서울과 고산의 미세입자 흡습성이 질량 농도와 광학 특성에 미치는 영향

Abstract

대기 중 미세입자는 조대 입자에 비해 인체 위해도가 크며, 빛 산란 효율이 더 커서 시정을 효과적으로 감소시킨다. 최근에는 입자의 빛 소산에 의한 복사 강제 영향이 보고되고 있다. 입자의 수분함량은 입자 질량 농도를 변화시킬 뿐만 아니라 빛 산란 효과에도 큰 영향을 미치기 때문에 수분함량을 결정하는 주요 변수를 이해하는 것은 미세입자 농도를 효과적으로 줄이고 대기오염현상을 완화하는 데 중요하다. 입자의 수분함량은 입자의 황산염, 질산염, 암모늄염과 같은 흡습성 물질과 대기의 상대습도에 의해 결정된다. 그렇지만 수분의 휘발성과 여러 물질의 다양한 고체/액체 변환 메커니즘은 직접적인 수분함량 측정을 어렵게 만든다. 따라서 본 연구에서는 서울과 고산에서 측정한 미세입자와 기체상 이온 농도 결과에 기체/입자 평형 모델을 적용하여 상대습도에 따른 입자의 수분 흡수 특징과, 대기 중 흡습성 이온 성분 농도가 변할 때 입자상 이온 농도와 수분함량 변화를 살펴보았다. 이에 따른 입자의 광학 특성 변화도 살펴보았다. 이온 성분 변화는 황산, 질산, 암모니아를 각각 측정 농도의 50%, 100%(기준값), 150%, 200%로 변화시켰다. 서울 대기 입자는 낮은 상대습도에서 입자 내에 고체상의 황산염, 질산염, 암모늄염이 출현하였으며 이 고체상들이 액상으로 전환되는 상대습도에서 수분함량이 크게 증가하였다. 황산염은 질산염과 염화염에 비해 낮은 상대습도에서 액상으로 전환되었다. 이온 성분을 변화시켰을 때 입자상 이온 농도는 질산의 변화에 가장 민감했다. 서울 대기에는 질산이 이용 가능한 암모니아가 풍부하기 때문에 황산보다 농도가 높은 질산의 변화는 입자상 이온 농도에 큰 영향을 미쳤다. 그러나 기준이 되는 평균 상대습도에서 황산염은 액상으로 존재하고 나머지 염은 고체상으로 존재하였기 때문에 황산의 변화가 수분 흡수 효과에 미치는 영향이 가장 컸다. 따라서 수분함량을 포함한 총 질량 농도는 황산의 농도 변화에 가장 민감하게 나타났다. 암모니아는 서울 대기에 풍부하게 존재하기 때문에 그 농도가 증가할 경우에는 입자 질량 농도에 큰 영향을 미치지 못하지만 감소할 경우에는 그 영향이 커졌다. 같은 이온 성분 변화에 대한 입자의 빛 산란 효과는 질량 농도에서 보였던 민감도와 유사한 경향을 나타냈다. 고산 대기 입자의 경우 대기 중 황산의 농도가 다른 성분의 농도에 비해 높기 때문에 낮은 상대습도에서 출현한 고체염은 황산염이 대부분을 차지했다. 황산염이 액상으로 전환되는 상대습도에서 수분이 크게 증가하였다. 따라서 이온 성분을 변화시켰을 때 입자상 이온 농도와 수분을 포함한 입자 질량 농도 모두 황산의 변화에 가장 민감하게 나타났다. 평균 상대습도에서 출현한 모든 염이 수분 흡수에 용이한 액상으로 존재함에도 불구하고 질산과 암모니아는 상대적으로 입자상 농도가 낮고 질산이 이용 가능한 암모니아가 풍부하지 않기 때문에 질산과 암모니아가 입자 질량 농도 변화에 미치는 영향은 작았다. 같은 이온 성분 변화가 빛 산란 효과에 미치는 영향도 입자 질량 농도 변화와 유사하게 황산의 변화에 가장 민감하였다. 현재 대기 조건에서 미세입자에 의해 환경에 미치는 부정적인 영향을 줄이기 위해서는 서울과 고산의 경우 모두 황산의 농도를 줄이는 것이 적절함을 알 수 있다.;Hygroscopicity of particles is an important factor that determines particle water content and, thus, particle mass concentration. Since particle mass concentration, especially, that of fine particles is closely related with various air pollution phenomena such as visibility reduction and lung disease, it is critical to understand hygroscopic properties of fine particles. It is known that inorganic ions in a particle and relative humidity affect particle water content. But direct measurement of particle water content is difficult because sampling and analytical techniques are inappropriate for the measurement of water. Thus, in this work, by using a gas/particle equilibrium model, (1) the relationship between relative humidity and particle water content is quantified to characterize particle hygroscopicity and (2) sensitivity of fine particle mass concentration to the change of the total ambient concentrations of sulfuric acid, nitric acid and ammonia is studied. Then sensitivity of fine particle light scattering is also studied for the same cases by using a light extinction model. Since there were enough ammonia to neutralize both total sulfuric acid and nitric acid at Seoul, when the levels of either acid change, ammonium salts of either acid were formed or disappeared with relative humidity. However, at the mean ambient relative humidity condition at Seoul, ammonium nitrate was in solid phase while ammonium sulfate was in aqueous phase. Thus while the dry ionic concentration was most sensitive to the variation of nitric acid level, the total mass concentration (ionic concentration plus water content) was most sensitive to the variation of sulfuric acid. Because the concentration of ambient sulfuric acid was the highest among the inorganic species, sulfate salts determined particle hygroscopicity at Gosan. At the mean ambient relative humidity condition at Gosan, all salts appeared in aqueous phase. Both dry ionic concentration and total mass concentration were most sensitive to the variation of sulfuric acid level. For both sites, the trends for light scattering were the same as those for the mass concentration.