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대기 오염 물질 암모니아와 질산의 단기 농축으로 나노 입자가 수백 배나 빠르게 성장.
이들이 질산암모늄을 형성하고 초 미세먼지로 발달. 황산과 같은 다른 오염 물질보다 100배나 빨리 자란다. 이 과정은 섭씨 5도 이하에서 진행돼 겨울철에 미세먼지와 초미세먼지가 뒤섞인 밀도 높은 스모그를 형성.

스모그 : 미세 먼지 형성의 새로운 메커니즘
추위에 대기 오염 물질은 초미립자의 빠른 성장으로 이어진다.

연구원들이 이전에 알려지지 않은 미세 먼지 형성 메커니즘을이 발견했다.
대기 오염 물질 암모니아와 질산의 단기 농축으로 나노 입자가 수백 배나 빠르게 성장해 초 미세 먼지가 된다. "Nature"저널에 기고한 과학자에 따르면, 대도시의 겨울 스모그에서 종종 예상보다 더 많은 입자상 물질이 측정되는 이유를 설명 할 수 있다.

▲ 난류(turbulance)로 인해 고르지 않게 분포된 대기 오염물질로 새로운 초미세 먼지 생성이 가능하다. © Helen Cawley

미세 먼지는 전 세계적으로 건강 문제를 일으키며 예방이 가능한 수 백만 명의 사망에 책임이 있다. 특히 초 미세 먼지의 가장 작은 입자는 폐, 혈액 순환 및 심지어 뇌로 침투할 수 있다. 작은 입자의 주요 원천은 자연적인 유래 외에도 주로 석탄 화력 발전소, 자동차 배기가스 및 난방이다.

그러나 미세 먼지는 공기중에 떠다니는 나노 입자에 대기 오염 물질이 축적되어 2차적으로 발생할 수도 있다. 특히 겨울철 스모그의 경우 2차 미세 먼지는 오염의 상당 부분을 구성한다.

클라우드 챔버(Clouds Chamber)에서 대도시 스모그 실험

눈에 띄는 점은 이전에 알려진 생성 경로는 대도시에서 측정된 미세 먼지의 일부만 설명할 수 있었다. 특히 아시아 거대 도시에서는 겨울 스모그에서 더 많은 초 미세 먼지가 종종 예상보다 높게 측정된다. 피츠버그 소재 카네기 멜론 대학교(Cannegie Mellon University)의 밍이 왕(Mingyi Wang)과 그녀의 동료들은 제네바 근처 CERN 연구소의 실험에서 이를 조사했다.

이를 위해 그들은 CLOUD 실험에서 대도시의 거리에서 우세한 조건을 시뮬레이션했다.
이러한 기상 조건에서 따뜻한 공기층은 차갑고 깊은 기단 위의 담요처럼 놓여있어 공기가 상승하고 혼합되는 것을 방지한다. 결과적으로 교통, 가정 및 기타 배출가스들이 거리 협곡에 갇혀 집중된다.

성장 보조제로서의 암모니아 및 질산

실험은 놀라운 것을 보여 주었다. 현재 알려진 관점으로는, 직경이 10nm(나노 미터) 미만인 나노 입자는 미세 먼지 형성에 적합한 출발 입자가 아니기 때문이다. 그들은 더 큰 부유물질에 빨리 붙어서 오래 머물러 있 지않는다. 그러나 연구원들이 현재 발견 한 바와 같이, 이러한 나노 입자는 특정 조건에서 이러한 소위 "죽음의 계곡(valley of death)"에서 벗어나 새로운 초미립자의 세균이 될 수 있다.

이것은 자동차 배기가스로 형성된 두 개의 대기 오염 물질인 암모니아와 질산이 도로 공기에 잠깐 축적될 때 발생한다. 이들이 나노 입자에 달라붙어 질산암모늄을 형성하고 입자가 초 미세 먼지로 빠르게 성장한다. 프랑크푸르트 괴테 대학교(Goethe University Frankfurt의 요아킴 커티우스(Joachim Curtius)는 “때때로 황산과 같은 다른 오염 물질보다 100배나 빨리 자란다”고 설명했다.
이 과정의 결과로 겨울철에, 특히 대도시에서 미세 먼지와 초 미세 먼지가 뒤섞인 밀도 높은 스모그가 형성된다.

▲ CLOUD experiment (Image: CERN)

겨울 스모그에 중요한 기여

Curtius는 “도시 환경에서 우리가 관찰한 과정은 겨울 스모그에서 미세 먼지가 형성되는 것을 파악하는데 중요한 기여를 했다”고 말했다.
두 대기 오염 물질의 국소 농도가 종종 몇 분 동안만 지속되어도 스모그를 증가시키기에 충분하다. 그러나 이 형성 과정이 5℃ 이하의 온도에서만 진행되기 때문에 겨울에 작용을 한다고 연구원들은 말한다.

특히 여전히 큰 영향을 받고 있는 아시아 거대 도시에서 겨울 스모그와 효과적으로 싸우기 위해서는 질산의 전구체인 질소 산화물과 암모니아의 배출을 더 줄여야 한다.
CLOUD 실험 책임자인 야스퍼 키르크비(Jasper Kirkby)는 “지금까지 암모니아와 질산은 입자 형성에서 수동적인 역할만 하는 것으로 생각을 했다”고 말했다.

이것이 분명히 잘못된 판단이었다.

특히 암모니아 배출은 지금까지 대부분 규제되지 않았다.

(Nature, 2020; doi : 10.1038 / s41586-020-2270-4)
출처 : CERN, Goethe University Frankfurt am Main 

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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