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문제 정의
- 또한, 기상요소-미세먼지 간, 기상요소 간 상관성 분석을 실시하였다. 이상의 결과들을 통해 법주사와 선암사의 국지 기상 특성과 미세먼지 특성을 비교하고자 하였다.
- , 2012). 이상의 연구결과들은 기상요소가 생물과 미생물의 발생, 성장, 활성, 생존력에 밀접한 영향을 주고 있으며, 그 상관성을 밝히고자 하였다. 그러나, 온도, 습도, 풍속 등 몇 가지 기상요소에 한정하여 측정과 상관성 분석을 진행한 점에서 다양한 기상요소에 기반한 국지 기상 특성을 충분히 반영하였다고 보기엔 어렵다.
제안 방법
- 기상요소 10개 항목(기온, 습도, 이슬점온도, 풍속, 풍향, 해면기압, 강수량, 일사량, 자외선량, 증발량)에 대하여 자동 기상측정기(Vantage Pro2 Plus, Davis Instrument, USA)를 설치하여 2015년 6월부터 2016년 5월까지 1시간 단위 관측값을 수집하였다(Table 1). 풍향은 바람장미 프로그램(WRPLOT View, Lakes Environmental, USA)을 이용하였다.
- 자동 기상측정기를 각각 설치하여 기상요소의 관측값을 수집하였으며, 미세먼지를 포집하여 질량농도, 이온 성분, 구성 성분을 분석하였다. 또한, 기상요소-미세먼지 간, 기상요소 간 상관성 분석을 실시하였다. 이상의 결과들을 통해 법주사와 선암사의 국지 기상 특성과 미세먼지 특성을 비교하고자 하였다.
- 미세먼지(Total Suspended Particles; TSP)는 공극 2.0 μm의 테프론(Polytetrafluoroethylene; PTFE)여과지(Zeflour P5PJ047, Pall corperation, USA)와 미세먼지포집기(MiniVol. TAS, Air Metrics, USA)를 이용하여 2015년 6월부터 2016년 5월까지 공기유량 5 L/min로 월 1회 24시간 포집을 진행하였다.
- 법주사 및 선암사의 건조물문화재 주변 기상요소와 미세먼지 관측값에 대하여 기상요소와 미세먼지 간, 기상요소 간 상관성을 분석하고 비교하였다. 2015년 6월부터 2016년 5월까지 월 1회 포집 미세먼지 질량농도와 포집 시간대(24 h)의 기상요소 관측값을 정리하여 피어슨 상관분석(IBM SPSS Statistics 24, IBM, USA)을 실시하였다(Table 2).
- 이온 분석은 포집된 여과지를 탈이온수(≥18.3 MΩ) 20 ml를 사용하여 2시간 진탕추출 하였으며, 추출액은 다시 공극(pore size) 1 μm인 직경 110 mm의 필터(Toyo 5C)와 0.45 μm 멤브레인 필터로 거른 뒤 이온 크로마토그래피를 이용하여 분석하였다.
- 그러므로, 본 연구는 목조 건축물과 석조 건축물의 생물 피해가 확인되고, 지역적 기후 차이가 뚜렷한 충북 보은 법주사와 전남 순천 선암사를 비교 대상으로 선정하였다(National Research Institute of Cultural Heritage, 2015). 자동 기상측정기를 각각 설치하여 기상요소의 관측값을 수집하였으며, 미세먼지를 포집하여 질량농도, 이온 성분, 구성 성분을 분석하였다. 또한, 기상요소-미세먼지 간, 기상요소 간 상관성 분석을 실시하였다.
- 포집된 미세먼지에 대하여 질량농도 분석(중량법), 이온 분석(ICS-3000, Dionex, USA), FE-SEM분석(Merlin, Zeiss, Germany)을 실시하였다. 질량농도 분석은 포집된 여과지를 온도 23℃, 상대습도 50%에서 항량이 될 때까지 보관하였다가 0.01 mg의 감도를 갖는 분석용 저울로 0.1 mg까지 정확히 단후 포집 전․후의 여과지의 질량차이와 흡인 공기량으로부터 먼지 농도를 구하였다. 이온 분석은 포집된 여과지를 탈이온수(≥18.
- 2015년 11월, 12월, 2016년 1월, 2월은 미세먼지를 포집하지 못했다. 포집된 미세먼지에 대하여 질량농도 분석(중량법), 이온 분석(ICS-3000, Dionex, USA), FE-SEM분석(Merlin, Zeiss, Germany)을 실시하였다. 질량농도 분석은 포집된 여과지를 온도 23℃, 상대습도 50%에서 항량이 될 때까지 보관하였다가 0.
대상 데이터
- 그러므로, 본 연구는 목조 건축물과 석조 건축물의 생물 피해가 확인되고, 지역적 기후 차이가 뚜렷한 충북 보은 법주사와 전남 순천 선암사를 비교 대상으로 선정하였다(National Research Institute of Cultural Heritage, 2015). 자동 기상측정기를 각각 설치하여 기상요소의 관측값을 수집하였으며, 미세먼지를 포집하여 질량농도, 이온 성분, 구성 성분을 분석하였다.
- 기상요소 측정지점은 산신각 북편 70 m 지점(북위 34° 59′51.90″, 동경 127° 19′47.68″, 해발높이 265 m)이며, 미세먼지 측정지점은 대각암승탑 주변(N34°59′46.82″, E127°19′37.47″, 해발높이 308 m)과 동서삼층석탑 주변(N34°59′47.53″, E127°19′52.54″, 해발높이 255 m) 등 2곳이다(Figure 1B, 1F, 1G, 1H).
- 기상요소 측정지점은 총지선원 마당(북위 36° 32′36.40″, 동경 127° 50′03.25″, 해발높이 352 m)이며, 미세먼지 측정지점은 희견보살상 주변(N36°32′33.64″, E127°49′58.06″, 해발높이 351 m)과 석련지 주변(N36°32′29.58″, E127°49′56.47″, 해발높이 349 m) 등 2곳이다(Figure 1A, 1C, 1D, 1E).
- 선암사는 법주사에 비해 미세먼지 농도는 낮으나 생체 입자, 철함유 입자, 해염 입자의 월별 빈도가 높은 것으로 나타났다. 생체 입자는 선암사 주변의 식생으로부터, 철함유 입자는 광양제철소 및 산업단지(동남동 40 km)로부터, 해염 입자는 순천만(남남동 22 km)으로부터 기인하는 것으로 추정되었다. 이는 선암사의 연 주풍향이 남동풍(SE)인 점에서 유의미한 것으로 판단되었다.
- 입자 분석은 FESEM EDS를 이용하여 작동거리 8.1 mm, 가속전압 10 kV, 점분해능 0.8 nm, 배율 ×100~×10000, 프로브전류 1.4 nA조건으로 법주사 9개 시료 76개 입자, 선암사 9개 시료 142개 입자에 대하여 분석하였다(Ro et al., 2000; Kang et al., 2009; National Institute of Environmental Research, 2008; 2009; 2016; 2017)(Table 1).
데이터처리
- 법주사 및 선암사의 건조물문화재 주변 기상요소와 미세먼지 관측값에 대하여 기상요소와 미세먼지 간, 기상요소 간 상관성을 분석하고 비교하였다. 2015년 6월부터 2016년 5월까지 월 1회 포집 미세먼지 질량농도와 포집 시간대(24 h)의 기상요소 관측값을 정리하여 피어슨 상관분석(IBM SPSS Statistics 24, IBM, USA)을 실시하였다(Table 2). 단, 자외선 지수는 자외선량(MJ/m2)으로 변환 후 대입하였다.
- Table 2. Pearson correlation coefficient. Left: Equation, Right: Pearson correlation interpretation
이론/모형
- 기상요소 10개 항목(기온, 습도, 이슬점온도, 풍속, 풍향, 해면기압, 강수량, 일사량, 자외선량, 증발량)에 대하여 자동 기상측정기(Vantage Pro2 Plus, Davis Instrument, USA)를 설치하여 2015년 6월부터 2016년 5월까지 1시간 단위 관측값을 수집하였다(Table 1). 풍향은 바람장미 프로그램(WRPLOT View, Lakes Environmental, USA)을 이용하였다. 자외선량은 자외선 지수로 관측되며, 자외선지수는 미국환경청(EPA)기준으로 0-2(낮음), 3-5(보통), 6-7(높음), 8-10(매우 높음), 11+(극히 높음)으로 분류된다.
성능/효과
- 1. 법주사의 국지 기상 특성은 일사량, 자외선량, 증발량이 많고 풍속이 빠르며 미세먼지 농도가 높은 특징을 가지는 반면, 선암사의 국지기상 특성은 기온, 습도, 이슬점온도, 기압이 높고 강수량, 강수일수가 많은 특징으로 나타났다. 법주사의 기상 특성은 건조물문화재의 물리적 손상에 더 영향을 미칠 것으로 판단되며, 선암사의 기상 특성은 건조물문화재의 생물학적 손상에 더 영향을 미칠 것으로 예상된다.
- 2. 미세먼지(TSP)의 질량농도는 법주사가 선암사보다 높았다. 미세먼지의 이온 구성은 법주사와 선암사 모두 평균 음이온의 구성은 SO42-> NO3-> Cl- 순으로, 평균 양이온의 구성은 Na+> NH4+> K+> Ca2+> Mg2+ 순으로 동일하였다.
- 3. 기상요소와 미세먼지 간 상관관계 분석 결과, 법주사의 미세먼지는 기압과 양의 상관관계를, 습도와 음의 상관관계를 보였으나 선암사의 미세먼지는 기상요소와의 상관성이 나타나지 않았다. 기상요소 간 상관성 분석 결과, 법주사의 경우 풍속-일사량, 풍속-자외선량, 풍속-증발량 간 높은 상관을, 선암사의 경우 습도-풍속, 습도-일사량, 습도이슬점온도 간, 그리고 자외선량-풍향 간 높은 상관을 보이는 차이가 나타났다.
- 7%로 가장 낮았다. 계절별 평균 습도는 봄, 여름, 가을은 선암사가 법주사보다 높았으며, 겨울의 경우, 법주사가 선암사보다 평균 습도가 높았다(Figure 2B).
- 0 hPa로 가장 낮았다. 계절별 평균 해면기압은 봄, 여름, 가을, 겨울 모두 선암사가 법주사보다 높았으며, 봄, 여름의 경우 그 차이가 컸다. 해면기압은 해발높이와 반비례하는데 법주사의 해발 높이는 352 m, 선암사의 해발 높이는 265 m이다(Figure 2E).
- 이런 기상 특성은 법주사는 일사량, 자외선량, 증발량이 많고 풍속이 빠르며 미세먼지 농도가 높은 특징을 가지는 반면, 선암사는 기온, 습도, 이슬점온도, 기압이 높고 강수량, 강수일수가 많은 특징으로 나타났다. 계절적 기상 특성을 살펴볼 때, 법주사는 선암사에 비해 여름 평균 기온이 높고 겨울 평균 기온이 낮아 기온의 고저 폭이 더 컸으며, 겨울의 평균 습도가 높았다. 선암사는 법주사에 비해 겨울 평균 풍속이 높았으며, 가을과 겨울에 일사량과 증발량이 높았다.
- 05))와 높은 상관성을 보였으며, 선암사의 미세먼지는 기상요소와의 상관성이 나타나지 않았다. 기상요소 간 상관성 분석 결과, 법주사의 경우 풍속-일사량, 풍속-자외선량, 풍속증발량 간 높은 상관을, 선암사의 경우 습도-풍속, 습도-일사량, 습도-이슬점온도 간, 그리고 자외선량-풍향 간 높은 상관을 보이는 차이가 나타났다. 이를 통해 법주사는 풍속이 주요 기상인자로 작용하고 있으며, 선암사는 습도가 주요 기상인자로 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
- 05))와 높은 상관성을 보였으며, 선암사의 미세먼지는 기상요소와의 상관성이 나타나지 않았다. 기상요소 간 상관성 분석 결과, 법주사의 경우 풍속-일사량, 풍속-자외선량, 풍속증발량 간 높은 상관을, 선암사의 경우 습도-풍속, 습도-일사량, 습도-이슬점온도 간, 그리고 자외선량-풍향 간 높은 상관을 보이는 차이가 나타났다. 이를 통해 법주사는 풍속이 주요 기상인자로 작용하고 있으며, 선암사는 습도가 주요 기상인자로 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
- 기상요소 간 상관성 분석결과, 선암사의 경우 습도-풍속 -0.942(p<0.01), 습도-일사량 -0.825(p<0.05), 습도-이슬점온도 0.812(p<0.05), 그리고 자외선량-풍향-0.879(p<0.05) 간 높은 상관성 있는 것으로 조사되었다.
- 기상요소와 미세먼지 간 상관관계 분석 결과, 법주사의 미세먼지는 기압(0.835(p<0.05))과 습도 (-0.791(p<0.05))와 높은 상관성을 보였으며, 선암사의 미세먼지는 기상요소와의 상관성이 나타나지 않았다.
- 05) 간 높은 상관성 있는 것으로 조사되었다. 또한, 법주사, 선암사 모두에서 온도-이슬점온도 간, 일사량-자외선량-증발량 간 상관관계는 공통적으로 높게 나타났다(Table 7, 8).
- 미세먼지에 대한 이온 성분 분석 결과, 법주사는 평균 음이온 농도 10.78 μg/m3, 평균 양이온 농도 4.50 μg/m3로 나타났으며, 평균 음이온의 구성은 SO42-> NO3⁻> Cl⁻ 순으로 높았고, 평균 양이온의 구성은 Na⁺> NH4+> K⁺> Ca2+> Mg2⁺ 순으로 높게 조사되었다.
- 미세먼지의 이온 구성은 법주사와 선암사 모두 평균 음이온의 구성은 SO42-> NO3-> Cl- 순으로, 평균 양이온의 구성은 Na+> NH4+> K+> Ca2+> Mg2+ 순으로 동일하였다. 미세먼지의 원소분석 결과, 법주사와 선암사 모두에서 규산알루미늄 입자, 칼슘함유 입자, 탄소질 토양입자가 연중 공통입자로 확인되었으나 선암사는 해염 입자가 추가로 발견되었고, 법주사에 비해 생체 입자, 철함유 입자의 월별 빈도가 높게 나타났다. 선암사의 생체 입자의 월별 빈도가 법주사보다 높은 점에서 각종 생물 성장에 유리한 여건임을 확인할 수 있었다.
- 법주사와 선암사의 평균 음이온의 구성은 SO42-> NO3-> Cl⁻ 순으로, 평균 양이온의 구성은 Na⁺> NH4+> K⁺> Ca2+> Mg2+ 순으로 동일하였으나 법주사의 여름과 가을에서 음이온의 구성은 NO3-> SO42-> Cl- 순으로, 양이온의 구성은 NH4+> Na+> K+> Ca2+> Mg2+ 순으로 변화가 있었다.
- 법주사의 기상요소와 미세먼지 간 상관성 분석 결과, 법주사의 미세먼지는 기압 0.835(p<0.05), 습도 -0.791(p<0.05)과 높은 상관성을 보였다.
- 선암사의 경우, 연중 규산알루미늄 입자, 칼슘함유 입자, 탄소질 토양입자가 발견되는 가운데 2015년 6월, 8월, 9월, 10월, 2016년 3월, 4월, 5월에 생체 입자가 확인되었으며 2015년 6월, 9월, 10월, 2016년 5월에 철함유 입자가 조사되었고 2015년 6월, 10월, 2016년 2월에 해염 입자가 확인되었다. 법주사의 미세먼지 구성은 규산알루미늄 입자, 탄소질 토양입자, 생체 입자, 칼슘함유 입자, 철함유 입자 순으로, 선암사의 미세먼지 구성은 규산알루미늄 입자, 생체 입자, 탄소질 토양입자, 철함유 입자, 해염 입자, 칼슘함유 입자 순으로 많았다(Figure 3, Table 6).
- 미세먼지에 대한 전자현미경 원소분석 결과(FE-SEM-EDS), 법주사의 경우, 2015년 6월과 8월에 철함유 입자가 발견되었는데, 청주산업단지(서북서 36 km) 또는 당진제철소(북서 113 km)로부터 기인하는 것으로 추정되었다. 선암사는 법주사에 비해 미세먼지 농도는 낮으나 생체 입자, 철함유 입자, 해염 입자의 월별 빈도가 높은 것으로 나타났다. 생체 입자는 선암사 주변의 식생으로부터, 철함유 입자는 광양제철소 및 산업단지(동남동 40 km)로부터, 해염 입자는 순천만(남남동 22 km)으로부터 기인하는 것으로 추정되었다.
- 이는 선암사의 연 주풍향이 남동풍(SE)인 점에서 유의미한 것으로 판단되었다. 선암사의 경우, 생체 입자의 월별 빈도가 법주사보다 높아 각종 생물 성장에 유리한 여건임을 확인할 수 있었다.
- 05) 간 높은 상관을 보였다. 선암사의 기상요소와 미세먼지 간 상관성 분석 결과, 선암사의 미세먼지는 기상요소와의 상관성이 나타나지 않았다. 기상요소 간 상관성 분석결과, 선암사의 경우 습도-풍속 -0.
- 미세먼지의 원소분석 결과, 법주사와 선암사 모두에서 규산알루미늄 입자, 칼슘함유 입자, 탄소질 토양입자가 연중 공통입자로 확인되었으나 선암사는 해염 입자가 추가로 발견되었고, 법주사에 비해 생체 입자, 철함유 입자의 월별 빈도가 높게 나타났다. 선암사의 생체 입자의 월별 빈도가 법주사보다 높은 점에서 각종 생물 성장에 유리한 여건임을 확인할 수 있었다.
- 선암사는 법주사에 비해 겨울 평균 풍속이 높았으며, 가을과 겨울에 일사량과 증발량이 높았다. 이러한 기상 특성을 건조물문화재의 피해와 함께 고려할 때, 법주사의 기상 특성은 건조물문화재의 동결 융해, 수축 이완 등을 통한 물리적 손상에 더 영향을 미칠 것으로 판단되며, 선암사의 기상 특성은 건조물문화재의 생물발생 등 생물학적 손상에 더 영향을 미칠 것으로 예상된다. 법주사, 선암사의 국지 기상 특성은 보은의 기후를 영남 내륙형으로, 순천의 기후를 남해안형으로 구분한 기후 지역 구분과 대체로 일치하였다(Park and Moon, 1998).
- 법주사와 선암사의 기상은 법주사는 맑고 바람이 많으며, 선암사는 덥고 비가 많다. 이런 기상 특성은 법주사는 일사량, 자외선량, 증발량이 많고 풍속이 빠르며 미세먼지 농도가 높은 특징을 가지는 반면, 선암사는 기온, 습도, 이슬점온도, 기압이 높고 강수량, 강수일수가 많은 특징으로 나타났다. 계절적 기상 특성을 살펴볼 때, 법주사는 선암사에 비해 여름 평균 기온이 높고 겨울 평균 기온이 낮아 기온의 고저 폭이 더 컸으며, 겨울의 평균 습도가 높았다.
- 기상요소 간 상관성 분석 결과, 법주사의 경우 풍속-일사량, 풍속-자외선량, 풍속증발량 간 높은 상관을, 선암사의 경우 습도-풍속, 습도-일사량, 습도-이슬점온도 간, 그리고 자외선량-풍향 간 높은 상관을 보이는 차이가 나타났다. 이를 통해 법주사는 풍속이 주요 기상인자로 작용하고 있으며, 선암사는 습도가 주요 기상인자로 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 그 원인으로 법주사가 평탄한 개활 지형에, 선암사는 경사진 계곡지형에 위치한 차이로 판단된다.
후속연구
- 그 원인으로 법주사가 평탄한 개활 지형에, 선암사는 경사진 계곡지형에 위치한 차이로 판단된다. 추후 총부유미생물 농도자료 축적과 건조물문화재 생물피해 정도 정량화를 통해 기상요소-총 부유미생물농도, 기상요소-건조물문화재 생물피해 정도간의 상관성 분석도 진행할 예정이다.
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