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문제 정의
- 특히 인위적 발생원의 활동도에직접적인 영향을 받는 도시지역과 뚜렷한 인위적인 발생원이 없는 배경지역에서의 에어로졸 수농도 변화는 전혀 다른 특성을 나타낸다. 본 연구가 수행된 측정 지점은 인위적인 발생원의 직접적인 영향을 배제할수 있는 대기배경지역으로서 에어로졸의 수농도에 미치는 황사의 영향을 규명하기에 적합한 지역이다.
- 본 연구에서는 광산란분광 원리를 이용한 입자개수측정기인 APS(aerodynamic particle sizer spectrometer)로 2010년 3월 1일부터 2011년 2월 28일까지 에어로졸의 입경별 수농도를 측정하고 황사 시와 비황사 시의 수농도를 비교․분석하여 황사현상이 제주지역 대기중 에어로졸의 수농도에 미치는 영향을 밝히고자 하였다.
제안 방법
- 이 APS 장비는 광산란으로 입자의 개수와 크기 분포를 측정하는 방식이다. 레이저 광원을 에어러솔 입자에 조사하고, 측방에서 산란광의 크기와 빈도를 검출하여 수농도를 측정하며, 장치의 구성은 광원인 반도체 레이저, 분진과 레이저가 교차되는 sensing 쳄버, 흡입공기 유량을 일정하게 유지하는 펌프로 이루어졌다.
- 본 연구기간 동안 0.25 ∼32 ㎛크기 범위의 에어로졸에 대해 가장 미세한 0.25 ∼0.28 ㎛구간부터 가장 큰 30.0 ∼32.0 ㎛구간까지 30개 구간으로 나누어 측정한 입경 범위별 에어로졸 수농도를 비황사, 약한 황사, 심한 황사로 구분하여 Table 2에 정리하여 나타냈다.
- 본 연구기간 중 제주지역에서 관측된 황사현상은 Table 1에서 보는 바와 같이 3월 2회, 4월, 5월, 11월각 1회, 12월 2회로 총 7차례에 걸쳐 나타났으며 지속 시간은 짧게는 2시간 정도에 불과했으나 11월에 발생한 황사현상은 29시간 동안 지속되었다. 황사현상이 나타날 때 에어로졸 질량농도는 크게 증가하는데, 대체로 지속시간이 길수록 증가폭이 크게 나타났다.
- 본 연구에서 사용한 APS의 측정 범위는 0.25∼32 μm로써 0.25 ㎛보다 작은 에어로졸 수농도는 측정되지 않으며 0.25∼10 ㎛까지는 23개 구간으로 나누어 입경 구간별 수농도가 측정된다.
- 지속시간이 가장 짧았던 5월에 나타난 황사기간 중 PM10 농도는 최고가 94 ㎍/㎥으로 평상시 제주지역 평균 PM10 농도의 약 2배 정도로 대기 중 미세먼지 질량농도에 미치는 영향이 크지 않았으나 지속시간이 가장 길었던 11월에 발생한 황사 시에는 PM10 농도가 749 ㎍/㎥으로 매우 높은 값을 보였다. 본 연구에서는 기상청의 강한 황사 구분 기준인 400 ㎍/㎥을 기준으로 약한 황사(WAD)와 심한 황사(SAD)로 구분하였다. 심한 황사가 나타난 경우는 3월 15∼16일 사이의 1시간, 3월 20∼21일 사이의 8시간 그리고 11월 11∼13일 사이의 17시간으로 11월에 발생한 황사현상이 본 연구기간 동안 발생한 황사현상 중 지속시간도 가장 길었을 뿐 아니라 강도도 가장 강한 황사현상이었다.
- 한편 황사 시 입경별 에어로졸 수농도의 상호 관련성 및 전체 수농도에 대한 각 입경별 수농도의 영향 정도, PM10 질량농도와 각 입경별 수농도의 상관성을 밝히기 위해 측정한 에어로졸 수농도 자료 중 상호 비교가 가능한 6.5 ㎛ 이하의 입경 구간에 대한 수농도를 황사 시와 비황사 시로 구분하여 각 입경별 수농도와 전체 수농도, PM10 질량농도 간의 상관계수를 구하고 그 결과를 Table 3에 정리하여 나타냈다. Table 3에서 보는 바와 같이 비황사 시 전체 수농도는 0.
- 황사현상이 대기 중 에어로졸 수농도 변화에 미치는 직접적인 영향을 살펴보기 위하여 황사현상이 발생한 3월, 4월, 5월, 11월, 12월의 PM10 농도와 에어로졸 수농도의 동일 시간에 대한 시계열 변화를 Fig. 2에나타냈다. 여기서 보면 5월 말과 11월 초를 제외하고는 PM10 농도와 에어로졸 수농도는 유사한 시계열 변화를 보이며 특히, 황사가 발생한 시간대에는 PM10 농도 뿐 아니라 수농도도 뚜렷한 증가를 보임을 알 수 있다.
- 황사현상이 제주지역 대기 중 에어로졸의 수농도에 미치는 영향을 파악하기 위하여 광학입자개수측정장치(APS)를 이용해 2010년 3월 1일부터 2011년 2월 28일까지 에어로졸 수농도를 측정하고 그 결과로부터 황사 시의 에어로졸 수농도 특성을 연구하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- APS 장비를 이용한 에어로졸 수농도 측정은 2010년 3월 1일부터 2011년 2월 28일까지 연속적으로 이루어졌으며 측정된 데이타는 5분 간격으로 수집한 후 1시간 단위로 평균하여 본 연구의 에어로졸 수농도 자료로 이용하였다. 그리고 PM10 농도는 수농도 측정지점으로부터 약 1.
- APS 장비를 이용한 에어로졸 수농도 측정은 2010년 3월 1일부터 2011년 2월 28일까지 연속적으로 이루어졌으며 측정된 데이타는 5분 간격으로 수집한 후 1시간 단위로 평균하여 본 연구의 에어로졸 수농도 자료로 이용하였다. 그리고 PM10 농도는 수농도 측정지점으로부터 약 1.5 km 북쪽에 위치한 국립환경과학원 장거리이동측정소의 측정자료를 이용하였다.
- 본 연구에 사용한 APS 장비의 입경 측정범위는 0.25～32 μm로서 측정 입경 구간은 (0.25-0.28-0.3-0.35-0.4-0.45-0.5-0.58-0.65-0.7-0.8-1.0-1.3-3.5-4.0-5.0-6.5-7.5-8.5-10.0-15.0-17.5-20.0-25.0-30.0-32.0 ㎛) 30개 구간이며, 수농도 측정범위는 0.1∼1,500 μg/m3이다.
- 특히 본 연구를 수행한 측정지점(33°17ʹN, 126°10ʹE, 제주특별자치도 제주시 한경면 고산리 소재 수월봉)은 Fig.1에서 보는 바와 같이 제주도 서쪽 끝 지점으로 인가와 떨어져서 주변에 국지 오염원이 거의 없는 해발 72 m 해안가 언덕에 위치해 있고, 제주도 고층레이다기상대와는 서쪽 방향으로 약 300 m 떨어져 있다.
이론/모형
- 본 연구에서 에어로졸 수농도 측정을 위해 사용한 APS(aerodynamic particle sizer spectrometer)는 광산 란법 분광기(Grimm Aerosol Technik GmbH & Co., model #179, Germany)로써 야외 현장용 미세분진 연속측정 수분제어시스템(Grimm Aerosol Technik GmbH & Co., model #365, Germany)을 부착하여 사용하였다.
성능/효과
- 10 ㎛이하 구간 전체 수농도에 대한 각 입경별 수농도의 상대적 기여율은 입경이 클수록 급격히 낮아 지며 0.4 ㎛보다 작은 입경 구간에서는 비황사 시의 기여율이 황사 시에 비해 월등히 높고 이보다 큰 입경 구간에서는 황사 시의 기여율이 비황사 시에 비해 현저히 높게 나타나 제주지역에 황사현상이 발생하면 0.4 ㎛보다 큰 입경을 갖는 에어로졸의 수농도에 지대한 영향을 미침을 알 수 있었다.
- 5월에 발생한 황사는 지속시간도 짧고 PM10 농도 증가도 크지 않았으나 에어로졸 수농도에는 가장 큰 영향을 미쳤으며 특히, 0.65∼5.0 ㎛입경 범위에서는 다른 황사 사례 및 비황사 시보다 현저히 높은 수농도를 보였다.
- 그리고 인접한 입경별 수농도 간에는 매우 높은 상관관계를 보이고 입경 차이가 큰 입경 간의 상관계수는 아주 낮게 나타나는데, 이러한 경향은 황사 시에 더욱 두드러지게 나타났다. 황사 시 입자 크기가 0.
- 5에 나타냈다. 그림에서 보는 바와 같이 본 연구의 측정 범위에서는 PM10 전체 수농도에 대한 각 입경별 수농도의 상대적 기여율은 미세한 입경 구간이 크고 입경이 클수록 기여율은 급격히 낮아져 비황사 시의 경우 0.58 ㎛ 이상인 입경 구간의 기여율은 1%에도 미치지 못하는 결과를 보였다. 비황사 시 입경 구간별 기여율을 보면 0.
- 이와 같은 입자 크기별 에어로졸 수농도 분포특성은 측정 입경 범위가 비슷한 다른 연구 결과에서도 밝혀진 바 있다. 미세입자 구간의 변화 추이는 연구결과들 간 대체로 유사한 경향을 보이지만 2.5㎛보다 큰 입자 구간에 대해서는 대상지역에 따라 서로 다른 양상을 보였다. 특히, Kim과 Choi가 안면도, 제주 고산, 대관령에서 0.
- 반면에 PM10 질량 농도는 비황사 시에는 1.0 ㎛ 이하의 입자 수농도에 비슷한 정도로 영향을 받으나 황사 시에는 0.65∼3.0㎛입경 범위의 수농도가 PM10 질량농도에 결정적 영향을 미치고 있음을 알 수 있었다.
- 58 ㎛보다 작은 미세입자의 수농도에 대체로 지배적 영향을 받지만 황사 시에는 조대입자 수농도 영향이 증대된다. 반면에 PM10 질량농도는 비황사 시에는 1.0 ㎛이하의 입자 수농도에 주로 영향을 받으나 황사 시에는 0.65∼3.0 ㎛ 입경 범위의 수농도에 가장 큰 영향을 받음을 알 수 있었다.
- 반면에 황사 시에는 0.7∼2.5 ㎛ 입경 범위에서 PM10 질량농도와 입경별 수농도 간의 상관계수가 0.5 이상으로 나타나며 그 이상의 입경 구간에서도 상관계수가 0.2 이상을 보이지만 0.58 ㎛이하의 입경 범위에서는 PM10 질량 농도와 입경별 수농도 간에 약한 음의 상관성을 보였다.
- 본 연구 기간 동안 황사 사례는 총 7회에 걸쳐 나타났으며 이 때 측정된 에어로졸 수농도 총합평균은 약 341.0 particles/㎝3로서 비황사 시에 비해 약 100 particles/㎝3 정도 높은 값을 보였으며 심한 황사 시와 약한 황사 시에는 거의 비슷한 수농도를 나타냈다.
- 6에 나타냈다. 여기서 보면 제주지역 대기중 에어로졸의 입경별 수농도는 입경이 작을수록 높고 입경이 커짐에 따라 수농도는 감소하는데, 감소하는 정도는 입경 구간별로 뚜렷한 차이를 보임을 알 수 있다. 황사와 같은 특이 환경조건이 아닌 경우 0.
- 0 ㎛이상의 입경부터는 수농도 차이가 20배 이상 나타난다. 이 결과로 미루어 볼 때 황사현상에 의해 제주지역으로 유입되는 에어로졸의 입경은 대체로 0.7 ㎛이상의 에어로졸이 대부분을 차지함을알 수 있다. 이와 같이 황사현상이 발생하면 0.
- 4 ㎛보다 작은 입경 범위의 수농도 간에는 상관관계가 거의 없었다. 이 결과로 볼 때 유사한 크기의 에어로졸은 동일한 생성기원으로부터 유래되고 입경 차이가 큰 입자의 유입경로는 명확히 다르다는 사실을 확인할 수 있었다. 특히 연구기간 중 발생한 황사 현상이 7차례나 되며 시기적으로 큰 차이가 있음에도 이와 같은 결과를 보이는 것으로 볼 때 황사현상에 의해 제주지역으로 유입되는 에어로졸은 황사의 발생시기나 수송경로에 관계없이 유사한 입경분포를 갖는 것으로 생각된다.
- 4㎛보다 작은 입경 구간에서는 약한 황사 시의 기여율이 심한 황사 시에 비해 상당히 높지만 이보다 큰 입경 구간에서는 심한 황사 시의 입경별 수농도 기여율이 약한 황사 시에 비해 높게 나타남을 알 수 있다. 이 결과로 볼 때 제주지역에 황사현상이 발생하면 0.4 ㎛보다 큰 입경을 갖는 에어로졸의 수농도에 지대한 영향을 미침을 알 수 있다.
- 0 ㎛이상의 입경 구간에서는 전체 수농도에 대한 입경별 수농도의 상관성이 비황사 시보다 다소 크게 나타났다. 이 결과로 볼때 제주지역 대기 중 에어로졸의 전체 수농도는 0.58 ㎛보다 작은 입경 구간의 수농도에 지배됨을 알 수 있었으며, 황사의 영향을 받는 경우에도 이러한 경향은 크게 변하지 않음을 알 수 있었다.
- 0 particles/㎝3로서 황사 시의 수농도가 비황사 시에 비해 약 100 particles/㎝3정도 높은 값을 보이며 심한 황사 시와 약한 황사 시에는 거의 비슷한 수농도를 나타냈다. 입경 구간별 수농도를 비교해 보면 입경이 0.4 ㎛이하의 입경 구간에서는 황사 시와 비황사 시의 에어로졸 수농도가 큰 차이가 없거나 오히려 심한 황사 시의 수농도가 비황사 시보다 작게 나타났다. 그러나 0.
- 입경 구간별로는 0.4 ㎛이하의 입경 구간에서는 황사 시와 비황사 시의 에어로졸 수농도가 큰 차이가 없었으나 0.45 ㎛이상의 구간에서는 황사 시가 월등히 높아 0.7 ㎛ 이상의 입경별 수농도는 비황사 시에 비해 거의 10배 이상 높게 나타나지만 전체 수농도는 미세 입자(〈0.45 ㎛) 수농도에 지배됨에 따라 황사의 영향이 상대적으로 적어 전체 수농도는 약 1.5 배 정도 높게 나타났다.
- 그러나 황사현상이 발생하면 에어로졸 수농도 입경분포특성이 비황사 시와 뚜렷한 차이를 보인다. 전체적으로 볼 때 거의 모든 입경에서의 수농도가 비황사 시보다 황사 시에 높은 농도를 보이며 입경에 따른 농도 변화 경향은 확연한 차이를 보인다. 0.
- 제주지역 대기 중 에어로졸의 수농도는 인접한 입경별 수농도 간에 매우 높은 상관성을 보이며 총 수농도는 황사 시와 비황사 시 구분 없이 0.58 ㎛보다 작은 미세입자의 수농도에 대체로 지배적 영향을 받지만 황사 시에는 조대입자 수농도 영향이 증대된다. 반면에 PM10 질량농도는 비황사 시에는 1.
- 황사현상이 나타날 때 에어로졸 질량농도는 크게 증가하는데, 대체로 지속시간이 길수록 증가폭이 크게 나타났다. 지속시간이 가장 짧았던 5월에 나타난 황사기간 중 PM10 농도는 최고가 94 ㎍/㎥으로 평상시 제주지역 평균 PM10 농도의 약 2배 정도로 대기 중 미세먼지 질량농도에 미치는 영향이 크지 않았으나 지속시간이 가장 길었던 11월에 발생한 황사 시에는 PM10 농도가 749 ㎍/㎥으로 매우 높은 값을 보였다. 본 연구에서는 기상청의 강한 황사 구분 기준인 400 ㎍/㎥을 기준으로 약한 황사(WAD)와 심한 황사(SAD)로 구분하였다.
- 0 ㎛구간의 기여율이 1%를 초과하는 결과를 보였다. 특히 입경 0.45㎛를 경계로 0.45 ㎛보다 작은 입경 구간에서는 비황사 시의 기여율이 황사 시에 비해 월등히 높고 이보다 큰 입경 구간에서는 황사 시의 기여율이 비황사 시에 비해 현저히 높게 나타났다. 아울러 약한 황사가 발생한 경우와 심한 황사 시의 기여율을 비교해 보면 0.
- 그리고 인접한 입경별 수농도 간에는 매우 높은 상관관계를 보이고 입경 차이가 큰 입경 간의 상관계수는 아주 낮게 나타나는데, 이러한 경향은 황사 시에 더욱 두드러지게 나타났다. 황사 시 입자 크기가 0.65 ㎛보다 큰 입경 범위의 수농도 간에는 전체적으로 매우큰 상관성을 보이지만 0.65 ㎛보다 큰 입경 범위의 수 농도와 0.4 ㎛보다 작은 입경 범위의 수농도 간에는 상관관계가 거의 없었다. 이 결과로 볼 때 유사한 크기의 에어로졸은 동일한 생성기원으로부터 유래되고 입경 차이가 큰 입자의 유입경로는 명확히 다르다는 사실을 확인할 수 있었다.
- 본 연구기간 중 제주지역에서 관측된 황사현상은 Table 1에서 보는 바와 같이 3월 2회, 4월, 5월, 11월각 1회, 12월 2회로 총 7차례에 걸쳐 나타났으며 지속 시간은 짧게는 2시간 정도에 불과했으나 11월에 발생한 황사현상은 29시간 동안 지속되었다. 황사현상이 나타날 때 에어로졸 질량농도는 크게 증가하는데, 대체로 지속시간이 길수록 증가폭이 크게 나타났다. 지속시간이 가장 짧았던 5월에 나타난 황사기간 중 PM10 농도는 최고가 94 ㎍/㎥으로 평상시 제주지역 평균 PM10 농도의 약 2배 정도로 대기 중 미세먼지 질량농도에 미치는 영향이 크지 않았으나 지속시간이 가장 길었던 11월에 발생한 황사 시에는 PM10 농도가 749 ㎍/㎥으로 매우 높은 값을 보였다.
- 황사현상이 발생하면 에어로졸 수농도 입경분포특성이 뚜렷한 차이를 보여 0.4 ㎛보다 작은 입경 구간에서는 농도 차이 외에는 황사 시와 비황사 시의 입경분포특성 차이가 크지 않으나, 0.4∼2.0 ㎛입경 범위에서는 황사 시의 입경 증가에 따른 수농도 감소 정도가 비황사 시에 비해 훨씬 적음을 알 수 있었다.
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