[대기오염] Lecture 8. 미세먼지 일반

아래 그림은 1998년부터 2018년까지 평균적인 미세먼지 분포입니다. 북미와 호주가 비교적 농도가 낮고, 아프리카, 중동, 인도, 중국의 농도가 높습니다. 화석연료 사용으로 미세먼지가 많이 배출되기도 하지만, 생물성 연소(산불 등)에 의해서도 미세먼지 농도가 높은 것을 짐작할 수 있습니다. 

 

아래 그림은 위성으로 산출한 에어로졸 광학 두께(AOD) 자료인데, 위의 그림과 비슷합니다. 그런데 AOD와 화재의 공간분포가 매우 유사합니다. 아프리카에서는 화석연료 사용보다는 wild fire 영향으로 AOD가 높은 것으로 추정됩니다. 

 

 

중국으로부터의 장거리 이동은 여전히 국내 미세먼지 농도에 큰 영향을 미칩니다. 

황사가 오면 미세먼지 농도가 급증하는데 PM2.5보다는 PM10 등 조대입자의 비율이 훨씬 높습니다. 황사 자체는 사막에서 발원하므로 유해화학물질 차원에서 크게 문제되지는 않습니다. 중금속 농도가 높아질 수 있으나, 지각기원 원소 위주입니다. 그러나 황사가 중국의 공업지역을 통과하면서 인위적으로 배출된 유기오염물질이나 중금속이 황사 입자에 많이 흡착되어 국내로 유입될 수 있습니다. 황사가 아니더라도 중국에서 배출된 미세먼지와 각종 화학물질은 북서풍이 불면 언제라도 국내로 유입됩니다. 

[인포그래픽]‘더 센’ 황사가 온다… 중국발 황사·미세먼지 유입 경로 - 경향신문 (khan.co.kr)

 

 

한편, 미세먼지를 언급할 때, 에어로졸, 미세먼지, 입자, 분진 등의 용어를 사용하는데, 맥락에 따라서 단어 용례에 따라서 상황에 맞게 사용해야 합니다. 아래는 ChatGPT 설명입니다. 

 

에어로졸, 미세먼지, 입자, 분진은 모두 공기 중에 떠다니는 작은 입자를 의미하지만, 그 특성과 정의에 따라 차이가 있습니다. 아래에서 간단히 구분해 설명하겠습니다.

1. 에어로졸 (Aerosol):
   • 공기 중에 떠 있는 고체 또는 액체 입자의 혼합물입니다. 에어로졸은 매우 작은 입자로 이루어져 있으며, 대기 중에서 긴 시간 동안 부유할 수 있습니다. 미세먼지, 물방울, 연기 등이 에어로졸에 속합니다.
2. 미세먼지 (Fine Particulate Matter, PM): Fine particle이라고도 합니다.
   • 대기 중에 있는 직경이 매우 작은 고체 또는 액체 입자입니다. PM은 주로 크기에 따라 PM10 (10μm 이하)와 PM2.5 (2.5μm 이하)로 나뉩니다. 미세먼지는 호흡기 건강에 특히 해롭습니다.
3. 입자 (Particle):
   • 고체 또는 액체 상태의 매우 작은 물질로, 공기 중에 존재할 수 있습니다. 입자는 미세먼지(PM)의 하나로 포함되며, 크기와 상태에 따라 여러 종류가 있을 수 있습니다.
4. 분진 (Dust):
   • 주로 고체 상태의 큰 입자로, 예를 들어 흙, 모래, 금속 부스러기 등이 있습니다. 분진은 주로 바람에 의해 발생하며, 크기가 비교적 크기 때문에 에어로졸이나 미세먼지보다 빠르게 가라앉습니다.

 

미세먼지 크기를 비교하는 가장 유명한 그림입니다.

 

먼지 크기가 작으면 왜 문제일까요? 일단 호흡기에서 잘 걸러지지 않고 폐를 통해 인체에 유입되어 혈관을 타고 온몸 구석구석 다닙니다. 그리고 크기가 작아지면 표면적/부피비가 커지기 때문에 더 효과적으로 오염물질을 흡착합니다. 특히, 유기독성물질들은 PM10 이상의 조대입자보다, PM2.5 이하의 미세입자에 대부분 분포합니다. 아래 그림은 정육면체를 작게 잘랐을 때 표면적/부피비가 증가하는 것을 보여줍니다. 

 

아래 그림은 입경별 입자의 개수와 생성 경로를 종합적으로 보여줍니다. 

PM2.5를 기준으로 미세입자와 조대입자로 구별됩니다. 미세입자는 주로 고온 연소과정에서 1차 배출되고 화학반응을 통해 2차 생성되는 경우가 많습니다. 반면, 조대입자는 주로 기계적인 풍화작용(황사, 해염, 화산재)을 통해 생성됩니다. 그러므로 PM2.5/PM10 농도비가 높으면 인위적 기원의 영향을 많이 받았다고 해석하고, 농도비가 낮으면 자연적 기원의 영향을 많이 받은 것으로 해석합니다. 예를 들어, 황사 기간에는 이 농도비가 매우 작습니다.  

 

미세먼지는 다양한 유기물과 무기물로 구성됩니다. 대부분 무기이온(암모늄과 결합한 황산염과 질산염), 유기탄소, 원소탄소 등으로 구성됩니다. 무기염은 SO2, NO2, NH3와 같은 기체상 오염물질이 이온이 되어 결합한 것으로 생각하면 됩니다. 이와 같이 미세먼지는 다른 오염물질로부터 독립적이지 않습니다. 미세먼지를 포집해서 개별 화학성분을 분석하면 시료별 화학성분 프로필을 만들 수 있습니다. 이 프로필을 이용해서 어떤 오염원 영향을 많이 받았는지 해석할 수 있습니다.

 

에어코리아 등 인터넷에서 실시간으로 확인할 수 있는 미세먼지 농도는 아래와 같은 자동 측정기로 산출합니다. 미세먼지를 계속 포집하면서 1시간 간격으로 필터에 포집된 먼지의 베타선 흡광도를 분석해서 1시간 평균 농도를 계산합니다. 오른쪽 그림과 같이 마치 예전 카세트 테이프와 같이 필터가 시간별로 이동합니다.

 

 

필터를 별도로 수거해서 미량 화학성분을 분석하기도 합니다. 우리 연구실에서는 주로 고용량 대기채취기를 사용해서 많은 양의 먼지시료를 채취해서 먼지 안에 있는 중금속과 유기독성물질을 분석합니다.