To improve understanding of the physico-chemical characteristics of aerosols in the national park and comparing the air pollution between national park and the urban area nearby national park, the aerosol characterization study was conducted in Bukhansan National Park, Seoul, from July through Septe...
To improve understanding of the physico-chemical characteristics of aerosols in the national park and comparing the air pollution between national park and the urban area nearby national park, the aerosol characterization study was conducted in Bukhansan National Park, Seoul, from July through September 2017. Semi-continuous measurements of $PM_{2.5}$ using PILS (Particle Into Liquid System) coupled with IC (Ion Chromatography) and TOC (Total Organic Carbon) analyzer allowed quantification of concentrations of major ionic species($Cl^-$, $SO_4{^{2-}}$, $NO_3{^-}$, $Na^+$, $NH_4{^+}$, $K^+$, $Mg{^{2+}}$ and $Ca{^{2+}}$) and water soluble organic carbon (WSOC) with 30-minute time resolution. The total mass concentration of $PM_{2.5}$ was measured by T640 (Teledyne) with 5-minute time resolution. The black carbon (BC) and ozone were measured with a minute time resolution. The timeline of aerosol chemical compositions reveals a strong influence from urban area (Seoul) at the site in Bukhansan National Park. Inorganic aerosol composition was observed to be dominated by ammoniated sulfate at most times with ranging from $0.1{\sim}32.6{\mu}g/m^3$ (6.5~76.1% of total mass of $PM_{2.5}$). The concentration of ammonium nitrate, a potential indicator of the presence of local source, ranged from below detection limits to $20{\mu}g/m^3$ and was observed to be highest during times of maximum local urban (Seoul) impact. The total mass of $PM_{2.5}$ in Bukhansan National Park was observed to be 10~23% lower than the total mass of $PM_{2.5}$ in urban area (Gireum-dong and Bulgwang-dong, Seoul). In general, ozone concentration in Bukhansan National Park was observed to be similar or higher than urban sites in Seoul, suggesting additional biogenic VOCs with $NO_x$ from vehicle emission were to be precursors for ozone formation in Bukhansan National Park.
To improve understanding of the physico-chemical characteristics of aerosols in the national park and comparing the air pollution between national park and the urban area nearby national park, the aerosol characterization study was conducted in Bukhansan National Park, Seoul, from July through September 2017. Semi-continuous measurements of $PM_{2.5}$ using PILS (Particle Into Liquid System) coupled with IC (Ion Chromatography) and TOC (Total Organic Carbon) analyzer allowed quantification of concentrations of major ionic species($Cl^-$, $SO_4{^{2-}}$, $NO_3{^-}$, $Na^+$, $NH_4{^+}$, $K^+$, $Mg{^{2+}}$ and $Ca{^{2+}}$) and water soluble organic carbon (WSOC) with 30-minute time resolution. The total mass concentration of $PM_{2.5}$ was measured by T640 (Teledyne) with 5-minute time resolution. The black carbon (BC) and ozone were measured with a minute time resolution. The timeline of aerosol chemical compositions reveals a strong influence from urban area (Seoul) at the site in Bukhansan National Park. Inorganic aerosol composition was observed to be dominated by ammoniated sulfate at most times with ranging from $0.1{\sim}32.6{\mu}g/m^3$ (6.5~76.1% of total mass of $PM_{2.5}$). The concentration of ammonium nitrate, a potential indicator of the presence of local source, ranged from below detection limits to $20{\mu}g/m^3$ and was observed to be highest during times of maximum local urban (Seoul) impact. The total mass of $PM_{2.5}$ in Bukhansan National Park was observed to be 10~23% lower than the total mass of $PM_{2.5}$ in urban area (Gireum-dong and Bulgwang-dong, Seoul). In general, ozone concentration in Bukhansan National Park was observed to be similar or higher than urban sites in Seoul, suggesting additional biogenic VOCs with $NO_x$ from vehicle emission were to be precursors for ozone formation in Bukhansan National Park.
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문제 정의
이로 인해 도시 인근 산림지역에서의 초미세먼지 및 오존의 물리·화학적 특성과 이에 대한 도심지역과의 실시간 비교 연구는 미흡한 실정이다. 이에 본 연구에서는 1) 북한산국립공원 내 초미세먼지의 화학적 특성을 파악함과 동시에 2) 북한산국립공원과 인근 도심지역의 초미세먼지 및 오존 농도와 비교 분석하고자 하였다.
본 연구는 북한산국립공원 내 초미세먼지의 화학적 특성과 초미세먼지의 질량농도 및 오존의 농도 변화를 파악하고 인근 도심지역의 대기질과 비교를 통해 북한산국립공원의 대기질을 평가하였다. 북한산국립공원 내 초미세먼지는 전체 기간 중 일부 기간(약 3일)을 제외하고 대기환경기준(PM2.
제안 방법
TOC analyzer는 유입된 샘플 내 유기 화합물의 산화를 일으켜 발생하는 이산화탄소(carbon dioxide; CO2)로 총 유기탄소(total organic carbon; TOC) 농도를 산출하는 장비이다. TOC analyzer로 유입된 샘플은 TOC analyzer 내의 UV 및 산화제와 반응하여 총 탄소(total carbon)와 무기탄소(inorganic carbon)를 분석하고, 총 탄소와 무기탄소의 농도 차이를 통해 6분 간격으로 WSOC 농도를 산출하게 된다. 정확한 수용성 유기탄소 측정을 위하여 PILS의 샘플 유입 부에 카본 디누더(carbon denuder)를 설치하여 유입된 샘플 내에 가스상 휘발성 유기탄소 화합물(volatile organic compounds; VOCs)을 제거하였다.
정확한 수용성 유기탄소 측정을 위하여 PILS의 샘플 유입 부에 카본 디누더(carbon denuder)를 설치하여 유입된 샘플 내에 가스상 휘발성 유기탄소 화합물(volatile organic compounds; VOCs)을 제거하였다. VOCs가 제거된 입자 내의 불용성 유기탄소를 제거하기 위하여 TOC analyzer로 들어가는 tubing에 인라인 필터(inline filter, Metrohm Inc., Swiss)를 설치하였으며 불용성 유기탄소가 제거된 샘플은 TOC analyzer에 의해 분석되었다(Park et al., 2016) (그림 2a). 본 연구에서 WSOM 농도는 Timonen et al.
Water soluble organic carbon(WSOC) 측정을 위해 PILS에 Total Organic Carbon(TOC) analyzer(GE analytical Instruments, USA)와 연결하여 수용성 유기탄소를 측정하였다. TOC analyzer는 유입된 샘플 내 유기 화합물의 산화를 일으켜 발생하는 이산화탄소(carbon dioxide; CO2)로 총 유기탄소(total organic carbon; TOC) 농도를 산출하는 장비이다.
대기 중 오존 농도를 실시간으로 측정하기 위해 Ozone monitor(Thermo Environmental Instruments Inc., USA)를 설치하였다. 본 연구에 사용된 Ozone monitor는 오존이 흡수하는 254 nm의 UV 파장을 사용하며 대기 중 오존 농도를 실시간으로 측정할 수 있는 장비이다.
따라서 서울 지역의 혼합고(Planetary Boundary Layer; PBL)를 측정결과를 바탕으로 측정 장소의 높이보다 높은 혼합고(PBL>600 m)가 관측되었을 때의 자료를 사용하여 두 장소 간의 농도를 비교하였다.
무기 이온 성분(Cl-, SO42-, NO3-, Na+, NH4+, K+, Mg2+, Ca2+)을 측정하기 위해 PILS에 이온크로마토그래피(ion chromatography, Metrohm Inc., Swiss)를 이용하였다. 이온크로마토그래피는 고정상과 이동상 사이에 샘플 내 무기 이온 성분들이 분배되면서 일어나는 분리 과정을 통해 무기 이온을 분석하는 장비이다.
본 연구 기간 동안 대기 중 초미세먼지의 질량농도를 실시간으로 측정하기 위해 PM monitor(Teledyne API, USA)를 설치하였다. PM Monitor는 산란광을 통해 외부에서 유입된 입자상 물질의 크기를 결정함으로써 질량 농도로 변환하는 광학 에어로졸 분광기이다.
, 2014). 본 연구에서는 PILS 유입부에 설치된 PM 2.5 사이클론(URG cyclone, URG Corp., USA)을 통해 16.7 L/min의 유량으로 초미세먼지를 PILS로 유입시켰다.
북한산국립공원 대기 중 초미세먼지 내 수용성 유기 탄소(water soluble organic carbon; WSOC)와 무기 이온 성분 분석을 위해 두 대의 Particle Into Liquid System (PILS, Metrohm Inc., Swiss)을 사용하여 실시간으로 시료를 채취한 후 각각 연결된 측정 장비를 통해 초미세먼지의 화학적 성분을 분석하였다.
북한산국립공원과 인근 도심지역의 초미세먼지 및 오존 농도를 비교 분석을 진행하였다. 본 연구의 측정 장소와 인근 도심지역의 고도 차이가 있기 때문에 두 장소의 농도를 비교하기 위하여 혼합고를 고려할 필요가 있다(Deng et al.
북한산국립공원에서 측정한 풍향 및 풍속 자료를 바탕으로 인근 도심지역에서 발생한 대기오염물질의 유입을 분석하였다. 측정 기간 동안 주로 남풍에 의한 유입이 빈번하였다(그림 6a).
염기 성분인 ammonium과 산성을 띠는 nitrate, sulfate 당량 농도의 합을 비교하여 북한산국립공원 내 초미세먼지의 대기 상태를 확인하였다. 그 결과, ammonium이 nitrate와 sulfate 당량 농도의 합보다 8% 낮게 관측되었다(그림 7a).
TOC analyzer로 유입된 샘플은 TOC analyzer 내의 UV 및 산화제와 반응하여 총 탄소(total carbon)와 무기탄소(inorganic carbon)를 분석하고, 총 탄소와 무기탄소의 농도 차이를 통해 6분 간격으로 WSOC 농도를 산출하게 된다. 정확한 수용성 유기탄소 측정을 위하여 PILS의 샘플 유입 부에 카본 디누더(carbon denuder)를 설치하여 유입된 샘플 내에 가스상 휘발성 유기탄소 화합물(volatile organic compounds; VOCs)을 제거하였다. VOCs가 제거된 입자 내의 불용성 유기탄소를 제거하기 위하여 TOC analyzer로 들어가는 tubing에 인라인 필터(inline filter, Metrohm Inc.
, Swiss)을 통과하는 속도에 차이가 발생되며 검출기를 통해 측정된 머무름 시간(retention time), 피크 모양, 피크 면적으로부터 각 이온 성분마다 30분 간격으로 농도가 산출된다. 정확한 측정을 위해 PILS 샘플 유입부에 두 개의 디누더(annular denuder, URG Corp., USA)를 설치하여 유입되는 공기 내 질산(Nitric acid; HNO3) 및 암모니아(Ammonia; NH3) 가스를 제거하였다. 가스상물질이 제거된 입자는 이온크로마토그래피에 의해 분석되었다(Orsini et al.
대상 데이터
2017년 7월 22일부터 9월 17일까지 북한산국립공원내 초미세먼지 및 구성 성분의 실시간 농도 변화 및 조성의 일변화를 그림 3, 그림 4로 나타냈다. 또한 crustal 농도는 IC에서 측정된 이온성분 중 NO3-, SO42-, NH4+를 제외한 나머지 이온들 (Cl-, Na+, K+, Ca2+, Mg2+)로나타냈다.
2017년 8월 10일부터 8월 17일까지 PM 2.5 농도와 이온 성분, 블랙카본, WSOM의 농도가 5 μg/m3 이하로 관측되었는데 이 기간 동안 강우 사례가 발생하였고, 특히 8월 15일부터 8월 17일 동안 풍속이 4 m/s 이상으로 관측되었기 때문에 지속된 장마와 강한 풍속으로 인하여 농도가 낮게 관측된 것으로 사료된다(그림 3).
또한, 본 연구에서 북한산국립공원과 인근 도심지역의 초미세먼지 농도를 비교하기 위해서 북한산국립공원 인근 도심지역 중 국립공원과 가장 인접한 두 곳으로 서울시 은평구 불광동에 위치한 수도권 대기오염집중측정소 (37.61°N, 126.93°E, 해발 67 m)와 성북구에 위치한 길음2동 주민센터(37.60°N, 127.02°E, 해발 42 m)로 선정하였으며 두 측정소에서 측정 기간 동안 1시간 간격으로 초미세먼지 및 오존을 연속 모니터링한 결과를 사용하였다(그림 1).
AE33의 유입구로 들어간 초미세먼지는 필터에 포집되며 입자 광흡수와 블랙카본 농도를 제공한다. 본 장비로 주입되는 초미세먼지는 7개의 파장(370, 470, 520, 590, 660, 880, 950 nm)에 의해 광흡수가 이루어지며 이 중 블랙카본은 880 nm 파장에서의 결과 값을 사용하였다(Park et al., 2010).
북한산국립공원 대기 중 초미세먼지 및 오존을 실시간으로 분석하기 위해 북한산국립공원 내 위치한 승가사(37.96°N, 124.63°E; 해발 450 m)에서 2017년 7월 22일부터 2017년 9월 17일까지 58일간 측정하였다.
이론/모형
(2010)의 방법을 적용하여 PILS-TOC 장비를 통해 측정된 WSOC 농도에 OM/ OC ratio를 곱하여 산출하였다. WSOM 산출에 사용되는 OM/OC ratio는 Chan et al. (2010)에서 제시한 1.9로 적용하였다.
, 2016) (그림 2a). 본 연구에서 WSOM 농도는 Timonen et al. (2010)의 방법을 적용하여 PILS-TOC 장비를 통해 측정된 WSOC 농도에 OM/ OC ratio를 곱하여 산출하였다. WSOM 산출에 사용되는 OM/OC ratio는 Chan et al.
성능/효과
이는 북한산 국립공원은 자체적인 오염원이 상대적으로 적지만 인근 도심지역 발생된 초미세먼지의 유입으로 인해 무기 성분 농도의 증가가 야기된 것으로 판단된다. H+Aerosol/SO42- 비와 Ammonium 및 Nitrate와 Sulfate의 몰농도합을 비교한 결과, 북한산국립공원 내 대기는 약간의 산성 상태를 보였으며 이는 북한산국립공원 인근 도심 지역의 자동차 배출가스와 중국 장거리 이동에 의한 대기오염물질이 함께 유입되어 영향을 주고 있는 것으로 판단된다.
5 35 μg/m3) 이하의 농도로 관측되었다. 대기환경기준 초과 기간 동안의 초미세먼지의 평균 농도는 대기환경기준 이하 기간에 비해 3배 증가하였으며 무기 이온 성분(nitrate+sulfate+ammonium)의 비율이 12.2% 증가하였다. 이는 북한산 국립공원은 자체적인 오염원이 상대적으로 적지만 인근 도심지역 발생된 초미세먼지의 유입으로 인해 무기 성분 농도의 증가가 야기된 것으로 판단된다.
7) μg/m3로 전체 평균 기간에 비해 약 3~4배 증가하였다(표 2, 그림 5). 대기환경기준 초과 기간과 대기환경기준 이하 기간의 화학적 조성에 대한 평균 농도값을 비교한 결과, WSOM과 블랙카본의 비율은 각각 2.8, 1.5% 감소하였지만 이온성분(nitrate + sulfate + ammonium)은 57.7%에서 69.9%로 12.2% 증가하였다. 무기 이온성분 (nitrate, sulfate, ammonium)의 경우 1차적인 발생보다 대기 중 화학반응(광화학반응, 습식산화)에 의해 주로 발생되기 때문에 자체적인 오염원이 상대적으로 적은 북한산국립공원의 경우, 평상시에는 농도가 낮지만 인근 도심지역에서 대기 오염이 유입된 경우 무기 이온 성분의 농도가 크게 증가한다(Li et al.
도심지역 초미세먼지 농도가 20 μg/m3 이상일 때 도심 지역과 북한산국립공원 내 농도 차이가 약 20% 관측 되었으며, 20 μg/m3 미만일 때 약 30~40%로 관측되었다.
이는 북한산국립공원 내 우거진 녹지가 외부에서 유입되는 대기오염물질의 완충지대로 작용하기 때문인 것으로 판단된다. 북한산국립공원 내 오존은 전체 측정 기간 동안 기준치 이하로 관측되었으며, 인근 도심지역에 비해 다소 높은 농도로 관측되었다. 이는 수목에서 배출되는 VOCs가 북한산 국립공원내 오존의 농도 증가에 직접적인 영향을 주는 것으로 판단된다.
북한산국립공원과 인근 도심지역 내 오존의 시간별 변화를 분석한 결과, 측정 기간 동안 전반적으로 대기 환경기준 1시간 평균 100 ppb 이하로 관측되었다. 광화학 반응이 활발한 낮 시간에 오존의 농도가 상승되었으며(Han et al.
대기환경연보(MOE, 2017)는 2016년 국내 주요 도시의 월 평균 오존농도중 5월에 가장 높은 것으로 보고되었다. 이를 통해, 본 연구의 측정 기간 중 오존 농도는 국내 환경 기준치 이하로 관측되었지만, 오존 농도가 가장 높은 5월의 경우 기준치를 초과할 수도 있을 것으로 판단된다.
전체 기간 동안 북한산국립공원과 인근 도심지역의 초미세먼지 농도를 비교한 결과, 북한산국립공원이 불광동과 길음동보다 각각 평균 18%, 23% 낮은 농도로 관측되었다. 이는 북한산국립공원 내 우거진 녹지가 외부에서 유입되는 대기오염물질의 완충지대로 작용하기 때문인 것으로 판단된다.
전체 기간 동안에서 초미세먼지의 평균 농도는 15.2 (±10.4) μg/m3이었으며, 전체 기간 중 3일을 제외하고 전반적으로 한국환경기준 이하의 초미세먼지 농도가 관측되었다.
(2007)은 Pittsburgh 내 대기의 산성 상태를 파악하기 위해 초미세먼지의 수소이온과 sulfate의 몰농도를 비교하였으며, 이를 바탕으로 북한산국립공원 내 대기중 초미세먼지의 수소이온과 sulfate를 비교하였다(그림 7b). 전체 측정 기간 동안 북한산국립공원 내 초미세먼지의 H+Aerosol /SO42-의 기울기는 0.35(r2=0.33)으로 관측되었으며 측정 기간 동안 불규칙적인 대기의 상태로 인하여 상관계수는 낮게 측정되었지만, 전체적으로 약산성 상태로 이전 그림 7a 결과와 유사하게 관측되었다. 초미세먼지 고농도사례 기간에는 H+Aerosol /SO42-의 기울기가 0.
전체 측정 기간 동안 북한산국립공원과 인근 도심지역의 초미세먼지 농도를 비교한 결과, 국립공원 12.8 (±8.97) μg/m3, 불광동 15.5 (±10.1) μg/m3, 길음동 16.7 (±11.0) μg/m3로 북한산국립공원이 불광동과 길음동보다 각각 평균 18%, 23% 낮은 농도로 관측되었다(표 3).
8%를 차지하였다(표 1). 초미세먼지 내 화학적 성분 중 sulfate가 가장 큰 비율을 차지하였다. 2017년 8월 10일부터 8월 17일까지 PM 2.
초미세먼지 화학적 조성의 일변화를 분석한 결과, 초미세먼지 농도가 대기환경기준에 초과되었을 때 WSOM의 비율은 감소하면서 무기 이온의 비율이 증가하였으며, 초미세먼지 농도가 20 μg/m3 이하일 경우 WSOM의 비율이 대기환경기준에 초과되었을 때보다 높게 관측되었다(그림 4).
측정 기간 동안 주로 남풍에 의한 유입이 빈번하였다(그림 6a). 측정 기간 동안 전체 농도 범위에서 상위 25% 이상의 고농도 기간에 해당되는 데이터를 사용하여 인근 도심지역으로부터의 고농도 유입을 확인하였으며(그림 6b), 주로 남동풍에 의해 고농도 유입이 발생한 것으로 관측되었다. 이는 측정장소 기준, 남동쪽 방향에 위치한 서울 중심부에서 발생된 대기오염물질이 남동풍에 의해 이동 및 유입된 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
대기 중의 초미세먼지가 기후변화를 초래하는 이유는?
대기 중의 초미세먼지는 직접적으로 흡수 또는 산란을 통해 시정에 영향을 주며 가시도를 저하시키고 구름 응결핵으로 작용하면서 기후변화를 초래한다(Gao et al., 2015; Rastogi et al.
국내에서 초미세먼지를 규제하기 위해 도입한 것은?
, 2016). 국내에서는 초미세먼지를 규제하기 위해 2015년에 대기환경기준(PM2.5 50 μg/m3)을 도입하였으며 2018년 현재 초미세먼지 규제 기준은 35 μg/m3으로 강화되었다(Park et al., 2017; Ham et al.
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