Chemical Compositions of PM_(1.0) and PM_(2.5) at Urban and Background Areas in Korea

Abstract

To understand the characteristics of particulate matter with an aerodynamic diameter less than or equal to 1.0 µm (PM_(1.0)) within particulate matter with an aerodynamic diameter less than or equal to 2.5 µm (PM_(2.5)) and the differences in PM characteristics between urban and background sites in Korea, seasonal intensive measurements of PM_(1.0) and PM_(2.5) were conducted. Samples were collected using a single channel particulate sampler equipped with PM_(1.0) and PM_(2.5) cyclone. The sampling was carried out at two Air Pollution Research Centers, one located at Seoul (urban site) and the other is located at Baengnyeong (background site) the northwestern part of Korea. In this study, the ionic components (Cl^(-), NO_(3)^(-), SO_(4)^(2-), Na^(+), NH_(4)^(+), K^(+), Ca^(2+) and Mg^(2+)), carbonaceous components (organic carbon (OC) and elemental carbon (EC)) and elemental components (As, Cd, Cu, Zn, Pb, Cr, Mn, Fe, Ni, V, Se and Al) were analyzed. Cluster analysis was carried out to understand changes in PM_(1.0) and PM_(2.5) chemical compositions according to air trajectory movement. The annual average PM_(1.0) and PM_(2.5) concentrations in Seoul (SL) are 16.9±9.3 µg/m^(3) and 21.1±11.9 µg/m^(3), respectively. The annual average PM_(1.0) concentration in SL exceeded the average PM_(2.5) annual standard of 15 µg/m^(3). In Baengnyeong (BN), the annual average concentration of PM_(1.0) was 11.0±9.7 µg/m^(3), and PM_(2.5) was 14.3±12.6 µg/m^(3), which was approximately 65% that of SL. The ratio of PM_(1.0) in PM_(2.5) is about 80%, and r^(2) between PM_(1.0) and PM_(2.5) is higher than 0.95 in both sites. The chemical composition of PM_(2.5) is mainly determined by PM_(1.0). The major component of PM_(1.0) and PM_(2.5) were OC in both sites, followed by SO_(4)^(2-), NO_(3)^(-), NH_(4)^(+) and EC. PM_(1.0-2.5) showed a high portion of NO_(3)^(-) (17.5% in SL and 19.6% in BN) and seasonal differences of chemical composition by PM size, and NO_(2) showed a similar pattern with NO_(3)^(-), while SO_(2) showed no correlation with the gaseous species and secondary inorganic ions over the entire season. SOR and NOR generally increase with relative humidity, and it could be expected that heterogeneous reactions in aqueous phase might be important for the secondary ions formation. In the cluster analysis, distinct changes in the chemical composition of PM_(1.0) and PM_(2.5) were observed by air parcel trajectories. When the air parcels originated from Mongolia, OC was most dominant in PM, especially in PM_(1.0) (52.4%) of SL. While the proportion of NO_(3)^(-) in PM_(1.0-2.5) increased to 30.1% in the backward trajectories of northwestern China for the entire period. From this study, we can conclude that PM_(2.5) in Seoul and Baengnyeong is mostly determined by PM_(1.0), but PM_(1.0) in Baengnyeong, the background area, is likely to have been affected differently by PM_(1.0-2.5).;PM_(2.5) 내의 PM_(1.0)의 특성과 도심지역과 배경지역의 차이에 대해 파악하기 위하여 2020년 5월부터 2021년 1월까지 계절별로 PM_(1.0)과 PM_(2.5) 시료채취를 하였다. 시료는 PM_(1.0)과 PM_(2.5) 사이클론을 장착한 단일채널의 입자 채취기를 이용하여 채취하였다. 집중측정은 우리나라의 도심지역인 서울에 불광동에 위치한 대기환경연구소에서 진행하였다. 또한 최서북단에 위치한 백령도의 대기환경연구소에서도 동일한 시간에 함께 시료채취를 진행하였다. 분석한 화학조성은 3종의 음이온(Cl^(-), NO_(3)^(-), SO_(4)^(2-))과 5종의 양이온(Na^(+), NH_(4)^(+), K^(+), Ca^(2+), Mg^(2+)), 탄소성분(OC와 EC)과 10종의 원소성분(As, Cd, Fe, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, Al, Pb)이다. 두 지역에서의 에어로졸의 특성을 파악하기 위하여 이차 무기이온을 생성하는 데에 중요한 기체 전구물질과 기상요인을 분석하였다. 이와 더불어 궤적 분석을 통해 공기괴의 이동에 따른 PM의 화학조성 변화에 대해 알아보고자 하였다. 서울의 연평균 PM_(1.0) 농도는 16.9±9.3 µg/m^(3), PM_(2.5) 농도는 21.1±11.9 µg/m^(3)이는 우리나라 PM_(2.5) 연평균 기준인 15 µg/m^(3)을 초과하는 수치이다. 백령도의 연평균 PM_(1.0) 농도는 11.0±9.7 µg/m^(3), PM_(2.5) 농도는 14.3±12.6 µg/m^(3)로 서울보다 낮게 나타났다. PM_(2.5) 내 PM_(1.0)의 비율은 약 80%며 PM_(1.0)과 PM_(2.5)는 r^(2)은 0.95 이상으로 두 지역 모두 PM_(2.5)는 주로 PM_(1.0)에 의하여 결정되며 PM_(1.0)과 PM_(2.5)의 화학조성은 OC> SO_(4)^(2-)> NO_(3)^(-)> NH_(4)^(+)> EC 로 서울과 백령도에서 같았다. 하지만 서울과 백령의 PM_(1.0-2.5)에서 NO3-가 각각 17.5%, 19.6%로 높게 나타났고 계절마다 입경에 따른 차이가 존재함을 보였다. 기체전구물질과 이차무기이온을 분석했을 때, SO_(4)^(2-)형성에 있어 SO_(2)의 변화보다 NO_(3)^(-)에 있어서 NO_(2)의 변화가 더 영향을 주는 것을 알 수 있었다. 더불어 상대습도에 따라 SOR과 NOR은 대체적으로 증가하며 이차무기이온 생성에 있어 비균질 반응이 중요할 것으로 해석된다. 군집 분석을 진행한 결과 크게 세 종류로 나타났으며 공기괴 이동에 따른 화학조성에 변화가 있는 것을 확인하였다. 중국 동북부와 몽골의 영향을 받은 경우 계절에 관계없이 서울과 백령도에서 유사한 경향이 나타났으나 우리나라 서해상의 영향을 받았을 때는 궤적에 의한 영향보다 계절의 영향을 더 받는 것으로 나타났다. 이를 통해 서울과 백령도의 PM_(2.5)는 PM_(1.0)에 의해 대부분 결정되지만 배경지역인 백령도는 서울에 비하여 PM_(1.0-2.5)에서 PM_(1.0)과 다른 영향을 받았을 가능성이 있다.