Investigation on the major factors for determining atmospheric organic aerosol in the Antarctic environment

Abstract

청정해양지역과 특히 남극 대륙은 기후 변화에 취약하며 지구 기후 시스템에 중요한 영향을 미치는 지역이다. 기후변화 문제가 심각해지면서 극지방 기후변화의 영향이 강조되고 있다. 대기환경의 특징 중 하나는 대기오염물질이 국경을 고려하지 않고 이동한다는 점이다. 이로 인해 오염물질이 장거리로 이동하여 청정 지구 환경에 도달할 수 있다. 에어로졸은 남극 대륙으로의 장거리 이동에 있어 가장 많이 고려되는 대기 오염 물질이며 직간접적으로 기후 변화에 영향을 미친다. 에어로졸이 기후변화에 미치는 영향은 물리특성 및 화학적 조성에 따라 달라질 수 있기 때문에 해양지역과 극지역의 대기 에어로졸의 물리화학적 특성을 이해하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 대기 에어로졸은 다양한 화합물의 혼합물로 구성되어 있지만 단순하게 무기 성분과 유기 성분으로 분류할 수 있는데, 무기 에어로졸에는 이온, 금속 및 준금속이 포함되어 있는 반면, 유기에어로졸은 탄소 성분을 포함하는 수천 개의 개별 유기 화합물로 구성되어있다. 유기에어로졸은 전체 에어로졸 중 20~50% (중위도 대륙), 최대 90% (열대 우림)를 차지하며 발생원과 대기특성에 따라 전체 에어로졸을 구성하는 정도가 다르다. 이러한 OA는 인위적 및 자연적 원인 모두에서 발생될 수 있으며 발생원, 형성 경로 및 대기의 기상 조건에 따라 물리적, 화학적 특성이 다르다. 유기에어로졸의 개별 유기 성분은 대기 중에 미량 수준을 가지고 있지만, 이러한 화합물은 특정 발생원 및 OA 형성의 지표 역할을 할 수 있기 때문에 대기 중 유기에어로졸의 특성을 이해하는 데 사용할 수 있다. 청정해양과 극지역의 유기에어로졸 특성을 이해하고 유기에어로졸 주요 발생원을 확인하기 위해 다양한 현장에서 연구가 수행되었다. 하지만 극지역의 경우 접근성이 어려워 주로 북극 지역에 집중되어 왔다. 따라서 OA 공급원의 특성을 파악하여 남극 대륙의 유기에어로졸에 대한 심층적인 화학적 분석을 수행할 필요가 있다. 본 연구에서는 남극에서의 유기에어로졸의 특성과 발생원을 밝히기 위한 연구를 수행하였고 그 방법은 구체적으로 다음과 같다. 1) 한국에서부터 남극까지의 유기에어로졸 공간분포와 2) 남극 대기 유기에어로졸의 농도 수준과 구성을 결정하고, 2) 다변량 통계분석을 적용하여 남극 대기 중 유기에어로졸 농도를 결정하는 주요 요인을 밝히고(주성분 분석(PCA), 직교 부분최소자승법-판별분석(OPLS-DA)), 마지막으로 3) 남극 주변의 다양한 환경이 반영된 공기궤별 유기에어로졸의 농도 및 구성을 특성화하고자 하였다. 북태평양에서 남극해에 이르는 청정 해양 지역에서 유기에어로졸 생성의 주요 요인을 결정하기 위해 생물학적 배출과 인위적 배출원의 영향을 구별할 수 있는 10종의 saccharides (sugars) 성분의 공간적 분포를 확인하였다. 청정 해양 대기 PM2.5 샘플은 수집하기 위해 한국의 연구쇄빙선인 아라온호(IBRV)에 풍력 섹터 컨트롤러가 연결된 대용량 공기포집기를 설치하였다. PM2.5 샘플은 2018년 10월 31일 대한민국 서해에서 2018년 12월 14일 남극해까지 태평양을 통과하는 남극항해기간 동안 2-3일 간격으로 수집되었다. 청정 해양 지역에서 총 sugars의 농도는 0.16에서 16.57 ng/m3(평균: 3.02 ± 4.76 ng/m3)이었다. 각 PM2.5 샘플의 10종의 sugars 화합물의 조성은 해양의 지리적 특성이 변화함에 따라 다른 특성을 보이는 것이 관찰되었다. 육지 근처에서 채취한 시료에서 levoglucosan의 기여도는 외양(open ocean)에서 채취한 시료보다 높았다. 또한, sugars 농도는 유기 탄소(Organic Carbon, OC)와 강한 양의 상관관계를 나타내어 sugars 농도의 증가가 청정 해양 지역의 OC 농도 증가에 크게 기여함을 나타낸다. 뉴질랜드 해안 근처에서 sugars농도가 가장 높게 관찰되었으며, 해양 생물군에 대한 대기 질량 노출도 가장 높았다. 또한 sugars 조성의 공간적 분포가 해양 식물성 플랑크톤의 공간적 분포와 상관관계가 있음을 발견했다. 이러한 관찰을 통해 1) 해양 식물성 플랑크톤이 유기에어로졸의 중요한 발생원이 될 수 있으며 2) 해양지역에서 식물성 플랑크톤 조성이 PM2.5의 sugars 구성 변화에 영향을 미친다는 결론을 내렸다. 또한 남극 대기의 유기에어로졸 특성을 파악하기 위해 남극 세종기지(62.2°S, 58.8°W)에서 PM2.5를 수집했다. 66종의 개별 유기성분들이 유기에어로졸의 개별 유기화합물에 대한 정성 및 정량 분석은 GC-MS/MS(Gas Chromatography tandem Mass Spectrometer)를 사용하여 수행되었다. 총 정량화된 유기성분들은 4.7~40 ng/m3, 평균 15±12 ng/m3로 북극해(48 ng/m3)보다 약 3배 낮았다. 유기에어로졸의 주요 발생원을 파악하기 위해 kaiser normalization과 함께 varimax 회전법을 적용한 PCA 분석을 진행하였고, 고유치(eigenvalue) 1.0 이상을 기준으로 추출된 주성분(Principal component, PC)은 총 3개였다. PC 3개의 총 분산은 약 86%로서 주성분 (PC) 1~3은 각각 전체 변수의 44%, 23% 그리고 19%를 설명하였다. 각 주성분들은 남극세종과학기지 근처의 해양 및 육상 생물군의 활동과 광화학반응의 영향으로 전체 변수의 44%를 차지하였다. PC2는 23%로 목재연소 및 이에 따른 연소잔류물의 영향, PC3은 19%로 인근 대륙 산림의 이차유기에어로졸 영향으로 판단된다. 남극 지역의 유기화합물 농도 증가에 영향을 미치는 주요 요인을 파악하기 위해 OPLS-DA 수행하였다. 분석 결과, 유기에어로졸 증가에 기여하는 주요 요인은 플랑크톤이나 미생물과 같은 해양과 육상 생물 발생원과 광화학반응에 의한 이차 생성이었으며, 공기궤의 이동 영역을 조사한 결과, MIZ (Marginal Ice Zone)에서의 해양생물학적 활동이 유기에어로졸 농도 증가에 기여한 것으로 판단되었다. 기단별 유기에어로졸의 특성을 파악하기 위한 군집분석을 실시한 결과, 해양생물 활동은 해양 및 MIZ의 혼합기단에서 플랑크톤이나 지의류, 곰팡이와 같은 해양 및 육상 생물의 활동이 유기에어로졸의 형성에 크게 기여하는 것으로 나타났다. 또한 외양에서는 바이오매스 연소와 광화학적으로 생성된 유기산이 유기에어로졸에 기여할 수 있다는 것이 확인되었다. 본 연구에서는 66종 개별 유기화합물 분포를 이용하여 남극 유기에어로졸 증가의 주요 요인이 MIZ에서의 해양생물 활동의 이동임을 확인하였다.;Antarctica is extremely vulnerable to climate change and vital for temperature regulation and the continuation of life on Earth. As the climate change problem becomes more serious, the impact of climate change in polar regions is being emphasized. One of the characteristics of the atmospheric environment is that air pollutants move without considering national boundaries. This can cause pollutants to transport long distances and reach the global environment. Previous literatures have been emphasized that aerosols are the most considered air pollutant for long-distance transport to Antarctica and directly or indirectly affect climate change. Since the effect of aerosol on climate change can be different depending on their chemical composition, many studies are being conducted to understand the physicochemical characteristics of atmospheric aerosols in the polar region. OA has been reported to account for 20-50% of total aerosol in mid-latitude continents and up to 90% in tropical forests in aerosol composition. These OA can be emitted from both anthropogenic and natural sources and have different physical and chemical properties depending on emission sources, formation route and meteorological conditions in the atmosphere. Individual organic compound in OA has trace level in the atmosphere, however, these compounds can be used to understand the characteristics of OA in the atmosphere because they can be served as markers of specific emission sources and/or formation of OA. This study was conducted to identify the characteristics and sources of organic aerosols in Antarctica, and the methods were specifically as follows. 1) determine the spatial distribution of organic aerosols from Korea to Antarctica and in the Antarctic atmosphere, 2) apply multivariate statistical analysis (principal component analysis (PCA) and orthogonal partial least squares-discriminant analysis (OPLS-DA)), to reveal the main factors that determine the concentration of OA in the Antarctic atmosphere and finally, 3) to characterize in OA concentration and composition according to the air mass. The spatial distribution of 10 saccharide compounds was observed to figure out the major factor for the production of organic aerosol in the pristine marine regions from the North Pacific Ocean to the Antarctic Ocean. The pristine marine atmospheric PM2.5 (Particle matter with an aerodynamic diameter equal to or less than nominal 2.5 μm) samples were collected using a high-volume air sampler connected to a wind sector controller installed in the Korean Ice-breaking Research Vessel (IBRV) during the cruise through the Pacific Ocean: from the Yellow Sea, Korea on October 31, 2018 to the Antarctic Ocean on December 14, 2018. Saccharide compounds can distinguish the influence of both biogenic emissions and anthropogenic sources. In the pristine marine region, the total saccharides concentrations varied greatly from 0.16 to 16.57 ng/m3 (mean: 3.02 ± 4.76 ng/m3). The compositions of 10 saccharide compounds in each PM2.5 sample changed when the marine geographic characteristics changed. The contribution of levoglucosan in the sample collected near land was higher than the sample collected in the open ocean. In addition, saccharides concentrations had a strong positive correlation with OC (Organic carbon), indicating that the increase of saccharides concentrations strongly contributes to the increase in OC concentration in the pristine marine region. The highest concentration of saccharides was observed near the New Zealand coast, which also showed highest air mass exposure to marine biology. We also found that the spatial distribution of saccharide composition was correlated with the spatial distribution of phytoplankton. From these observations, we concluded that 1) marine phytoplankton can be a significant source of organic aerosol production and 2) the type of phytoplankton in a region affects the change of saccharides composition in PM2.5. In addition, PM2.5 was collected at the Antarctic King Sejong station (62.2°S, 58.8°W) to characterize OA of the Antarctic atmosphere. Qualitative and quantitative analyses of 66 organic compounds in OA were performed using GC-MS/MS (Gas Chromatography tandem Mass Spectrometer). Total quantified organic compounds ranged from 4.7 to 40 ng/m3 with an average of 15±12 ng/m3, which is about 3 times lower than that of the Arctic Ocean (48 ng/m3). To identify the main sources of OA, PCA using varimax rotation with kaiser normalization was performed, and a total of three principal components (PC) were extracted based on eigenvalues of 1.0 or higher. The total variance of the three PCs was about 86%, and PC 1 to 3 explained 44%, 23%, and 19% of the total variance, respectively. PC1 accounted for 44% of the total variables due to the influence of marine and terrestrial biota activities and photochemical reactions near the King Sejong station in Antarctica. The effect of wood combustion and resulting combustion residues was found to be 23%, and the influence of secondary organic aerosol from continental forest was 19%. OPLS-DA was applied to find the main factor affecting the increase of organic compounds concentration in the Antarctic region. The analysis revealed that the main factors contributing to the increase of OA were terrestrial and marine biogenic sources such as plankton and microorganisms and secondary formation by photochemical reaction of natural origin. As a result of examining the retention area of air mass, it was determined that marine biological activities in the marginal ice zone (MIZ) contributed to the increase in OA concentration. As a result of cluster analysis to identify the characteristics of OA by air mass, it was found that the activities of marine and terrestrial organisms such as plankton, lichen, and fungi in the mixed air mass of the ocean and MIZ significantly contributed to the formation of OA. In the open ocean, it has been confirmed that biomass burning and photochemically produced organic acids can contribute to OA. From this study, we confirmed that the main factor in the increase in Antarctic OA was the transport of marine biological activities in the MIZ.