측정방법에 따른 해안 지역의 미세먼지 질량 농도 차이 분석

Abstract

우리나라는 전국적으로 대기오염측정망을 설치하여 미세먼지 농도를 측정하고 있다. 현재 대기오염측정망에서 공식적으로 사용하고 있는 미세먼지 측정방법은 베타선 흡수법으로 미국의 미세먼지 표준방법인 중량분석법과 비교하는 실험이 수행되어왔으며 측정방법에 대한 신뢰성 문제가 제기된 바 있다. 이에 국가 배경농도 측정망으로 무엇보다 측정값의 신뢰성이 요구되는 제주도 고산측정소에서의 측정방법에 따른 미세먼지 질량농도를 비교하였다. 중량분석법으로 측정한 미세먼지 질량농도와 베타선 흡수법으로 측정한 미세먼지 질량농도를 비교한 결과 베타선 흡수법이 중량분석법보다 높은 농도를 나타냈으며, 상관성도 낮았다(r=0.57). 분석기간 동안 베타선 흡수법의 유입부에 가열장치가 설치되지 않아 특히 해안지역의 높은 습도의 영향으로 입자가 수분을 흡수하여 베타선 흡수법이 중량분석법보다 높은 농도를 보였을 것이다. 이에, 습도 별 비교와 입경 별 이온성분 농도 비교 등 정성적 분석과 기체/입자 평형 모델인 Simulating Composition of Atmospheric Particles at Equilibrium 2 (SCAPE 2)를 통한 정량적 분석을 통해 고산에서의 측정방법 간 차이의 원인을 밝혔다. SCAPE 2를 통해 산출한 입자의 수분함량은 두 측정값의 차이의 50%를 차지하여 중요한 원인이지만 농도 차이를 완전히 설명해 줄 수는 없었다. 또 다른 오차의 원인을 알아보기 위해 다중회귀분석을 실시한 결과, 상대습도, 황사 발생, 풍향이 측정 방법의 차이에 있어 유의한 인자로 나타났다. 또한 고산과 같이 해안가에 위치하였지만 베타선 흡수법에 유입부 가열기가 설치된 측정소인 태안 파도리와 강릉 옥천동의 베타선 흡수법과 중량분석법의 미세먼지 질량농도를 비교하였다. 해안가 측정소에서 유입부 가온 여부가 두 측정방법 간 차이에 어떤 영향을 주는지 알 수 있다. 유입부 가온을 하지 않은 고산과 달리 두 측정방법간 높은 상관성을 갖는다는 것을 알 수 있었다. 하지만 파도리 측정소에서 베타선 흡수법이 중량분석법보다 대체적으로 높은 질량농도를 보였다. 이는 높은 상대습도 하에서는 유입부 가온 온도가 입자의 수분을 완전히 제거하기에는 낮은 것으로 해석할 수 있다. 이에 수분의 영향이 최소가 되는 여과지상 온도를 추정한 결과 강릉과 파도리 측정소 모두 35~45˚C임을 알 수 있었다.;The reliability of the measurement of ambient trace species is an important issue, especially, in background area such as Gosan in Jeju Island. In a previous episodic study, it was suggested that the PM10 measurement result by the gravimetric method (GMM) was not in agreement with the result by the β-ray absorption method (BAM). In this study, a systematic comparison was carried out for the data between 2001 and 2008 at Gosan (GMM and BAM) and Jeju city (BAM) which is near to Gosan. It was found that at Gosan the PM10 concentration by BAM was higher than GMM and the correlation between them was low. The BAM results at Gosan and Jeju city showed similar trend implying the discrepancy at Gosan was not caused by instrumental problem of the BAM at Gosan. Based on the previous studies two probable reasons for the discrepancy are identified; (1) negative measurement error by the evaporation of volatile ambient species at the filter in GMM such as nitrate and ammonium and (2) positive error by the absorption of water vapor during measurement in BAM. There was no heater at the inlet of BAM at Gosan during the sampling period. Based on the size-segregated measurement data, it was identified that the evaporation error was minor, if any. The relationship between the two methods did not vary with the ambient relative humidity. Thus, by using a gas/particle equilibrium model, positive error by the absorption of water at the filter in BAM during the measurements was quantified. The positive error occupied about 50% of the measurement difference. The contributions from the volatilization of ionic species to the difference were minor. However, this estimated water content difference could fully explain the concentration difference by the two methods. Multiple regression analysis was applied to the PM10 mass concentration to find out the major factors that affected the concentration difference. Relative humidity, dust storm event and wind direction were identified as other major factors in addition to water absorption i.e., positive error. Still these factors could not fully account for the difference. it is advised that when using the PM10 concentration at Gosan, a supersite in Northeast Asia, possible difference should be considered for the data till June 2008 by BAM. In addition, comparison between BAM and GMM was made at two coastal sites, Padori and Gangneung. Unlike Gosan, there were heaters at the inlet of BAM at both sites. Though the relationships between the two methods were good at both coastal sites, it was found that at Padori the PM10 concentration by BAM was still higher than GMM. When the ambient RH is high, the raised temperature by inlet heater might be hard to remove the water absorbed to aerosols completely in BAM. Thus, we estimated the optimal filter temperature to minimize the effect of water absorption to aerosols in BAM by using a gas/particle equilibrium model, SCAPE 2. It was shown that the filter temperature to minimize the water content effect is around 35~45℃. Based on this result, we proposed that the temperature of inlet heater be set according to the filter temperature and relative humidity.