Behavior of the estimated water content of PM2.5 collected at Seoul and Gosan, Korea

Abstract

기체/입자 평형 모델 SCAPE2를 이용해 서울과 고산에서 채취한 대기 중 미세입자 (PM2.5) 의 수분함량 특성을 살펴보았다. 측정자료를 계절별로 나눠 상대습도에 따른 수분함량 특성을 살펴본 결과, 서울과 고산에서 입자의 수분함량에 주된 영향을 미치는 무기이온의 종류가 다르게 나타났다. 서울의 경우 암모늄과 질산염 화합물, 고산의 경우에는 황산염 화합물이 입자의 수분함량을 결정하는 주된 요인이었다. 다음으로, 미세입자의 무기이온 성분 중 가장 빠른 시일 내에 현저하게 줄어들 것으로 기대되는 토양성분 (Ca2+, Mg2+, K+) 의 영향을 살펴보았다. 온도와 습도, 다른 무기이온의 농도는 같은 조건에서, 토양성분의 농도를 유지한 모델결과와 토양성분의 농도를 제거한 모델결과를 비교하여 토양성분이 입자의 수분함량에 미치는 영향을 검토하였다. 토양성분을 모델링에서 제거하면 대부분의 경우에 입자의 수분함량은 증가하거나 감소하는 변화를 보였고, 전체 샘플 중 약 15% 만이 토양성분을 제거해도 입자의 수분함량이 변하지 않았다. 입자의 수분함량이 증가하는 주된 이유는 서울과 고산이 서로 다르게 나타났다. 서울의 경우 토양성분이 제거되면서 증가한 황산염과 질산염이 기체상의 암모니아와 결합하여, 토양성분화합물 보다 흡습성이 좋은 황산염과 질산염화합물이 입자 중에서 차지하는 비율이 증가한 것이 주요인이었고, 고산의 경우는 질산염이 아닌 황산염화합물의 증가만이 입자의 수분함량 증가에 기여하였다. 수분의 함량이 감소한 경우에는 두 가지 원인이 있었다. 첫째는 입자를 구성하는 단일염의 종류가 줄어들면서 입자의 조해점이 높아져, 같은 상대습도에서 수분을 포함하던 입자가 수분을 포함하지 않는 고체상으로 변화하는 것이고, 둘째는 입자의 형성이 감소하여 입자가 수분을 함유할 수 있는 잠재력이 줄어든 것이다. 입자의 수분함량이 변화하지 않은 경우는 입자 중에 토양성분의 비율이 너무 낮아 토양성분 제거의 영향이 나타나지 않았거나, 측정시점의 상대습도가 너무 낮아 입자가 조해점에 도달하지 못한 경우였다. 따라서, 토양성분이 줄어들더라도 서울에서의 높은 질산염과 암모니아의 농도, 고산에서의 높은 황산염의 농도가 입자의 수분함량을 증가시키는 데 기여할 수 있는 것으로 나타났다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 서울과 같이 도시지역이며, 고산과 같이 바다 가까이에 위치한 일본의 수도 도쿄의 휘발성 무기이온 조성을 살펴보았다. 도쿄는 서울이나 고산과 달리 입자 중 염산염이 차지하는 비율이 질산염과 황산염에 대등하게 나타났다. 고산보다 낮은 황산염은 서쪽의 아시아 대륙으로부터 이동하는 장거리 오염물질의 영향을 덜 받은 것으로 생각되며, 질산염의 비율 또한 낮게 나타났다. 반면 염삼염이 차지하는 비율이 많은 것은 인접한 바다의 해염입자 영향으로 생각되지만, 분석된 이온의 종류가 다르고, 측정된 입자 또한 PM2.5가 아닌 PM1 이므로 비교연구에 어려움이 있다. 입자의 질량농도를 저감하기 위한 방법의 일환으로 입자의 수분함량을 줄이기 위해서는 암모니아와 황산, 질산의 농도 저감이 필요한 것을 알 수 있었다. 서울과 고산에서 관측된 고농도의 암모니아는 지역적인 원인보다는 동북아시아 지역 전반에 걸쳐 나타나는 현상이므로, 서울에서의 고농도 질산염과 고산에서의 고농도 황산염을 줄일 수 있는 방안이 연구되어야 할 것이다. 고농도 질산염의 주요 원인인 자동차 배출은 지속적인 기술 개발로 인해 자동차 한 대당 배출량이 많이 저감되었으나, 그만큼 자동차 대수가 증가하여 그 효과가 상쇄되므로 기술개발과 함께 정책적인 방안이 마련되어야 할 것이다. 고산에서의 고농도 황산염은 장거리 이동에 기인하므로 서쪽에 위치한 아시아 대륙으로부터의 이동 량이 줄어야 하지만 외교적인 문제와 밀접한 관계가 있는 사안이니만큼 그 대책마련은 쉽지 않은 실정이다. 좀 더 정량적이고 보편적인 계산을 위해서는 장기간에 걸쳐 여러 지역에서 같은 기간에 측정한 자료가 있다면 도움이 될 것이다. 또한 도쿄의 경우와 같이 시간 해상도가 좋은 측정방법을 적용한다면 보다 정확한 계산이 가능할 것이다.;Water absorption behavior of PM2.5 collected at Seoul and Gosan, Republic of Korea is investigated by using a gas/aerosol equilibrium model SCAPE2 (Simulating Composition of Atmospheric Particles at Equilibrium 2) [Kim and Seinfeld, 1995; Kim et al., 1993b; Meng et al., 1998]. The measurement data show the higher average concentrations of all inorganic species by up to a factor of 5 in equivalent concentration especially for volatile species such as total ammonia (t-NH3 = NH3+ NH4+), total nitric acid (t-HNO3 = HNO3+ NO3-) and total sulfuric acid (t-H2SO4 = H2SO4 + SO42-), at Seoul than at Gosan. Even though both sites have sufficient equivalent fractions of t-NH3 to neutralize acidic species such as t-H2SO4, t-HNO3 and t-HCl (total hydrochloric acid = HCl + Cl-), Seoul has higher fractions of t-NH3 and t-HNO3 while Gosan has higher fraction of t-H2SO4. Based on the modeling result, it is identified that the PM2.5 at Seoul is more hygroscopic than Gosan if the relative humidity is the same. Such characteristic is determined by the aerosol components, i.e., high NO3- and NH4+ at Seoul and SO42- at Gosan. In addition, the effect of the exclusion of crustal ions (Ca2+, Mg2+, and K+) in estimating water content of PM2.5 is explored since considerable crustal ions concentration reduction is expected in the Northeast Asia. By comparing the modeling result excluding crustal ions with the results including crustal ions, all the samples are classified into 3 cases, increased, decreased, and constant water content. Inorganic composition changing with the same aqueous phase is the reason of increased water content. However, the changing inorganic species composition shows different patterns between two sites. Aerosol phase shift from the aqueous to solid phase is the main reason of the decreased water content and binary salt composition change with the same solid phase is the main reason of no change of water content. With expected reduction of crustal ions, still nitrate and ammonium at Seoul and sulfate at Gosan attribute the most to the water uptake behavior of PM2.5.