본문 바로가기

연세소식

[Academia] 미세먼지, 이제 36,000km 상공에서 원격 측정

연세대학교 홍보팀 / news@yonsei.ac.kr
2018-07-02

미세먼지, 이제 36,000km 상공에서 원격 측정
보다 정확하고 광범위한 관측으로 대기질 향상에 기여할 것
   
김 준 교수 (대기과학과)

 

최근 들어 우리 주변의 미세먼지 농도를 확인하는 일은 누구에게나 무척 흔한 일이 됐다.  이처럼 대기환경에 대한 사회적 관심은 어느 때보다 뜨겁다.

 

 

 

 

미세먼지가 우리 생활에 미치는 영향

 

미세먼지란 우리 눈에 보이지 않을 정도로 아주 가늘고 작은 직경 10 마이크론(μm, 밀리미터의 1/1000) 이하의 먼지 입자를 말한다. 이는 머리카락의 5분의 1에서 7분의 1 정도의 크기다. 환경부의 PM(Particulate Matter)10 농도, 즉 크기가 10 마이크론보다 작은 입자의 단위부피당 총무게 기준으로 우리나라 서울시 연평균 미세먼지 농도는 1995년 78 µg/m3 값에서 2012년 45 µg/m3 까지 꾸준히 줄어오다가 그 이후 최근까지 45~48 µg/m3 사이의 값을 보이고 있다.

 

지름이 2.5마이크론 이하의 먼지 입자인 초미세먼지의 농도, PM2.5는 2015년부터 측정된 이래 연평균 26 µg/m3 를 보이고 있다. 일본 동경, 프랑스 파리, 미국 로스앤젤레스의 농도는 서울의 약 절반이며, 세계보건기구(WHO)의 연평균 미세먼지 PM10, PM2.5 농도기준은 각각 20, 10 µg/m3 이다. 그동안 적극적인 환경정책으로 대기환경이 꾸준히 개선되어 왔음에도 불구하고, 아직도 우리의 대기질은 국제표준에 이르기에는 멀어만 보인다.

 


우리나라 대기오염도 연간변화추이 (출처: 환경부 환경백서 2017)


지난 2013년 세계보건기구 국제암연구소(IARC)는 미세먼지를 석면, 벤젠과 함께 1급 발암물질로 규정한 바 있으며, 실내 대기오염에 의해 전 세계적으로 430만 명이, 실외 대기오염에 의해서는 300만 명이 조기사망하고 있다고 밝혔다. 우리나라는 연간 17,832명이 대기오염으로 인해 사망하는 것으로 알려져 있다. 환경부는 2013년 수도권을 중심으로 미세먼지 시범예보를 거쳐 전국 대기질 예보로 확대했으며, 이제 많은 사람들에게 실시간 대기질 정보와 그 예보는 생활의 중요한 부분이 되어가고 있다.


미세먼지 발생원

 

국립환경과학원의 분석에 따르면 국내 미세먼지 배출원의 기여도는 수도권에서는 경유차 (23%), 건설기계(16%), 사업장(14%) 순으로 나타났다. 전국적으로는 사업장(38%), 건설기계·선박(16%), 발전소(15%) 순이었다. 그러나 이러한 배출원 분석은 아직도 많은 불확실성을 갖고 있으며, 이는 대기질 예측에 있어 매우 중요한 오차 원인이 된다.

 

2016년 봄, 환경부는 미국 NASA와 함께 6주에 걸쳐 한미공동대기질 조사를 실시했다. 봄은 대기가 정체되는 시기로 오염물질의 장거리 수송이 겨울처럼 빈번하게 일어나지는 않는다. 그럼에도 불구하고 위 기간 중 우리나라의 미세먼지 발생 기여율은 52%, 중국 34%, 북한 9%, 기타 5%로 분석됐다.

 

이 가운데 미세먼지의 직접배출은 블랙카본 및 유기입자를 포함해 최대 24%를 기록했으며, 나머지는 기체로 배출 후 2차 화학반응에 의해 유기입자, 황산염, 질산염, 암모늄 등이 형성된 것이었다. 국립환경과학원의 분석에 따르면 미세먼지의 연평균 국외 기여율은 30~50%이며, 고농도 미세먼지 발생 시 그 비율은 60~80%까지 올라간다.
 
미세먼지와 관련 기체의 원격탐사에 의한 측정

 

1999년 1월 서울에서 첫 개최된 한중일 환경장관회담은 올해 6월말 20차 회담에 이르기까지 동북아 지역 내 환경문제를 논의하기 위해 마련되어 왔다. 최근에는 미세먼지 문제해결을 위해 ‘동북아 장거리 대기오염이동물질 공동연구보고서’를 내년 중 발간하기로 했다. 환경부는 초미세먼지(PM2.5) 지상측정망을 국내에 287개소로 확충하고, 중국과의 자료공유관련 협력도 모색해오고 있다. 그러나 지상관측망은 주로 대도시와 집중관측소 중심으로 이뤄지며, 서해와 같은 해양지역이나 인접 국가들의 정보는 매우 제한적이어서 미세먼지 발생의 장거리 이동과 국내외 기여율을 산정하는 데 많은 어려움을 겪어 왔다. 게다가 미세먼지 발생의 전구체인 질소산화물, 황산화물, 휘발성유기화합물 등의 영향까지 보기 위해서는 미세먼지뿐 아니라, 관련 기체들의 농도까지도 측정해야 한다.

 

미세먼지와 같은 고체입자와 그 화학반응에 참여하는 전구체들은 빛의 파장에 대해 고유의 흡수특성을 갖게 된다. 빛의 산란과 흡수에 있어 고체입자는 파장에 대해 느리고 기체들은 빠른 변화특성이 있다. 이를 이용하여 대기 중 반사되는 태양빛을 위성에서 초분광 해상도로 측정하면 최적추정법과 차등광학흡수분광법 등의 자료처리알고리즘을 통해 고체입자와 기체들의 정보를 분리해서 추출해내는 것이 가능해, 넓은 영역의 농도분포를 시시각각 제공해준다.

 

2016년 한미공동대기질 조사기간중 천리안위성과 DC-8 항공기 라이다 측정으로 나타난 우리나라 주변 에어러솔의 분포*. 대체적으로 국내에서는 서쪽의 농도가 높고 동쪽의 농도가 낮다. 서해상에 보이는 수직단면은 해수면에서 고도 2km 고도구간을 통해 중국으로부터 이동하는 에어러솔 분포를 보여준다. 에어러솔 광학 깊이 기준으로 빨간색이 농도가 높은 값을, 푸른색은 낮은 값을, 그리고 회색은 구름을 나타낸다. (* 에어러솔 : 대기 중 부유하는 고체 및 액체 입자)

 

지금까지의 대기오염 기체의 원격측정은 모두 저지구궤도에서만 이뤄져 왔기에 하루에 한 번 씩만 측정이 가능했다. 마이크론 크기의 미세먼지 측정을 위해 36,000km 상공의 정지궤도인공위성을 이용해야 하는 중요한 이유다. 그렇게 함으로써 천만 규모의 인구가 있는 서울이나 소수가 사는 외딴 지역과 관계없이, 나아가 해양지역과 인접 국가들에 대해서도 시간대별로 대기오염 상태 측정이 가능하다. 과학기술정보통신부와 환경부는 2019년 말을 목표로 정지궤도복합위성에 환경탑재체를 발사해 아시아 지역에 시공간적으로 고해상도의 원격측정자료를 제공할 예정이다.

 

향후 대기환경변화 진단과 분석의 연구방향 및 전망

 

대기환경의 위성원격탐사는 기존의 지상대기 관측망과 더불어 미세먼지를 포함하는 대기오염물질의 농도, 지역적 분포, 공간적 이동에 관한 광역적 정보를 제공해줄 것이다. 내 주변에 측정소가 없더라도 위성은 구름만 없다면 육상이든 해상이든 바로 알려줄 수 있다. 또한 시간대별 위성자료를 이용하면 배출량 정보의 정확도 역시 높일 수 있게 된다.

 

여기에 기상장의 예측과 화학이론을 바탕으로 구성된 대기화학수송모델은 상세한 발생 소멸 과정과 이동을 분석하여 대기질 예보의 정확도를 높일 수 있다. 이를 통해 미세먼지를 포함한 대기오염의 분포 특성과 그 발생원까지 과학적으로 진단하고, 이에 기반한 오염물질 저감 정책에도 기여할 수 있을 것이다. 절대 측정정확도는 지상측정 값이 더 높겠지만, 위성원격탐사는 넓은 지역을 하나의 센서로 지점에 관계없이 균일한 품질로 장기간동안 측정할 수 있게 해준다. 내년에 발사예정인 정지궤도환경위성은 높은 시공간해상도로 하루에 1,120 만 개의 측정자료를, 1년이면 44억 개 이상의 측정자료를 제공해, 방대한 자료의 신속하고 정확한 처리를 필요로 한다.

 

대기오염의 문제는 산업화와 도시화 등으로 인해 시공간적 규모가 급격히 확대되어 오면서 지역을 넘어 전 지구적인 문제로 떠오르고 있다. 이는 대중보건에 영향을 끼치는 것은 물론 기후까지도 변화시키고 있다. 세계보건기구에 따르면 고혈압과 흡연이 각각 1, 2위로 꼽히는 인간의 건강위협인자에서 실내 및 실외 대기오염은 각각 4위와 9위를 차지하고 있다. 통신기술의 발달과 더불어 이러한 위성자료들은 바로 처리되어 개인들의 휴대폰 단말기에 전송되며, 개인별 건강질환 정보에 따라 해당 대기오염인자의 농도가 높은 지역으로 이동시 바로 위험경고까지도 보낼 수 있게 될 전망이다. 

 

                                   

 

 

 

vol. 617
웹진 PDF 다운로드

연세소식 신청방법

이름과 이메일 주소를 news@yonsei.ac.kr로 보내주세요