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- 도시 지역에 대해서는 대기 화학 모델의 핵심 방정식을 수정해야
- 지상에서 최대 200m까지 대기의 가장 낮은 층을 모델링할 때 특히 사실이라고 강조
- Leighton 방정식이 부정확해지고 특히 도시 공기의 높은 수준의 질소 산화물에서 잘못된 결과로 이어진다는 것 의미

대기 오염 물질: 모델 수정 필요
지면 오존을 예측하는 방정식은 도시 공기에서 결함이 있다.

과대평가된 오존 오염:
적어도 도시 지역에 대해서는 대기 화학 모델의 핵심 방정식을 수정해야 한다. 이것은 도시의 교통 배출과 공기 난기류가 이 방정식이 예상하는 것보다 더 많은 지상 오존이 공기 중에서 분해된다는 것을 의미하기 때문이다. 이를 기반으로 한 대기 질 예측 또는 추정은 지표 오존 오염을 최대 50%까지 과대평가한다. 

▲ 그림 2. 측정 현장의 플럭스 풋프린트(footprint). 정사영상(Orthophoto, Land Tirol, CC-BY) 위에 플로팅된 표면 사이트(80% 플럭스 풋프린트 아이소라인을 나타내는 가장 바깥쪽 아이소라인과 10% 증분 아이소라인)의 전체 데이터 세트에 대한 기후학적 플럭스 풋프린트. 방출 플럭스(90%)는 가장 바깥쪽 등치선 내에서 캡처(출처: 관련논문 Fig. 2)

많은 도시에서 공기는 탁하다. 미립자 물질, 이산화질소 또는 지상 오존과 같은 오염 물질은 공기를 오염시키고 많은 질병의 위험을 증가시킨다. 이러한 이유로 특히 도시 공기의 오염 물질 값은 측정소에서 면밀히 모니터링되고 있다. 모델에 기반한 예측은 또한 가까운 미래에 또는 측정에 포함되지 않는 유전자 영역의 대기 오염을 추정하는 데 도움이 될 것이다.

오염 물질의 순환

문제는 배출되는 오염물질이 보통 안정적으로 유지되지 않고 화학적으로 전환되어 공기 중에서 다양한 방식으로 분해된다는 점이다. 예를 들어 지표면 오존은 햇빛의 영향으로 질소 산화물과 휘발성 유기 탄화수소로 만들어진다. 오존은 차례로 디젤 차량에서 방출되는 일산화질소를 산화시켜 이산화질소를 형성한다. 즉, 질소 산화물과 오존이 반응 사이클을 형성한다.

이 오염 물질 순환은 60여 년 전에 화학자 Philip Albert Leighton(1897-1983)에 의해 수학적으로 설명되었다. 그 이후로 Leighton 관계로 알려진 그의 방정식은 대기 화학 모델에서 오존, 일산화질소 및 이산화질소의 비율을 도출하는 데 사용되었다. 실제로 이것은 예를 들어 질소 산화물 값만 알려진 지역의 오존 오염을 추정하는 데 사용된다.

▲ 그림 1. O3 및 NOx 플럭스의 주간 변동을 보여주는 도표. Innsbruck Atmospheric Observatory(IAO)에서 측정한 O3(A) 및 NOx(B) 플럭스의 기후학. 매일 집계된 데이터는 2차원 5포인트 연속 평균 필터로 평활화됐다. (출처: 관련논문 High urban NOx triggers a substantial chemical downward flux of ozone)

예보보다 적은 오존

그러나 Leighton 관계는 얼마나 정확할까? 인구 밀도가 높은 도시 지역에도 적용될까? 인스브루크 대학의 Thomas Karl과 그의 동료들은 이제 이것을 확인했다. 그들은 인스브루크 시내에 위치한 40m 높이의 대기 측정 타워에서 데이터를 평가했다. 이 장비는 다양한 대기 오염 물질과 날씨 매개변수에 대해 시간당 약 3만6000개의 판독값을 기록한다. 분석에는 타워와 지상에 가까운 다른 측정소에서 수집한 거의 4년 간의 데이터가 포함되었다.

그 결과 지상 오존의 측정된 농도는 대기 화학 모델을 기반으로 예상한 것보다 상당히 낮았다. Karl과 그의 팀이 발견한 것처럼 분주한 도심 환경에서 대부분의 오존은 매우 빠르게 이산화질소로 전환되었다. 거리 협곡에서 발생하는 난기류는 이 과정을 더욱 강화한다.

▲ 그림 6. NO2/NOx EnR 및 플럭스 비율과 함께 플롯된 오스트리아의 디젤 차량 비율 오른쪽. NO2/NOx EnR 비율과 함께 플롯된 오스트리아의 디젤 차량 비율(왼쪽 축): 빨간색 선, 유럽 환경청(EEA)에서 검색한 선택된 유럽 도시 교통 AQ 스테이션의 앙상블 평균; 회색 선, 유럽 전역(DE, UK AT, CH 및 IT 포함)에서 선택된 EEA 트래픽 스테이션의 개별 비율; 하늘색 선, 유럽 평균; 검은색 선, 유럽 평균의 투영; 주황색 점선, 도시 교통 AQ 스테이션 Innsbruck(IBK); 주황색 원, Innsbruck IAO EnR; 파란색 원, Innsbruck IAO 플럭스 비율. (우) EnR 방법(IAO; 주황색), 유동비 방법(IAO; 파란색) 및 AQ 정책 전망(검은 선과 동일) 간의 비교. (출처: 관련논문 High urban NOx triggers a substantial chemical downward flux of ozone / Science Advances)

도시 공기에 대한 잘못된 레이턴(Leighton) 방정식

그러나 이것은 Leighton 방정식이 부정확해지고 특히 도시 공기의 높은 수준의 질소 산화물에서 잘못된 결과로 이어진다는 것을 의미한다. 도시 오존값을 추정하기 위해 Leighton 관계에 기반한 대기 모델을 사용하면 지표 오존의 비율이 과대 평가되는 경향이 있다. "일산화질소 배출량이 많은 도시에서는 이 비율이 최대 50%까지 과대 평가된다"고 Karl은 보고했다.

예를 들어 도시 대기 질 예측에서 그러한 오판을 피하기 위해 모델은 그에 따라 조정되어야 한다. 연구원들은 이것이 지상에서 최대 200m까지 대기의 가장 낮은 층을 모델링할 때 특히 사실이라고 강조했다.

그러나 이러한 보정이 이전의 대기 오염 물질 측정값이 부정확하다는 것을 의미하지는 않는다. 모델을 사용하여 파생된 예측 또는 추정치만 영향을 받는다. 환경 보호 조치에도 동일하게 적용된다. "환경 정책 규정은 모델 계산을 참조하지 않고 실제로 측정된 오염 물질의 농도에 따라 발효된다는 점에 유의하는 것이 중요하다"고 Karl은 강조했다.
(Science Advances, 2023; doi: 10.1126/sciadv.add2365)
출처: Universität Innsbruck

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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