 필요가 있다. 본 연구에서는 이러한 기상인자들이 대기 에어로졸 화학조성에 미치는 영향과 변화를 조사하였다. 이를 위해 채취 시기 시 고산지역 기상현상을 기상청 자료를 이용하여 조사하였고, 이를 황사 (Asian Dust), 연무 (haze), 안개·박무 (fogmist), 비현상일 (non-event)로 구분하였다.
제안 방법
NH4+, Na+, K+, Ca2+, Mg2+ 양이온은 Metrohm Modula IC (907 IC pump, 732 IC detector)와 Metrohm MetrosepCation 1-2-6 분리관을 사용하여 유속 1.0 mL/min, 시료주입량 20 μL, 4.0 mM tartaricacid/1.0 mM pyridine-2,6-dicarboxylicacid 용리액, 또는 Metrohm Metrosep C 2-150 분리관, 1.0 mL/min 유속, 100 μL 시료주입량, 2.0 mM HNO 3 용리액의 조건으로 분석하였다.
본 연구는 청정지역인 제주도 고산측정소에서 장기간에 걸쳐 TSP 시료를 채취하여 주요 이온성분들을 분석한 결과이다. 그리고 분석 결과로부터 황사, 연무, 박무, 안개 등과 같은 기상현상이 대기 에어로졸 조성에 미치는 영향을 검토하였다. 또한 이로부터 기상현상이 배경지역 대기 에어로졸의 조성과 특성에 어떠한 영향을 미치는지 조사한 결과이다.
기상현상에 따른 대기에어로졸의 조성 변화를 확인하기 위한 목적으로 국내 배경지역 기상일별 TSP 이온성분의 농도를 비교하였다. 에어로졸 이온성분들의 농도는 비현상일에 비해 황사 발생 시에 1.
또한 SO42-, NO3- , Cl- 음이온은 Metrohm Modula IC와 Metrohm Metrosep A-SUPP-4 또는 Metrohm Metrosep A-SUPP-5 분리관을 사용하여 유속 0.7~1.0 mL/min, 시료주입량 20 μL, 1.7 mM NaHCO3/1.8 mM Na2CO3 용리액, 또는 1.0 mM NaHCO3/3.2 mM Na2CO3, 0.2% H2SO4 써프레서 용액의 조건으로 분석하였다 (Ko et al., 2010; Kang et al., 2009).
, PTFE 100 mm×10 m, Japan)를 사용하여 연속적으로 시료를 채취할 수 있는 자동시스템이며, 시료의 채취시간을 임의로 조절할 수 있는 타이머가 부착되어 있다. 샘플러는 측정소의 컨테이너 내부에 탑재하였고, 공기 흡입관(길이 7 m, 내경 38 mm인 flexible hose)은 컨테이너의 측면을 관통시켜 지상 6 m 높이의 에어로졸이 포집될 수 있도록 설치하였다. 이때 흡입 공기의 유속은 초기속도가 대략 170 L/min이 되도록 조절하였다 (Ko et al.
총부유분진 시료가 채취된 시료는 비닐봉지에 밀봉하여 -20℃ 냉동고에 보관하였고, 대략 3개월 간격으로 동시에 분석하였다. 수용성 이온성분은 시료 필터를 에탄올 약 0.2 mL에 침적시키고 초순수 50 mL를 가하여 30분간 초음파 조사 후, 다시 1시간 동안 진탕시킨 용출액을 사용하여 분석하였다. 용출액은 주사기필터 (Whatman, PVDF syringe filter, 0.
이를 위해 채취 시기 시 고산지역 기상현상을 기상청 자료를 이용하여 조사하였고, 이를 황사 (Asian Dust), 연무 (haze), 안개·박무 (fogmist), 비현상일 (non-event)로 구분하였다.
이온 성분들 중 주요 이차오염물질인 nss-SO42-와 NO3-의 농도를 상호 비교하였다. 두 성분은 전구물 질인 SO2와 NOx은 배출원이 서로 다르기 때문에 이들의 상대적 기여도를 nss-SO42-/NO3-의 비로 비교하면 에어로졸의 배출원 특성을 추정해 볼 수 있다.
총부유분진 시료가 채취된 시료는 비닐봉지에 밀봉하여 -20℃ 냉동고에 보관하였고, 대략 3개월 간격으로 동시에 분석하였다. 수용성 이온성분은 시료 필터를 에탄올 약 0.
이 때 IC의 기기검출한계 (IDL)는 매 분석 시마다 다소 차이를 보였으며, 대체적인 저검출한계는 표 2와 같다. 표에서 IDL 값은 IC 분석 시 검정곡선 작성에 사용한 최소농도 표준용액을 7회 반복 분석 후 측정하였고, 정밀도는 측정한 값의 재현성을 측정하여 변동계수 (CV)로 산출한 결과이다.
대상 데이터
그 결과 전체적으로 황사일 55개, 연무 6개, 안개·박무 270개이었으며 각각을 평균하여 이용하였다.
시료는 제주도 고산측정소에서 9년간 채취한 총 1,202개 중에서 3 mm 이상의 강우일을 제외한 나머지 시료에 대해 기상현상일별로 분류하였다. 그 결과 전체적으로 황사일 55개, 연무 6개, 안개·박무 270개이었으며 각각을 평균하여 이용하였다.
용출액은 주사기필터 (Whatman, PVDF syringe filter, 0.45 μm, 13 또는 25 mm diameter)로 불용성 입자를 거른후 여액을 이온 분석용 시료로 이용하였다.
총부유분진 (TSP) 시료는 고산측정소 (33o 28′N, 127o 17′E, 제주특별자치도 제주시 한경면 고산리 소재 수월봉)에서 High Volume Tape Sampler (KIMOTO ElectricCo., model 195A, Japan)를 사용하여 2000년 1월부터 2008년 12월까지 3일 (일부는 1일) 간격, 24시간 단위로 총 1,202개를 채취하였다 (표 1).
데이터처리
TSP 이온 조성을 기상현상별로 분류하여 상호 비교하였고, 그 결과를 그림 2에 나타내었다. 그림과 같이 각 이온성분의 조성비를 황사, 연무, 안개·박무, 비현상일로 구분하여 비교해 본 결과, 주요 이차오염 물질 (nss-SO42-, NO3-, NH4+)은 황사, 연무, 안개·박무, 비현상일에 각각 57.
성능/효과
그리고 각 기상현상별로 측정값을 비교해 본 결과 추세선의 기울기가 황사와 연무에 비해 안개·박무, 비현상일에 약간 더 큰 값을 나타내어 계산농도보다 과평가된 경향을 보였다. 반면에 그림 4(b)와 같이 (2) 식에 의해 계산된 암모늄 농도와 분석 농도 간의 회기분석 결과는 모두 1 이상의 기울기를 나타내었고, 계산농도보다 분석농도가 약간 저평가 되는 경향을 보였다. 그리고 이를 기상현상별로 비교해 본 결과 추세선의 기울기가 황사와 연무에 비해 안개·박무, 비현상일에 약간 더 큰 값을 보였으며, 이 시기에 더 저평가된 것으로 나타났다.
nss-SO42-, NO3-, NH4+의 안개·박무/비현상일 (FM/NE) 농도비를 조사해 본 결과 각각 1.6, 1.0, 1.6을 나타내어 비현상일보다는 다소 높지만 황사와 연무보다는 훨씬 낮은 상승율을 나타내었다.
그러나 NH4+과 NO3- 간의 상관계수는 황사, 연무, 안개·박무, 비현상일에 각각 0.10, 0.34, 0.22, 0.26으로 전체적으로 nss-SO42-보다 훨씬 낮은 상관성을 나타내었다.
그러나 nss-SO42-과 NO3-의 상관계수는 황사, 연무, 안개·박무, 비현상일에 각각 0.60, 0.70, 0.48, 0.45로 nss-SO42-에 비해 상대적으로 더 큰 값을 나타내었고, 특히 황사와 연무 시에 더 큰 상관성을 보이고 있다.
그리고 각 결과들에 대한 추세선의 상관성을 기상현상별로 비교해 본 결과, 기울기는 황사, 연무, 안개·박무 그리고 비현상일에 각각 0.76, 0.91, 0.95, 0.90으로 황사 시에 크게 낮아지는 결과를 나타내었다.
그리고 각 기상현상별로 측정값을 비교해 본 결과 추세선의 기울기가 황사와 연무에 비해 안개·박무, 비현상일에 약간 더 큰 값을 나타내어 계산농도보다 과평가된 경향을 보였다.
8배 더 높고, nss-Ca2+과 NO3-의 농도가 현저하게 상승하였다. 그리고 대체적으로 인위적 기원 성분의 조성비는 감소하나 토양성분의 조성이 크게 상승하는 특징을 나타내었다. 연무 시에는 주요 이차오염물질인 nss-SO42-, NO3-, NH4+ 농도가 각각 3.
그리고 이를 기상현상별로 비교해 본 결과 추세선의 기울기가 황사와 연무에 비해 안개·박무, 비현상일에 약간 더 큰 값을 보였으며, 이 시기에 더 저평가된 것으로 나타났다.
그리고 해염 성분들(Na+,Cl-, Mg2+)은 황사, 연무, 안개·박무, 비현상일에 각각 31.9, 9.4, 19.2, 29.4%의 조성비를 보여 앞의 인위적 성분들과는 반대로 황사와 비현상일에 높고, 연무, 안개·박무 시에 더 낮아지는 결과를 나타내었다.
그림과 같이 각 이온성분의 조성비를 황사, 연무, 안개·박무, 비현상일로 구분하여 비교해 본 결과, 주요 이차오염 물질 (nss-SO42-, NO3-, NH4+)은 황사, 연무, 안개·박무, 비현상일에 각각 57.7, 84.9, 76.7, 66.0%의 비율을 나타내었다.
기상현상별로 이온성분 농도를 비교해 본 결과에 서는 황사와 연무 시에 가장 큰 변화를 보였다. 표 3의 결과와 같이 황사 발생 시 비현상일에 비해 전체적으로 1.
8배 더 높은 농도를 나타내었고, 특히 다른 성분들에 비해 nss-Ca2+과 NO3-의 농도가 상대적으로 더 많이 상승하였다. 또 토양기원의 nss-Ca2+과 Mg2+에 대한 황사/비현상일 (AD/NE) 농도비가 각각 6.8, 2.8로 이들 성분들의 농도가 황사 시에 현저하게 증가하는 경향을 보였다. 이처럼 황사 시에 nss-Ca2+과 NO3-의 농도가 동시에 상승하는 이유는 질소산화물이 에어로졸 표면에서 화학반응을 일으키거나 흡착된 상태로 장거리 이동된 결과로 보이며, 탄산칼슘과 질산의 중화반응에 의한 질산염의 생성에 기인하기 때문인 것으로 추정된다 (Kim et al.
또한 nss-Ca2+과 nss-SO42-과의 상관성을 조사한 결과에서는 황사, 연무, 안개·박무, 비현상일에 상관계수가 각각 0.19, 0.87, 0.24, 0.39로 연무 시에만 두성분 간 상관성이 크고 다른 경우에는 낮은 상관성을 나타내었다.
또한 연무 시의 농도를 비현상일과 비교해 본 결과, nss-SO42-, NO3-, NH4+ 등 주요 이차오염물질 성분의 연무/비현상일 (HA/NE) 농도비가 각각 3.5, 1.8, 4.4로 큰 차이를 보였다. 그리고 토양의 지표성분인 nss-Ca2+ 역시 연무/비현상일 농도비가 3.
그 결과 전체적으로 황사일 55개, 연무 6개, 안개·박무 270개이었으며 각각을 평균하여 이용하였다. 비현상일 시료는 위의 현상일을 제외한 나머지 정상일 시료중에서 이온불균형도 (ion imbalance)가 30% 이상인 72개 시료를 제외한 588개를 평균한 결과이다. 이 때이온불균형도는 양이온 당량농도 합 (Σ[Cation]eq)과 음이온 당량농도 합 (Σ[Anion]eq) 간의 이온수지를 비교하여 산출하였고, 이 값이 30% 이상 차이를 보이는 시료는 대상에서 제외하였다 (Kim et al.
이온수지 비교 결과 양이온에 비해 음이온의 농도가 상대적으로 낮은 값을 나타내었고, 두 양간의 편차는 황사의 농도가 짙을수록 커지는 경향을 보였다. 암모늄 이온수지를 조사한 결과, 암모늄염은 NH4HSO4과 (NH4)2SO4이 적절히 혼합된 형태로 존재하고 있음을 알 수 있었다. 그리고 황사나 연무 시에 측정한 암모늄과 계산한 암모늄 이온 농도가 더 큰 편차를 보이는 것은 산성인 암모늄 이온이 염기성 토양 물질과의 반응에 의해 암모니아로 휘발되기 때문인 것으로 추정된다.
연무 시에는 주요 이차오염물질인 nss-SO42-, NO3-, NH4+ 농도가 각각 3.5, 1.8, 4.4배, nss-Ca2+ 농도가 3.1배 상승하여 대체적으로 인위적 기원 및 토양 기원 성분들의 조성비가 크게 상승하는 경향을 보였다.
그리고 이를 기상현상별로 비교해 본 결과 추세선의 기울기가 황사와 연무에 비해 안개·박무, 비현상일에 약간 더 큰 값을 보였으며, 이 시기에 더 저평가된 것으로 나타났다. 이러한 결과로 보아 제주도 고산지역 TSP 에어로졸에서 암모늄염은 NH4HSO4나 (NH4)2SO4 어느 한 종류가 아니라 두 물질이 적절히 혼합된 형태로 존재하고 있는 것으로 유추된다. 또황사나 연무 시에는 안개·박무, 비현상일에 비해 암모늄 이온 농도가 더 큰 편차를 보이고 있다.
4%의 조성비를 보여 앞의 인위적 성분들과는 반대로 황사와 비현상일에 높고, 연무, 안개·박무 시에 더 낮아지는 결과를 나타내었다. 이러한 조성비 비교 결과를 종합해 보면, TSP 에어로졸의 이온성분은 대체적으로 연무 발생 시 다른 성분들에 비해 인위적 기원 성분들의 조성비가 크게 상승하는 경향을 보이고 있다. 반면에 황사 발생 시에는 인위적 기원 성분의 조성비는 감소하나 토양성분의 조성이 크게 상승하는 특징을 나타내고 있다.
이를 기상현상별로 비교해 보면, 황사 시에 0.80, 연무 시 0.99, 안개·박무 시 0.94, 비현상일에 0.89로, 연무 시에 가장 높고 황사 시에 상대적으로 낮은 상관성을 나타내었다.
이온수지 비교 결과 양이온에 비해 음이온의 농도가 상대적으로 낮은 값을 나타내었고, 두 양간의 편차는 황사의 농도가 짙을수록 커지는 경향을 보였다. 암모늄 이온수지를 조사한 결과, 암모늄염은 NH4HSO4과 (NH4)2SO4이 적절히 혼합된 형태로 존재하고 있음을 알 수 있었다.
기상현상별로 이온성분 농도를 비교해 본 결과에 서는 황사와 연무 시에 가장 큰 변화를 보였다. 표 3의 결과와 같이 황사 발생 시 비현상일에 비해 전체적으로 1.2~6.8배 더 높은 농도를 나타내었고, 특히 다른 성분들에 비해 nss-Ca2+과 NO3-의 농도가 상대적으로 더 많이 상승하였다. 또 토양기원의 nss-Ca2+과 Mg2+에 대한 황사/비현상일 (AD/NE) 농도비가 각각 6.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우리나라의 황사는 주로 언제 집중되어 왔는가?
우리나라의 황사는 주로 4월에 30~50%, 5월에 20~30%로 봄철에 집중되어 왔으나(Shin et al., 2002) 최근에는 가을, 겨울철에도 빈번히 발생하고 있다.
2002년 3월 17~23일에 발생한 우리나라의 황사는 서울지역 시간 최고농도가 3,311 μg/m3까지 상승하며 어떤 피해를 입혔는가?
그리고 황사 일수가 지속적으로 증가하고 있고, 중부지방에서 강한 황사의 빈도가 뚜렷한 증가세를 나타내고 있다 (Kim and Lee, 2009). 특히 2002년 3월 17~23일에 발생한 황사는 서울지역 시간 최고농도가 3,311 μg/m3까지 상승하여 학교 휴교, 항공기 결항, 정밀산업체 휴업 등 심각한 피해를 발생시켰다. 이로 인해 기상청에서는 2002년 4월에 황사특보제를 신설하였고, 이를 지속적으로 시행, 관리 중에 있다(기상청, 2011).
황사 발생빈도를 가중시키고 있는 이유는 중국의 무엇과도 관련이 있는가?
특히 중국의 급속한 산업화와 산림개발은 이러한 황사 발생빈도를 가중시키고 있다. 중국의 사막화 속도는 60년대 이전에는 매년 1,560 km2이었으나 1990년 중반 이후 매년 3,436 km2의 규모로 가속화되고 있으며 (추장민 등, 2003), 타클라마칸과 고비사막, 황토고원을 포함한 지역에서 발생하는 PM10 양은 연간 각각 0.
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