<사진. 온실가스와 지구 표면에서 생물 활동과 인위적인 활동으로부터 배출되는 대기 오염물질의 제거 및 생성에서 OH 역할
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>
북반구와 남반구의 수산화기 농도 비율
2014년 9월 11일 Nature에 발표된 관측 자료와 모델링을 기반으로 하는 새로운 연구는 대기의 자발적인 자정 능력(self-cleansing power)이 북반구와 남반구에서 상당히 다르지 않다는 것을 보여 주었다. 현재까지 모델 시뮬레이션은 일반적으로 북반구(NH; Northern Hemisphere)에서 더 높은 수준의 수산기(hydroxyl)를 보여주었다. 수산기는 많은 오염물질을 산화시키는 대기 중 우세한 표백제(bleaching agent)이다. 북반구에서 교통, 실내 난방 및 산업 등에 의해 배출되는 다량의 질소산화물(nitrogen oxides)의 관점에서 타당한 것처럼 보인다. 이러한 질소산화물은 오존 형성(오존 스모그)과 후속적인 수산기의 형성을 촉진하는 촉매로 작용한다.
새로운 연구 모델은 항공기와 멀리 떨어져 있는 관측 기지의 측정을 이용하여, 지구 대기를 청정하게 유지하는 데 상당한 책임이 있는 수산화기(hydroxyl radical, OH)의 전 세계 분포를 모형화했다. 수산화기는 10~15 km까지의 고도의 대류권에서 온실가스와 대기 오염 종의 제거 및 형성을 제어한다.
JAMSTEC(Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology) 산하 환경 지구화학 순환 연구부(Department of Environmental Geochemical Cycle Research) 소속의 Prabir Patra 박사와 그의 동료 연구진은 OH 농도에 대한 북반구/남반구 비율이 1에 가깝다고 추정했다. OH는 ~1초의 매우 짧은 수명을 가지고 있고, 매운 낮은 농도 및 높은 가변성 등을 이유로 그 측정이 매우 어렵다. 이러한 이유로 모델을 이용하여 시뮬레이션되는 OH 분포의 직접적인 확인과 OH를 측정하는 간접적인 방안의 구현이 방해를 받고 있다. 새로운 연구는 완전히 인위적인 화학물질이지만, 몬트리올 의정서(Montreal Protocol)에 의해 현재는 배출이 제한되고 있는 OH에 의해 대기로부터 주로 제거되는 메틸클로로포름(methyl chloroform, CH3CCl3) 측정을 사용했다.
OH는 대기로부터 온실가스와 대기 오염물질 제거에 관여하는 핵심 산화제이다. 북반구와 남반구의 OH 농도 비율은 질소산화물과 메탄 등과 같은 대기 종의 배출 추정의 이해에 중요하다. 그러나 이러한 OH 농도 비율의 추정은 0.85~1.4의 범위로 상당한 제약이 따른다.
북반구/남반구의 OH 농도 결정에 OH 농도의 대리자인 메틸클로로포름 자료와 북반구와 남반구의 수송 및 모형화된 배출을 정확하게 기술하는 대기 수송 모델의 도움으로 결정됐다. 연구진은 2004년~2011년의 기간에 대하여 메틸클로로포름의 연평균 북반구-남반구 구배(NH?SH gradient)에 대한 모델 예측은 모형화된 연평균 북반구/남반구 비율의 1차 함수이다.
두 곳의 지상 기반의 관측 네트워크로부터 얻은 메틸클로로포름 측정은 HIPPO(High-performance Instrumented Airborne Platform for Environmental Research Pole-to-Pole Observations) 캠페인이 JAMSTEC의 ACTM(atmospheric chemistry-transport model)과 결합되어 적용될 뿐 아니라, AGAGE(Advanced Global Atmospheric Gases Experiment)와 미국 해양대기관리처(NOAA; National Oceanic and Atmospheric Administration) 등에 의해 운영됐다.
비록 최신 화학-수송 모델(chemistry-transport model)이 북반구에서 OH 농도가 남반구(13~42%)보다 ~28%로 더 높다고 예측하고 있더라고, 제시된 세부적인 연구는 북반구/남반구 OH 비율이 0.97±0.12로 유도됐다. 1990년대 초 이후 얼마나 많은 메틸클로로포름이 실제로 대기로 배출될 것인가에 관한 불확실성과 OH 농도를 추정하기 위하여 모델에서 남반구와 북반구 사이의 이동에서 결함을 이유로, 북반구와 남반구에서 OH의 상대적인 풍부한 정도에 관한 불확실성은 지속되어 왔다.
1992년 북반구와 남반구의 OH 비율을 처음으로 추정한 독일 막스플랑크 화학 연구소(Max Planck Institute for Chemistry) 소속의 Carl Brenninkmeijer 박사는 이 결과가 대류권의 산화 용량(oxidative capacity)의 최소한 적절한 기술 또는 이해에 있어서 이의를 제기하는 것이라고 밝혔다.
이 연구는 북반구/남반구 OH 비율이 더 큰 남반구에서 주요 배출 국가에서 메탄과 일산화탄소와 같은 반응성 종의 위에서 아래로 배출(top-down emission) 추정이 과대평가됐다는 것을 제안하고 있다. 예를 들면, 북반구에서 상대적으로 높은 OH를 나타낸 반대의 모델링 연구는 OH 제거를 상쇄하기 위하여 북반구에서 비현실적인 거대한 메탄 배출을 필요로 한다. 저자는 모델에 의해 시뮬레이션된 화학 반응이 불완전할 수 있으며, 추가적인 연구가 지구/반구상의 OH가 광범위한 범위의 인간 영향에 어떻게 반응할 것인지 조사할 필요가 있으며, 지구 환경 변화를 예측하는 인간의 능력을 개선할 필요가 있다고 결론지었다.
■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr