<사진. KISTI 미리안 자료사진
출처. KISTI 미리안>
대기 오염 가스 농도의 과소 평가 가능성
일본의 독립 행정법인 해양연구 개발기구(JAMSTEC) 지구 표층 물질 순환 연구 분야의 국제 연구팀은 대기 오염 가스인 이산화질소(NO2)의 위성 관측에 30~50%의 과소 평가가 되고 있으며, 그 원인 중 하나가 대기 중에 공존하는 미소 입자 PM2.5 등의 에어로졸이 위성 관측 프로브 광(대상을 감지 위한 빛)인 태양의 경로를 교란해, 지표면 근처의 NO2가 관측되지 않도록 덮어 버리는 "차폐 효과"의 가능성을 일본 · 중국 · 한국 · 러시아에서 지상 관측망(MAX-DOAS) 데이터를 이용한 위성 데이터의 검증 결과에서 찾아냈다.
이 성과는 지금까지 위성 데이터를 기반으로 추정된 질소 산화물의 발생량 추정치를 상향 조정해야 한다는 것을 의미하고 있으며, 인간의 활동이 지구 환경에 미치는 영향이 지금까지의 예상보다 더 클 가능성을 시사하고 있다. 또한, 위성 관측에서 NO2의 양을 도출할 때의 정확도를 높이기 위해서는 PM2.5 등 에어로졸 입자의 광 교란 효과를 적절히 고려하는 것이 중요하다는 것을 관측 결과에서 처음 뒷받침했다.
앞으로 지상 관측망에 의한 NO2 관측을 계속해 나가는 동시에, 이러한 효과가 NO2 이외의 가스의 위성 관측에도 해당될 가능성에 대해 검토를 진행한다. 이 성과는 8월 11일에 유럽 지구과학 연합의 전문지 Atmospheric Chemistry and Physics에 게재된다.
아시아 경제 발전은 최근 주목 받고 있는 PM2.5 에어로졸 외에도 오존 등의 가스(기체) 상태 오염 물질의 증가 등 대기 환경에 큰 변화를 가져와 지구의 기후에도 영향을 주고 있다 . 광역의 대기 오염 상황을 한 번에 파악할 수 있는 위성 관측은 유럽의 위성이 1995년에 대기 오염의 지표가 되는 이산화질소(NO2)의 관측에 성공하고, 이후 지구 환경의 상태를 관찰하는데 필수적인 역할을 해 왔다. 특히, NO2는 오존과 에어로졸의 공통의 원료로서 기후 변화에 강하게 관여하고 있어, 중요한 관측 대상이 되고 있다.
NO2의 위성 관측에서는 위성에 장착된 관측 센서를 이용하여 표면에서 반사되는 태양의 자외선·가시 영역의 빛을 분광하여 NO2 분자 고유의 흡수도를 측정함으로써, 지표에서 대류권 상단까지의 대기 중 NO2 누적 농도(대류권 NO2 컬럼 농도)가 측정된다. 이 위성 관측에 의해, 예를 들어 유럽이나 일본 상공에서의 농도 감소와 대조적으로 중국 상공에서는 과거 약 15년간 NO2가 3배나 증가해 거대 발생원으로 변화한 것을 알 수 있다(그림1).
그러나, 다른 한편으로 위성에서 멀리 떨어진 지상 부근에 존재하는 NO2에 의한 미약한 흡수(1% 이하)를 구름과 성층권을 통하는 빛의 경로도 고려하면서, 정밀하게 측정하는 것은 매우 어렵기 때문에 성층권에 존재하는 NO2 양의 적절한 공제와 구름이 부분적으로 있을 때의 영향 등 위성 관측에는 다양한 불확실성이 수반될 가능성이 높고, 신뢰성 높은 발생량 평가를 어렵게 해 왔다는 점에서 검증 관측의 실시가 요구되고 있었다.
연구팀은 이러한 위성 데이터를 확인할 수 있는 지상에서의 원격 감지(MAX-DOAS:Multi-Axis Differential Optical Absorption Spectroscopy) 관측망을 2007년부터 일본 · 중국 · 한국 · 러시아에 걸쳐 2012년 말까지 6년 동안 80,000개 이상의 관측 분석 데이터를 수집(참고2)하여 세계 최초로 체계적으로 위성 센서 OMI(Ozone Monitoring Instrument)의 NO2 관측을 확인했다.
여기에서 지상 원격 탐사에서는 위성 관측의 경우와는 반대 방향으로 지상에 둔 분광기에 의해 하늘 방향으로 수평선 가까이 여러 방향에서 오는 빛에 포함된 흡수도를 종합 분석하여 NO2의 양을 계산한다. 이 때, 빛이 지나온 경로 정보를 바탕으로, 동시에 존재하는 에어로졸의 존재량에 대한 정보도 함께 얻을 수 있다.
이러한 지상 관측은 위성 관측의 경우와 비교하여, 에어로졸의 영향과 NO2의 고도 분포 등을 정확하게 파악할 수 있어, 보다 많은 정보량을 가미하여 "대류권 NO2 컬럼 농도"를 높은 정밀도로 결정할 수 있다.
검증 결과, 위성 데이터의 값이 지상 관측 값과 비교하여 NO2의 양이 30~50% 낮다는 것을 발견하였다(그림2). 더욱 자세히 조사한 결과, 그 차이가 커지는 것은, (1) 대기 중에 공존하는 에어로졸 양 (구체적으로는 광학적 두께)이 클 때나(그림3a), (2) NO2가 고도 1km까지 지상 부근에 치우쳐 분포하고 있을 때(그림3b)인 것을 발견했다.
또한, 최근의 이론적 연구에서는 NO2보다 에어로졸이 더 상공까지 확산되고 있을 때, 위성 관측 프로브 광으로 이용하는 태양광이 지표면 부근까지 닿지 않기 때문에, 위성 관측이 지표 부근의 NO2를 놓치는 효과, 즉 에어로졸이 지표 부근의 NO2를 관측되지 않도록 덮어 가려 버리는 이른바 "차폐 효과"가 일어날 가능성이 예측되고 있었다(그림4).
이 연구는 이를 뒷받침하는 관측 결과를 처음으로 얻은 사례라 할 수 있다.
이번 성과는 지금까지 위성 데이터에 따라 추정된 질소 산화물의 발생량 추정치를 상향 조정해야 한다는 것을 의미하며, 인간 활동이 지구 환경에 미치는 영향이 지금까지 인식해온 이상일 가능성을 시사하고 있다. 또한, 위성 관측에서 NO2 도출에 있어서는 지금까지 에어로졸을 구름의 일종처럼 취급해 왔는데, 앞으로 정확도를 높이기 위해서는 에어로졸의 영향(빛 교란 효과 등)을 적절하게 고려하는 방법으로 수정해야 할 필요가 있음이 밝혀졌다.
연구팀은 MAX-DOAS 관측망에 의한 지상 관측을 앞으로도 계속해 전지구 관측 시스템(GEOSS)에 공헌함과 동시에, 수평 해상도 10킬로미터의 차세대 고해상도 위성의 검증에도 지원할 계획이다. 또한 에어로졸을 고려한 위성 데이터의 새로운 분석 방법이 개발되면, 그 제품의 검증으로도 재활용된다. NO2 이외의 가스의 위성 관측(유기 가스인 포름알데히드 등)에 대해서도 유사한 메커니즘에 의해 과소 평가가 존재하는지에 대한 가능성 검토를 진행한다. 이러한 활동을 통해 대기 조성의 위성 관측 데이터를 개량하고 광역에서의 물질 순환을 정량적으로 파악하기 위해 사용할 수 있도록 하는 것을 목표로 하고 있다.
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