미세먼지란 무엇인가?

이 글은 국립보건연구원 미세먼지 대응 질환 예방관리 연구 포럼의 의뢰로 작성한 원고입니다. 

내년에 단행본 도서로 출판될 예정입니다. 추후 저작권 관련 요청이 있으면 비공개로 전환하겠습니다. 

미세먼지란 무엇인가?

울산과학기술원(UNIST) 지구환경도시건설공학과 최성득 교수

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1. 미세먼지의 정의와 대기환경기준

입자상 물질(Particulate Matter, PM)은 대기 중 부유하는 고체 및 액적 입자상 물질을 총칭하는 용어이다. 이러한 입자상 물질은 크기가 작을수록 호흡기 깊숙이 침투하여 건강 영향이 더 크다. 국내 「대기환경보전법」에서는 "먼지"를 대기 중에 떠다니거나 흩날려 내려오는 입자상 물질로 정의한다. 「미세먼지 저감 및 관리에 관한 특별법」은 "미세먼지"를 입자의 지름이 10 μm 이하인 먼지(PM-10: 미세먼지)와 입자의 지름이 2.5 μm 이하인 먼지(PM-2.5: 초미세먼지)로 정의한다. 미세먼지의 크기는 머리카락 굵기(50 μm)에 비해 PM10 기준으로는 5배, PM2.5 기준으로는 20배 작은 수준이다.

 

그림 1. 미세먼지 크기 비교 (출처: 미국 환경청, https://www.epa.gov/pm-pollution/particulate-matter-pm-basics)

 

이와 같이 국내에서는 PM10을 미세먼지, PM2.5를 초미세먼지라고 부르며, 이를 합쳐서 일반적으로 미세먼지라고 지칭하고 있으나, 국제적으로 PM10은 조대입자(coarse particle) 또는 흡입성 입자(inhalable particle), PM2.5는 미세입자(fine particle), PM0.1은 초미세입자(ultrafine particle)로 지칭한다. 2017년 환경부는 용어 혼선을 줄이기 위해 PM10을 부유먼지, PM2.5를 미세먼지로 하는 「대기환경보전법」 개정을 검토했으나, 국가 차원의 혼선을 우려하여 현행 정의를 유지하였다. 그럼에도 불구하고 학계에서 통용되는 과학적인 용어로서 미세먼지는 PM2.5를 의미한다. 본 장에서는 '미세먼지'를 여러 입경 크기를 모두 포함하는 일반 용어로 사용하고자 한다.

미세먼지는 건강영향(호흡기 질환, 심혈관계 질환, 폐암 등)뿐만 아니라 환경 피해도 유발하므로 세계보건기구(World Health Organization, WHO)와 같은 국제 기구와 국가별로 대기환경기준이 설정되어 있다(US EPA, 2024; WHO, 2021). 일반적으로 PM2.5와 PM10에 대해 24시간 평균과 연간 평균 기준이 설정되어 있다. 국내 기준은 다른 국가와 유사한 수준이지만, WHO 기준에 비해서는 높은 편이다. 2024년 전국 PM2.5 연평균 농도는 15.6 μg/m³으로 관측 이래 가장 낮은 수치를 기록하였으며 국내 연평균 기준을 약간 초과하였다. 그러나 미국(9 μg/m³)과 WHO(5 μg/m³) 연평균 기준과 비교해서는 여전히 높은 편이다.

 

표 1. 미세먼지 환경대기 농도 기준 (μg/m³)

국가/기구 PM10 (24시간) PM10 (연간) PM2.5 (24시간) PM2.5 (연간)

한국	100	50	35	15
미국	150	없음	35	9
일본	100	없음	35	15
중국	150	70	75	35
EU	50	40	없음	25
WHO	45	15	15	5

한편, 환경부는 통합대기환경지수를 개발하여 미세먼지 농도 수준을 쉽게 파악하고 행동지침을 확인할 수 있게 하였다. 미세먼지 예측 농도에 따라 4개 구간(좋음, 보통, 나쁨, 매우 나쁨)으로 나누고 민감군과 일반인에 대한 행동지침을 마련하였다.

 

표 2. 미세먼지 농도 구간별 등급과 행동요령

구분 좋음 보통 나쁨 매우 나쁨

예측농도 PM10 (㎍/m³, 1일)	0–30	31–80	81–150	150 초과
예측농도 PM2.5 (㎍/m³, 1일)	0–15	16–35	36–75	75 초과
행동요령(민감군)	실외활동 제약 없음	몸 상태에 따라 유의하여 활동	장시간·무리한 실외활동 제한, 천식환자는 흡입기를 더 자주 사용	가급적 실내활동만 하고, 실외활동 시 의사와 상의
행동요령(일반인)	–	–	장시간·무리한 실외활동 제한, 눈이 아프거나 기침·목 통증이 있으면 실외활동 회피	장시간·무리한 실외활동 제한, 기침·목 통증이 있으면 실외활동 회피

(출처: 에어코리아 홈페이지, https://airkorea.or.kr/web/)

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2. 미세먼지 생성

미세먼지는 1차 배출되거나 2차 생성된다. 1차 배출은 미세먼지가 대기 중으로 직접 배출되는 것을 의미하며 인위적 배출원(산업, 교통, 발전, 난방 등)과 자연적 배출원(산불, 황사, 화산재, 해염, 꽃가루, 토양 등)이 있다. 인위적으로 생성된 미세먼지는 대부분 PM2.5 범위에 해당하며, 자연적으로 생성된 미세먼지는 PM10의 비중이 높다.

2차 생성은 대기 중 기체 상태 물질이 화학반응을 통해 입자로 전환되는 과정이다. 2차 생성 입자는 무기성 입자와 유기성 입자로 나뉜다. 무기성 입자는 이산화황(SO2), 질소산화물(NOX), 암모니아(NH3) 등이 반응하여 황산화암모늄((NH4)2SO4)과 질산화암모늄(NH4NO3)으로 전환된 무기염이다. 또한, 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs)은 OH 라디칼, 오존(O3) 등과 반응하여 유기성 입자를 생성한다.

그림 2. 미세먼지 1차 배출 및 2차 생성

 

\PM2.5 이하 먼지는 주로 고온 연소 과정에서 1차 배출되거나 대기 중 광화학반응을 통해 2차 생성되는 경우가 많다. 반면, PM10 이상의 조대입자는 주로 기계적인 풍화작용(황사, 해염, 화산재 등)을 통해 생성된다(US EPA, 2025). 그러므로 PM2.5/PM10 농도비가 높으면 인위적 기원의 영향을 많이 받은 것으로, 농도비가 낮으면 자연적 기원의 영향을 많이 받은 것으로 해석한다. 예를 들어, 황사 기간에는 이 농도비가 매우 낮다(김필호 외, 2024).

아래 그림은 대기 중 입자의 개수가 입경에 따라 어떻게 분포하는지를 나타낸 개념도이다. 일반적으로 대기 에어로졸은 입경에 따라 세 영역으로 구분되며, 각각의 영역은 서로 다른 생성 및 제거 메커니즘을 가진다. 세 개의 봉우리(peak)는 각각 핵생성 구간, 축적 구간, 조대 구간에 해당한다.

• 핵생성 구간(nucleation mode, < 0.01 μm): 고온에서 발생한 증기상 물질이 냉각되면서 대기 중 화학반응으로부터 생성된 저휘발성 화합물이 응축하면서 초미세 입자가 생성된다. 이들 초미세 입자는 서로 충돌하여 응집하거나, 주변의 응축성 기체를 흡수하여 성장한다.
• 축적 구간(accumulation mode, 0.01~1 μm): 응결 성장과 응집 과정을 통해 입자가 형성된다. 강우에 의한 세정이 주요 제거 메커니즘이다. 이 영역의 입자는 대기 중에서 상대적으로 장기간 체류하며, PM2.5를 주로 구성한다.
• 조대 입자 구간(coarse mode, > 1 μm): 주로 기계적 과정을 통해 생성되는 해염 입자와 화산재 등을 포함한다. 입경이 크기 때문에 주로 중력 침강으로 대기에서 빠르게 제거된다.

그림 3. 대기 입자의 대표적인 크기 분포와 입자 생성 경로 및 주요 발생원 (출처: Vallero, 2014)

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3. 미세먼지 농도 추세

현재 국내에서 환경대기 중 미세먼지 농도는 배출원 관리 강화, 석탄 사용 저감, 차량 배출 규제 강화 등 다양한 대기질 개선 정책으로 지속적으로 감소하고 있다(여민주 외, 2019). 예를 들어, 2012년부터 2023년까지 서울시 불광동에 위치한 국립환경과학원 수도권대기환경연구소에서 측정한 PM10과 PM2.5 농도는 뚜렷한 감소 추세를 보이고 있다. 두 입자상 물질 모두 뚜렷한 계절적 변동을 보이며, 전반적으로 시간이 지남에 따라 농도가 점차 감소하는 추세를 나타낸다. 일반적으로 국내에서는 겨울과 봄에 미세먼지 농도가 높고, 여름과 가을에는 낮은 경향을 보인다(Kim et al., 2017). 이는 계절에 따른 대기확산 조건과 먼지 배출 특성의 차이에서 기인한다. 겨울에는 국내·외 난방연료 사용 증가, 낮은 대기 혼합고, 북서 계절풍으로 인한 대기오염물질 장거리 이동 등으로 인해 미세먼지가 대기 중에 축적되기 쉽다. 봄에는 중국 및 몽골 지역에서 발생한 황사와 대기오염물질 장거리 이동의 영향으로 미세먼지 농도가 일시적으로 증가할 수 있다. 반면 여름에는 난방연료 사용 감소, 강수, 높은 대기 혼합고, 태평양 고기압의 확장 등으로 인해 미세먼지가 효과적으로 제거되어 농도가 낮아진다.

그림 4. 2012~2023년 서울시 미세먼지 월평균 장기 추세 (자료: 수도권대기환경연구소 제공)

 

다음 그림은 2014년부터 2023년까지의 일평균 PM2.5 농도의 시간적 변동 특성을 시각적으로 나타낸 히트맵이며, 이 그림을 통해 일 단위의 변동성과 고농도 발생 시점을 종합적으로 파악할 수 있다. 대부분의 연도에서 1~4월 사이에 고농도 사례가 집중되어 나타나며, 이는 겨울철 난방과 봄철 황사, 국외 장거리 이동 미세먼지의 영향을 의미한다. 반면 여름에는 강수와 활발한 대기 혼합으로 인해 농도가 낮은 편이다. 연도별 경향을 비교하면, 2014년 이후 고농도 사례의 빈도와 지속 기간이 뚜렷하게 줄어드는 경향을 확인할 수 있다. 이는 일평균과 연평균 농도 감소뿐만 아니라 고농도 오염 사례 자체가 줄어들고 있음을 의미한다.

그림 5. 2012~2023년 서울시 미세먼지 일평균 장기 추세 (자료: 수도권대기환경연구소 제공)

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4. 미세먼지 성분

미세먼지는 다양한 유기물과 무기물로 구성된 복합적인 입자상 물질로, 크게 이온 성분, 탄소 성분, 금속 성분으로 구분된다(김용표, 2017). 아래 그림은 2012년부터 2023년까지 서울시에서 관측된 PM2.5 주요 성분의 평균 구성비를 나타낸 것이다. PM2.5 질량 농도의 가장 큰 비중을 차지하는 성분은 질산이온(NO3-, 29%)과 황산이온(SO42-, 23%)이며, 이 두 성분은 주로 질소산화물(NOX)과 황산화물(SOX)의 대기 중 산화반응을 통해 생성된다. 이와 함께 암모늄이온(NH4+)이 약 17%를 차지하여, 질산염 및 황산염과 결합해 안정한 암모늄염 형태로 존재한다. 이러한 2차 무기이온(secondary inorganic ions)들은 전체 PM2.5 질량의 절반 이상을 차지한다.

탄소 성분으로는 유기탄소(OC, 18%)와 원소탄소(EC, 6%)가 있다. 유기탄소는 다양한 1차 배출원(예: 연료 연소, 생체 연소)과 2차 생성에서 기인하며, 다이옥신류나 다환방향족탄화수소(PAHs) 등의 미량 유기오염물질도 포함한다. 실제로 미세먼지 내에서 탄소는 다양한 원소(수소, 산소, 질소, 황 등)와 결합되어 있는 유기물질(OM) 형태로 존재한다. 따라서 PM2.5 질량 농도 차원에서는 유기탄소에 농도 환산 계수를 곱하여 유기물질 농도를 추정할 수 있다. 원소탄소는 주로 연료의 불완전연소에서 발생하는 검댕과 같은 물질로, 대기 중 열과 복사 에너지 균형에 영향을 미친다. 그 외에 금속 성분(Metals, 3%)과 기타 이온(Other ions, 4%)이 상대적으로 적은 비율을 차지하지만, 이들은 인체 건강과 대기화학에서 매우 중요한 역할을 한다(이상진 외, 2018).

그림 6. 2012~2023년 서울시 미세먼지 주요 성분 평균 구성비 (자료: 수도권대기환경연구소 제공)

 

미세먼지의 구성 성분은 지역과 계절에 따라 크게 달라질 수 있다(박재훈 외, 2023). 예를 들어, 황사 기간에는 중국과 몽골 지역에서 유래한 먼지로 인해 토양 기원의 무기성분(예: Si, Al, Ca) 농도가 높게 나타난다. 해안 지역에서는 해염 입자 영향이 증가하여 Na+와 Cl- 비율이 높다. 석탄 사용량이 많은 산업지역에서는 SO42-, NO3-, EC 등의 농도가 상대적으로 높게 나타나며, 도시 지역에서는 자동차 배출로 인해 NO3-, OC, EC가 주요 성분으로 나타난다. 계절별로는 겨울철 난방과 난방용 화석연료 사용 증가로 SO42-, NO3-, EC 농도가 증가하고, 여름철에는 광화학 반응이 활발하여 2차 유기탄소와 NO3- 농도가 증가하는 경향을 보인다. 또한, 미량 금속인 비소(As), 셀레늄(Se)은 석탄연소 지시자로, 바나듐(V)과 니켈(Ni)은 중유연소 지시자로도 알려져 있다. 이와 같이 미세먼지 질량 농도뿐만 아니라 성분 정보를 바탕으로 먼지의 주요 배출원 영향 등을 파악할 수 있다(Lee et al., 2023).

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5. 장거리 이동

미세먼지는 국지적 배출원뿐 아니라 장거리 대기 이동을 통해 다른 지역에서 유입될 수 있다(이호영 외, 2022). 아래 그림에서 볼 수 있듯이, 동북아시아에서 가장 중요한 미세먼지 배출 국가는 중국이며, 주요 배출 지역은 중국 동부에 위치한다. 따라서 북서풍이 부는 계절에는 한반도가 풍하 지역에 해당하여, 여름을 제외한 대부분의 계절 동안 중국으로부터 유입되는 장거리 이동 미세먼지의 영향을 받는다.

그림 7. 2022년 동북아시아 PM2.5 배출 지도 (자료 출처: EDGAR - Emissions Database for Global Atmospheric Research, https://edgar.jrc.ec.europa.eu)

 

동북아시아 지역은 계절풍의 영향을 강하게 받기 때문에 국외 오염원의 기여를 고려하는 것이 필수적이다. 겨울철과 초봄에는 중국 북부 및 동부 지역의 대기오염물질이 편서풍을 타고 한반도로 이동한다. 특히 '서고동저형 기압배치'가 형성되면 대기 정체와 안정층이 강화되어, 국외 유입 오염물질이 국내 배출 오염물질과 결합해 고농도 미세먼지 현상을 초래한다(지준범 외, 2022). 여름철에는 남서풍과 장마전선의 영향으로 해양 기류가 유입되고, 강수 빈도가 높아 세정 효과가 뚜렷하다. 가을철에는 대륙고기압의 확장으로 건조하고 안정된 대기 조건이 이어지며, 북서풍 계열의 바람을 통해 중국 북부의 오염물질이 한반도로 이동하기 쉽다.

다음 그림은 2023년 서울시의 PM2.5 농도에 영향을 미치는 장거리 오염원의 잠재적 기여 지역을 나타낸다. 농도 가중 궤적(Concentration Weighted Trajectory, CWT) 분석에서는 관측지점으로 유입된 공기 궤적에 PM2.5 농도를 가중하여 계산하므로, 고농도 오염 공기가 주로 통과한 지역을 확인할 수 있다(이호영 외, 2022). 그림 (a)에서 붉은색으로 표시된 지역은 서울의 고농도 PM2.5가 주로 중국 산둥반도 및 랴오둥반도 일대를 거쳐 유입되었음을 시사한다. 잠재적 오염원 기여 함수(Potential Source Contribution Function, PSCF) 분석은 오염물질의 농도가 일정 기준 이상일 때, 해당 공기 궤적이 통과한 격자 내 체류 빈도를 확률로 나타낸 것이다. 그림 (b)에서 붉은색으로 표시된 지역은 PM2.5 고농도 사례가 자주 발생한 잠재적 배출 기여 지역을 의미하며, 역시 중국 동부 지역이 주요 오염원일 가능성이 높음을 보여준다. 두 결과 모두, 서울의 PM2.5 농도가 단지 국내 배출뿐 아니라 국외 장거리 이동 오염원의 영향을 크게 받음을 시사한다.

그림 8. 2023년 서울시 PM2.5 농도에 영향을 미치는 장거리 오염원: (a) 농도가중역궤적(CWT), (b) 잠재적 오염원 기여 함수(PSCF) (자료: 수도권대기환경연구소 제공)

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6. 요약 및 결론

미세먼지는 대기 중 부유하는 고체 및 액적 입자로, 입자가 작을수록 호흡기 침투와 건강 영향이 크다. 국내에서는 PM10을 미세먼지, PM2.5를 초미세먼지로 정의하며, 국제적으로는 건강 영향과 기후 효과 측면에서 PM2.5가 주로 연구된다. 우리나라의 미세먼지 농도는 지속적으로 감소하고 있으며, 2024년 국내 PM2.5 연평균 농도는 15.6 μg/m³으로 국내 기준(15 μg/m³)을 약간 초과하고 있으나, WHO 기준(5 μg/m³)과 비교해서는 여전히 높은 수준이다.

미세먼지는 1차 배출과 2차 생성을 통해 발생한다. 1차 배출 미세먼지는 산업, 교통, 난방, 황사, 해염 등에서 직접 발생하며, 2차 생성의 경우에는 대기 중 기체 상태 물질의 화학반응으로 무기 및 유기 입자가 형성된다. 미세먼지의 주요 성분은 질산염(NO3-), 황산염(SO42-), 암모늄(NH4+), 유기탄소(OC), 원소탄소(EC) 등이며, 주요 미량 독성물질(중금속, 유기독성물질)도 포함되어 있다. 이러한 성분비는 지역·계절·배출원 특성에 따라 달라진다. 또한, 미세먼지는 국내 배출뿐만 아니라 장거리 이동을 통해 국외 오염원 영향도 크게 받는다.

결론적으로 미세먼지는 다양한 기원과 생성 과정을 거치며, 지역적 배출원과 계절적 요인뿐 아니라 장거리 이동에 의해 농도와 성분이 변동한다. 따라서 건강 및 환경 영향을 평가하고 효과적인 저감 정책을 수립하기 위해서는 질량 농도 측정뿐 아니라 성분 분석과 기원 파악이 필수적이다.

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참고문헌

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