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문제 정의
- 5 에어로졸을 채취하여 주요 수용성 이온성분을 분석하였다. 그리고 그 결과로부터 서해상대기 에어로졸의 화학조성을 조사하고, 선박 항로에 따라 조대입자와 미세입자 이차에어로졸 조성을 비교함으로써 해양 경계층 에어로졸의 오염특성을 파악하고자 하였다.
제안 방법
- 5 시료는 4월 24일 부산항을 출발하여 거문도 근처까지 이동과정에서 각각 1회씩 채취하였다. 25일에는 거문도 해상에서 목포 내항, 26일에는 목포 내항에서 서해 남부 한중잠정조치수역 경로를 따라 PM10,PM2.5 각 1회씩 채취하였다. 27일에는 한중잠정조치수역에서 서해(35-30oN, 122-15oE)를 따라 중간지점(37-00oN, 124-00oE)까지, 28일에는 태안 앞(37-20oN, 124-30oE)으로 이동하였고, 2일간 PM10, PM2.
- 5 각 1회씩 채취하였다. 27일에는 한중잠정조치수역에서 서해(35-30oN, 122-15oE)를 따라 중간지점(37-00oN, 124-00oE)까지, 28일에는 태안 앞(37-20oN, 124-30oE)으로 이동하였고, 2일간 PM10, PM2.5 시료를 각 1개회씩 채취하였다. 29일에는 안면도(36-40oN, 126-00oE)에서 어청도 근처(36-00oN, 126-00oE)까지 이동 중에 PM10 시료 1개를 채취하였고, PM2.
- 2차에 걸친 서해 I과 II의 각 경로별 PM10, PM2.5 질량농도와 동시에 기상 1호에서 β-ray 흡수법으로 실시간 관측한 질량농도를 비교하였다(Fig. 2).
- 5 시료는 샘플러 오작동으로 채취에 실패하였다. 5월 1~4일에는 4월 26~29일과 동일한 항로를 반복하여 PM10, PM2.5 시료를 각 1회/일로 4일간 채취하였고, 5월 1~3일에는 흐린 강우 날씨를 보였다. 이러한 선박 항로(Passage)를 4월 26~29일의 1차 서해(Yellow Sea) I과 5월 1~4일의 2차 서해 II 항로로 구분하여 Table 1에 정리하였다.
- 기상청 기상 1호 선박을 이용하여 서해상에서 2차에 걸쳐 PM10, PM2.5 시료를 채취, 분석하였고, 이로부터 이차에어로졸 성분의 농도와 오염특성을 조사한 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 또한 에어로졸 성분의 입경별 농도분포를 확인하기 위하여 주요 이온성분의 조대입자/미세입자(C/F) 농도비를 타 지역의 결과와 비교하였다(Table 2). 서해상에서 측정한 에어로졸의 조대/미세입자 농도비는 NH4+, nss-SO42−, NO3− 등이 대체적으로 0.
- 본 연구에서는 선박을 이용하여 서해상에서 항로별로 PM10, PM2.5 에어로졸을 채취하여 주요 수용성 이온성분을 분석하였다. 그리고 그 결과로부터 서해상대기 에어로졸의 화학조성을 조사하고, 선박 항로에 따라 조대입자와 미세입자 이차에어로졸 조성을 비교함으로써 해양 경계층 에어로졸의 오염특성을 파악하고자 하였다.
- 서해상에서 관측한 에어로졸을 PM10-2.5 조대입자(Coarse particle, 2.5 < Dp < 10 μm)와 PM2.5 미세입자(Fine particle, Dp< 2.5 μm)로 구분하여 이온성분 농도를 비교하였다.
- 45 μm, 13 mm)로 불용성 입자를 거른 후 여액을 양이온 및 음이온 분석용 시료로 이용하였다. 양이온(#, Na+, K+, Ca2+, Mg2+)과 음이온 및 미량이 온(#, NO3, Cl-, F-, HCOO-, CH3COO-, #)은 Metrohm Modula IC (Metrohm, model 818 IC pump/819 IC detector, Switzerland)를 사용하여 분석하였다. IC의 분석조건은 Song et al.
- 7 L min−1을 유지하였다. 채취된 시료는 현장에서 플라스틱 페트리디쉬에 넣어 밀봉한 후, 실험실 데시케이터에서 건조(48~96시간)하여 무게를 측정하였다. 무게를 측정한 시료는 다시 페트리디쉬에 밀봉하여 분석 전까지 −20℃ 냉동고에 보관하였다.
대상 데이터
- 2015년 4월 24일부터 5월 6일까지 13일간 선박(기상 1호)의 항해 경로를 Fig. 1에 나타내었다. 선박의 서해상 운항경로는 크게 남해동 · 서부해상, 서해남 ·중부해상, 한중잠정조치수역 해상이다.
- 5 시료를 각 1개회씩 채취하였다. 29일에는 안면도(36-40oN, 126-00oE)에서 어청도 근처(36-00oN, 126-00oE)까지 이동 중에 PM10 시료 1개를 채취하였고, PM2.5 시료는 샘플러 오작동으로 채취에 실패하였다. 5월 1~4일에는 4월 26~29일과 동일한 항로를 반복하여 PM10, PM2.
- Sequential Air Sampler (APM Engineering, PMS-104, Korea)는 해면으로부터 약 6~6.5 m 이상의 높이인 선교(bridge) 뒤에 위치한 컨테이너 내부에 설치하였고, 테프론필터(Pall Co., ZefluorTM, PTFE 47 μm,2.0 μm, USA)를 사용하여 채취하였다.
- 이러한 선박 항로(Passage)를 4월 26~29일의 1차 서해(Yellow Sea) I과 5월 1~4일의 2차 서해 II 항로로 구분하여 Table 1에 정리하였다. 그리고 각 세부 경로를 항로(Passage) I-1~I-4 및 항로(Passage) II1~II-4로 세분하였고, 항로를 따라 채취한 시료의 총수는 전체적으로 PM10 총 10개와 PM2.5 총 9개이다.
- 선박의 서해상 운항경로는 크게 남해동 · 서부해상, 서해남 ·중부해상, 한중잠정조치수역 해상이다. 서해상 PM10, PM2.5 시료는 4월 24일 부산항을 출발하여 거문도 근처까지 이동과정에서 각각 1회씩 채취하였다. 25일에는 거문도 해상에서 목포 내항, 26일에는 목포 내항에서 서해 남부 한중잠정조치수역 경로를 따라 PM10,PM2.
- 서해상 PM10, PM2.5 시료는 국립기상과학원 기상1호 선상에서 2015년 4월 24일부터 5월 5일에 걸쳐 채취하였다. Sequential Air Sampler (APM Engineering, PMS-104, Korea)는 해면으로부터 약 6~6.
- 용출액은 주사기 필터(Whatman, PVDF syringe filter, 0.45 μm, 13 mm)로 불용성 입자를 거른 후 여액을 양이온 및 음이온 분석용 시료로 이용하였다.
성능/효과
- 형태로 미세입자에 많이 분포하였다. NH4NO3은 (NH4)2SO4에 비해 낮은 함량을 보이고, 서해 I 항로에서는 미세입자, 서해 II 항로에서는 조대입자에 더 많이 분포되는 경향을 보였다.
- 이러한 이유는 항로 I-3 시에 연무가 발생하였고, 이러한 기상현상이 서해상 에어로졸 조성에 영향을 미쳤기 때문으로 판단된다. nss-Ca2+과 nss-Mg2+을 합한 조성비는 조대입자에서 0.4~16.8%, 미세입자에서 0.1~4.8%의 범위를 보였고, 특히 항로 II-4에서 nss-Ca2+ 조성비가 조대입자와 미세입자에서 각각 10.2, 2.5%로 두 입자에서 모두 크게 증가하였다. 이는 항로 II-4의 5월 4일에 황사가 발생했기 때문이며, 황사가 서해상 대기 에어로졸 조성에 직접적으로 영향을 미치고 있음을 의미한다.
- 중국 근해에서 관측한 타 연구에서는 nss-SO42−, NH4+의 조대/미세입자 농도비가 타이완 남쪽 지역을 제외한 다른 모든 지역의 미세입자에 더 많이 분포하는 경향을 보였다. 그러나 동중국지역은 조대입자에 많이 분포하며, 타이완남쪽지역과 인천과 청도의 항로는 조대와 미세입자에 골고루 분포하는 경향을 보였다. 그리고 nss-Ca2+은 계절풍이 불었을 때 동중국과 타이완 남쪽지역에서 미세입자에 많이 분포하나 대부분이 조대입자에 분포하는 경향을 보인 것으로 나타나고 있다.
- 그러나 연무 발생 시에는 조대입자에서 NO3− 조성이 증가하고,황사 시에는 조대입자와 미세입자에서 모두 nss-Ca2+조성이 크게 증가하는 특징을 나타내었다.
- 동일한 방법으로 환산한 NH4NO3 농도는 서해 I의 조대입자와 미세입자에서 각각 0.67, 2.28 μg m−3, 항로 II에서는 각각 2.64, 0.27 μg m−3로 서해 I에서는 미세입자, 서해 II에서는 조대입자에 많이 분포되는 경향을 보였다.
- 또 조대입자와 미세입자에서의 농도비를 비교한 결과, NH4+, nss-SO42−, NO3− 등은 주로 미세입자에 많이 분포하고, nss-Ca2+은 조대입자에 분포하는 경향을 보였다.
- 5에서는 암모니아에 의한 중화율이 큰 것으로 조사되었다. 또한 비현상일에는 PM10, PM2.5 모두에서 암모니아에 의한 중화율이 큰 것으로 조사되었다. 반면에 네팔지역의 경우 탄산칼슘의 중화율이 1.
- 16로 나타났다. 또한 항로 II-4(황사)를 제외한 나머지 항로는 PM10, PM2.5 모두 탄산칼슘보다 암모니아에 의한 중화율이 큰 것으로 확인되었으나, 항로 II-4는 PM10에서 탄산칼슘에 의한 중화율이, PM2.5에서는 암모니아에 의한 중화율이 큰 특징을 나타내었다.
- 반면에 항로 II에서 PM10, PM2.5과 β-ray PM10의 평균질량농도는 각각 32.1 ± 20.6 (n =4), 20.1 ± 11.9 (n = 4), 24.9 ± 26.0 (n = 4) μg m−3로 항로 I이 항로 II보다 모든 시료에서 높은 농도를 보였다.
- 본 연구에서 항로별로 NO3−/nss-SO42− 농도비는 조대입자의 경우 0.01~13.7, 미세입자는 0.00~0.92의 범위를 나타내었다.
- 7 μg m−3의 범위를 보여 인천-청도항로보다는 인천-천진의 북쪽 항로에서 더 높은 경향을 나타내고 있다. 본 연구에서는 대체적으로 이보다 낮은 농도를 보이는 것으로 조사되었고, 농도편차 역시 훨씬 더 작은 결과를 보이고 있다.
- 서해상 시료채취 기간 중 PM10 질량농도와 기상 1호의 자동측정망으로 관측한 β-ray 흡수법 농도를 비교해본 결과, 두 값 간의 상관계수(r)는 0.944로 좋은 상관성을 나타내었다.
- 서해상 에어로졸에서 이차에어로졸 성분의 농도는대체적으로 미세입자에서 더 높고, 자연기원 성분들은 조대입자에서 더 높은 경향을 보였다. 그러나 연무 발생 시에는 조대입자에서 NO3− 조성이 증가하고,황사 시에는 조대입자와 미세입자에서 모두 nss-Ca2+조성이 크게 증가하는 특징을 나타내었다.
- 서해상 에어로졸의 NO3−/nss-SO42− 농도비는 중국의 주요 도시나 해안지역과 비슷한 수준을 나타내었고,대체적으로 고정 오염원의 영향이 크지만 풍향이나 기상현상에 따라 조대입자와 미세입자에서 이동오염원의 영향이 다르게 나타나는 특징을 보였다.
- 서해상 에어로졸의 이온 성분은 nss-SO42−, NH4+이주로 미세입자에 분포하고, nss-Ca2+은 상대적으로 조대입자에 더 많이 분포하는 경향을 보였다.
- 성분별로는 nss-SO42−의 조대/미세입자 농도비가 모든 항로에서 0.5보다 작은 값을 나타내어 주로 미세입자에 분포하는 경향을 보였다.
- 36 μg m−3 농도를 나타내었다. 세부 항로별로는 항로 I-1, 항로 I-2, 항로 I-3에서(NH4)2SO4은 대부분 미세입자에서 높은 농도를 나타내어 주로 조대입자보다는 미세입자에 분포되는 경향을 보였다. 반면에 항로 II-1, 항로 II-3의 경우, 미세입자와 조대입자에서 비슷한 분포를 보이고 항로 II2에서는 조대입자에서 다소 높은 농도를 보여 타 구간과는 다른 특징을 나타내었다.
- (2016)의 연구에서 기술한 바와 같이 항로 II-4시에 다른 항로보다 풍속과 파고가 강해 이에 의한 영향으로 해염성분이 높은 농도를 나타낸 것으로 판단된다. 이러한 결과들로 보아 서해상 에어로졸 성분들은 대체적으로 도시지역과 유사하게 인위적 기원의 이차에어로졸 성분들은 미세입자에서 더 높고, 천연성분들은 오히려 조대입자에서 더 높은 조성을 보이고 있다. 그러나 연무 발생 시에는 조대입자에서 NO3−의 조성비가 증가하고, 황사 발생 시에는 조대입자와 미세입자에서 모두 nss-Ca2+의 조성비가 크게 증가하는 특징을 보이고 있다.
- 이러한 결과를 종합해 보면, 서해상 에어로졸에서 암모늄은 대부분 (NH4)2SO4 형태를 띠며, NH4NO3보다 높은 농도로 미세입자에 존재한다. 하지만 항로 II-2에서는 (NH4)2SO4이 조대입자에 상대적으로 많이 분포되는 특징을 보였다.
- 이처럼 서해상 에어로졸은 인위적 기원의 이차오염물질들이 주로 미세입자에서 높은 조성을 보이고, 상대적으로 천연 성분들은 조대입자에서 더 높은 조성을 보였다. 이차에어로졸 조성을 항로별로 비교해 본 결과, 모든 항로에서 미세입자에서더 높은 비율을 나타내었다(Fig. 5). 그러나 항로 I-3에서 NO3−은 조대입자와 미세입자에서 각각 45.
- 9%의 조성비를 보였다. 이처럼 서해상 에어로졸은 인위적 기원의 이차오염물질들이 주로 미세입자에서 높은 조성을 보이고, 상대적으로 천연 성분들은 조대입자에서 더 높은 조성을 보였다. 이차에어로졸 조성을 항로별로 비교해 본 결과, 모든 항로에서 미세입자에서더 높은 비율을 나타내었다(Fig.
- 이처럼 서해상에서 관측한 본 연구의 nss-SO42−, NO3−, nss-Ca2+ 이차에어로졸 성분은 발해만 지역, 인천-청도, 인천-천진의 선행연구에 비해 더 낮은 농도를 보이는 것으로 조사되었다.
- 주요 이차에어로졸 성분인 nss-SO42−, NO3−, NH4+의입경별 농도 분포를 비교해 본 결과(Fig. 4), 조대입자에서는 서해 I, II에서 각각 0.49~2.27, 0.07~0.70 μgm−3, 미세입자에서는 각각 1.61~8.86, 0.53~4.11 μg m−3의 범위를 나타내었다.
- 항로별로 이온성분의 결합 형태를 확인하여 (NH4)2SO4 농도를 환산한 결과, 서해 I에서는 조대입자와 미세입자에서 각각 3.15, 10.69 μg m−3, 서해 II에서는 각각 2.56, 3.36 μg m−3 농도를 나타내었다.
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