[대기오염] Lecture 4. Atmospheric layers and wind patterns

대기는 네 개의 층이 있는데 성층권과 열권에서 기온이 역전되어 있습니다. 고도가 높아지면 기온이 상승하는 것을 기온역전이라고 합니다. 고등학교 지구과학에서 나오는 다 아는 이야기이지만, 대기오염 연구에서 가장 중요한 개념 중의 하나입니다. 기온 역전이 상층에서 발생하면 문제가 없지만, 대류권 하층에서 발생하면 대기오염이 심해집니다. 

 

대류권에서 지표로부터 수백 미터에서 1.5 km 내외를 대기경계층(Atmospheric Boundary Layer: ABL), 행성경계층( Planetary Boundary Layer: PBL), 혼합층(mixing layer)이라고 합니다. 이 층에서는 대기오염물질의 비교적 균질하게 혼합된다고 간주합니다. 육지에서 기온이 상승하면 혼합고는 올라가고 기온이 낮아지면 혼합고는 내려갑니다. 혼합고가 올라가면 오염물질이 이동할 수 있는 높이(공간)가 증가해서 농도가 낮아집니다. 여름에는 혼합고가 높아서 대기 확산이 원활해서 오염물질 농도가 낮아질 수 있습니다. 또한, 밤보다 낮에 혼합고가 높아져서 오염물질 농도가 낮에 줄어들었다가 밤에 증가할 수 있습니다. 물론 시간별 오염물질 배출량과 풍향/풍속 등 다른 기상 조건의 영향을 종합적으로 받습니다. 

 

 

아래 왼쪽 그림은 MERRA-2 재분석 자료에서 2019년 8월 혼합고를 추출한 그림입니다. 바다보다 육지에서 혼합고가 높습니다. 특히, 사막이 많은 몽골에서 혼합고가 2 km에 달합니다. 오른쪽 그림은 1월 그림인데 육지보다 바다에서 혼합고가 높습니다. 그림이 작아서 확인하기 어렵지만 우리나라 내륙에서는 겨울보다 여름에 혼합고가 높습니다. 그런데 울산을 포함한 해안지역에서는 겨울에 혼합고가 높습니다. 해안가에서는 여름에 비도 많이 오고 겨울에는 해수면 온도가 지표 온도보다 높기 때문에 해안가 기온이 상대적으로 높기 때문에 이런 현상이 발생한 것 같습니다. 이 부분은 앞으로 논문 작성할 때 주의해야 합니다.

2019년 8월                                                                                                  2019년 1월 

 

동북아시아에서는 계절풍이 대기오염 이동에 절대적인 영향을 미칩니다. 여름을 제외하면 북서풍 위주로 불기 때문에(지역마다, 특히 해안지역에서는 다를 수 있음) 중국에서 배출된 오염물질은 봄, 가을, 겨울에 주로 한국으로 이동합니다. 그래서 오염물질의 장거리 이동은 여름을 제외하고 계절을 가리지 않습니다. 반대로 여름에는 남동풍이 우세한데 우리나라에서 배출된 오염물질이 중국으로 이동할 수 있습니다. 그러나 여름에는 화석연료 사용량 등이 적고, 중국과 비교해서 우리나라의 오염물질 배출량 자체가 작기 때문에 중국에 미치는 영향은 적습니다. 아마 70~80년대 한창 우리나라 중화학공업이 성장하고 경제개발이 될 때 상당량의 오염물질이 여름에는 중국으로 이동하고, 나머지 계절에는 일본으로 이동했을 것으로 추정됩니다. 이와 같이 장거리 이동을 평가하기 위해서는 동북아시아 규모의 기상현상을 파악해야 합니다.

 

도시 규모의 대기오염물질 이동을 고려할 때는 바람장미(wind rose)를 주로 사용합니다(아래 그림의 오른쪽). 풍속과 풍향 자료로 그린 그림인데 바람이 주로 어디에서 불었는지 쉽게 알려 주는 그림입니다. 울산에서는 겨울에는 북서풍, 여름에는 남동풍 계열이 우세합니다. 겨울에는 북서풍이 불면서 석유화학산단에서 배출된 오염물질이 울산 동구로 많이 이동할 수 있고, 여름에는 모든 산단에서 배출된 물질이 내륙의 주거지역으로 많이 이동합니다.

 

그런데 해륙풍 영향으로 주간에는 해풍이 많이 불어서 동풍 계열의 바람이 증가합니다. 따라서 겨울이더라도 낮에는 오염물질이 내륙 주거 지역으로 이동하게 됩니다. 

 

해륙풍 순환은 초등학교 5학년 교과서에 나오는 수준이므로 원리 설명은 생략합니다. 바닷가에 가서 직접 경험하면 평생 잊지 않습니다. 

 

 

울산에서는 오후 시간대에 해풍 영향으로 산단에서 배출된 SO2가 주거지역으로 더 많이 확산되면서 농도가 증가합니다. 

 

울산은 다양한 산업단지의 오염물질 배출, 장거리 이동, 계절풍, 해륙풍 영향을 종합적으로 평가할 수 있는 지역입니다. 포항, 여수/광양, 대산 등 주요 산업도시를 대상으로 연구를 했는데 울산이 가장 복잡하고 재미있는 곳입니다. 지구과학과 환경화학 지식을 총 동원해야 하기 때문입니다.