버스중앙차선 정류장의 대기오염특성을 주거지역에 위치한 도시대기측정소에 비교 분석하기 위해 선정한 측정지점 및 구간은 그림 1 및 표 1과 같다. 고양시 중앙로는 서울시 수색 성산로와 연결되는 구간으로 서울시 경계로부터 약 15.6 km를 버스중앙차선제로 운영하고 있다. 측정지점은 일산소방서 정류장이며 측정결과는 직선거리 약 3.5 km 떨어진 식사동 도시대기측정소에서 자동측정된 자료와 비교 분석하였다. 구리시 경춘로는 서울시 망우 왕산로와 연결되는 구간으로 서울시 경계로부터 약 3.1 km를 버스중앙차선제로 운영하고 있다. 측정지점은 구리역 정류장이며 측정결과는 직선거리 약 1.6 km 떨어진 교문동 측정소에서 자동측정 된 자료와 비교 분석하였다.

Fig. 1. 
Location of sampling site.

남양주시 경춘로는 구리시 경춘로와 연결되는 구간으로 구리시 경계로부터 약 2.4 km를 버스중앙차선제로 운영하고 있다. 측정지점은 도농역 정류장이며 측정결과는 직선거리 약 4.0 km 떨어진 금곡동 도시대기측정소에서 자동측정 된 자료와 비교 분석하였다. 하남시 하남대로는 서울시 천호대로와 연결되는 구간으로 서울시 경계로부터 약 4.3 km를 버스중앙차선제로 운영하고 있다. 측정지점은 장지마을 정류장이며 측정결과는 직선거리 약 0.6 km 떨어진 신장동 도시대기측정소에서 자동측정 된 자료와 비교분석하였다.

버스중앙차선에서 대기오염 농도 측정은 경기도보건환경연구원이 보유하고 있는 대기오염 이동측정차량(Mobile Air Monitoring Vehicle)을 이용하였다. 측정차량은 가스상 및 입자상 대기오염물질을 측정할 수 있는 측정기기를 탑재한 것으로 현장에서 실시간으로 측정이 가능하며 이동성이 뛰어나고 환경오염물질 피해 현장 등에 적용하기에 탁월하다. 측정항목 및 측정방법은 표 2와 같으며 모든 측정 장비는 환경 분야 시험검사에 관한 법률에 의거 매년 정도검사를 시행하여 신뢰성 있는 자료를 생산할 수 있다. 측정기간은 2012년 9월과 2013년 9월 각 1일씩 2회 측정하였으며 1회 측정시간은 지점별로 오전 10시부터 16시까지 5~6시간동안 가스상 물질은 5분, PM₁₀은 1시간 간격으로 측정하여 같은 시간 가장 인접한 도시대기 자동측정소 자료와 비교분석하였다. 비교대상 항목은 최근 대기 농도가 개선되지 않고 자동차 배출가스의 영향을 비교적 많이 받고 있는 이산화질소(NO₂)와 오존(O₃) 및 미세먼지(PM₁₀)를 대상 항목으로 선정하였다.

이산화질소(NO₂)는 일반 대기오염물질 중에서 가장 제어하기 힘들고 저감기술이 어려운 물질로 잘 알려져 있다. 대부분 연료의 연소과정에서 배출되지만 아무리 청정한 연료라 하더라도 배출되는 특징이 있다. 이것은 공기 중의 질소와 산소가 고온의 연소과정에서 생성되는 열적 질소산화물 (Thermal NO_x) 때문이다.

대도시에서 질소산화물의 배출은 대부분 이동오염원에서 배출된다. 우리나라의 경우 이동오염원의 질소산화물 배출비율은 국가 전체로는 전체배출량의 56%이며 서울과 같은 대도시는 69%를 차지하는 것으로 알려져 있다(MOE, 2011).

중앙차선 버스 정류장에서 측정한 이산화질소의 오염특성은 표 3과 같다. 측정기간 중 지역별 평균 농도 범위는 0.025~0.043 ppm으로 대조군으로 선정한 도시대기측정소 농도보다 최소 2.5배에서 최고 5.3배까지 높은 농도를 나타냈다. 평균 농도 차이가 가장 큰 지역은 하남시 하남대로 장지마을 버스 정류장으로 약 0.6 km 떨어진 신장동 도시대기 측정소에서 자동측정된 농도와 비교하여 5.3배 높은 결과를 나타냈다. 반면 가장 낮은 농도 차이를 나타낸 지역은 구리시 경춘로 구리역 버스 정류장으로 0.025 ppm을 나타내 약 1.6 km 떨어진 교문동 자동 측정소에서 측정된 0.010 ppm보다 2.5배 높은 농도를 나타냈다. 측정지역 4개소 중 평균 농도가 가장 높은 중앙차선 버스 정류장은 고양시 중앙로 일산 소방서 정류장으로 0.043 ppm을 나타냈으며, 연구대상 4개 지역 평균 0.034 ppm보다 약 23% 높은 결과를 나타냈다(그림 2). 연구대상 모든 지역에서 도시대기측정소보다는 높은 농도를 나타냈지만 국가 단기 환경기준(0.1 ppm/h)을 초과한 지역은 없었다. 본 연구에서 측정한 이산화질소 평균 농도는 Oh et al. (2006)이 서울시에서 조사한 0.065~0.083 ppm보다는 낮은 농도를 나타냈다. 이것은 교통량이 많은 서울시내와 외곽도시에서 자동차에 의한 오염물질 배출경향이 다르기 때문으로 판단된다.

Fig. 2. 
Average of NO₂ (ppm) in urban air monitoring station and center lane bus stop.

도로내부로 배출되는 질소산화물 (NO_x)은 대부분 자동차의 엔진 내 연소과정에서 발생하며, 배출되는 NO_x 중 NO₂가 차지하는 비율은 최대 67%이며(Alvarez et al., 2008), 런던의 도로변 관측결과에서는 평균 11% (최소 3%, 최대 24%)로 알려진 바 있다(Carslaw and Beevers, 2005). Ha (2011)가 연구한 자료에 의하면 NO₂는 인도가 도로 중앙보다 평균 28% 낮았고 NO₂ 1시간 기준 0.100 ppm을 초과하는 횟수는 도로변 인도가 도시 대기보다 8.4배 많았다. 본 연구에서 나타난 결과를 보면 주거지역이나 상업지역에 위치하고 있는 도시대기측정소보다 중앙차선 버스 정류장의 NO₂ 농도가 훨씬 높게 나타나는 것은 선행 연구자들의 연구결과와 같은 양상을 보이고 있다. 따라서 중앙차선 정류장을 이용하는 시민이나 도로 주변에 거주하거나 보행하는 사람들의 NO₂로 인한 건강 영향이 우려된다고 할 수 있다.

VOCs와 NO_x가 풍부한 대도시에서는 과다한 양의 O₃이 생성되어 대기질을 저하시키며 인체 호흡기에 악영향을 미치고 온실기체로서 기후변화에도 크게 기여하는 것으로 판명되었다 (IPCC, 2007, 2001). 오존은 지표 근처의 여러 오염원에서 배출되는 NO_x와 휘발성 유기화합물(VOCs)이 광화학 반응에 의하여 생성 된다는 것은 잘 알려져 있다. 또 오존 생성에 기여하는 NO_x의 대부분은 이동오염원인 자동차로부터 배출되기 때문에 중앙차선 버스 정류장의 오존농도 특성을 알아보는 것은 오존의 생성과 소멸과정을 이해하는데 매우 유용하다고 할 수 있다.

중앙차선 버스 정류장에서 측정한 오존의 오염특성은 표 4와 같다. 측정기간 중 지역별 평균 농도 범위는 0.023~0.034 ppm으로 나타나 대조군으로 선정한 도시대기측정소 농도보다 3~28% 낮은 농도를 보였다. 농도 편차가 가장 크게 나타난 지역은 하남시 하남대로 장지마을 버스 정류장으로 약 0.6 km 떨어진 신장동 도시대기 측정소에서 자동측정 된 농도와 비교하여 28% 낮은 결과를 나타냈다. 반면 가장 낮은 농도 편차를 나타낸 지역은 구리시 경춘로 구리역 버스 정류장으로 0.032 ppm을 나타내 약 1.6 km 떨어진 교문동 자동 측정소에서 측정된 0.033 ppm보다 3% 낮은 농도를 나타냈다. 4개 대상지역 중 평균 농도가 가장 높은 중앙차선 버스 정류장은 고양시 중앙로 일산 소방서 정류장으로 0.034 ppm을 나타냈으며 4개 지역 평균 0.029 ppm보다 약 17% 높은 결과를 나타냈다(그림 3). 조사한 모든 지역에서 도시대기측정소보다는 낮은 농도를 나타냈으며 국가 단기 환경기준(0.1 ppm/hr)을 초과한 지역도 없었다.

Fig. 3. 
Average of O₃ (ppm) in urban air monitoring station and center lane bus stop.

중앙차선 버스 정류장이 일반 도시대기 측정소보다 오존 농도가 낮은 것은 차량에서 배출된 NO가 NO₂로 산화되는데 오존이 사용되었기 때문인 것으로 판단된다. 오존생성률(ozone production efficiency)은 NO₂/NO 비에 의존하며 대기 중에서 오존 농도 축적에 따른 고농도의 오존은 대부분의 NO가 NO₂로 전환된 후에 일어난다 (Boubel et al., 1994). 중앙차선 버스 정류장과 주변지역의 NO₂/NO 비를 조사한 결과는 그림 4와 같다. 중앙차선 버스 정류장은 자동차 배출가스의 영향으로 NO₂/NO 비가 매우 낮게 나타난 반면 도로에서 멀리 떨어진 주변지역은 NO가 NO₂로 충분히 전환되어 NO₂/NO 비는 높게 나타나는 것을 알 수 있다. 또 오존농도는 NO₂/NO 비와 비례적인 결과를 나타내는 특성을 보였다. 즉 NO₂/NO 비가 낮은 중앙차선 버스 정류장의 오존 농도는 낮게 나타났고 NO₂/NO 비가 높은 도시대기측정소는 높은 오존농도를 나타냈다. 또 중앙차선 버스 정류장의 NO₂ /NO 비가 낮을수록 주변지역의 오존농도가 높게 나타나는 특성을 보였다. 이것은 중앙차선 버스 정류장에서 자동차 배출가스에 의해 배출된 많은 양의 NO가 NO₂로 전환되어 주변지역으로 이동하면서 광분해 되어 O 라디칼을 거쳐 오존이 생성되기 때문인 것으로 판단된다. 우리나라 대기 중 오존과 NO₂ 농도를 비교하면 2005년을 기점으로 후반 7년 동안 오존은 증가하였으나 NO₂ 농도는 감소하였다. 이는 오존의 증가가 NO₂의 감소와 관련되며 이러한 결과는 오존의 광화학적 생성의 복잡성(nonlinearity)을 보여주는 것이다(Han et al., 2013).

Fig. 4. 
Average of NO₂/NO ratio in urban air monitoring station and center lane bus stop.

대도시 대기오염물질의 대부분은 도로를 운행하는 차량에서 배출되고 있는 것으로 알려져 있다. 지난 50년간 세계 차량 증가율(약 10배 이상)은 인구 증가율(2배)을 훨씬 능가하였다. 우리나라의 경우 2012년도 자동차 등록대수가 자가용 17,747 천대, 영업용 차량 1,052 천대, 관용차량 7.1 천대로 총 18,871 천대를 넘어섰다 (Ministry of environment, 2013). 인구밀도가 높고 자동차 운행대수가 많은 서울과 수도권은 지방보다 대기질의 악화 정도가 상대적으로 심각하다고 할 수 있다. 이러한 이동오염원에서 발생하는 미세먼지는 시민들과 매우 가까운 위치에 존재하고, 실제로 인체에 직접적인 영향을 미치고 있다(Lim et al., 2009). 자동차의 통행량이 많은 도심의 도로중앙에 위치한 중앙차선 버스 정류장은 일반자동차와 버스 같은 대형자동차에서 배출되는 미세먼지의 영향을 직접 받을 수 있으며, 정류장을 이용하는 시민들은 건강에 악영향을 초래할 수 있기 때문에 자동차 영향을 가장 많이 받는 중앙차선 버스 정류장에서 미세먼지 오염특성을 파악하는 것은 매우 중요하다.

중앙차선 버스 정류장에서 측정한 미세먼지의 오염특성은 표 5 및 그림 5와 같다. 연구대상 4개 지역의 미세먼지 평균 농도는 28 μg/m³으로 대조군으로 선정한 도시대기측정소 평균 농도 22 μg/m³보다 약 27% 높은 농도를 나타냈다. 농도범위는 최대 34 μg/m³에서 최소 23 μg/m³으로 연구대상 모든 지역에서 도시대기 측정소 보다 높은 값을 나타냈지만 국가 단기 환경기준 (100 μg/m³∙일)을 초과한 지역은 없었다. Ha (2011)가 연구한 자료에 의하면 PM₁₀은 도로변인도가 도로 중앙보다 평균 11% 낮았고 PM₁₀ 일평균 대기환경기준 100 μg/m³을 초과하는 횟수는 도로변인도가 도시 대기보다 2.4배 많았다. 본 연구에서 나타난 결과와 비교하면 농도 차이는 크지는 않았지만 대기환경기준 초과횟수는 비교적 크게 나타났다. 이것은 측정기간과 횟수 (2009년 분기별 1~2주 15지점)가 다르기 때문에 나타나는 차이로 판단된다.

Fig. 5. 
Average of PM₁₀ (μg/m³) in urban air monitoring station and center lane bus stop.

중앙차선에서 미세먼지 농도가 높아지는 이유는 자동차 배출가스의 영향과 차량이 이동할 때 발생되는 비산먼지의 영향이 크기 때문이다. 정부에서는 DPF (Diesel Particulate Filter) 부착을 의무화 하는 등 최선의 정책을 내놓고 있지만 대도시미세먼지 오염도는 개선되고 있지 않는 실정이다. 특히 본 연구에서도 나타난 바와 같이 대도시의 중앙차선 버스 정류장의 미세먼지 오염도는 일반 도시대기질보다 훨씬 심각한 것으로 파악되었다. 따라서 자동차로 인한 화석연료의 소비량을 줄이고 디젤 차량을 CNG 차량으로 점차 바꾸어 나가야 하며 전기 자동차, 하이브리드 자동차의 확대와 태양에너지, 풍력 등과 같은 자연 에너지를 사용하는 기술을 발전시켜 미세먼지 배출량을 줄이는 근본적인 대책이 필요하다고 하겠다.

중앙차선 버스 정류장과 가장 인접한 도시대기측정소에서 측정한 대기오염 자료에 대한 상관성을 지역별로 분석하였다. 그림 6에 나타난 바와 같이 이산화질소 상관계수는 두 지점간의 거리가 가장 가까운(0.6 km) 하남지역의 상관계수가 0.416으로 가장 높게 나타났으며 떨어진 거리가 가장 긴(4.0 km) 남양주지역의 상관계수는 0.316으로 가장 낮았다. 이것은 도로중앙 자동차에서 배출된 NO가 오존의 적정(titration) 반응에 의해서 빠르게 NO₂로 산화하면서 가까운 지역에는 직접적인 농도 증가 현상이 나타나지만 거리가 멀어질수록 NO₂가 광분해하면서 농도가 감소하기 때문인 것으로 판단된다. Sillman (1999)이 연구한 자료에 의하면 오존 농도가 감소하는 현상인 NO 적정(titration)에 의해 낮 시간대에 NO_x 배출량이 많은 오염원 인근 지역에서 O₃ 농도가 감소될 수 있다고 하였다. 즉 감소된 오존과 NO의 영향으로 도로를 인접하고 있는 지역의 NO₂ 농도는 증가하며 도로에서 거리가 멀어질수록 감소한다는 것이다.

Fig. 6. 
Correlation analysis of NO₂ in urban air monitoring station and center lane bus stop.

그림 6의 상관관계 분석 그래프를 보면 두 지점의 측정값이 같은 값을 나타내는 1 : 1 직선을 중심으로 대부분의 자료가 왼쪽 위에 분포하는 것을 알 수 있다. 이는 일반 도시대기측정소에서 측정한 자료에 비해 중앙차선 버스 정류장에서 측정한 자료의 대부분이 큰 값을 나타내는 것으로 해석할 수 있다. 이러한 이유는 광역적 오염원(global source)보다 국지적 오염원(local source) 영향을 더 많이 받고 있다고 추정할 수 있다.

반면 오존에 대한 상관분석 결과 (그림 7)는 이산화질소와 정반대의 결과를 나타냈다. 상관계수는 측정지점간의 거리가 긴 (4.0 km) 남양주지역의 상관계수가 0.658로 가장 높았으며, 두 지점간의 거리가 가까운(0.6~1.6 km) 구리, 하남지역의 상관계수가 각각 0.167, 0.223로 낮게 나타났다. 그림 7과 같이 상관분석 그래프에 나타난 두지점간의 측정값도 1 : 1 직선을 중심으로 대부분의 자료가 왼쪽 아래에 분포하여 일반 도시대기측정소에서 측정한 자료에 비해 중앙차선 버스 정류장에서 측정한 자료의 대부분이 적은 값을 나타내는 것을 알 수 있었다.

Fig. 7. 
Correlation analysis of O₃ in urban air monitoring station and center lane bus stop.