북극해 초미세먼지 생성 원리 규명

   - 바다 속 생물학적 활동 많을수록 나노입자 생성 활발하고 휘발 성분 많아

   - 「아라온」호 활용 연구…‘초미세먼지 피해저감 사업단’ 논문 발표

 

 

(그림 1) 북극해(왼쪽)와 태평양에서 각각 관찰한 초미세먼지 흡습성과 혼합 상태 특성을 보여주는 그래프. (HGF는 상대습도 증가에 따른 입자의 성장률로 입자의 흡습성을 나타내는 대표적 지수임. 북극해(왼쪽)에는 HGF가 다양하게 분포되어 있어 흡습성을 가진 다양한 성분이 포함되어 있다는 것을 암시)

 

 

□ GIST(광주과학기술원)의 <초미세먼지 피해저감 사업단>과 극지연구소 북극환경‧자원연구센터 연구진이 한국 최초의 쇄빙 연구선 「아라온」호를 타고 북극해~태평양~동북아시아 근해~한반도 동해에 이르는 지역의 초미세먼지*를 실시간 관측해 해상(海上)에서 초미세먼지가 생성되는 메커니즘을 규명했다.

 

  * 초미세먼지: 공기 중에 떠다니는 입자 2.5 마이크로미터 미만의 에어로졸. 구름 형성에 영향을 주며, 에어로졸이 지구에 도달하는 태양복사의 열평형에 미치는 역할을 이해하는 데 가장 기본적인 요소이다.

 

  ∘ 연구팀은 국내 기술로 개발한 초미세먼지 실시간 진단 기술을 활용해 접근성이 어려운 극지(極地)에서부터 한반도 동해까지 광범위한 지역에서 초미세먼지 실시간 관측을 시도했고, 초미세먼지의 다양한 물리화학적 특성을 포괄적으로 분석‧비교했다.

 

 

※ 「아라온」호를 이용한 초미세먼지 연구 • 항해 기간 : 2013년 9월 7일 ~ 2013년 10월 13일 • 항해 거리 : 약 12,000㎞ • 항해 지역 : 북극해, 태평양, 동북아시아 근해, 한반도 동해 • 측정 장비 : 초미세먼지 크기·수농도·흡습성·휘발성·블랙카본 실시간 측정시스템 • 참여 기관: 초미세먼지 피해저감 사업단, 극지연구소 북극환경‧자원연구센터

 

 

(그림 2) 2013년 9월 7일부터 10월 13일까지 아라온 호가 북극해(왼쪽)와 태평양~일본 오초츠크해~한반도 동해(오른쪽)에서 항해한 항로. 북극해의 경우, 미국 알래스카 동북쪽의 보퍼트 해(Beaufort Sea)와 추크치 해(Chukchi Sea)에서 연구를 진행했다. (총 항해 거리 약 12,000㎞)

 

 

□ 기후변화를 예측하기 위해서는 광범위한 지역에서 자연 발생하는 초미세먼지의 생성 메커니즘과 물리화학적 특성을 규명하는 것이 매우 중요하다. 특히 바다 위 초미세먼지는 지구의 기후변화에 큰 영향을 미치는 요소로서, 그 생성 원리를 이해하기 위한 연구가 진행되고 있다.

 

  ∘ 특히 중국 등에서 발생해 한반도와 일본에 도달하는 인위적 초미세먼지*는 시민 건강과 경제적 손실에 대한 우려를 키우고 있는 가운데, 동북아시아 지역의 초미세먼지 발생원과 이동 특성을 정확히 파악하기 위한 연구의 중요성이 점차 커지고 있다.

 

  * 인위적 초미세먼지: 자연활동이 아닌 인간의 활동에 의해서 만들어진 초미세먼지를 지칭함 (자동차 연소 입자, 공장배출 입자, 난방연소 입자 등)

 

□ 연구팀은 2013년 9월부터 아라온을 이용해 북극해~태평양~일본 오호츠크해~한반도 동해에 이르는 지역을 항해하며 초미세먼지의 물리화학적 특성을 비교분석했으며, 그 결과 북극해에서는 바다 속 생물학적 활동(엽록소a* 농도)이 해양 초미세먼지 생성에 중요한 역할을 하고 있다는 것을 세계 최초로 밝혀냈다.

 

  * 엽록소a: 식물이 광합성을 하는데 빛을 흡수하는 색소. 수계 환경 내의 식물 플랑크톤 세포에 가장 많이 분포하며, 농도가 높을수록 바다 속 생물학적 활동이 활발하다.

 

  ∘ 북극해와 태평양에서 각각 관찰된 초미세먼지 특성을 비교한 결과, 엽록소a의 농도가 높아 생물학적 활동이 더 활발한 북극해의 초미세먼지에서 나노입자 생성 이벤트*가 훨씬 많이 관찰되었고, 보다 많은 휘발 성분*이 혼합되어 있었다. 이를 통해 바다에서 자연 발생한 생물학적 유기 성분이 초미세먼지 생성에 중요한 역할을 하고 있다는 것을 밝혀냈다.

 

  * 나노입자 생성 이벤트: 100nm(나노미터)보다 작은 나노 입자의 수농도가 수 시간 동안 지속적으로 고농도를 유지하는 경우

  * 휘발 성분: 온도를 가열하면 쉽게 날아갈 수 있는 화학적 성분으로, 보통 유기탄소성분이 휘발성이 크다. 휘발 성분을 많다는 것은 잘 휘발하지 않는 무기성분보다 유기 성분이 많다는 것을 의미한다.

 

 

(그림4) 생물학적 기원으로 예측되는 초미세먼지 사진(왼쪽)과 초미세먼지 내 화학적 원소 분포를 나타내는 그래프 (북극해에서 샘플링한 입자 사진)

 

 

□ 연구팀은 또 일본열도 동쪽 오호츠크해와 한반도 동해에서 육지와 가까워질수록 초미세먼지 질량 농도가 급격히 증가하는 것을 관찰하였으며, 특히 인위적 초미세먼지인 블랙카본의 농도가 최대 1000 ng/㎥까지 급증하는 것을 확인했다. (북극해의 경우 평균 20 ng/㎥)

 

  ∘ 또 북극해에서는 자연의 영향에 의해 나노 입자의 수농도가 증가하고 초미세먼지의 질량 농도는 매우 낮게 나타났지만, 동북아시아 근해에서는 인간 활동이 초미세먼지 질량 농도를 증가시키는 것을 확인했다.

 

□ GIST 박기홍 교수는 “이번 연구는 GIST의 초미세먼지 실시간 진단기술과 극지연구소의 북극해 탐험 인프라가 성공적으로 융합해 접근성이 낮은 바다 위에서 초미세먼지 생성 원리를 규명한 연구”라며 “향후 한반도와 중국 및 극지 환경에서 발생하는 초미세먼지의 기후변화 영향과 건강 유해성 파악 등에 크게 도움을 줄 것으로 기대된다”고 말했다.

 

 

               

 

GIST가 개발한 초미세먼지 실시간 진단 시스템(왼쪽)과 박기홍 교수

 

 

 

□ GIST <초미세먼지 피해저감 사업단>의 박기홍 교수(환경공학부)와 한국해양과학기술원 부설 극지연구소의 북극환경․자원연구센터 윤영준 박사가 주도한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 극지기초원천기술개발사업과 사회문제 해결형 기술개발사업(초미세먼지 피해저감 사업단)의 지원을 받아 수행되었다.

 

  ∘ 이번 성과는 환경 분야 최상위 저널인 환경과학기술(Environmental Science and Technology) 10월 2일자 온라인판에 게재되었다. (논문명: Comparison of hygroscopicity, volatility, and mixing state of submicrometer particles between cruises over the Arctic Ocean and the Pacific Ocean)      <끝>

 

 

 

대외협력팀