Primary and secondary Carbonaceous compositions in Fine aerosols at Ieodo = 이어도 대기 중 미세입자의 탄소 성분 생성 추정

국문 초록 (Abstract)

아시아 대륙으로부터의 장거리 운송 오염물질의 조성을 분석하기 위하여 동중국해 해상에 위치한 이어도 해양과학기지에서 대기 중 미세입자 (PM2.5) 와 오존을 대상으로 측정하였다. 2004년 12월부터 2008년 6월까지 1시간 평균 오존과 기상요소를 측정하였고, PM2.5입자를 필터에 포집하여 무기 수용성 이온분석(140개)과 탄소분석(104개)을 하였다.
PM2.5 평균 질량 농도는 21.8±14.9㎍/㎥로 지역적인 오염원이 없음에도 불구하고 다른 해상 지역에 비하여 비교적 높은 수치를 나타내었다. PM2.5와 오존은 봄철(3,4월)에 높았고 여름철(7,8월) 낮은 유사한 경향을 보였다. 미세입자 내 평균 조성비는 SO42-가 31.3 %로 가장 높았다. OC(유기 탄소)는 비도시 지역인 것을 고려하여 OC 농도에 2.1의 변환 상수를 곱하여 유기물질(OM)로 질량에 대한 조성비를 구하였다. OM이 26.0%로 두 번째로 높았고 EC(원소 탄소)는 5.0%로 총 탄소성분(TC)이 31.0%로 SO42-와 비슷한 수준의 조성비를 나타냈다. PM2.5 질량과 상관성(R)이 0.8로 가장 좋은 SO42-는 봄철(3,4월)에 가장 높았고, OC는 여름철에 가장 높았지만 질량과의 상관성은 높지 않았고 6월의 편차가 가장 커 오염원이 다양하였다. EC의 농도는 7월이 가장 높았다. 요인 분석을 한 결과 총 4개의 성분으로 나눌 수 있었는데, 1번 성분은 NO3-와 Ca2+, Mg2+와 같은 토양 성분들로 이루어졌고 2번 성분은 SO42-, NH4+, 오존으로 2차 생성 물질의 특성을 띄었고, 3번 성분은 OC와 EC의 탄소성분을 나타내었고, 4번 성분은 Na+, Cl-과 같은 해염입자의 특성을 띄었다.
풍계를 8방위로 나누어 살펴본 결과, 대부분의 성분들이 북서풍과 남서풍 사이의 풍계에서 농도가 높았고 동풍계열에서 낮았다. 주요 무기 이온성 물질은 북서풍 계열에서 조성이 높은 반면에, 탄소 물질들은 남서풍-남풍 계열에서 조성이 상대적으로 높았다. 따라서 오염물질들이 중국을 비롯한 아시아 대륙으로부터 유입되었다는 것을 유추할 수 있고 풍계에 따라 주요 물질들의 영향이 다르게 나타났다. 대표적인 고농도 사례를 통한 역궤적 분석(HYSPLIT4) 또한 그것을 뒷받침한다.
OC와 EC를 8가지 탄소성분으로 나누어 분석하여 본 결과, OC2와 EC1이 가장 높았고, OC1과 EC3가장 낮았다. OC1과 OC2는 주로 여름철에 조성이 높은 반면에, EC1과 OC4는 겨울철에 조성이 높은 것이 특징이었다. EC1과 OC4는 11월에 K과 상관성이 높아 생체 소각(biomass burning)을 지시하는 것으로 추정된다. OC/EC는 평균 2.82로 다른 아시아 지역과 비교하였을 때에 평균적인 수준을 타내었다. OC/EC의 최소값을 통하여 SOC를 구한 결과, SOC/OC가 평균 약 60%로 OC는 주로 2차 생성에 대한 기여가 큰 것으로 나타났다. 전체 탄소(TC)의 농도가 높았던 봄철과 겨울철 그리고 서풍과 남풍 계열에서 SOC/OC는 상대적으로 낮게 나타났다. 미세 입자들의 이동 경로와 계절에 따라 OC의 1차 생성과 2차 생성의 영향이 다른 것을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In order to examine the compositions of long range transported pollutants from Asian continent, PM2.5 was measured from December 2004 to June 2008 at Ieodo Ocean Research Station (IORS), which is located in the East China Sea. The number of total samples is 244 for which inorganic ions, elemental carbon (EC) and organic carbon (OC) were analyzed. Along with aerosol species, ozone and meteorological parameters were measured.
The mean PM2.5 concentration was 21.8±14.9㎍/㎥. PM2.5 mass concentration and ozone were the highest in spring and the lowest in summer. Sulfate was most abundant species (31.3%) in these samples. Organic matter (OM=OC*2.1) and elemental carbon constituted 26.0% and 5.0% of PM2.5 mass, respectively. Sulfate was the highest in spring, which has showed good correlation with mass concentrations. OC has showed poor correlation with mass concentrations and it was the highest in summer. EC was also the highest in summer, especially July.
Most of species were elevated when westerly wind prevailed. Major ionic compositions were high at northwest wind direction, whereas carbonaceous species were high at southwest wind direction. This results indicate that concentrations of major species were effected by outflows of East China and HYSPLIT back trajectories of these cases were supported this.
The average OC/EC was 2.82 which is similar with most urban cities in China. Secondary Organic Carbon (SOC) was calculated from using minimum value of OC/EC. In this study, the average SOC/OC was about 60% that implies secondary formation has a large contribution to organic carbon. SOC/CO ratio was relatively low in springtime and wintertime when total carbon concentration(TC) was high as well as in the conditions of westerly and northerly wind directions. Consequently, primary and secondary formations of organic carbons highly depend on the moving paths of fine aerosols and seasons.

목차 (Table of Contents)

• Abstract ⅰ
• List of Figures ⅱ
• List of Tables ⅲ
• List of Appendix ⅳ
• 1. 서 론 1
• 2. 실험 방법 2
• 3. 결과 및 고찰 3
• 3.2 PM 2.5 조성 분포 4
• 3.2.1 조성비 4
• 3.2.2 월별 분포 5
• 3.2.3 요인 분석 6
• 3.3 풍계에 따른 분포 7
• 3.3.1 농도 변화 7
• 3.3.2 풍계의 특성 7
• 3.4 탄소 성분의 특성 9
• 3.4.1 OC와 EC의 성분 분석 9
• 3.4.2 유기 탄소의 2차적 생성 10
• 3.4.3 6월 집중 관측 11
• 4. 결 론 12
• 5. 참고 문헌 14
• 6. Appendix 43