서울과 고산 대기에서의 다환방향족 탄화수소 (PAHs)의 주요배출원 및 이동 특성

Abstract

본 연구에서는 우리나라 대표적 도심지역인 서울과 배경농도지역인 고산의 대기에서 다환방향족탄화수소(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs)의 계절별 농도 변화 특성을 조사하였다. 고산 대기에서 2001년 11월부터 2004년 1월까지 측정한 결과, PAHs 농도 수준은 동북아시아 지역 및 세계 여러 배경농도 지역보다 10배 이상 높았다. 동북아시아 지역의 대표적 도심지역들과 비교했을때는 고산의 PAHs 농도 수준은 1/10배 낮았다. 고산에서의 입자상 PAHs는 추운 기간(10월~3월)에 농도가 높았고, 이는 동북아시아 지역에서의 계절별 화석연료 사용량 변화와 경향이 비슷했다. 또한, PAHs농도가 높았던 추운기간동안, 대기 체류시간 지표로 사용하는 BeP/BaP 비가 함께 높았다. 공기의 이동경로와 PAHs농도간의 관계를 분석한 결과, 중국으로부터 공기가 유입될 때, 고산 대기의 입자상 PAHs농도가 높았다. 따라서, 고산 대기에서의 입자상 PAHs농도가 추운기간동안 증가하는 주된 이유는 그 기간동안 중국의 석탄 사용 증가에 따른 PAHs의 장거리 이동에 의한 영향으로 판단되었다. 서울 대기에서의 입자상 PAHs농도는 2002년 8월부터 2003년 12월까지 측정하였다. 서울의 입자상 PAHs농도는 아시아 지역의 여러 도심지역보다 낮은 수준이였다. 서울에서의 입자상 PAHs농도도 고산에서와 동일하게 10월부터 3월까지 증가했다. 서울 대기에서의 입자상 PAHs 농도가 높아지는 주된 이유는 겨울철 기온 하강에 의한 PAHs의 입자상으로의 상변화와 화석연료의 사용량 증가때문이였다. 서울 대기에서 2003년 6월과 12월에 PAHs의 입경분포와 건식침적량을 측정하였다. 서울대기에서의 PAHs의 입경분포는 여름과 겨울에 각각 다른 분포를 가졌다. 우선, 여름에는 PAHs의 입경분포가 bimodal형태를 보인 반면, 겨울에는 unimodal형태를 가졌다. 또한, 겨울의 미세입자영역에서 PAH 성분들의 농도피크가 여름보다 큰 입자영역에서 보였다. 이는 PAHs의 대기 중 체류시간이 겨울에 상대적으로 길어져서 입자가 성장했기 때문으로 여겨진다. 서울 대기에서 측정한 평균 건식침적량은 여름에는 7.2±1.8 g m-2 day-1, 겨울에는 17±4.0 g m-2 day-1이였다. 본 연구결과는 기존 서울에서 측정한 건식침적량값들과 유사했다. 측정한 건식침적량과 대기 중 농도를 통해 계산한 PAHs의 대표 건식침적속도는 0.70±0.50 cm s-1이였다. 화학물질수지 (Chemical Mass Balance, CMB) 수용모델을 적용하여 서울 대기에서의 PAHs농도에 대한 주요 배출원들의 정량적 기여도를 계산하였다. PAHs농도는 2002년 8월부터 2003년 12월까지 측정한 자료를 이용하였다. CMB 모델링 결과, 자동차 배출이 대기 PAHs농도에 가장 영향이 컸다(전체 PAHs농도의 31%를 설명). PAHs 배출원들의 기여도는 계절별 차이를 보였다. 대기 중 PAHs농도가 높은 가을과 겨울에는 생물체연소(biomass burning), 석탄을 사용한 가정난방(coal residential), 코크스 오븐(coke oven)에서의 배출기여도가 컸다. 가을에는 이들에 의한 배출기여도가 총 PAHs농도의 63%를, 겨울에는 82%를 설명했다. 서울에서의 화석연료사용 소비형태를 통해 서울에서 coal residential에서의 배출의 영향은 없을 것으로 판단하였다. 뿐만 아니라, 서울자체에서의 biomass burning 및 coke oven에서의 PAHs 배출도 작을 것으로 제시하였다. 따라서, 가을과 겨울에 이러한 배출원들의 기여도가 큰 것은 서울외부지역으로부터 배출된 PAHs들이 장거리 이동했기 때문으로 결론지었다. 특히, 석탄 사용량과 생물체 연소량이 많은 중국에서의 배출이 가을과 겨울의 서울 대기의 PAHs 농도에 영향을 준 것으로 나타났다. 본 연구에서는 고산뿐만 아니라 서울처럼 오염물질의 자체 배출이 큰 도심지역일지라도 외부로부터의 장거리 이동 영향을 받을 수 있다는 중요성을 제시하였다. 따라서, 서울에서 PAHs와 같은 유해물질들을 관리, 저감하기 위해서는 서울 자체의 배출규제도 중요하지만, 외부에서 유입되는 영향도 고려해야 한다.;Temporal trend of particulate PAHs level was observed at Gosan and Seoul from November 2001 to January 2004 and from August 2002 to December 2003, respectively. The PAHs level at Gosan was one or two order higher than those at other remote sites and one or two order lower than those at urban areas in Northeast Asia. The particulate PAHs concentrations were high during cold period mainly due to the seasonal variation of fossil fuel usage amount in Northeast Asia. When the PAHs levels were high, the ratios of BeP/BaP which is an indicator of particle residence time in the air were also high. Based on the backward trajectory and upper wind direction analyses, it was observed that when air parcels were from China the PAHs levels were high. Also, the compositions of PAH compounds ratios were similar with those at Beijing in winter. These indicate influence of emissions from China, especially, from coal combustion and long-range transport. The level of particulate PAHs concentration at Seoul was generally low compared to the particulate PAHs concentrations at the several urban areas in Asia. The particulate PAHs concentrations at Seoul also increased from November to March with the peaks in January and decreased from April to October. The higher concentrations of particulate PAHs at Seoul in winter were due to the preferential particle partitioning of PAHs and the increase of fossil fuel usage for heating. The size distributions of particulate PAHs were observed at Seoul in June and December 2003. The size distributions of individual PAH compounds were bimodal in summer, however, unimodal or weakly bimodal in winter. The concentration peak (0.65-1.1 ㎛ range) for all PAH compounds in fine mode in winter were larger compared to that (0.43-0.65 ㎛ range) in summer. It might be due to particle growth of aged PAHs caused by longer residence time in the atmosphere. The average dry deposition fluxes of particulate PAHs measured at Seoul were 7.2±1.8 ㎍ m-2 day-1 in summer and 17±4.0 ㎍ m-2 day-1 in winter, respectively. The dry deposition fluxes measured in this study were comparable to those of the previous studies measured at Seoul (5.5 - 17 μg m-2 day-1). The overall average dry deposition velocities for total PAHs were 0.70±0.50 cm s-1. Major sources of the ambient particulate PAHs at Seoul were identified and quantified based on the measurement data between August 2002 and December 2003. The chemical mass balance (CMB) model was applied. The major source of particulate PAHs at Seoul on an annual basis was gasoline and diesel vehicles, accounted for 31% of the measured particulate PAHs levels. The source contributions showed distinct seasonal variations. High contributions of biomass burning, coal residential, and coke oven were shown in fall and winter accounted for 63% and 82% of the total PAHs concentration, respectively. Since these sources were not strong in and around Seoul, these might be related to transport from outside of Seoul, from China and/or North Korea. It implies that the air quality in the large urban city such as Seoul can be influenced by the long range transport of air pollutants such as PAHs emitted from the outside of the urban area.