선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 장거리 이동하여 제주 고산에 도달한 황사와 오염 입자의 광학 특성 중 태양복사의 흡수에 기여하는 광흡수 특성에 대해 살펴보고자 한다. 먼저 3.
- 참고로 기상청에서 공식적으로 발표한 고산의 황사 발생일은 2011년 5월 12일과 13일이었다. 황사 발생시 Si, Ca, K, Mg 등을 비롯한 지각 물질(crustal material)을 구성하는 원소 성분의 농도와 무기이온 농도가 급격히 증가하기 때문에 실시간 화학조성 분석이 가능한 PILS(particle-into-liquid sampler)나 AMS(aerosol mass spectrometer) 자료 등이 있으면 좀 더 명확히 황사 사례를 구분해 낼 수 있으나 본 연구에서는 화학분석 자료 없이 광학 측정 자료만으로 황사와 오염 사례를 구분하고, 각 사례별 광흡수와 관련된 에어로졸의 광학특성에 대해 살펴보았다.
- 본 연구에서는 장거리 이동하는 에어로졸 중 빛을 흡수하는 대표적 입자인 블랙카본, 브라운카본으로 불리며 빛을 흡수하는 유기탄소, 철을 포함한 황사 입자에 의한 광흡수 기여도에 대해 각각 살펴보았다. 황사 사례 때 500 nm 파장대에서 황사입자의 광흡수 도는 11~23%를 차지하였으며, 브라운카본과 블랙 카본의 광흡수도가 약 80%를 차지하면서 탄소 입자의 광흡수 기여도가 상대적으로 큰 것을 알 수 있었다.
가설 설정
- 그림 6에서 각 화학종의 광합수 효율을 고려하여 계산한 화학성분별 광흡수도는 다음과 같은 식 (1) 에 의해 구해졌다. 이 때, 에어로졸에 의한 광흡수는 대부분 황사입자, 블랙카본 (본 연구에서는 원소탄소를 이용해 광흡수도를 계산), 브라운카본 (본 연구에서는 유기탄소 중 광흡수를 일으키는 탄소 지칭)에 의해서만 발생한다고 가정하였다.
제안 방법
- 에어로졸 흡수 옹스트롬 지수 (Absorption Angström Exponent: AAE)는 470 nm와 660 nm 파장에서의 흡수계수와 파장의 자연로그 값의 비로 산출하였다.
- 본 연구에서는 장거리 이동하여 제주 고산에 도달한 황사와 오염 입자의 광학 특성 중 태양복사의 흡수에 기여하는 광흡수 특성에 대해 살펴보고자 한다. 먼저 3.1절과 3.2절에서 황사가 심한 봄철에 편서풍을 따라 중국을 거쳐 한반도로 장거리 이동하는 공기괴의 전반적인 계절 특성에 대해 논하고, 3.3절에서 대표적인 빛 흡수 에어로졸인 블랙카본, 브라운카본, 황사 입자의 파장별 광흡수 효율을 고산 기후관측소(Gosan Climate Observatory) 자료를 이용하여 심한 황사와 고농도의 인위적 오염이 관측된 기간에 대해 각각 비교, 분석해 보았다.
- 에어로졸 흡수계수는 7파장(370, 470, 520, 590, 660, 880, 950 nm) 에썰로미터 (Magee Sci., model AE31)를이용해 3.9 LPM 유량으로 석영 여지 표면에 5분 동안 입자를 채취한 후 감쇄된 빛을 통해 측정하였다(Hansen, 2005). 이 때, Weingartner et al.
- 에어로졸의 물리적 특성 중 하나인 입경분포는 SMPS (scanning mobility particle sizer; TSI, Model 3034)와 APS (aerodynamic particle sizer; TSI, Model 3321)로 관측하였다. 54채널을 가진 SMPS는 10~487 nm 영역에 있는 초미세 (submicron) 입자의 수농도를 3분 간격으로 관측하고, 52채널을 가진 APS는 0.5~ 20 mm 사이에 있는 조대입자의 수농도를 5분 간격으로 측정한다. 각각의 자료는 10분 자료로 환산하여 시간별 평균 자료를 구하였으며, 0.
- 에어로졸의 연직분포는 2파장 편광 라이다(532 nm, 1064 nm)를 이용하여 조사하였다. 지표에서 지상 24 km까지 6 m 연직분해능으로 관측을 수행하였으며, 15분 간격으로 5분 동안 관측한 결과를 평균하여 하나의 연직 프로파일을 생산하였다. 특히, 532 nm 파장에서는 처음 발사한 레이저와 평행, 수직 성분의 편광을 따로 관측하기 때문에 비구형 황사 입자의 판별에 유용한 편광소멸도(depolarization ratio)를 산출할 수 있다.
- 일반적으로 탄소 입자의 분석방법은 초기의 순수한 헬륨 환경에서 온도를 증가함으로 유기탄소를 측정하고, 그 후 산소를 주입하여 온도를 증가시킴으로 원소탄소 성분을 측정한다. 또한, He-Ne 레이저 광선에 의해 조사되어 반사되는 정도와 투과되는 정도를 이용하여 유기탄소에서 타르화 된 부분을 보정해 준다. 고산에서 관측한 탄소 입자의 자세한 분석 방법은 Lim et al.
- HYSPLIT 모델은 전 세계의 상층기상 측정소로부터 관측된 기상자료를 1° ×1° 지구규모에 대한 기상모델로 재계산한 기상장(global data assimilation system; GDAS)을 입력 자료로 한다. 본 연구에서는 관측지점인 고산 기후관측소 1 km 상층에 도달한 공기에 대해 시간별로 3일 동안 역궤적 분석을 수행하였으며, 등온위면을 따라 이동한 공기의 수평, 연직 분포를 함께 분석하였다. 지표 에어로졸에 대한 연구에서 100 m 또는 500 m에 도달한 공기에 대해 역궤적 분석을 수행하는 것이 바람직 할 수 있으나 등온위면을 따라 이동하는 공기는 1 km보다 낮은 높이에서 계산을 수행하면 공기의 수직 이동이 나타나지 않는 경우가 많았고, 라이다 관측자료를 통해 1 km 높이에서도 충분히 상층에서 지표로 유입된 에어로졸의 영향을 확인할 수 있었다.
- 그림 2~4에서 보여주는 PM10 농도, 에어로졸 흡수계수, 에어로졸 연직분포 및 SMPS와 APS로 구한 에어로졸 입경분포 등을 통해 황사와 고농도 오염 사례를 선정하였다. 참고로 기상청에서 공식적으로 발표한 고산의 황사 발생일은 2011년 5월 12일과 13일이었다.
- 그림 2에서 PM10 농도가 증가하기 시작하는 5월 12일 21시부터 5월 13일 새벽 5시까지를 황사 사례로 선정하였으며, 각 시간별 에어로졸 부피 농도의 입경분포를 통해 황사 발생 시기를 결정하였다(그림 4
- 에어로졸의 물리적 특성 중 하나인 입경분포는 SMPS (scanning mobility particle sizer; TSI, Model 3034)와 APS (aerodynamic particle sizer; TSI, Model 3321)로 관측하였다. 54채널을 가진 SMPS는 10~487 nm 영역에 있는 초미세 (submicron) 입자의 수농도를 3분 간격으로 관측하고, 52채널을 가진 APS는 0.
대상 데이터
- 본 연구에서는 고산 기후관측소(북위 33.29도, 동경 126.16도)에서 2011년 5월 한 달 동안 에어로졸의 광학특성과 탄소 입자의 질량농도를 연속 관측한 자료를 분석하였다. 고산 기후관측소는 오랜 기간 장거리 이동하는 에어로졸을 관측한 동아시아의 대표적인 배경농도 감시 관측소이며, 봄철 편서풍 계열의 바람이 강할 때 황사의 영향을 관측하기 이상적인 곳에 지리적으로 위치하고 있다.
- 에어로졸의 연직분포는 2파장 편광 라이다(532 nm, 1064 nm)를 이용하여 조사하였다. 지표에서 지상 24 km까지 6 m 연직분해능으로 관측을 수행하였으며, 15분 간격으로 5분 동안 관측한 결과를 평균하여 하나의 연직 프로파일을 생산하였다.
- 0~10 μm에서 에어로졸의 부피 농도가 급격히 증가함을 볼 수 있다. 본 연구에서는 에썰로미터 관측자료를 이용하여 에어로졸의 광흡수 특성을 살펴보고자 하였기 때문에 황사가 지표에 도달한 5월 12일 21시부터의 자료를 황사 사례로 선정하였다.
- 오염 사례는 그림 2에서 에어로졸 흡수계수가 급격히 증가하는 5월 15일 07시부터 15시까지로 선정 하였으며, 그림 3에서 이 기간 동안의 에어로졸 입경 분포는 Yue et al. (2009)과 유사한 전형적인 오염 입자의 형태로 나타났다. 그림 3(a)의 오염 사례에서 에어로졸 입경분포의 수농도 피크는 0.
이론/모형
- 9 LPM 유량으로 석영 여지 표면에 5분 동안 입자를 채취한 후 감쇄된 빛을 통해 측정하였다(Hansen, 2005). 이 때, Weingartner et al. (2003)에서 제시한 방법을 이용하여 에어로졸의 흡수계수를 환산하였으며, 여지 표면에 채취된 에어로졸에 의한 간섭 효과 (shadowing effect; negative bias)나 입자에 의한 다중 산란효과(multiple-scattering effect; positive bias) 등은 Schmid et al. (2006)에서 제시한 상수를 이용해 보정하였다. 에어로졸 흡수 옹스트롬 지수 (Absorption Angström Exponent: AAE)는 470 nm와 660 nm 파장에서의 흡수계수와 파장의 자연로그 값의 비로 산출하였다.
- 탄소입자의 측정은 NIOSH protocol (thermal optical transmittance method)을 기초로 한 열광학적 투과도 법으로 분석하는 Sunset Laboratory 사의 준실시간 탄소분석기를 이용하였다. 이 장비는 NIOSH 5040 분석법을 기초로 하며, 45분간의 시료채취 후 8분 정도 연속적인 투과도를 측정 분석함으로서 대기 중 탄소 입자의 질량농도를 계산한다.
- 탄소입자의 측정은 NIOSH protocol (thermal optical transmittance method)을 기초로 한 열광학적 투과도 법으로 분석하는 Sunset Laboratory 사의 준실시간 탄소분석기를 이용하였다. 이 장비는 NIOSH 5040 분석법을 기초로 하며, 45분간의 시료채취 후 8분 정도 연속적인 투과도를 측정 분석함으로서 대기 중 탄소 입자의 질량농도를 계산한다. 일반적으로 탄소 입자의 분석방법은 초기의 순수한 헬륨 환경에서 온도를 증가함으로 유기탄소를 측정하고, 그 후 산소를 주입하여 온도를 증가시킴으로 원소탄소 성분을 측정한다.
- 고산으로 유입된 공기의 이동경로는 미국해양대기국 (National Oceanic and Atmospheric Administration; NOAA)의 HYSPLIT (HYbrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory) 모델을 이용해 조사하였다. HYSPLIT 모델은 전 세계의 상층기상 측정소로부터 관측된 기상자료를 1° ×1° 지구규모에 대한 기상모델로 재계산한 기상장(global data assimilation system; GDAS)을 입력 자료로 한다.
- (λ)는 파장별 원소탄소와 유기탄소의 단위질량당 빛 흡수도(mass absorption cross section; MAC)를 의미한다. 식 (1)의 중요한 상수인 원소탄소와 유기탄소의 파장별 MAC는 고산의 2009~2010년 관측자료를 이용해 통계적 기법으로 계산한 Chung et al. (2012b)의 값을 이용하였다. Chung et al.
- 5~ 20 mm 사이에 있는 조대입자의 수농도를 5분 간격으로 측정한다. 각각의 자료는 10분 자료로 환산하여 시간별 평균 자료를 구하였으며, 0.5 mm 부근에서 SMPS와 APS의 입경이 겹치는 부분은 Hand and Kreidenweis (2002)에서 제시된 방법에 따라 보정하여 SMPS 의 mobility-equivalent diameter로 나타내었다.
성능/효과
- 본 연구에서는 관측지점인 고산 기후관측소 1 km 상층에 도달한 공기에 대해 시간별로 3일 동안 역궤적 분석을 수행하였으며, 등온위면을 따라 이동한 공기의 수평, 연직 분포를 함께 분석하였다. 지표 에어로졸에 대한 연구에서 100 m 또는 500 m에 도달한 공기에 대해 역궤적 분석을 수행하는 것이 바람직 할 수 있으나 등온위면을 따라 이동하는 공기는 1 km보다 낮은 높이에서 계산을 수행하면 공기의 수직 이동이 나타나지 않는 경우가 많았고, 라이다 관측자료를 통해 1 km 높이에서도 충분히 상층에서 지표로 유입된 에어로졸의 영향을 확인할 수 있었다.
- 표 1에서 황사 사례 때 PM10 평균 농도는 303 μg m-3이었으며, 오염 사례와 비교해 미세입자 (0.1< Dp ≤ 1.0 μm)의 수농도는 절반 밖에 안 되지만 1.0~10 μm 사이에 있는 조대입자의 수농도는 206 m-3으로 오염 사례보다 3배 정도 높게 나타났다.
- 표 1에서 탄소 입자의 농도는 오염 사례 때 원소 탄소와 유기탄소의 농도가 모두 높게 나타났다. 황사의 질량 농도가 높게 관측되더라도 그림 2의 에어로졸 흡수계수가 황사 사례에 비해 오염 사례 때 2배정도 높은 것은 황사 입자의 질량당 흡수효율이 꽤 낮다는 것을 의미한다.
- 5 농도비를 통해 황사 또는 조대입자의 영향이 없는 자료를 선별하였으며, 식 (1)과 유사하게 에어로졸 흡수계수와 탄소 입자의 질량 농도를 이용하여 원소탄소와 유기탄소의 MAC를 계산하였다. 본 연구에서 이용한 370~950 nm 파장에서 원소탄소와 유기탄소의 MAC는 각각 2.6~ 6.0 m2 g-1와 0.5~2.7 m2 g-1이며, 다른 지역에서 구해진 MAC와 비교하면 전체적으로 블랙카본은 낮고 브라운카본은 높은 것을 알 수 있다. Yang et al.
- 이 때 브라운카본에 의한 기여도는 370 nm 파장에서 27%를 차지하여 그 양이 작지 않음을 알 수 있다. 관측에서 가장 많이 사용하는 500 nm 파장대에서 황사 입자의 광흡수도는 전체 에어로졸의 11~23%를 차지하였으며, 블랙카본과 브라운 카본이 나머지 77~89%를 차지하였다. 이는 3.
- 그림 6(b)의 오염 사례에서 대부분의 빛 흡수는 블랙카본과 브라운카본에 의해 발생했으며, 황사 사례와 마찬가지로 블랙카본의 파장별 흡수도 차이는 크지 않은 반면 브라운카본에 의한 차이는 상대적으로 크게 나타났다. 단파 영역인 370 nm에서 브라운카본의 광흡수 기여도는 48%를 차지하였고, 그 기여도가 파장이 증가할수록 점점 낮아져 590 nm에서 40%를 차지하다가 950 nm에서는 33%를 차지하고 있음을볼 수 있다.
- 그림 6(b)의 오염 사례에서 대부분의 빛 흡수는 블랙카본과 브라운카본에 의해 발생했으며, 황사 사례와 마찬가지로 블랙카본의 파장별 흡수도 차이는 크지 않은 반면 브라운카본에 의한 차이는 상대적으로 크게 나타났다. 단파 영역인 370 nm에서 브라운카본의 광흡수 기여도는 48%를 차지하였고, 그 기여도가 파장이 증가할수록 점점 낮아져 590 nm에서 40%를 차지하다가 950 nm에서는 33%를 차지하고 있음을볼 수 있다. 한편, 오염 사례 때도 황사에 의한 광흡 수는 500 nm 이하의 파장에서 조금씩 나타나기 시작해 370 nm에서는 전체 에어로졸 흡수계수의 11%를 차지하였으며, 이는 그림 6(a)의 동일한 단파 파장에서 황사에 의한 광흡수 기여도와 비교하면 오염 사례때 급격히 감소하였음을 알 수 있다.
- 한편, 오염 사례 때도 황사에 의한 광흡 수는 500 nm 이하의 파장에서 조금씩 나타나기 시작해 370 nm에서는 전체 에어로졸 흡수계수의 11%를 차지하였으며, 이는 그림 6(a)의 동일한 단파 파장에서 황사에 의한 광흡수 기여도와 비교하면 오염 사례때 급격히 감소하였음을 알 수 있다. 한편, 그림 6(a), (b)에서 황사 사례에 비해 오염사례 때 블랙카본과 브라운카본의 파장에 따른 흡수도 변화가 큰 것처럼 보이지만, 오염 사례 때 전체 에어로졸 흡수계수가 큼을 감안하여 에어로졸 각각의 절대적인 흡수계수 변화를 비교해 보면 블랙카본과 브라운카본의 파장에 따른 흡수계수 변화 비율은 일정하게 나타났다.
- 본 연구에서는 장거리 이동하는 에어로졸 중 빛을 흡수하는 대표적 입자인 블랙카본, 브라운카본으로 불리며 빛을 흡수하는 유기탄소, 철을 포함한 황사 입자에 의한 광흡수 기여도에 대해 각각 살펴보았다. 황사 사례 때 500 nm 파장대에서 황사입자의 광흡수 도는 11~23%를 차지하였으며, 브라운카본과 블랙 카본의 광흡수도가 약 80%를 차지하면서 탄소 입자의 광흡수 기여도가 상대적으로 큰 것을 알 수 있었다. 이는 공기괴의 역궤적 분석에서 우리나라에 유입된 황사가 고비사막과 내몽골 지역을 거쳐 산둥반도를 통해 유입되기 때문에 인위적 오염의 영향을 함께 받았기 때문으로 해석된다.
- 그럼에도 370 nm에서 황사입자에 의한 광흡수도는 전체 에어로졸의 45% 를 차지할 정도로 높게 나타났다. 황사와 오염 사례 모두 블랙카본에 의한 흡수도는 파장에 의한 차이가 거의 나타나지 않았으며, 오염이 심한 경우에 370 nm 파장에서 브라운카본이 광흡수에 기여하는 정도가 전체 에어로졸의 48%를 차지함을 볼 때 단파장에서 유기탄소 성분 중 상당 부분이 빛 흡수에 기여하고 있음을 알 수 있었다.
- 3 μm 부근에서 피크를 보였다. 표 1에서 미세입자의 수농도는 오염 사례 때 98,000 m-3으로 높게 구해졌으며, 원소 탄소와 유기탄소의 질량 농도 역시 황사 사례에 비해 전반적으로 높음을 알 수 있다.
후속연구
- 현재까지 우리나라에서 직접 관측을 통해 각 화학종의 광흡수도를 발표한 사례가 거의 없었기 때문에 본 연구에서 간접적으로나마 화학 성분별 광흡수도를 계산한 결과는 향후 황사입자와 블랙카본, 브라운 카본의 광학특성에 관한 연구 방향을 정하는데 도움을 줄 것으로 기대된다. 그러나 본 연구결과가 얼마나 신뢰성 있는가에 대해서는 앞으로도 다양한 연구가 추가되어야 한다.
- 현재까지 우리나라에서 직접 관측을 통해 각 화학종의 광흡수도를 발표한 사례가 거의 없었기 때문에 본 연구에서 간접적으로나마 화학 성분별 광흡수도를 계산한 결과는 향후 황사입자와 블랙카본, 브라운 카본의 광학특성에 관한 연구 방향을 정하는데 도움을 줄 것으로 기대된다. 그러나 본 연구결과가 얼마나 신뢰성 있는가에 대해서는 앞으로도 다양한 연구가 추가되어야 한다. 예를 들어, 유입구로 공기를 유입하는 과정에서 조대입자와 미세입자를 나누어 채취하는 연구가 선행된다면 황사입자에 의한 흡수도를 직접 관측을 통해 확인할 수 있을 것이다.
- 예를 들어, 유입구로 공기를 유입하는 과정에서 조대입자와 미세입자를 나누어 채취하는 연구가 선행된다면 황사입자에 의한 흡수도를 직접 관측을 통해 확인할 수 있을 것이다. 또한 미세입자로 채취된 공기의 흡수도를 측정하고, 동시에 공기를 최소 600℃ 이상의 온도까지 올려 휘발되고 남은 입자(즉, 블랙카본으로 추정되는 입자)의 흡수도를 측정한다면 브라운카본과 블랙카본의 흡수도를 구분하여 측정할 수 있을 것으로 사료된다. 그렇지만 조대입자 영역에서 황사 입자와 혼합(internally and/or externally mixing)되어 존재하는 탄소 입자에 관한 오차는 여전히 존재할 수 있기 때문에 이러한 관측 오차를 줄일 수 있는 방법에 관해서는 여전히 고민해 봐야 할 부분으로 남아 있다.
- 그렇지만 조대입자 영역에서 황사 입자와 혼합(internally and/or externally mixing)되어 존재하는 탄소 입자에 관한 오차는 여전히 존재할 수 있기 때문에 이러한 관측 오차를 줄일 수 있는 방법에 관해서는 여전히 고민해 봐야 할 부분으로 남아 있다. 또한 기존에 알려진 황사의 화학 성분 중 철 산화물(iron oxides) 이외에 어떠한 성분이 빛 흡수에 기여하는지에 관한 연구(Huang et al., 2010)와 탄소 입자(블랙카본 또는 브라운카본)의 변성과정에 따른 광학 특성 변화 (Knox et al., 2009)에 관한 연구가 추가 보완된다면, 화학조성 자료와 에쎌로미터와 같은 광학측정 자료의 상호 검증이 가능할 것으로 생각된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.