[논문]드론을 이용한 안면도 상공 대기경계층내의 미세먼지 연직분포 및 Flux 측정

김희상; 박용희; 김우영; 은희람; 안강호

doi:10.11629/jpaar.2018.14.2.035

드론을 이용한 안면도 상공 대기경계층내의 미세먼지 연직분포 및 Flux 측정
Vertical Aerosol Distribution and Flux Measurement in the Planetary Boundary Layer Using Drone 원문보기

Particle and aerosol research = 한국입자에어로졸학회지, v.14 no.2, 2018년, pp.35 - 40

김희상 (한양대학교 기계공학과) , 박용희 (한양대학교 기계공학과) , 김우영 (한양대학교 기계공학과) , 은희람 (한양대학교 기계공학과) , 안강호 (한양대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Vertical particle size distribution, total particle concentration, wind velocity, temperature and humidity measurement was performed with a drone. The drone was equipped with a wind sensor, house-made optical particle count(Hy-OPC), condensation particle counter(Hy-CPC), GPS, Temperature, Relative Humidity, Pressure and communication system. Base on the wind velocity and the particle size vertical distribution measurement with drone, the particle mass flux was calculated. The vertical particle distribution showed that the particle number concentration was very strongly correlated with the relative humidity.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이에 본 연구에서는 최근에 급속한 속도로 발전하고 있는 멀티콥터 (드론)을 이용하여 미세먼지의 연직분포를 측정할 수 있는 시스템을 개발하였다. 이 시스템에는 풍향-풍속을 측정하는 센서와 온도, 습도, 기압, GPS(Global Positioning System), 광학입자계수기 (Optical Particle Counter, Hy-OPC)와 응축핵계수기 (Water-based Condensation Particle Counter, Hy-CPC)를 장착하여 고도 1000 m 까지 측정할 수 있는 시스템을 개발하였다.

제안 방법

추진 회전날개는 6개로 풍향-풍속 센서가 가운데 위치하여 프로펠러에 의한 풍향-풍속의 영향을 받지 않도록 설계되었다. (초)미세먼지 유입구는 가운데 위치한 지지대의 풍속센서 바로 아래 부분에 설치되어 내부를 통해 샘플링 하도록 하여 드론의 프로펠러에 의한 외란효과를 최소화 하도록 설계하였다. 본 드론에 설치된 풍향-풍속계는 한국기상산업기술원의 검정을 획득하였고, 온도-습도 센서는 KOLAS(Korea Laboratory Accreditation Scheme)인증기관에서 검교정한 것을 장착하였다.
(초)미세먼지 유입구는 가운데 위치한 지지대의 풍속센서 바로 아래 부분에 설치되어 내부를 통해 샘플링 하도록 하여 드론의 프로펠러에 의한 외란효과를 최소화 하도록 설계하였다. 본 드론에 설치된 풍향-풍속계는 한국기상산업기술원의 검정을 획득하였고, 온도-습도 센서는 KOLAS(Korea Laboratory Accreditation Scheme)인증기관에서 검교정한 것을 장착하였다. 드론에 장착한 각종 센서가 프로펠러에 의한 영향을 받는지 확인하기 위하여 전남 보성에 위치한 300 m 기상타워에 장착된 각종센서 (고도별로 장착되어 있음)와 본 드론의 고도별 측정값과 비교하였고, 풍향 ±5°, 풍속 ±0.
본 시스템은 (초)미세먼지가 바람에 의해 유입-유출되는 정도를 파악할 수 있도록 고도 및 풍향-풍속을 측정할 수 있는 센서를 탑재하였다. 따라서 이러한 측정데이터를 이용하면 고도별 (초)미세먼지의 flux를 계산할 수 있다.
본 연구에서는 드론에 풍향-풍속 및 미세먼지 측정 장치 (Hy-OPC, Hy-CPC)를 동시에 장착하고 고도 1000 m 까지 측정할 수 있는 시스템을 개발하였고, 이를 이용하여 안면도에서 성공적으로 초미세먼지의 연직분포를 관측하였다. 초미세먼지의 경우 지상보다 높은 고도 200 ~ 300 m 이상되는 곳에서 매우 높은 농도들이 관측되었으며, 이것은 북서풍과 남동풍을 타고 유입되었다.
이에 본 연구에서는 최근에 급속한 속도로 발전하고 있는 멀티콥터 (드론)을 이용하여 미세먼지의 연직분포를 측정할 수 있는 시스템을 개발하였다. 이 시스템에는 풍향-풍속을 측정하는 센서와 온도, 습도, 기압, GPS(Global Positioning System), 광학입자계수기 (Optical Particle Counter, Hy-OPC)와 응축핵계수기 (Water-based Condensation Particle Counter, Hy-CPC)를 장착하여 고도 1000 m 까지 측정할 수 있는 시스템을 개발하였다. 특히, 드론을 조정하기 위해서는 숙련된 조정자가 필요한 관계로 일반적인 연구자가 드론을 조정하기에는 드론에 대한 많은 숙련도를 요구한다.
특히, 드론을 조정하기 위해서는 숙련된 조정자가 필요한 관계로 일반적인 연구자가 드론을 조정하기에는 드론에 대한 많은 숙련도를 요구한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 드론은 완전 자동으로 이륙과 착륙을 할 수 있도록 제작되었고, 모든 측정 데이터 및 드론의 상태에 대한 정보를 지상에서 모니터링 할 수 있도록 시스템을 개발하였다. 본 시스템의 착륙거리 오차는 이륙위치에서 임무수행 후 착륙 지점까지의 거리 오차가 1 m 이내가 되어 좁은 공간에서 운영할 수 있는 장점이 있다.
본 드론은 ATO-I(쓰리에스테크, 부산)를 사용하였다. 추진 회전날개는 6개로 풍향-풍속 센서가 가운데 위치하여 프로펠러에 의한 풍향-풍속의 영향을 받지 않도록 설계되었다. (초)미세먼지 유입구는 가운데 위치한 지지대의 풍속센서 바로 아래 부분에 설치되어 내부를 통해 샘플링 하도록 하여 드론의 프로펠러에 의한 외란효과를 최소화 하도록 설계하였다.

대상 데이터

1 은 본 연구에 사용된 드론 보여주고 있다. 본 드론은 ATO-I(쓰리에스테크, 부산)를 사용하였다. 추진 회전날개는 6개로 풍향-풍속 센서가 가운데 위치하여 프로펠러에 의한 풍향-풍속의 영향을 받지 않도록 설계되었다.
본 실험은 2018년 6월 7일 오후에 실시하였으며, Fig. 3에 고도에 따른 온도, 습도, 풍향, 풍속에 대한 측정 자료를 보여주고 있다. 이 그림에서 볼 수 있듯이 고도 약 320 m에서 첫 번째 온도 역전층이 존재하는 것을 볼 수 있고, 고도 약 700 m에서 2번째 역전층이 있는 것이 관측된 것을 볼 수 있다.
위에 언급한 드론을 이용하여 시험은 충청남도 안면도에 위치한 안면도 기후변화감시센터 (동경 126.33도, 북위 36.538도)에서 진행되었다. Fig.

성능/효과

습도의 경우 첫 번째 기온 역전층까지는 60%에서 80%까지 계속 증가하는 것이 관측되었다. 그 이상의 고도에서는 습도가 계속 감소하다가 2번째 기온 역전층 부분에서 습도가 약간 증가하는 것이 관측되었고, 그 이상의 고도에서는 계속 감소하였다. 풍향은 첫 번째 역전층 (고도 320 m)에서 북서풍 또는 북풍에서 남동풍으로 매우 급격히 바뀌는 것을 볼 수 있다.
2에는 본 시험이 실시된 위치를 나타내고 있고, 최고 고도 1,030 m 까지 비행한 궤적을 보여주고 있다. 기체의 상승속도는 약 2.5 m/s이고, Hy-OPC, Hy-CPC의 측정 주기는 매 1초마다 상승하면서 기록되었다.
드론에 장착한 각종 센서가 프로펠러에 의한 영향을 받는지 확인하기 위하여 전남 보성에 위치한 300 m 기상타워에 장착된 각종센서 (고도별로 장착되어 있음)와 본 드론의 고도별 측정값과 비교하였고, 풍향 ±5°, 풍속 ±0.5 m/s 범위로 라디오 존데로 사용되는 RS92-SGP(VAISALA, 핀란드)사양에 만족하는 것을 확인하였다.
5에 나타내었다. 첫 번째 기온역전층 부분에서 초미세먼지의 농도가 가장 높게 관측되는 것이 보였다. 특히, Hy-CPC의 측정값이 매우 짧은 구간에서 상당히 크게 입자의 개수농도가 높이 증가하는 것이 관측되었다.
첫 번째 기온역전층 부분에서 초미세먼지의 농도가 가장 높게 관측되는 것이 보였다. 특히, Hy-CPC의 측정값이 매우 짧은 구간에서 상당히 크게 입자의 개수농도가 높이 증가하는 것이 관측되었다. 이 관측 자료에서 매우 특이한 것은 상대습도의 고도에 따른 측정 profile과 초미세먼지의 수 농도 profile이 매우 잘 일치하는 것을 볼 수 있다.

후속연구

초미세먼지의 경우 지상보다 높은 고도 200 ~ 300 m 이상되는 곳에서 매우 높은 농도들이 관측되었으며, 이것은 북서풍과 남동풍을 타고 유입되었다. 초미세먼지 개수 농도의 연직분포와 상대습도의 연직분포가 매우 유사한 특징을 보이는 것이 관측되었으며, 향후 보다 많은 실험 및 관측을 통하여 미세먼지의 개수농도와 상대습도 사이의 유사성 원인을 밝힐 수 있으면 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대기경계층에서의 미세먼지 연구는 무엇으로 이뤄지는가?	(초)미세먼지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 대부분의 연구는 지상에서 이루어지고 있으며, 인간활동의 영향을 가장 많이 받고 있는 대기경계층 내부에서의 연구는 상대적으로 미미한 상태이다. 지금까지 대기경계층 내의 연구는 주로 유인비행기를 이용하여 연구를 하고 있다. (Jayne et al.
	Tethered 풍선을 이용한 미세먼지 연구의 제약점은 무엇이 있는가?	, 2018) 특히 tethered 풍선을 이용할 경우 시간 경과에 따른 미세먼지의 연직분포 변화 등을 관측하기가 매우 용이하며, 또한 일정한 고도에 측정장비를 위치시켜 연속적인 모니터링을 할 수 있는 장점이 있다. 그러나 tethered 풍선의 운영 시 바람이 강하면 원하는 고도까지 상승하기가 어렵고 시스템작동에 많은 인력이 필요한 문제점이 있다.
	유인기를 이용한 미세먼지의 공간분포 연구의 제약점은 무엇인가?	, 2003; Arshinov and Belan, 2004; Arshinov et al., 2007) 유인 비행기를 이용하여 (초)미세먼지의 공간분포를 연구할 경우 막대한 비용 상의 문제뿐만 아니라 비행제한 구역 및 기상 상황 등에 따른 제약이 따르게 된다. 특히, 지상에 근접한 고도 수백 미터내의 (초)미세먼지 분포 연구를 위해 유인비행기를 이용하는 것은 안전상의 문제로 수행하기가 어렵다.

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저자의 다른 논문 :

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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