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문제 정의
- 본 연구에서는 교외지역의 대기 에어로졸의 특성을 파악하기 위해 블랙카본 농도를 측정하였다. 측정결과를 기상청 데이터와도 함께 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 충남 천안시 병천면 주변의 대기 에어로졸의 특성을 파악하기 위하여 2012년 4월~9월의 6개월 동안의 블랙카본 농도를 측정하였으며 교외지역의 블랙카본의 수준을 평가할 수 있는 방법을 제안하고자 한다.
가설 설정
- 또한 디젤엔진 실험을 통하여 디젤 입자의 직경과 흡수단면적을 도출하였고, 가정을 통하여 체적 분율도 도출할 수 있었다.
제안 방법
- 2012년 4월~9월 동안 1분 간격으로 측정된 MAAP 데이터의 분석을 위하여 08시~18시 총 하루 10시간 동안 비교 추출하고 그 데이터를 1시간 간격으로 평균하여 Fig. 2에 나타내었다.
- 는 흡수 단면적이고 N은 수농도이다. 66.1 nm 크기의 디젤 입자에 대하여 여러 수농도에 따른 광흡수 계수를 측정하였고, 식 (1)을 이용하여 선형회귀분석을 통해 흡수 단면적을 도출하였다. 디젤엔진에 의해 발생된 66.
- 에어로졸의 흡수계수와 수농도로부터 흡수 단면적을 결정하였다. Differential Mobility Analyzer(동성산업)를 이용하여 디젤입자의 크기 분포를 측정하였다.
- MAAP 장치를 이용하여 병천면 인근의 블랙카본 농도를 측정하였다. MAAP는 1분 간격으로 24시간 연속 측정되며 이 지역의 지역적 특성으로 인하여 주변공장의 영향을 무시할 수 있는 낮동안의 데이터가 좀 더 유의미하기에 인간 활동이 많은 시간대인 08시~18시 사이의 데이터들을 본 연구에 이용하였다.
- 5에 나타내었다. 그 중에서 상대습도와 온도는 7월 27일~29일의 3일간의 데이터를, 풍속은 8 월 27일~28일의 데이터를 사용하여 각각의 요소 인자와 블랙카본의 농도와의 관계를 선형회귀분석하였다.
- MAAP는 광흡수 측정 장치 중 하나로써 대기 중의 에어로졸을 포집하여 필터에 부착시키고 에어로졸이 부착되어있는 필터에 레이저를 입사시킨 후 필터에 의한 광소멸로부터 블랙카본의 광흡수 계수를 측정하는 장치이다. 기존의 광흡수 측정 장치는 레이저를 입사시킨 반대편에 검출기가 있어서 빛의 산란효과에 대해 무시한 것에 반하여 산란되는 방향으로 2개의 각도에 대한 검출기를 추가하여 산란광을 보정함으로써 산란에 의한 영향을 최소화 하였다.(5) 본연구에는 Thermo scientific 사의 5012 제품을 사용하였다.
- 전체적인 경향을 관찰했을 때 4월~5월이 농도의 변동이 크고 평균적으로 높은 블랙카본 농도를 보이고 있으며 6월~9월은 농도의 변동도 적은 편이며 평균 블랙카본 농도도 낮은 편이다. 더 자세한 분석을 위하여 각 월별 1일~30일까지의 블랙카본 농도를 하나의 그림으로 나타내었다. Fig.
- 실재 8월 28일경에는 태풍‘볼라벤’이 실험결과에 큰 영향을 미쳤으며 정확한 고찰을 위하여 풍속에 한해서는 8월 27일~28일 2일 동안의 48시간의 데이터를 이용하여 자세히 분석하였다.
- 에어로졸의 수농도 측정을 위하여 응축핵 계수기(Condensation particle counter, TSI 3775)를 사용하였다. 에어로졸의 흡수계수와 수농도로부터 흡수 단면적을 결정하였다.
- 에어로졸의 수농도 측정을 위하여 응축핵 계수기(Condensation particle counter, TSI 3775)를 사용하였다. 에어로졸의 흡수계수와 수농도로부터 흡수 단면적을 결정하였다. Differential Mobility Analyzer(동성산업)를 이용하여 디젤입자의 크기 분포를 측정하였다.
- 풍속과의 관계를 관찰하였다. 실재 8월 28일경에는 태풍‘볼라벤’이 실험결과에 큰 영향을 미쳤으며 정확한 고찰을 위하여 풍속에 한해서는 8월 27일~28일 2일 동안의 48시간의 데이터를 이용하여 자세히 분석하였다.
대상 데이터
- (5) 본연구에는 Thermo scientific 사의 5012 제품을 사용하였다.
- 2012년 4월 9일~4월 10일에서 18시~08시 데이터를 밤 데이터로, 08시~18시 데이터를 낮 데이터로 하여 각 데이터를 평균을 낸 뒤, 각각의 수농도와 체적 분율을 도출하여 Table 1에 나타내었다. Table 1에 나타나 있듯이 낮과 밤의 표준편차가 다른 이유는 인간 활동이 활발한 낮에 출근시간 대의 차량 증가 등 더 많은 변수가 작용하여밤 시간대에 비해 변동에 영향을 준 것으로 판단된다.
- MAAP 장치를 이용하여 병천면 인근의 블랙카본 농도를 측정하였다. MAAP는 1분 간격으로 24시간 연속 측정되며 이 지역의 지역적 특성으로 인하여 주변공장의 영향을 무시할 수 있는 낮동안의 데이터가 좀 더 유의미하기에 인간 활동이 많은 시간대인 08시~18시 사이의 데이터들을 본 연구에 이용하였다.
- 디젤엔진에서 발생하는 블랙카본 농도 측정을 위해 최대출력 10HP, 정격 회전수 1800rpm인 ETK Power Machinery사의 186FS 경운기 디젤엔진을 사용하였다.
- 또한 본 연구에는 기상청 데이터가 이용되었 다. 블랙카본 농도에 영향을 줄 수 있는 객관적인 요소들로써 온도, 풍속, 습도 등이 활용되었 으며 블랙카본 농도와 황사와의 관계를 파악하기 위하여 PM10(대기 먼지입자 중 크기가 10㎛ 이하인 미세분진) 측정 자료가 활용되었다.
- 또한 본 연구에는 기상청 데이터가 이용되었 다. 블랙카본 농도에 영향을 줄 수 있는 객관적인 요소들로써 온도, 풍속, 습도 등이 활용되었 으며 블랙카본 농도와 황사와의 관계를 파악하기 위하여 PM10(대기 먼지입자 중 크기가 10㎛ 이하인 미세분진) 측정 자료가 활용되었다.
데이터처리
- 5(b)에 나타나 있듯이 온도가 높을 때 블랙카본의 농도는 낮으며, 온도가 낮을 때 블랙카본의 농도가 높은 경향을 확인할 수 있다. 상대습도와 마찬가지로 온도와 블랙카본의 농도를 선형회귀분석하였으며 상관계수는 0.76이 도출되었다. 이를 통하여 온도와 블랙카본 농도와는 반비례관계가 성립 한다는 사실을 확인하였다.
성능/효과
- (1) 최근에는 블랙카본이 CO2 에 이어 두 번째로 지구온난화에 영향을 주는 물질이라는 주장이 제기되어 관련된 연구가 계속 진행될 것으로 판단된다.(2) 블랙카본은 기체가 아닌 고체로서 온실가스와는 달리 태양광을 직접 흡수하는 방식으로 대기를 가열하며, 대기 중에 짧은 기간 동안 존재하고 그 농도의 변화가 산업화 된 도시에서부터 멀리 떨어진 교외지역까지 매우 다양하기에 블랙카본에 의한 기후변화는 지역적이라는 것이었다.(3) 이러한 특징을 갖고 있기에 당장이라도 배출량을 규제해야 할 것 같지만 사실 블랙카본에 의한 태양복사 효과는 정확하게 측정하기 어려운 측면이 있다.
- (5) PSAP는 투과된 빛만을 검출하여 흡수계수를 도출하기 때문에 산란의 영향을 받는다.(6) Aethalometer는 산란광만을 검출하여 흡수계수를 도출하는데 산란의 영향은 개선되었으나 필터 면적 및 유량에 따른 보정이 요구된다.(7) 또한 MAAP는 670 nm 파장의 광원을, PSAP는 467 nm, 530 nm, 660 nm 파장의 광원을, Aethalometer는 370 nm, 470 nm, 520 nm, 590 nm, 660 nm, 880 nm, 950 nm 의 7가지 파장의 광원을 사용하고 있다.
- 섬유 필터는 상대 습도가 높을 때 다량의 수분을 흡수하는데, 수분에 의해 입사광이 소멸되어 블랙카본 농도가 높게 측정되는 것이다. 따라서 본 연구에서도 상대습도가 높을 때 광흡수 계수가 인위적으로 높게 측정된 것으로 판단된다.
- 5(a)에 나타나 있듯이 전체적으로 상대습도가 높을 때 블랙카본의 농도가 높으며 상대습도가 낮을 때 블랙카본의 농도가 낮은 경향을 나타내었다. 블랙카본과 상대습도의 상관관계를 파악하기 위하여 상대습도에 따른 블랙카본의 농도를 선형회귀분석하였으며 상관계수는 0.60이 도출되었다. 이를 통하여 상대습도와 블랙카본 농도와의 관계는 비례하다고 판단 할 수 있다.
- 4(b)에 나타내었다. 선형회귀분석 (Linear curve fitting) 결과, 블랙카본과 PM10의 상관계수는 0.68로 나타내 대략적인 비례관계가 성립하는 것으로 판단된다.
- 5(d)에서 확인할 수 있듯이 풍속이 높을 때 블랙카본의 농도가 전반적으로 낮은 경향을 관찰할 수 있다. 선형회귀분석한 결과 상관계수는 0.62가 도출되었으며 풍속과 블랙카본 농도와의 관계는 반비례관계가 성립한다는 사실을 확인할 수 있었다. 풍속이 증가하면 이로 인하여 블랙카본과 공기의 혼합이 활발해지고 블랙카본 이외의 입자들도 혼합되어 블랙카본의 농도가 낮아지게 되는 것이라고 판단된다.
- 이러한 블랙카본 농도의 변화에 영향을 주는 요소로는 황사요소와 온도, 상대습도, 풍속 등이 있으며 블랙카본 농도와 황사요소인 PM10 농도, 상대습도와는 비례관계가, 온도와 풍속과는 반비례 관계가 성립함을 도출하였다.
- 76이 도출되었다. 이를 통하여 온도와 블랙카본 농도와는 반비례관계가 성립 한다는 사실을 확인하였다. 이와 같은 결과의 원인은 대기 온도의 증가로 상대습도가 감소하여 필터에 유입되는 수분이 줄어들기 때문이라고 판단된다.
- 2(a)와 같다. 전체적인 경향을 관찰했을 때 4월~5월이 농도의 변동이 크고 평균적으로 높은 블랙카본 농도를 보이고 있으며 6월~9월은 농도의 변동도 적은 편이며 평균 블랙카본 농도도 낮은 편이다. 더 자세한 분석을 위하여 각 월별 1일~30일까지의 블랙카본 농도를 하나의 그림으로 나타내었다.
후속연구
- 하지만 바이오매스나 화석연료 등의 불완전 연소로 인한 유색 매연 입자들은 대기를 냉각시키는 것이 아니라 오히려 대기를 온난화 시킨다고 알려져 블랙카본의 중요성이 강조되었다.(1) 최근에는 블랙카본이 CO2 에 이어 두 번째로 지구온난화에 영향을 주는 물질이라는 주장이 제기되어 관련된 연구가 계속 진행될 것으로 판단된다.(2) 블랙카본은 기체가 아닌 고체로서 온실가스와는 달리 태양광을 직접 흡수하는 방식으로 대기를 가열하며, 대기 중에 짧은 기간 동안 존재하고 그 농도의 변화가 산업화 된 도시에서부터 멀리 떨어진 교외지역까지 매우 다양하기에 블랙카본에 의한 기후변화는 지역적이라는 것이었다.
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