[국내논문]광음향 및 네펠로미터 방식을 이용한 에어로졸 흡수 및 산란계수 측정 Aerosol Light Absorption and Scattering Coefficient Measurements with a Photoacoustic and Nephelometric Spectrometer원문보기
고산기후관측소에서 2008년 8월과 9월의 Cheju ABCPlume Monsoon Experiment (CAPMEX) 기간 동안 3파장 photoacoustic soot spectrometer (PASS)로 측정된 에어로졸흡수계수(${\sigma}_a$)와 에어로졸 산란계수(${\sigma}_s$)를 기존의 연구에서 널리 사용되고 있는 aethalometer 및 nephelometer의 동시관측 결과와 비교하였다. PASS ${\sigma}_a$의 관측결과는 aethalometer ${\sigma}_a$와 시간 변화 경향성이 매우 잘 일치했으나, 532 nm의 경우 절대값 면에서 PASS ${\sigma}_a$가 약 53% 큰 값을 보여 다소 차이가 있음을 알 수 있었다. PASS ${\sigma}_s$의 관측결과는 nephelometer ${\sigma}_s$와 비교했을 때, 근소한 차이로 매우 잘 일치함을 확인하였다(Bias Difference: $13.6Mm^{-1}$). 대기 중의 상대습도(RH)가 증가함에 따라 ${\sigma}_a$보다는 ${\sigma}_s$에 대한 영향이 큰 것으로 사료된다. Nephelometer ${\sigma}_s$와 PASS ${\sigma}_s$의 비율은 상대습도가 증가할수록 명확히 증가하는 경향성을 보였다. 이는 RH가 증가함에 따라서 PASS의 ${\sigma}_s$가 nephelometer ${\sigma}_s$에 비해서 상대적으로 감소하였음을 의미하며, 이러한 경향성은 RH가 70~80%를 넘어서면서 차이가 더욱 두드러지게 나타났다. Nephelometer와 aethalometer의 ${\sigma}_a$ 및 ${\sigma}_s$ 관측 결과 보다 PASS의 측정 결과로부터 산출한 $A{\AA}E$와 $S{\AA}E$가 더 크게 나타났다.
고산기후관측소에서 2008년 8월과 9월의 Cheju ABC Plume Monsoon Experiment (CAPMEX) 기간 동안 3파장 photoacoustic soot spectrometer (PASS)로 측정된 에어로졸 흡수계수(${\sigma}_a$)와 에어로졸 산란계수(${\sigma}_s$)를 기존의 연구에서 널리 사용되고 있는 aethalometer 및 nephelometer의 동시관측 결과와 비교하였다. PASS ${\sigma}_a$의 관측결과는 aethalometer ${\sigma}_a$와 시간 변화 경향성이 매우 잘 일치했으나, 532 nm의 경우 절대값 면에서 PASS ${\sigma}_a$가 약 53% 큰 값을 보여 다소 차이가 있음을 알 수 있었다. PASS ${\sigma}_s$의 관측결과는 nephelometer ${\sigma}_s$와 비교했을 때, 근소한 차이로 매우 잘 일치함을 확인하였다(Bias Difference: $13.6Mm^{-1}$). 대기 중의 상대습도(RH)가 증가함에 따라 ${\sigma}_a$보다는 ${\sigma}_s$에 대한 영향이 큰 것으로 사료된다. Nephelometer ${\sigma}_s$와 PASS ${\sigma}_s$의 비율은 상대습도가 증가할수록 명확히 증가하는 경향성을 보였다. 이는 RH가 증가함에 따라서 PASS의 ${\sigma}_s$가 nephelometer ${\sigma}_s$에 비해서 상대적으로 감소하였음을 의미하며, 이러한 경향성은 RH가 70~80%를 넘어서면서 차이가 더욱 두드러지게 나타났다. Nephelometer와 aethalometer의 ${\sigma}_a$ 및 ${\sigma}_s$ 관측 결과 보다 PASS의 측정 결과로부터 산출한 $A{\AA}E$와 $S{\AA}E$가 더 크게 나타났다.
Ambient measurements of aerosol light absorption (${\sigma}_a$) and scattering coefficients (${\sigma}_s$) were done at Gosan climate observatory during summer 2008 using a 3-wavelength photoacoustic soot spectrometer (PASS). PASS was deployed photoacoustic method for light abs...
Ambient measurements of aerosol light absorption (${\sigma}_a$) and scattering coefficients (${\sigma}_s$) were done at Gosan climate observatory during summer 2008 using a 3-wavelength photoacoustic soot spectrometer (PASS). PASS was deployed photoacoustic method for light absorption and integrated nephelometry for light scattering measurements. The ${\sigma}_a$ and ${\sigma}_s$ from PASS were compared with those from co-located aethalometer and nephelometer measurements. The aethalometer measurements of ${\sigma}_a$ correlated reasonably well with photoacoustic measurements, but the slope of the linear fitting line indicated the PASS measurement values of ${\sigma}_a$ were larger by a factor of 1.53. The nephelometer measurement values of ${\sigma}_s$ correlated very well with PASS measurements of ${\sigma}_s$, with a slope of 1.12 and a small offset. Comparing to the aethalometer measurements, the photoacoustic measurements of ${\sigma}_a$ didn't exhibit a significant (i.e., the ratio between aethalometer and PASS increased) change with increasing relative humidity (RH). The ratio of ${\sigma}_s$ between nephelometer and PASS increased with increasing RH, especially when the RH increased beyond 80%. This apparent increase in ${\sigma}_s$ with RH may be due to the contribution of hygroscopic growth of aerosols.
Ambient measurements of aerosol light absorption (${\sigma}_a$) and scattering coefficients (${\sigma}_s$) were done at Gosan climate observatory during summer 2008 using a 3-wavelength photoacoustic soot spectrometer (PASS). PASS was deployed photoacoustic method for light absorption and integrated nephelometry for light scattering measurements. The ${\sigma}_a$ and ${\sigma}_s$ from PASS were compared with those from co-located aethalometer and nephelometer measurements. The aethalometer measurements of ${\sigma}_a$ correlated reasonably well with photoacoustic measurements, but the slope of the linear fitting line indicated the PASS measurement values of ${\sigma}_a$ were larger by a factor of 1.53. The nephelometer measurement values of ${\sigma}_s$ correlated very well with PASS measurements of ${\sigma}_s$, with a slope of 1.12 and a small offset. Comparing to the aethalometer measurements, the photoacoustic measurements of ${\sigma}_a$ didn't exhibit a significant (i.e., the ratio between aethalometer and PASS increased) change with increasing relative humidity (RH). The ratio of ${\sigma}_s$ between nephelometer and PASS increased with increasing RH, especially when the RH increased beyond 80%. This apparent increase in ${\sigma}_s$ with RH may be due to the contribution of hygroscopic growth of aerosols.
7파장(370, 470, 520, 590, 660, 880, 950 nm) aethalometer (Magee Sci., model AE-31)를 이용해 3.9 L min−1 유량으로 석영 필터에 5분 동안 입자를 채취한 후 감쇄된 빛의 강도를 측정하고 이로부터 σa를 산출하였다(Hansen et al., 1984).
따라서, 본 연구에서는 2008년 8월~9월 Cheju ABC Plume-Asian Monsoon Experiment (CAPMEX) 기간 동안 제주 고산기후관측소에서 측정된 PASS의 에어로졸 흡수계수 및 산란계수 측정 결과를 기존에 널리 사용되고 있는 aethalometer 및 nephelometer의 동시 측정 결과와 비교하고 그 차이를 분석하였다.
고산기후관측소에서 2008년 8월과 9월의 Cheju ABC Plume Monsoon Experiment (CAPMEX) 기간 동안 3파장 photoacoustic soot spectrometer (PASS)로 측정된 에어로졸 흡수계수(σa)와 에어로졸 산란계수(σs)를 기존의 연구에서 널리 사용되고 있는 aethalometer 및 nephelometer의 동시관측 결과와 비교하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 3파장 Photoacoustic Soot Spectrometer (PASS, Droplet Measurement Technologies, Inc.)는 미국 Desert Research Institute and the University of Nevada, Reno (Lewis et al., 2008)에서 개발된 관측기기로 405, 532 및 781 nm 파장에서 에어로졸의 흡수계수(σa)와 산란계수(σs)를 측정한다.
이론/모형
이 때, Schmid et al. (2006)에서 제시한 방법을 이용하여 σa를 산출하였으며, 필터 표면에 채취된 에어로졸에 의한 적산효과나 입자에 의한 다중 산란효과(multiple-scattering effect) 등은 Schmid et al. (2006)에서 제시한 상수를 이용해 보정하였다.
4), f0는 공진주파수, 그리고 Q는 챔버(chamber)의 quality factor(보통 약 80)이다. 본 연구에 사용된 PASS는 캠페인 직전에 Lack et al. (2006)에 제시된 방법에 따라 에어로졸을 제거한 상태(no aerosol)의 대기를 배경신호로 보고 영점 교정을 한 후, Polystyrene Sphere 등의 에어로졸 입자와 흡수단면적이 알려진 O3을 이용하여 보정하였다. 한편 측정 중 에어로졸을 제거한 상태에서 배경 신호 및 레이저 파워에 대한 주기적인 자동 교정 역시 수행되었다.
, 1996). CAPMEX 캠페인 전후에는 CO2를 이용한 보정을 수행하였으며, 산란각 오차 보정 등의 측정 자료 후처리 과정은 Anderson and Ogren (1998)의 연구에서 제시한 방법을 따랐다.
성능/효과
비록 약 100~250 Mm−1 범위에서 일부 PASS 관측 값이 nephelometer 관측 값보다 약 50% 정도 크게 나타나기도 하지만 앞에서 언급한 바와 같이 전반적으로 nephelometer로부터 관측된 σs가 전 범위에 걸쳐 큰 값을 보이며(기울기: 1.12), 평균 제곱근 오차가 약 17.7 Mm−1로 관측기간 PASS σs의 평균값 77.4 Mm−1 대비 약 27.7%로 PASS σa의 40%에 비하면 낮은 값을 보였다.
Nephelometer와 PASS로부터 관측된 σs의 비율은 앞에서 언급하였듯이 nephelometer σs값이 상대습도와 상관없이 모든 구간에서 1보다 큰 값을 보였으며, 특히 σa와 달리 상대습도가 70% 또는 80%를 넘어선 경우 비율이 크게 증가함을 볼 수 있다.
PASS의 σs가 대략 50 Mm−1보다 낮은 경우, PASS와 nephelometer로부터 측정된 σs는 잘 일치하나 aethalometer의 σa에 비해 PASS의 σa가 상대적으로 크게 관측되기 때문에 결과적으로 PAS의 ω가 0.75에 가까운 낮은 값을 보였다.
PASS σa의 관측결과는 aethalometer σa와 시간 변화 경향성이 매우 잘 일치했으나, 532 nm의 경우 절대값 면에서 PASS σa가 약 53% 큰 값을 보여 다소 차이가 있음을 알 수 있었다.
PASS σs의 관측결과는 nephelometer σs와 비교했을 때, 근소한 차이로 매우 잘 일치함을 확인하였다(Bias Difference: 13.6 Mm−1)
Nephelometer σs와 PASS σs의 비율은 상대습도가 증가할수록 명확히 증가하는 경향성을 보였다.
이는 RH가 증가함에 따라서 PASS의 σs가 nephelometer σs에 비해서 상대적으로 감소하였음을 의미하며, 이러한 경향성은 RH가 70~80%를 넘어서면서 차이가 더욱 두드러지게 나타났다.
Nephelometer와 aethalometer의 σa 및 σs 관측 결과보다 PASS의 측정 결과로부터 산출한 AÅE와 SÅE가 더 크게 나타났다.
후속연구
550 nm 파장에서 관측된 nephelometer σs를 PASS의 관측 파장인 532 nm로 변경하는 과정에서 발생한 오차(SÅE가 1.43일 때, 약 4.7%)도 있겠지만, 이보다는 상대습도에 따른 에어로졸의 흡습 성장(hygroscopic growth) 효과가 클 것으로 사료되며, 이를 위해 이러한 두 기기간의 관측 결과 차이를 줄이기 위해 기기 보정뿐만 아니라 에어로졸 샘플 습도 등의 동일조건에서의 비교 관측 실험이 필요하다.
Nephelometer와 PASS로부터 관측된 σs의 비율은 앞에서 언급하였듯이 nephelometer σs값이 상대습도와 상관없이 모든 구간에서 1보다 큰 값을 보였으며, 특히 σa와 달리 상대습도가 70% 또는 80%를 넘어선 경우 비율이 크게 증가함을 볼 수 있다. CAMPEX 기간 동안 PASS와 nephelometer는 제습 장치나 희석 장치(dilution system) 없는 동일한 에어로졸 흡입 시스템을 통해 관측이 되었기 때문에 이러한 차이에 대해서는 앞에서 언급하였듯이 추후 동일한 상대습도 조건하에서 비교 관측 실험 등 추가적인 분석이 요구된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
3파장 Photoacoustic Soot Spectrometer는 필터기반 광학적 기법과 달리 어떠한 특징을 가지는가?
, 2008)에서 개발된 관측기기로 405, 532 및 781 nm 파장에서 에어로졸의 흡수계수(σa)와 산란계수(σs)를 측정한다. 필터기반 광학적 기법과 달리, 일정 시간 주기(본 연구에서는 1,500 Hz)의 레이저 주사에 의해 광흡수 에어로졸이 가열되고, 이러한 주기적인 가열은 에어로졸 입자를 둘러싼 주변 기압의 주기적인 변화, 즉 주사된 레이저의 주기와 동일한 파장의 음파(acoustic wave)를 생성한다. 이 음파를 마이크로폰(microphone)으로 측정하고 식 (1)의 관계식을 통해 σa를 산출한다(Arnott et al.
산란 옹스트롬 지수의 기능은 무엇인가?
Figure 4는 3파장 PASS, 7파장 aethalometer, 3파장 nephelometer로부터 관측된 σa 및 σs를 power law fitting한 결과로, 블랙카본이나 황사와 같은 광흡수 에어로졸의 특징을 구별하기 위해 사용되는 에어로졸 흡수 옹스트롬 지수(Absorption Ångström Exponent: AÅE)와 에어로졸의 상대적인 크기 정보를 알려주는 산란 옹스트롬 지수(Scattering Ångström Exponent: SÅE)를 설명하고 있다. 선행 연구들에서 보고된 바와 같이(Ajtai et al.
에어로졸 기후효과 산정의 불확실성이 큰 이유는 무엇인가?
대기 중의 에어로졸은 태양 빛을 흡수 및 산란함으로써 직접적으로 지구 대기 복사수지 산정에 큰 영향을 끼치고 있다. 그러나 온실기체에 비해 상대적으로 불균등하게 분포하며 다양한 조성을 가지는 특성으로 인해 에어로졸 기후효과 산정의 불확실성이 더 크다(IPCC, 2013). 에어로졸 직접 복사효과 산정의 불확실성을 줄이기 위해서는 에어로졸에 의한 태양광의 흡수 및 산란을 보다 정확히 측정할 필요가 있다(Haywood and Shine, 1995; Russell et al.
참고문헌 (21)
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