[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

미세먼지(PM2.5)는 농도뿐 아니라 성분 조성에 따라 광학적 특성과 대기·기후 영향이 달라진다. 블랙카본(BC)은 태양복사를 강하게 흡수해 대기 온난화를 유발하는 반면, 황산염·질산염과 같은 비흡수성 성분은 빛을 산란시켜 냉각 효과를 가져온다. 따라서 미세먼지의 성분별 특성을 정량적으로 이해하는 것은 대기질 예보, 복사 강제력 평가, 보건 영향 추정에 모두 중요하다. 그러나 기존의 연구는 주로 모델링에 의존했으며, 장기간에 걸친 여러 지역의 관측 자료를 활용한 성분–광학 특성 간의 정량적 연결 연구는 제한적이었다.

2.연구내용

이 연구는 SPARTAN(Surface Particulate Matter Network)의 화학 성분 자료와 AERONET(Aerosol Robotic Network)의 원격감시 자료를 이용해 2016~2023년의 전 세계 14개 지점을 대상으로 분석을 수행했다. 이 과정에서 SPARTAN의 PM2.5 화학 성분(황산암모늄, 질산암모늄, 미세토양, 블랙카본)과 AERONET의 다중 파장 기반(440, 675, 870, 1020 nm)의 광학 특성(SSA, FMF, AOD 등)을 시·공간적으로 일치시켜 비교하였다.

주요 결과로는, 블랙카본과 미세토양의 상대적 농도 차이가 FMF 및 dSSA(SSA440–SSA870)에 뚜렷한 변화를 일으킨 것을 정량적으로 확인하였으며 (미세토양 증가시 FMF의 감소와 dSSABC–FS 의 0.005/μg·m-³감소), 미세입자끼리의 상관성 측면에서, 광흡수 성분(블랙카본) 대비 광산란 성분(황산염+질산염)의 비율이 높을수록 SSA가 증가했다. 특히 장파장(870, 1020 nm)에서 상관성이 더 강했다. 미세먼지의 화학성분 구성비 추정 과정에서 다파장 SSA를 통해 성분–광학 관계를 효과적으로 드러내 활용 가능성을 보여주었다.

해당 결과를 통해 전세계적인 지역별 특징도 도출하였다. 서울은 비흡수성 성분 비율이 높아 dSSAw와 rSSA (SSA440/SSA1020)가 낮게 나타났으며, 이는 동아시아의 높은 황산염·질산염 배출 특성과 일치한다. 멕시코는 상대적으로 황산염 농도가 낮고 BC 비율이 높아, dSSAw와 rSSA가 다른 지역보다 높게 나타났다. 이러한 지역별 성분비 차이는 SSA의 파장 의존성을 충분히 달리 나타내며, 관측 기반으로 성분–광학 연속성을 확인할 수 있었다.

3.기대효과

이번 연구는 미세먼지 성분–광학 관계를 정량적으로 규명함으로써 다양한 분야에 참고할 수 있는 기초를 마련했다. 성분 조성에 따른 독성 차이를 광학 지표(dSSA, rSSA 등)로 간접 추정할 수 있는 가능성을 보여주어 향후 보건 환경 영향 연구에 관측 결과만을 활용하는 연구를 기대할 수 있으며, 성분 변화가 광학적 거동을 연속적으로 바꾼다는 근거를 제시해 대기질 예보와 기후모델 개선에도 기여할 수 있다. 또한, 기존의 이산적 유형 분류 방식에서 벗어나 성분비에 따른 연속적 광학 특성을 반영할 수 있음을 확인함으로써, 위성 관측을 통해서도 이러한 정보를 얻을 수 있는 가능성을 확인하였다.

[붙임] 용어설명

1.PM2.5 (초미세먼지)

지름이 2.5 마이크로미터 이하인 작은 먼지 입자. 흔히 이야기 하는 미세먼지를 말하며, 에어로졸이라고도 칭한다.

2.FMF (Fine Mode Fraction, 미세입자분율)

전체 미세먼지 중 크기가 작은 미세먼지의 비율.

3.SSA (Single Scattering Albedo, 단일 산란 알베도)

소광되는 빛 중 미세먼지의 단일 반사에 의해 산란되어 소광되는 빛의 비율 (range 0-1). 즉, 값의 크기가 클수록 산란을 많이 한다는 뜻이며, 일반적으로 한국에서는 0.95가량의 SSA가 관측되나 블랙카본등의 오염이 많은 지역은 0.8 이하의 값을 보이기도 함. 따라서 입자가 빛을 반사(산란)하는 정도와 흡수하는 정도를 구분해 주는 값으로 이해할 수 있음.

4.AOD (Aerosol Optical Depth, 에어로졸 광학 두께)

대기 중 미세먼지에 의해 태양 빛이 얼마나 차단되는지를 정량화한 값. 기본적으로 AOD가 높을 경우 오염이 많다는 것을 의미한다. 다만, 이는 지표부터 태양 사이의 거리 내에 측정된 값이기 때문에 지표 측정 기반인 PM과 다른 개념이다.

5.dSSA, rSSA

파장별로 다른 단일 산란 알베도 값을 사용해 파장 간 차이와 파장 간의 비율을 구함. 빛 산란 특성의 차이를 파악하는데 사용되는 지표.

6.SPARTAN / AERONET

SPARTAN은 전 세계 여러 도시에 설치된 장치를 통해 공기를 빨아들여 필터에 모은 뒤, 그 안에 포함된 미세먼지를 화학적으로 분석해 성분별 질량 자료를 분석 및 기록한 국제 관측 자료 모음이다.

AERONET은 각 지점에 설치된 태양 관측 장비(태양광 포토미터)로, 햇빛이 대기를 통과하면서 미세먼지에 의해 얼마나 약해지고 산란·흡수되는지를 측정한 결과를 수집하는 광학 자료 데이터베이스다.

[붙임] 그림설명

그림1. 초미세먼지의 화학성분 비율과 산란 특성 변화 개요

초미세먼지 유형의 특성에 따라 흡수형(그을음, 미세토양)와 비흡수형(질산염, 황산염)으로 구분함. 특히 미세입자에서의 블랙카본과 비흡수요소 두 구성(질산염, 황산염) 성분의 비율이 미세먼지의 산란 특성과 일관성있게 변화하는 모습을 도식화함.

그림2. 전 세계 도시별 미세먼지 성분과 장·단파장 산란 특성

전 세계 여러 도시에서 관측한 미세먼지의 광학 특성(SSA, 단일산란알베도)과 성분 조성을 함께 보여준다. (a)는 파장이 짧은 빛(440nm)과 긴 빛(870nm)에서의 산란 차이(dSSAw), (b)는 440nm와 1020nm에서의 산란 비율(rSSA), (c)와 (d)는 각각 440nm와 870nm에서의 SSA 값을 나타낸 것이다.

서울과 멕시코시티를 비교했을 때, 장파장 영역(870–1020 nm)에서 산란과 흡수 비율의 차이가 특히 뚜렷하게 나타났다. 서울은 빛을 주로 산란시키는 반사형 입자가 많아 SSA가 높게 유지된 반면, 멕시코시티는 블랙카본 등 흡수성 입자의 영향으로 SSA가 낮게 나타났다.

각 원형 그래프 안에는 해당 도시의 평균 미세먼지(PM2.5) 농도가 표시돼 있으며, 원의 색깔은 주요 성분(황산염, 질산염, 블랙카본)의 비율을 보여준다. 여기에는 해염, 미량 원소, 잔여 성분도 포함돼 있지만, 비교를 위해 5 μg/m³ 이상인 토양 성분(FS)은 제외하고, 주로 미세 입자(PM2.5)에 해당하는 부분만 분석했다.