<54> 측정장비와 방법 연구
종합기상관측·특화항공기 잇따라 도입해
미세먼지 발생 원인·경로 실시간 모니터링
고가 측정장비 대체할 방법 활발한 연구
에어로졸 수직분포·수동간이채취기 이용
대기 중 레이저 발사 산란 빛 관측법도 사용
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우리나라도 최첨단 과학기술을 이용한 미세먼지 측정시대로 접어들었다. 최근에 기상청이 도입한 기상항공기에다 특화된 미세먼지 항공기를 이용해 미세먼지를 관측하는 방법이 있다. 2018년 4월 18일 국내에 도입된 종합기상관측용 항공기 ‘킹에어(King Air) 350HW’가 주인공으로 이 항공기는 서해 상에서 대기 질을 측정하기 시작했다. 여기에 미세먼지에 특화된 ‘비치크래프트 1900D’ 항공기도 2018년 12월부터 국내 대기 질을 관측하기 시작했다. ‘비치크래프트 1900D’는 ‘미세먼지 국가프로젝트 사업단’이 한국의 연중 대기 질 관측을 위해 도입한 항공기다. 이 항공기는 미세먼지 조성뿐만 아니라 미세먼지 재료가 되는 오염물질과 미세먼지 생성 반응을 일으키는 산화제 등을 동시에 측정한다. 여기에 더해 미세먼지 발생 원인과 경로를 실시간 모니터링한다. 김희상 등은 드론을 이용해 미세먼지의 연직분포 및 플럭스(Flux)를 측정하는 연구를 했다. 이들은 멀티콥터(드론)를 이용해 미세먼지의 연직분포를 측정할 수 있는 시스템을 개발해 미세먼지를 측정한다.
환경부에서 운용 중인 미세먼지 측정장비는 1억 원에 가까운 고가의 장비다. 그렇다 보니 장비를 많은 지역에 설치하는 데 비용이 많이 든다. 그래서 많은 지역의 미세먼지 관측치가 공백이 되는 경우가 많다. 이를 보완하기 위해 많은 연구가 이루어지고 있다. 김상민 등은 지표의 미세먼지 농도를 정확히 관측하기 위해 에어로졸의 수직 분포 및 기상 상황을 파악하는 연구를 했다. 에어로졸 광학 두께(AOT: Aerosol Optical Thickness)는 에어로졸의 흡수 및 산란에 의한 대기 복사 감소량을 나타내며 지표부터 대기 상단까지의 에어로졸 소산계수의 적분으로 표현될 수 있다. 대기오염 물질의 대부분은 경계층 내에 존재하기 때문에 행성 경계층의 높이는 지상 미세먼지 농도의 추정에 직접적인 영향을 준다는 이론에 근거한 것이다.
김준헌은 대기오염 측정망을 구축할 수 없는 지역의 농도를 파악하기에는 기술적·경제적 어려움이 있기에 이를 극복하고자 다양한 대기물질을 선택적으로 측정할 수 있도록 개발된 수동간이채취기(Passive air sampler)를 이용한 측정방법을 연구했다. 이 연구는 고도의 기술이 필요하지 않고, 자연적인 이동·침강·확산 등의 현상을 이용하기 때문에 전력이 필요하지 않아 광범위한 지역에도 활용될 수 있는 도구다. 그는 연구를 통해 입도분석기를 이용해 표준입자와 입자수동간이채취기(Particle passive air sampler)로 채취한 미지의 시료에 대해 재현성 평가를 한 결과 모두 상대표준편차 12% 이내로 나타났다. 이에 입도분석기는 모든 시료에 대한 입자상 분석이 충분한 신뢰도를 나타내고 있음을 확인했다.
배주연 등은 상대습도(RH·%), 온도(TEMP·˚C), 행성 경계층 높이(HPBL·m), 풍속(WS·m/s)의 기상 변수를 사용해 회귀분석을 시행, 미세먼지(PM) 농도를 추정하는 연구를 했다. 그리고 다양한 기상 변수를 통해 회귀모델을 만들어 미세먼지 농도의 직접 측정이 불가능한 곳에서의 측정을 가능케 하고자 했다. 이를 통해 에어로졸의 광학적 깊이(AOD)만을 가지고 PM 농도를 예측하는 것이 가능하다. 그는 여기에 기상 변수인 온도를 추가해 사용했을 때 더 개선된 예측을 도출해냈다고 하며, 더불어 인공위성 자료의 사용은 PM의 공간적 분포에 관한 정보를 제공해주는 이점이 있다고 주장한다.
이런 방법 외에 더 정교한 관측방법을 위한 연구가 진행되고 있다. 기상청을 포함한 대부분의 미세먼지 관측은 지상 직접(in-situ) 관측이 대부분이기 때문에 에어로졸의 연직분포와 이동 및 통과 고도 등에 관한 분석은 부족한 실정이다. 이에 김만해 등은 정확한 라이다 관측자료를 이용해 미세먼지 농도 산정을 연구했다. 라이다는 대기 중으로 레이저를 발사해 후방 산란한 빛을 관측함으로써 에어로졸이나 구름의 연직분포를 파악할 수 있는 장비다. 원격 광학장비인 라이다는 일반적으로 대기 중 에어로졸의 광학적인 양을 나타내는 에어로졸 소산계수나 광학두께를 산출하는 데 사용된다(e.g., Murayama et al., 2003; Won et al., 2004; Noh et al., 2007; Yoon et al., 2008). 이들은 라이다와 동시에 관측된 스카이 라디오미터 및 지상 PM10 관측 결과를 이용했다.
[팁] 저렴한 간이장비 대량 설치 측정망 더 촘촘하게
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환경부에서 발표하는 미세먼지 농도는 어느 정도 신뢰가 있는 것일까? 미세먼지의 특징은 옆 동네는 맑아도 내가 숨 쉬는 공기는 미세먼지가 최악일 수 있다는 점이다.
시사저널에서는 2018년 4월에 이 문제를 취재해 보도했다. 내용을 보자. “서울의 미세먼지 농도가 ‘보통’으로 예보된 4월 2일 11시에 도봉구(PM10 85㎍/㎥), 서초구(86㎍/㎥), 송파구(85㎍/㎥), 강동구(82㎍/㎥) 등에선 ‘나쁨’ 수준을 보였다. PM10은 81㎍/㎥ 이상부터, PM2.5는 36㎍/㎥ 이상부터 ‘나쁨’으로 구분된다. 이처럼 서울 전체의 미세먼지 예보가 ‘보통’이라도 일부 지역구는 ‘나쁨’을 넘는 경우가 속출하고 있다.
이것은 미세먼지 관측망이 매우 적다 보니 예측에서 많은 차이를 보이는 것이다. 이를 해결하는 가장 좋은 방법은 선진국처럼 저렴한 미세먼지 간이관측망을 대량으로 설치하는 것이다. <반기성 케이웨더예보센터장>
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