[논문]라만 라이다의 석영 채널을 이용한 고도별 황사 농도 산출

노영민; 이권호; 이한림

doi:10.5572/kosae.2011.27.3.326

라만 라이다의 석영 채널을 이용한 고도별 황사 농도 산출
A Retrieval of Vertically-Resolved Asian Dust Concentration from Quartz Channel Measurements of Raman Lidar 원문보기

한국대기환경학회지 = Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, v.27 no.3, 2011년, pp.326 - 336

노영민 (광주과학기술원 환경공학과) , 이권호 (경일대학교 위성정보공학과) , 이한림 (연세대학교 대기과학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The Light Detection and Ranging (Lidar) observation provides a specific knowledge of the temporal and vertical distribution and the optical properties of the aerosols. Unlike typical Mie scattering Lidars, which can measure backscattering and depolarization, the Raman Lidar can measure the quartz signal at the ultra violet (360 nm) and the visible (546 nm) wavelengths. In this work, we developed a method for estimating mineral quartz concentration immersed in Asian dust using Raman scattering of quartz (silicon dioxide, silica). During the Asian dust period of March 15, 16, and 21 in 2010, Raman lidar measurements detected the presence of quartz, and successfully showed the vertical profile of the dust concentrations. The satellite observations such as the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) and the Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIPSO) confirmed spatial distribution of Asian dust. This approach will be useful for characterizing the quartz dominated in the atmospheric aerosols and the investigations of mineral dust. It will be especially applicable for distinguishing the dust and non-dust aerosols in studies on the mixing state of Asian aerosols. Additionally, the presented method combined with satellite observations is enable qualitative and quantitative monitoring for Asian dust.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구는 석영 라만 산란을 광주과학기술원의 다파장 라만 라이다(Noh et al., 2008, 2007)에 적용하여 황사의 연직 분포 및 고도 별 농도를 산출하고자 한다. 또한, 본 연구에서는 가시광선 영역대인 546 nm 라만 산란 신호뿐만 아니라 자외선 영역대인 360 nm의 라만 산란 신호를 동시에 측정하여 관측 결과를 비교 분석하여 고도 별 석영의 농도를 산출하였다.
본 연구에서는 석영 라만 채널을 이용한 라이다 관측을 통하여 국내 최초로 석영 라만 산란 신호를 수신하고 이를 분석하여 고도 별 석영의 후방산란계수와 농도를 산출하였다. 또한, 본 연구에서는 라이다로 관측된 고도별 석영 농도에서 황사가 차지하는 비율값을 이용하여 고도 별 황사 농도를 유추할 수 있었다.

가설 설정

12 km)에서의 석영 농도와 황사의 농도를 보여준다. 본 연구에서는 지표면과 라이다 시스템의 최저 관측 고도인 0.12km 사이의 대기 에어러솔의 농도는 일정하다고 가정하여 지표면에서 측정된 PM₁₀ 농도와 라이다 분석 결과를 비교하였다. 3월 15일의 경우 PM₁₀ 농도가 215±110 μg/m³일 때 석영 라만 신호 분석으로 산출된 황사의 농도는 107±30 μg/m³이었다.

제안 방법

그림 3의 결과를 바탕으로 구름에 의한 영향이 없고 높은 산란 신호를 보인 3월 21일 23시 30분부터 22일 03시 30분까지 측정된 5km 고도까지의 석영 라만 산란 신호를 합하여 석영 농도를 산출하기 위한 분석을 수행하였다. 그림 5는 대기 에어러솔에 의한 후방산란계수(a)와 먼지입자의 고도분포를 보여주는 석영 후방산란계수(b)를 보여준다.
, 2008, 2007)에 적용하여 황사의 연직 분포 및 고도 별 농도를 산출하고자 한다. 또한, 본 연구에서는 가시광선 영역대인 546 nm 라만 산란 신호뿐만 아니라 자외선 영역대인 360 nm의 라만 산란 신호를 동시에 측정하여 관측 결과를 비교 분석하여 고도 별 석영의 농도를 산출하였다.
본 연구에서는 석영 라만 채널을 이용한 라이다 관측을 통하여 국내 최초로 석영 라만 산란 신호를 수신하고 이를 분석하여 고도 별 석영의 후방산란계수와 농도를 산출하였다. 또한, 본 연구에서는 라이다로 관측된 고도별 석영 농도에서 황사가 차지하는 비율값을 이용하여 고도 별 황사 농도를 유추할 수 있었다. 2010년 3월 15, 16, 21일에 관측된 후방 산란신호 관측 결과를 대상으로 석영 농도를 분석한 결과, 황사가 관측되었던 3월 15일의 경우에는 고도 1 km 이하에서 고농도의 황사가 관측되었으며, 최저 관측고도에서의 석영 농도는 107 μg/m³이 산출되었다.
본 연구에서는 석영 라만 산란 신호를 수신하여 산출된 고도 별 석영 농도로부터 고도 별 황사의 농도를 유추하였다. 고도 별 황사 농도의 유추에는 황사입자의 성분들 중 석영이 차지하는 비율을 이용하였다.
본 연구에서는 석영 라만 산란 신호를 수신하여 석영의 농도를 산출하고 석영이 황사에서 차지하는 비율을 문헌자료로부터 유추하여 황사의 연직분포 및 고도 별 농도를 산출하였다. 황사에서 석영이 차지하는 비율은 황사의 발원지에 따라 변화될 수 있으므로 정확한 황사의 농도를 산출하기 위해서는 발원지 별 석영 비율에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
(2010)에 설명되어 있다. 여기에서는 이러한 다파장 라만 라이다 시스템을 이용하여 2010년 3월에 수행한 대기 관측 중에서 석영 라만 산란 신호를 수신한 2010년 3월 15, 16, 21일의 데이터를 분석하여 대기중 석영의 농도를 산출하였다. 다파장 라만 라이다 시스템으로 관측이 실시된 날짜, 시간과 관측 파장은 표 1에 정리되어 있다.
위성자료는 NASA의 지구관측위성인 AQUA/MODIS 자료를 획득하여 한반도 인근지역을 포함하는 영역(30~42°N, 112~132°E)에 대하여 칼라합성영상과 에어러솔 광학두께(Aerosol Optical Depth: AOD)를 산출하였다.
3월 16일의 경우, 360 nm의 파장은 검출기 이상으로 신호가 수신되지 않아 546 nm의 신호만 수신할 수 있었다. 특히, 2010년 3월 21일 관측에서는 석영 라만 채널의 관측과 동시에 편광 소멸도(Depolarization ratio)를 측정하였다. 편광 소멸도는 입자의 비구형성을 나타내는 지표로서 관측된 대기 에어러솔 중에 황사와 같은 먼지 입자가 포함되어 있을 경우 0.

대상 데이터

관측기간 동안의 대기상태를 설명하기 위하여 인공위성 관측자료를 부가적으로 사용하였다. 위성자료는 NASA의 지구관측위성인 AQUA/MODIS 자료를 획득하여 한반도 인근지역을 포함하는 영역(30~42°N, 112~132°E)에 대하여 칼라합성영상과 에어러솔 광학두께(Aerosol Optical Depth: AOD)를 산출하였다.

이론/모형

석영 라만 산란 신호의 해석은 Ansmann et al. (1990)의 라만 해석방법에 기초하여 분석한다.
석영(silicon dioxide, silica) 입자의 라만 산란을 이용한 먼지입자의 관측은 Tatarov and Sugimoto (2005)의 이론에 기초한다. 여기에서는 석영 성분을 먼지입자의 지표로 사용하는 것에는 두 가지 이유가 있다.
위성자료는 NASA의 지구관측위성인 AQUA/MODIS 자료를 획득하여 한반도 인근지역을 포함하는 영역(30~42°N, 112~132°E)에 대하여 칼라합성영상과 에어러솔 광학두께(Aerosol Optical Depth: AOD)를 산출하였다. 위성자료에서 에어러솔 광학두께를 산출하는 방법은 Lee and Kim (2010)에서 설명된 방법을 이용하였다.

성능/효과

(a)와 같이 1km 이하의 고도에서 관측된 값이 상층에 비하여 높은 후방산란계수 값을 보여주나 석영 후방산란계수는 상층의 3.7 km 고도에서 1.1×10-9 Mm-1 sr-1으로 가장 높은 값을 보였다.
25 이상의 높은 편광 소멸도는 얼음 구름으로부터 산출되는 값으로 5 km 이상의 고도에서는 얼음구름과 먼지 입자가 동시에 이동하고 있는 것을 알 수 있다. 고도에 따른 편광 소멸도 값의 차이로부터 관측된 대기 에어러솔이 먼지입자와 얼음 구름임을 알 수 있었다.
, 2002). 둘째, 석영 입자에서 발생하는 466 cm^-1의 라만 산란광은 탄성산란 신호나 공기분자의 라만 산란 신호와 명확히 구분되는 파장대를 형성하여 라이다 관측에 적합하다. 간섭필터의 사용으로 탄성산란 신호로부터 라만 산란 신호를 다른 공기분자의 후방산란 신호나 라만 산란 신호로부터 효과적으로 구분할 수 있다.
19로 이전 관측 일에 비하여 낮은 분포를 보였다. 이는 석영 라만 분석 시 황사에서 석영이 차지하는 비율(본 연구에서는 65.6%로 가정)의 변화에 의해 발생할 수 있는 오차를 고려하더라도 전체 PM₁₀ 농도에서 황사가 차지하는 비율이 20~50%로 측정되는 것은 황사 발생시 발원지에서 발생된 황사 입자 외에도 장거리 이동시 중국의 산업화 지역을 통과시 포함되거나 국내에서 발생된 미세 입자(fine particles)가 황사 입자와 혼합되어 동시에 관측되었음을 시사한다.
고도 별 황사 농도의 유추에는 황사입자의 성분들 중 석영이 차지하는 비율을 이용하였다. 일반적으로, 아시아 지역에서 발생한 황사 입자의 성분들 중에서 석영이 차지하는 비율에 대한 문헌 값은 약 56.2%에서 77.2% 사이의 값을 보이므로(표 2), 본 연구에서는 표 2에 정리된 값들의 평균값인 65.6%를 사용하여 황사의 농도를 유추하였다. 그림 6 (b)는 산출된 고도 별 황사의 농도를 보여준다.
그림 3(b)의 편광 소멸도는 고도에 따라 다른 값을 보여준다. 지표면에서 1 km 고도에서는 편광 소멸도 값이 0.1로 일반적인 오염입자의 편광 소멸도보다 높은 값을 보였으며, 2~5 km 고도에서는 0.1~0.25 사이의 전형적인 먼지입자의 편광 소멸도 값을 보였다. 5 km 이상의 고도에서는 0.
황사가 통과한 후 3월 16일 오후까지 비교적 맑은 대기상태를 보였으나(그림 2b), 3월 16일 밤부터 17일 새벽까지 수행된 관측 기간 중에도 평균 124±6 μg/m3의 높은 PM10 농도가 관측되었다.

후속연구

황사에서 석영이 차지하는 비율은 황사의 발원지에 따라 변화될 수 있으므로 정확한 황사의 농도를 산출하기 위해서는 발원지 별 석영 비율에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다. 또한 향후 라이다 관측 시 황사에서 석영의 비율을 산출하고 황사와 황사 외 미세먼지 농도를 구분할 수 있는 지점(in-situ) 관측을 수행하여 본 연구 방법의 정확성을 높이고 분석 결과의 검정이 필요할 것으로 고려된다.
이와 같이 석영 라만 채널을 이용한 황사의 농도 산출은 황사 발생시 고도 별 황사의 농도 산출함으로써 전체 에어로솔 농도에서 황사와 황사 외 미세입자의 농도를 구분할 수 있다. 이러한 농도의 구분은 동북아시아 지역에서 봄철에 주로 발생하는 황사와 황사 이외의 미세입자와의 이동특성 및 혼합 특성을 밝히는데 매우 유용한 정보를 제공할 것이다.
본 연구에서는 석영 라만 산란 신호를 수신하여 석영의 농도를 산출하고 석영이 황사에서 차지하는 비율을 문헌자료로부터 유추하여 황사의 연직분포 및 고도 별 농도를 산출하였다. 황사에서 석영이 차지하는 비율은 황사의 발원지에 따라 변화될 수 있으므로 정확한 황사의 농도를 산출하기 위해서는 발원지 별 석영 비율에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다. 또한 향후 라이다 관측 시 황사에서 석영의 비율을 산출하고 황사와 황사 외 미세먼지 농도를 구분할 수 있는 지점(in-situ) 관측을 수행하여 본 연구 방법의 정확성을 높이고 분석 결과의 검정이 필요할 것으로 고려된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원격탐사법의 장점은 무엇인가?	황사의 특성을 분석하기 위하여 다양한 연구결과가 보고되었는데, 여기에는 필터 샘플링을 이용한 화학 분석법과 전자기파를 이용한 질량분석법, 그리고 센서를 활용한 원격탐사법이 있다. 특히, 원격탐사법은 인간의 활동이 제한되는 점을 극복하고 보다 다양한 공간상에서 황사를 관측할 수 있는 장점이 있다. 대표적인 원격탐사법에는 레이져를 활용한 센싱기법이 있는데, 라이다 (Light Detect and Range: LIDAR)가 대표적으로 황사를 비롯한 대기중의 에어러솔의 수직적인 분포를 측정할 수 있다.
	먼지 입자의 주요한 발생원에는 어떤 것들이 있는가?	이들 중 먼지입자(Mineral dust)는 높은 산란 특성으로 인하여 지구 복사 수지에 중대한 영향을 미친다(Schwartz and Andreae, 2002). 먼지 입자의 주요한 발생원은 사하라 사막에서 발생하는 사하라 먼지(Saharan dust)와 중앙아시아 지역에서 발생하는 황사(Asian dust)이다. 중국의 타클라마칸 사막과 몽고 등지에서 주로 발생하는 황사는 편서풍의 기류를 타고 태평양으로 이동하여 때로는 알래스카 지역과 미국 본토에까지 도달하기도 한다(Husar et al.
	석영 성분을 먼지입자의 지표로 사용하는 두 가지 이유는 무엇인가?	여기에서는 석영 성분을 먼지입자의 지표로 사용하는 것에는 두 가지 이유가 있다. 첫째, 먼지입자에서 석영성분이 차지하는 비율이 높으며 특히 황사의 경우에 60% 전후로 다른 성분이 비하여 월등히 높다(Ganzei and Razzahigaeva, 2006; Feng et al., 2002). 둘째, 석영 입자에서 발생하는 466 cm-1의 라만 산란광은 탄성산란 신호나 공기분자의 라만 산란 신호와 명확히 구분되는 파장대를 형성하여 라이다 관측에 적합하다. 간섭필터의 사용으로 탄성산란 신호로부터 라만 산란 신호를 다른 공기분자의 후방산란 신호나 라만 산란 신호로부터 효과적으로 구분할 수 있다.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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