[논문]SP2 (Single Particle Soot Photometer)를 이용한 제주도 5월 Black Carbon 특성

오준; 박진수; 이상욱; 안준영; 최진수; 이상덕; 이용환; 김현재; 홍유덕; 홍지형; 김정호; 김상우; 이강웅

doi:10.5572/kosae.2015.31.3.255

SP2 (Single Particle Soot Photometer)를 이용한 제주도 5월 Black Carbon 특성
Characteristics of Black Carbon Particles in Ambient Air Using a Single Particle Soot Photometer (SP2) in May 2013, Jeju, Korea 원문보기

한국대기환경학회지 = Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, v.31 no.3, 2015년, pp.255 - 268

Abstract ▼ AI-Helper

Single particle soot photometer (SP2) is an advanced instrument capable of real-time measurement of concentration, coating thickness, and size distribution of individual BC particle using laser-induced incandescence. So far, there have been insufficient studies examining the real-time characteristics of BC in Korea. In this study, we examined temporal variations in BC concentration and mass size distribution of BC in volume equivalence diameter at a background site of Aewol, Jeju in May. Average concentration and mass median diameter (MMD) of BC particles measured during the study period (06~ 16 May 2013) were $0.69{\pm}0.48{\mu}g/m^3$ and $196{\pm}17nm$, respectively. The BC concentration measured in Aewol was very similar to that observed in the spring of 2012 in Baengnyeong island, and showed diurnal profiles similar to those in other background areas. MMD of BC ranged from 172 to 222 nm. It was found that the mass size distribution of BC varied depending on the location (ground-based), season, types of air masses, and altitude (aircraft-based).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 실시간 단일입자 단위의 BC를 측정할 수 있는 Single Particle Soot Photometer (SP2, Droplet Measurement Technologies (DMT), Boulder, USA)를 이용하여 우리나라 배경대기 측정 장소인 제주도에서 2013년 5월에 BC 입자의 농도 및 입경분포 특성을 조사하였다.

제안 방법

또한 대기오염 집중측정소는 해발 600 m에 위치하고 있어 대기경계층 상부를 통해 이동 되는 대기오염물질들의 거동을 관찰할 수 있는 장점이 있다 (그림 1). SP2 외에도 베타선 흡수법을 이용한 PM_2.5 질량농도 (BAM1020, Met-One, USA)와 7채널의 Aethalometer (AE-31, Magee Scientific Inc.)를 이용하여 PM_2.5 중의 BC 농도를 동시에 측정하였다.
본 연구에서는 실시간 단일입자 단위의 BC를 측정할 수 있는 SP2 (Single Particle Soot Photometer) 장비의 측정 방법과 원리, 운용 방법을 고찰하였으며, SP2를 이용하여 우리나라 배경대기 측정 장소인 제주도 애월읍에 위치한 대기오염집중측정소에서 5월 단일 BC 입자의 농도 및 입경분포 특성을 연구하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

SP2를 이용한 단일입자 중 BC 측정은 제주도 대기 오염 집중측정소에서 2013년 5월 6일부터 5월 16일까지 11일간 이루어졌으며 대기시료는 PM_2.5 입자 분리기 (Sharp Cut Cyclone SCC-2.654, BGI Inc., USA)를 통해 유입되도록 하였다. 측정 지점은 제주도 중-산간 지대 (33̊20ʹ48ʺN, 126̊23ʹ17ʺE, 600 m)에 있으며 한반도 내륙에서 남쪽으로 100 km, 중국 (상하이)에서 남동쪽으로 500 km, 대만으로부터 북동쪽으로 약 1,000 km 거리에 위치해 있다.
백열강도는 각각 400 nm, 350 nm, 300 nm, 250 nm, 200 nm, 175 nm, 150 nm, 120 nm, 100 nm, 75 nm, 50 nm, 35 nm, 20 nm 입자를 대상으로 측정하였으며, 해당 입자의 중량과 여기에서 측정된 백열강도를 이용하여 대기 중 BC 입자의 질량과 농도를 산정하는 회귀방정식을 다음과 같이 얻었다(그림 7);
산란강도는 각각 430 nm, 350 nm, 290 nm, 269 nm, 240 nm, 220 nm, 199 nm, 170 nm, 147 nm 입자를 대상으로 측정하였으며, 해당 입자 크기의 미 산란 (MieScattering) 특성에 기인한 산란 단면적과 여기에서 측정된 산란강도를 이용하여 대기시료의 입자 직경을 산정하기 위한 회귀방정식을 다음과 같이 얻었다;
, USA)를 통해 유입되도록 하였다. 측정 지점은 제주도 중-산간 지대 (33̊20ʹ48ʺN, 126̊23ʹ17ʺE, 600 m)에 있으며 한반도 내륙에서 남쪽으로 100 km, 중국 (상하이)에서 남동쪽으로 500 km, 대만으로부터 북동쪽으로 약 1,000 km 거리에 위치해 있다. 또한 대기오염 집중측정소는 해발 600 m에 위치하고 있어 대기경계층 상부를 통해 이동 되는 대기오염물질들의 거동을 관찰할 수 있는 장점이 있다 (그림 1).

이론/모형

본 연구에서는 5월 12일 PM_2.5의 고농도 현상이 발생한 원인을 조사하기 위하여 청정한 날인 5월 10일과 함께 HYSPLIT 4.8 공기 역궤적 모델(Draxler and Rolph, 2014)을 이용하여 기단의 유입경로를 분석하였다. 그 역궤적 해석 결과를 그림 9에 나타내었다.
본 연구에서는 레이저 정렬작업을 위한 광학툴로 Laser Alignment Toolkit (KIT0033, DMT, USA)을 이용하였다. 레이저 챔버를 분리한 후에 이것을 광학툴에 설치하였으며, 광학툴에서 발생시킨 광원을 Nd:YAG 와 반사경에 일직선으로 입사시켜 그 중심에 정확히 일직선으로 정렬되도록 Nd:YAG와 반사경에 각각 부착된 x, y 조정 축을 미세하게 조절하였다.

성능/효과

BC입경에 따른 농도분포 곡선은 그 중심입경이 196±17 nm이었고, 172~222 nm 범위에 분포하였으며, 제주도에서 측정된 BC의 중심입경은 다른 배경지역에서 측정된 연구 결과들에 비해 평균 중심입경이 작은 쪽에 위치하는 특성은 BC 입자의 에이징(aging) 정도, 오염 배출원, 습도조건 등이 증가하면 증가하는 특성이 있지만 BC 농도수준이 비슷한 지역이라 할지라도 측정지역의 지리학적 위치와 특성, 계절, 바람의 영향 및 유입기단의 영향에 따라 중심입경은 달라질 수 있으며 지역적인 특성이 강하게 반영되는 특징이 반영되어 청정한 기간 중에 관측된 결과로 판단된다.

후속연구

, 2012). 결론적으로, 제주도 배경지역에서 BC 입자의 농도와 질량 중심입경의 변화를 더 정확하게 분석하기 위해서는 대기조건, 기단의 유입경로, 계절 등에 따른 BC 입자의 관측을 장기적으로 수행할 필요가 있으며, 또한 제주도 배경지역이 입자의 성장에 중요한 습도조건을 유지하고 있기 때문에 향후 BC 입자의 coating 두께의 변화를 관찰할 수 있을 것이다.
배출원 특성과 해륙풍 영향이 없음에도 낮 시간 BC 농도가 밤에 비해 높은 것은 측정소 기준 남동쪽에 관광도로가 남서쪽으로 약 2 km, 6 km, 8 km 거리에 밀집되어 있다. 또한 도로와 제주도 측정소의 해발고도 차이가 뚜렷하며 상대적으로 낮은 고도인 도로의 차량운행 증가와 대기-혼합고 증가시간, 오염물질의 확산효과 증가 시간이 주풍향과 매칭되어 측정소 지역적 특성이 반영된 현상으로 설명할 수 있으며, 이러한 특성을 명확히 규명하기 위해서 앞서 3.1절에서 설명하였듯이 향후 장기간 측정을 통한 기류 및 모델 분석이 필요할 것이다.
향후 실시간 단일입자 단위의 BC를 측정할 수 있는 SP2를 활용하여 배경지역과 도심지역에서 BC의 계절별, 지역별 특성을 비교 연구하고 지리적 특성에 따른 정확한 중심입경 산정을 위한 BC 입자의 coating thickness를 연구하여 기후변화와 지구 온난화의 주된 물질인 BC의 분포와 특성을 이해하기 위한 연구가 진행되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	백령도에서의 PM2.5 주요성분은 무엇인가?	5 측정 결과 중 백령도에서의 PM2.5 주요성분은 황산염, 질산염 및 탄소성분이며, 그중 탄소성분이 전체 PM2.5 질량의 30% 이상을 차지하는 것으로 보고하였고 (NIER 2011; NIER 2010; NIER 2009), 기류가 중국 내륙을 거쳐 유입된 경우에 농도가 증가하는 것으로 보고하고 있다.
	블랙카본은 어떻게 발생하는가?	블랙카본 (Black Carbon, BC)은 화석연료, 생체소각 등의 연소과정에서 불완전연소로 발생하며, 대기 중에서 광흡수 및 소멸작용을 통해 지구 알베도에 영향을 미치고 시정감소를 초래한다 (Gebhart et al., 2001; Myhre et al.
	광 흡수법과 NIOSH5040 프로토콜을 이용한 열 광학적 투 과법의 한계점은 무엇인가?	BC를 정량화하는 방법에는 여러 측정 방법들이 개발되어 사용 중에 있으며 대표적으로 입자 채취 전·후의 빛의 감쇄 차이를 이용해 BC 입자의 질량을 측정하는 광 흡수법과 NIOSH5040 프로토콜을 이용한 열 광학적 투 과법 (Thermal optical transmission)이 있다. 하지만 이러한 측정 방법은 채취 전후의 필터 빛 감쇠 차이, 고온을 이용하여 열-탈착시켜 측정하는 방법으로 필터에 채취된 벌크형태의 BC 농도에 대한 정보만 제공할 뿐 입경분포, 단일 BC 물질의 코팅두께 등의 BC의 최신정보를 실시간으로 측정하는 것은 어렵다 (Gao et al., 2007; Schwarz et al.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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