대기 중 전체 오존의 약 10%를 차지하고 있는 대류권 오존은 대류권의 화학구성을 조절하고, 기후를 변화시키며 인체와 식물에 해로운 영향을 끼친다. 이러한 대류권 오존은 최근 동아시아에서 북반구의 다른 중위도 지역보다 더욱 크게 증가하고 있다(Lee et al., 1998). 아시아 대륙의 오존 증가는 지역적으로 국한된 것이 아니라 오존을 비롯해 오존의 전구 물질 수송으로 태평양과 심지어 북아메리카까지 영향을 미치는 것으로 관측되었다(Jacob, 1999). 그러므로 아시아 지역의 대류권 오존 분석과 원인을 규명하는 것이 중요하다. (중략)
대류권오존의 기원은 크게 두 부분으로 나누어진다. 첫 번째, 오존의 전구물질인 CO, NOx, 그리고 non-methan hydrocarbon이 빛과 작용하여 형성되어지는데, 이러한 조건에 부합되는 시기는 태양의 일사량이 풍부하고 온도가 높은 5∼9월경이다. 두 번째는, 제트기류가 위치하는 곳에서 대기의 섭동에 의해 대류권계면 접힘 (tropopause folding) 현상 발생시 오존 전량의 90%가 존재하는 성층권에서 다량의 오존이 대류권으로 유입되기도 한다 (Fishman et al., 1979; Uccellini et al., 1985). (중략)
Fishman et al.(1987)의 연구를 시작으로 인공위성 자료를 이용하여 적도지역의 대류권 오존에 대한 연구가 활발해졌다. 적도지역의 대류권 오존의 분포는 Atlantic Ocean에서 최대값을 가지며 Pacific Ocean에서 최소값을 가지는 wave pattern을 보인다. S. America와 S. Africa에서 연중 dry season(6-9월)에 biomass burning로 인해 대류권 오존의 최대값이 나타난다. 인공위성 자료를 이용한 대류권 오존을 구하는 방법은 다음과 같다. (중략)
대기환경에 대한 오존의 영향이 증대되면서 오존에 대환 관심이 증대되었다. 대류권과 성층권에 존재하는 오존은 서로 상반된 영향력을 미치는 것으로 알려져 있다(Lu et al., 1997). 성층권의 오존은 약 25km 부근 상공에서 최고농도대를 형성하며, 태양으로부터 오는 유해자외선을 차단하는 역할을 한다. 그러나, 대류권에서 오존이 고농도로 존재할 경우는 산화제로서 작용하여 인간, 식물을 비롯한 생태계에 영향을 미친다. (중략)
본 연구에서는 TOMS와 OMI 위성 관측 자료를 SAM 방법에 적용하여 산출한 북반구 여름 동안의 남위 20$^{\circ}$ 에l서 북위 40$^{\circ}$ 지역의 대류권 오존을 공간적 분포와 오존양 차이 및 상관관계 측면에서 비교 및 분석하였다 SAM 방법을 OMI와 TOMS 자료에 적용한 대류권 오존 분포는 모델의 대류권 오존과 오존 전구물질인 CO 분포와 일치하였다. 적도 지역의 경우, 생태계 화재(biomass burning) 영향을 잘 보여주었으며, 중위도 지역의 경우, 중동 지역과 아라비아 해 및 북 남미 대륙의 특징을 잘 보여주었다. SAM 방법을 적용하여 산출한 대류권 오존 분포는 모델의 대류권 오존 분포의 양상과 유사하지만, SAM방법의 대류권 오존 분포는 모델의 대류권 오존 보다 북반구에서 낮게 관측되었으며, 특히 북태평양과 북대서양과 같은 해양 지역에서 더 낮은 경향을 보였다. OMI 자료를 이용하여 산출한 대류권 오존 분포는 TOMS 자료를 이용하여 산출한 대류권 오존 분포보다 높게 나타났으며, 특히 biomass horning 영향을 받는 남반구 적도 지역에서 더 높게 관측되었다. 이러한 차이의 원인은 위성간의 위성각(viewing angle)과 자료 샘플링 빈도 및 a-priori ozone profile이 다르기 때문이라고 사료된다. CO와의 지역별 상관관계는 적도 지역의 경우 SAM 방법을 이용한 대류권 오존과 CO의 상관관계가 모델을 통한 대류권 오존과 CO의 상관관계보다 더 좋은 결과를 보이는 반면, 중위도 지역의 경우 모델과 CO의 상관관계가 더 좋은 결과를 보여주었다.
기후-전구대기화학모델을 이용하여 엘니뇨가 대류권 오존에 미치는 영향을 분석하였다. 40년간(1971-2010) 대류권 오존을 EOF 분석한 결과에서 열대 중앙-동태평양에서 오존의 감소가 관측과 유사하게 잘 모의되었다. 그러나 인도양-인도네시아 부근의 오존 증가는 관측에 비해 약하게 모의되었다. 엘니뇨에 의한 오존변동 과정을 이해하기 위하여 2006년 엘니뇨의 경우를 좀 더 자세히 분석하였다. 엘니뇨의 발생 시 중앙-동태평양의 오존 감소는 활발해진 상승운동과 그에 따른 수증기량 증가로 오존의 체류시간이 짧아졌음에 기인하였다. 해수면 온도 강제력으로 유도된 하강기류 편차와 수증기 감소로 인도양 대류권 상층 오존이 증가하였다.
대류권 오존은 전 세계적으로 인간과 생태계에 막대한 피해를 입히는 오염 물질이다. 국지적인 오존 문제는 발생 지역에서 바람에 의해 풍하 측으로 이동함에 따라 지역적, 전 지구적 문제가 되고 있다. 보다 효율적인 오존 모니터링을 위해서 연속적인 일중 관측이 가능한 정지궤도 위성을 이용하려는 시도가 있어왔다. 이 연구에서는 정지궤도 위성에서 관측될 대류권 오존의 연속적인 관측을 이용하여 대류권 오존 이동벡터(Tropospheric Ozone Movement Vector, TOMV) 산출을 세계 최초로 시도했다. 현재 정지궤도 위성을 이용한 대류권오존 산출물이 존재하지 않기 때문에 대기화학모델인 GEOS-Chem에서 산출된 대류권 오존 자료를 이용하였다. 산출된 오존의 이동 속도는 화학모델에 비해 높은 값이 나왔지만 오염의 이동의 방향은 매우 높은 일치성을 보여주었다. 제시된 알고리즘을 이용하면 오존의 유입 플럭스를 오존의 움직이는 속도와 방향을 이용하여 산출할 수도 있다. 이와 같은 결과는 오염물질의 이동분석에 널리 사용되는 역방향 궤적 방법의 대안으로써 오염물질의 모니터링과 예보에 보다 유용하게 사용될 수 있다. 이와 반대로 오존분포의 경계선이 불분명하면 TOMV 산출에 오차를 발생시킬 수 있기 때문에 이동에 대한 잘못된 정보를 줄 수 있는 것이 이 방법의 한계이다. 그럼에도 불구하고 TOMV 방법은 앞으로 활동하게 될 정지궤도 위성을 이용한 오염 모니터링과 예보에 진일보한 방향을 제시해줄 수 있을 것이다.
대기권 오존의 90%정도가 성층권의 15-30km 부근에 존재한다. 성층권에 존재하는 오존은 대류권에서 생성된 오존과 화학식은 동일하지만 대기 중의 생성과정과 유발시킬 수 있는 피해 정도가 다르다. 성층권 오존은 직접적으로 생체 DNA 변성, 피부암 등을 야기 시키는 자외선을 흡수ㆍ차단시켜 주므로 인간 및 동ㆍ식물에게는 중요한 기체이다. 이러한 성층권 오존이 인간에 의해 배출되는 오염물질 염화불화탄소(CFCs), 할로겐 가스등에 의해 파괴되고 있다. (중략)
본 연구진은 포항지역을 중심으로 1995년부터 1997년의 3년간 오존존데로 관측한 고도별 오존농도 및 오존전량 자료를 이용하여 오존의 수직분포특성에 대한 연구를 수행하였다. 오존의 수직분포를 체계적으로 밝히기 위해, 지상(100m), 대류권(10km), 하부 성층권(20km), 중부 성층권(30km)을 대표 고도로 설정하여 오존농도의 시 ${\cdot}$ 공간적 분포특성에 대한 비교분석을 시도하였다. 지상(100m) 오존의 경우, 포항제철이 인접해 있음에도 불구하고, 전반적으로 청정지역에서와 유사한 농도분포를 유지하였다. 봄과 여름에 높고 가을과 겨울에 낮은 농도분포는 기상인자들과의 상관성을 고려할 때, 대체로 광화학 반응에 의한 결과로 보여진다. 대류권(10km) 및 하부 성층권(20km)의 경우 춘고하저(春高夏低)의 전형적인 북반구 대류권 오존의 시간적 경향성을 나타내었다. 이는 고도별 오존농도간의 분석결과 성층권 오존의 대류권 이동 및 광화학 반응과 역전층 형성에 의한 결과로 추정된다. 중부 성층권(30km) 오존의 경우 지상 오존의 농도분포 경향과 매우 유사한 월주기 및 계절주기를 취하였다. Brewer 분광광도계에 의한 오존전량은 성층권 오존량 (Umkehr 법)에 의해 크게 좌우되며, 오존전량은 유해자외선 (UV-B)과의 상관성은 미미하나, 운량과는 음의 상관성을 갖는 것으로 나타났다. 본 연구의 결과 지상권뿐만 아니라 대류권 및 성층권 오존의 시간적 특성을 이해하는데 있어 포항이 해안도시라는 지리학적인 요인이 매우 중요하다는 점을 확인할 수 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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