대기질 입체감시를 위한 항공측정 플랫폼 구축

1. 서 론

한국, 중국, 일본 등이 포함된 동북아시아는 편서풍과 계절풍 (북서풍, 서풍, 남서풍)이 형성되는 지역이며, 우리나라 서쪽에 베이징, 텐진, 상하이, 난징 등의 거대 도시와 산업 단지들이 중국의 동쪽 해안지역에 위치해 있다 (Ge et al., 2017; Guo et al., 2017; Wang et al., 2016). 우리나라의 대기질은 국내 배출원과 장거리 이동에 의한 영향으로 대기오염물질 고농도 사례가 관측되고 있다 (Kang et al., 2018; Park et al., 2018; Choi et al., 2016a, b; Lee et al., 2011; Han et al., 2006). 대기오염물질의 농도는 기상요소, 배출원 등이 변화되면 그 농도 추이와 기원이 달라지므로 지속적인 관찰이 필요하다.

대기질 측정은 방법에 따라 지상측정, 위성측정, 항공측정 등으로 분류할 수 있으며 지상측정은 정확한 정성·정량분석이 가능하지만 연직 혹은 상공의 분석이 어렵고 주변 환경의 영향을 크게 받는다. 위성관측은 넓은 영역을 분석하여 농도 산정 및 농도의 분포를 알 수 있지만, 최소 관측범위와 최소 측정주기는 각각 수 km, 수 분 이상 간격이고, 지상측정 값과의 오차도 존재한다 (Kim et al., 2019; Park et al., 2019). 항공관측은 측정장비의 성능이 향상됨에 따라 항공기에 탑재하고 넓은 지역의 상공을 직접 측정할 수 있는 장점이 있어 지상관측과 위성관측의 한계를 보완할 수 있다 (Guo et al., 2017). 또한, 항공관측은 장거리의 이동 경로와 배출원 상공을 비행하며 측정할 수 있다.

우리나라의 대기질 항공관측 연구 (표 1)는 1994년에 국립환경과학원에서 Chang-gong 91 (5인승 비행기, 최대이륙중량: 1,259 kg)에 흡입구를 설치하여 서해 상공의 황사를 포집하였다 (Jeong et al., 1994). 1996~2009년에는 Vulcanair SF-600 (12인승, 최대이륙중량: 3,300 kg, 이하 SF-600), Piper Chieftain PA31-350 (10인승, 최대이륙중량: 3,175 kg, 이하 PA31-350)을 이용하여 SO₂, NO_x, O₃, 입자개수 농도 등을 실시간으로 측정하였다 (Chang et al., 2010; Song et al., 2009; Han et al., 2006; Kim et al., 2001, 1999, 1997). 그 이후 2011년, 2012년에는 서해 근해, 경기도 남부지역과 충청남도 북부지역에서 한서대의 Beechcraft KingAir-C90GT (8인승, 최대이륙중량: 4581 kg, 이하 C90GT)를 이용하여 PM₁₀과 가스상물질 (SO₂, NO_x, NOy, CO, O₃, PAN)을 측정하였다 (NIER, 2011, 2012). 2015년과 2016년에는 각각 MAPS-Seoul과 KORUS-AQ 캠페인을 C90GT를 이용하여 PM1.0의 성분을 측정하였다 (Kim et al., 2018; NIER, 2016, 2015a, b). 기상청에서도 2008년부터 Cessna 206 (6인승, 최대이륙중량: 1,633 kg)를 이용하여 기상연구를 하였고 2017년 말에는 관측항공기 Beechcraft Super King Air-B350 (13인승, 최대이륙중량: 6,804 kg, 이하 B350)을 도입하여 기상관측, 환경기상관측, 기후감시 등을 수행하고 있다.

Table 1.

The status of aircraft measurement for air quality in Korea.

또한, 2016년에 ‘한·미 협력 국내 대기질 공동조사 연구 (KORUS-AQ)’를 통해 미국 NASA (National Aeronautics and Space Administration)의 Douglas DC-8 (189인승, 최대이륙중량: 151,953 kg, 이하 DC-8)과 C90GT로 항공측정을 실시하였다 (Jeong et al., 2019; NIER, 2016). DC-8에서는 VOCs, CO, NO_x, NOy, HONO, O₃, PM1.0 성분분석, 나노입자개수농도, 입자개수농도 등 가스상물질과 입자상물질을 동시에 측정하였으며, C90GT으로는 NO₂, CO, SO₂, O₃을 측정하였다. 이를 계기로 우리나라에서도 대기질 측정에서 항공관측의 중요성과 큰 규모의 항공기가 필요함을 인식하였다.

국외에서는 항공관측을 위해 다양한 항공기를 이용하고 있다. 미국 NASA와 NCAR (National Center for Atmospheic Research)는 DC-8, Beechcraft King-Air-B200 (8인승, 최대이륙중량: 5,670 kg, 이하 B200), Lockheed Martin P-3B (21인승 군용비행기, 최대이륙중량: 61,235 kg, 이하 P-3B), Gulfstream-G500 (18인승, 최대이륙중량: 41,050 kg, 이하 G500)을 이용하여 VOCs, NO_x, NOy, HONO, PM1.0 성분, 나노입자개수농도, CO, BC (Black Carbon), O₃, radiation, 응결핵, 입자농도, 구름 미세물리 입자 등 대기질과 기상측정을 수행하고 있다 (Braun et al., 2013; Hecobian et al., 2011; Palmer et al., 2003). 독일의 High Altitude and Long Range Research Aircraft (HALO)에서는 Gulf-stream-G550 (21인승, 최대이륙중량: 41,277 kg)을 이용하여 유럽의 과학자들과 공동연구로 입경분포, radiation, H2O profile, 나노입자개수농도, O₃, NO_x, NOy, SO₂, HCHO, BrO, OCIO 등 측정을 수행하고 있다 (Voigt et al., 2017).

중국은 2005~2015년 동안 Harbin Yun-12 (19인승 비행기, 최대이륙중량: 5,300kg, 이하 Y-12)를 이용하여 SO₂, NO_x, O₃, CO, BC 등을 측정하여 풍상 측의 주변국에 대한 장거리 이동과 도시 상공의 대기질를 측정하고 있다 (Yang et al., 2018; Li et al., 2012). 또한, 중국 기상청 (China Meteorological Administration; CMA)에서는 Y-12와 B350 (13인승, 최대이륙중량: 6,804 kg)을 이용하여 PM1.0 성분 등을 측정하고 있다 (Liu et al., 2018).

일본은 1996년에 Cessna 402 (8인승, 최대이륙중량: 3,107 kg)를 이용하여 입자개수농도를 측정하고 있어 (Sakai et al., 2003), 한국과 중국에 비해 운영되는 항공기 규모는 적다. 그렇지만 일본항공 (JAL)의 대형항공기를 이용하여 운항항로에서 1984년~1985년, 1993년~2013년에 온실기체 (CO₂)를 관측하여 기후변화를 감시하고 있다 (Matsueda et al., 2015; Nakazawa et al., 1991).

이와 같이 항공기를 이용한 대기질 관측은 대기오염과 기상, 기후변화 등의 분야에서 다양한 측정항목들의 공간적인 농도분포를 파악하는 등의 많은 역할을 하고 있다. 대기질 항공관측의 항공기 규모도 가스상물질과 입자상물질을 동시에 측정하기 위해 점차 확대되고 있다. 따라서 본 연구에서는 국내에서 수행된 기존의 항공측정 환경을 개선하고 측정항목을 확대하고자 한서대에서 보유한 중형항공기 (Beechcraft B1900D, 21인승, 최대이륙중량: 7,765 kg, 이하 B1900D)를 개조하여 항공측정플랫폼을 구축하였고 이 플랫폼을 이용한 장거리 이동 오염물질 및 배출원에서 발생하는 대기오염물질을 측정할 수 있는 기틀을 마련하였다.

2. 항공측정 시스템 구축

2. 1 항공기 제원

대기질 항공측정을 위해 개조된 항공기 (이하 관측항공기)는 한서대학교에서 보유한 B1900D 모델이며 2개의 터보프롭 엔진 (turboprop Engine)을 장착한 항공기로서 1996년 미국의 Beechcraft 사에서 제작되었으며, 항공기의 일반적인 제원과 사진은 표 2와 그림 1에 나타내었다. 이 항공기의 최대이륙중량은 7,765 kg이고, 항공기 중량 (empty weight)은 4,733 kg이다. 항공기의 전원은 각 날개의 엔진에 장착된 발전기 (300A, DC 28 V) 2기에서 공급되며, 총 발전용량은 16.8 kW이다.

Table 2.

Performance and specifications of aircraft.

Fig. 1.

Observation aircraft (B1900D, Hanseo university).

관측항공기는 21인승 (조종사 2명 포함)용으로 국내 연구진이 기존에 항공관측 분야 연구 (Kim et al., 2018)에서 사용했던 C90GT (8인승, 조종사 2명 포함)보다 커서 입자상물질, 가스상물질 등 좀 더 다양한 측정장비들을 탑재할 수 있고 터보프롭 엔진이 장착되어 있어 행성경계층 (Planetary Boundary Layer) 내의 저고도 비행이 용이하다.

2. 2 측정장비 제원과 비행시간

항공기에서 발전용량과 최대이륙중량 등 제한사항이 있으므로 항공기 내에 탑재되는 측정장비는 대기질 항공측정 목적에 따라 항공기 개조 전에 사용되는 측정장비들의 소비전력과 중량을 고려해야 한다. 측정장비는 입자상물질 측정장비 4종과 가스상물질 측정장비 6종을 표 3과 같이 선정하였고 장비들의 무게와 소비전력은 각각 1,315 kg과 12.4 kW로 조사되 었다.

Table 3.

Power requirements and weights for on-board instruments.

항공측정을 위해 소요되는 전력량은 측정장비의 수요전력량 (약 12.4 kW)과 항공기 운영으로 소비되는 전력량 (7.2 kW)을 합산한 19.6 kW이다 (Textron Aviation Inc., 1991). 이는 항공기의 기본 발전량 (300 A, DC 28 V, 2개)으로는 공급이 부족하므로 추가적인 전원공급이 필요하다. 이에 본 연구에서는 용량이 큰 발전기로 교체하는 개조방안을 채택하였다.

또한, 표 2에 나타낸 것과 같이 항공기의 최대적재중량은 1,984 kg이고, 최대연료적재량은 2,022 kg이다. 항공관측은 순항고도 및 속도에 비해 저고도 (지상 300~1,000 m)에서 느린 속도 (270~300 km/hr)로 비행하며 수행하는데, 이 조건으로 항공관측 시 연료는 경험적으로 약 363 kg/hr만큼 소비된다 (표 4). 연료를 최대로 주입할 때 경험적 연료 소비량으로 계산하면 최대 비행시간은 약 5.6시간이다. 또한, 항공기의 최대이륙중량에서 항공기 중량을 빼면, 최대유효중량 (연료량+적재량, Useful Load)은 2,883 kg로 계산되는데, 측정장비 중량 (약 1,315kg)으로 약 4.3시간 동안 비행이 가능하다. 그러나 항공관측 시 실제 연료 소비량은 비행속도와 고도에 따라 영향을 받으므로 실제 비행시간은 변동될 수 있다.

Table 4.

Flight time vs payload weight.

아울러 ‘항공안전법 시행규칙 119조 별표 17 (항공기에 실어야 할 연료 및 오일 양)’에 따르면, 연료는 최초 착륙예정 비행장까지 비행에 필요한 양과 순항고도에서 약 45분간 더 비행할 수 있는 양을 싣고 있어야 한다. 이는 비행 시 비상상황이 발생하면 착륙지연 혹은 재착륙 시도를 하거나 타 비행장으로 이동 후 착륙을 해야 하므로 실제 비행 가능한 시간은 감소하게 된다. 따라서 조종사와 정비사가 협의하여 엔진 시동 후 활주로로 이동할 때까지 소비되는 연료량을 고려하여 가능한 최대 연료를 주유하고 활주로에서 이륙 시 최대이륙중량으로 비행하는 것이 필요하다.

2. 3 항공측정 시스템 개조 및 구성요소

항공기 개조는 엔지니어링과 현장개조로 구분하여 수행하였다. 엔지니어링은 항공기를 개조하기 위한 도면을 설계하고 개조도면과 개조 후 항공기의 가동 및 비행 상태를 점검하여 안전성 인증을 획득하는 것으로 Global Aviation Technologies (미국)에서 진행하였다. 현장개조는 엔지니어링을 통해 설계된 도면에 따라 직접 개조를 수행하는 것으로 Air Asia (대만)에서 실시하였다. GAT는 미국의 공군항공기 등을 개조한 경험이 있고, 미국 연방항공국 (Federal Aviation Administration; FAA)으로부터 수리·개조 인증을 획득한 전문업체이다. Air Asia는 국토교통부 부산지방항공청 (Korea office of Civil Aeronautics Authority)에서 B1900D를 정비할 수 있도록 인증받은 업체이다.

항공측정 시스템의 구성요소는 표 5에 나타낸 것과 같이 입자상물질, 가스상물질, 기상을 측정하는 부분과 전원공급, 장치들의 시간동기화, 자료수집, 항공기 내 의사소통 등 측정을 지원하는 부분들이다. 개조 요소별 항공기의 설치 위치와 모식도는 그림 2에 나타내었다.

Table 5.

Installation features of airborne equipments.

Fig. 2.

Schematic of inlet, sensors and power systems.

2. 3. 1 에어로졸 시료채취구 (Airborne Aerosol Inlet; AAI)

항공기에 부착한 에어로졸 시료채취구 (Airborne Aerosol Inlet, Droplet Measurement Technology, USA)는 항공관측 시 비행속도의 변화와 관계없이 100 L/min으로 등속흡입되도록 설계되어 있다 (McNaughton et al., 2007). 에어로졸 시료채취구의 설치 위치는 항공기 내 측정장비에 연결하는 시료채취관의 길이를 최소화할 수 있도록 항공기의 상부 2곳에 설치하였다 (그림 3). 첫 번째 (전면부) 에어로졸 시료채취구의 설치 위치는 상부의 중앙선을 기준으로 왼쪽 부분으로 Fuselage Station (FS) 295.5지점이며, 두 번째 (후면부)는 중앙선 기준으로 오른쪽 부분이고 FS 355.75지점이다. 전면부의 에어로졸 시료채취구 부분에는 측정의 확장성을 고려하여 ‘ㄱ’ 자 형태의 가스흡입구를 1개 설치하였으며, 후면부에는 유입된 공기를 배출하기 위한 배출관 (Discharge tube)을 2개 설치하였다. 또한, 첫 번째 에어로졸 시료채취구에는 항공관측 시 온도변화에 따른 시료채취구의 결빙 현상을 억제하기 위해 열선을 설치하였다.

Fig. 3.

(a) Picture and drawings of the (b) 1st AAI and (c) 2nd AAI.

2. 3. 2 가스 흡입구 (Trace Gas Inlet; TGI)

가스 흡입구는 항공기 엔진의 배기구보다 앞에 있는 양쪽 첫 번째 창문에 각각 2개씩 설치하였다. 미국 University of California, Irvine (UCI)에 의뢰하여 가스 흡입구를 제작하였으며, 이 대학의 연구진은 KORUS-AQ에서 NASA와 함께 참여하여 가스상물질 측정을 수행한 바 있다 (Jeong et al., 2019). 이 흡입구의 특징은 항공측정 시 공기 흐름의 저항을 최소화하기 위해 비행기의 날개와 같은 유선형이며, 상부에 관처럼 생긴 유입구가 있다 (그림 4). 부착방법은 이 가스 흡입구를 알루미늄 합금 소재의 창문 판 (win-dow plate, 그림 5)에 장착하였고, 항공기의 첫 번째 창문과 교체하여 설치하였다.

Fig. 4.

(a) Drawing and (b) picture of trace gas inlet.

Fig. 5.

(a) Drawing and (b) picture of window plate.

2. 3. 3 Pylon

Pylon은 항공기 외부에 측정장비를 보완·추가할 수 있어 측정항목의 확장성을 갖게 해 준다. 본 연구에서는 pylon과 관련한 측정장비 설치를 계획하였다. 대기질 측정을 위해서 pylon 설치가 가능하도록 adaptor를 설치하고 (그림 6a) 관련 배선을 매립하였다. Pylon adaptor 설치 위치는 FS 198.25~213.25지점에 항공기의 동체 아래인 STRINGER (STGR) 14R ~ 15R 구역이다 (그림 6b).

Fig. 6.

(a) Drawing and (b) picture of the pylon adaptor.

2. 3. 4 기상측정장비

일반적으로 대형항공기에는 기상측정센서로부터 Aircraft Communication Addressing Reporting System (ACARS), Aircraft Meteorological Data Reporting (AMDAR)가 생산되는데, 이 자료의 시간해상도는 수 초 혹은 5~6분으로 (Park and Kim, 2002) 알려져 있다.

본 연구에서는 20 Hz까지 측정 가능한 Aircraft Integrated Meteorological Measurement System-30 (AIMMS-30, Aventech, Canada)을 설치하였다. 이 기상측정 시스템은 기상측정센서 (기온, 습도, 3차원 바람, 기압 등 측정, 그림 7)와 관성장비가 내장되어 있어 바람 성분을 계산하며, 측정된 기상 자료는 메인 메모리에 저장되고 항공관측이 완료되면 자동으로 USB flash memory에 저장된다.

Fig. 7.

(a) Air data probe (ARIM200), and (b) installation drawing for ADP.

기상측정센서의 설치 위치는 FS 163.975~FS 177.35이고 STRG 9R~10R로서 탑승구 반대편에 있는 외벽 아랫부분이다. 또한, AIMMS-30는 2개의 Global Position System (GPS) 안테나로부터 신호를 받아서 위치정보와 시간정보를 동시에 수집한다. 앞쪽의 GPS 안테나는 항공기에 기존에 설치 (설치 위치: FS 268.0)되어 있으며, 뒤쪽의 GPS 안테나는 FS 430.0 지점에 추가로 설치하였다.

2. 3. 5 측정용 전원공급과 측정 네트워크 구축

전원공급시스템 (Electrical Power Control System)은 항공기의 발전기에서 생산된 전기를 분배하여 각 측정장비로 공급하는데, 400 A 발전기 2기, AC 230 V 인버터 6기, 콘센트 8개로 구성된다. 이 시스템에는 비행 중에 발전기가 미작동되는 긴급 상황이 발생하거나 항공기 내에 과전류가 흐르게 되면 측정장비에 공급되는 모든 전원을 차단하고 최소 전력만 소비하도록 안전장치가 설계되어 있다.

측정장비 간의 시간동기화와 측정자료수집은 항공기 내에서 이뤄져야 하므로 측정 네트워크를 구성하였다. 측정 네트워크는 타임서버를 통해 측정장비들의 시간동기화를 할 수 있고 자료수집서버 (mission server)를 통해 측정자료를 전송하고 내려받는 것이 가능하도록 이더넷 (ethernet)으로 연결된 망 (web)이다. 이는 측정장비의 컴퓨터 8대를 연결하여 동시에 시간동기화와 자료수집을 할 수 있다.

구성요소별 설치 위치는 발전기의 경우에 양쪽의 엔진과 연결된 기존 발전기를 탈착하고 새로운 발전기 (400 A, DC 28 V)로 교체하여 최대 22.4 kW, 직류를 교류로 전환해주는 인버터와 자료수집서버 및 타임서버, 네트워크 장비는 항공기 뒤의 적재공간에 설치하였다. 콘센트와 랜선 연결구는 항공기 객실 내 양쪽 벽면에 일정한 간격으로 총 8개를 설치하였다.

측정장비 컴퓨터는 별도의 프로그램을 설치 없이 기내의 네트워크에 연결하여 시간동기화를 할 수 있다. 네트워크는 각 컴퓨터의 설정에서 동적 호스트 구성 프로토콜 (Dynamic Host Configuration Protocol; DHCP)를 선택하면 Internet Protocol (IP) 주소를 자동으로 할당받아 연결된다. 시간동기화는 네트워크에 연결된 컴퓨터마다 시간 설정에서 time server의 IP 주소 (10.0.0.10)를 직접 입력한 후 동기화를 수행하면 된다. 시간동기화의 기준 시간 정보는 GPS 위성으로부터 수신되며 각 장비의 컴퓨터별로 네트워크를 통해 송신하므로 각 측정장비의 시간은 같아진다. 자료수집은 컴퓨터의 인터넷 브라우저를 실행시킨 후 URL 주소에 mission server의 주소 (http://10.0.0.4)를 입력하면 웹 기반의 자료 저장용 User Interface (UI)를 확인할 수 있다.

2. 3. 6 측정장비 탑재 및 전원 분배

측정장비의 탑재는 목적에 따라 장비의 무게, 전력사용량을 고려하여 탑재하도록 하였다. 2019년 봄의 항공관측 시에 탑재한 장비를 보면, 가스흡입구와 에어로졸 시료채취구의 위치와 측정장비 무게, 전력사용량을 고려하여 앞쪽에는 가스상물질의 측정장비를 배치하였고, 항공기 뒤쪽에는 입자상물질의 측정장비를 배치하였으며 좌·우의 무게가 균일하도록 하였다 (그림 8). 항공기 내에 측정장비를 고정한 후에는 에어로졸 시료채취구, 가스흡입구, 가스배출관 등에서 누출이 있는지 확인하였다.

Fig. 8.

Arrangement of seats, measurement instruments, and electrical outlets inside the aircraft.

관측 항공기에는 앞에서 설명한 것처럼 6개의 인버터가 설치되어 있고 8개의 콘센트가 연결되므로 인버터 #2와 #5는 각각 2개의 콘센트에 나눠서 연결되어 있다. 나머지는 각각 인버터 1개에 콘센트 1개가 연결되어 있다. 1개의 콘센트에서 사용 가능한 최대 전류량은 7A (AC 230V, 50Hz, 초과 시 자동차단) 미만이어야 하며, 항공기 안전 (전기화재 예방)을 위해 약 85%인 6A 미만으로 분배하였다 (그림 8).

2. 4 시험비행

항공관측을 위해 기상측정장비의 교정비행을 먼저 실시하였다. 교정비행은 기상측정센서의 관측값을 B1900D에 맞도록 보정하기 위해 항공측정 전에 실시되는 비행이다. 교정비행 후에는 기상측정센서의 시험비행을 약 1시간 동안 태안비행장의 주변을 비행하며 실시하였다. 시험비행 시 측정된 고도와 풍향의 경로는 그림 9와 같이 나타났다. 그림 9a는 AIMMS-30 장비로 수신된 위도, 경도, 고도이며 이륙 후 약 350~400 m 고도에서 비행한 경로가 잘 나타났다. 풍향 (그림 9b)은 항공기의 기상측정센서로부터 측정된 U 성분과 V 성분 바람으로부터 산출되었으며 항공기의 방향 (heading)에 상관없이 북서풍으로 관측됨을 알 수 있다.

Fig. 9.

(a) Altitude (m) and (b) wind direction (o) of the test flight.

그림 10은 시험비행 동안의 기온, 기압, 상대습도, 풍속, 풍향, 연직 (W 성분) 바람을 시계열로 나타낸 것이다. 기온과 기압은 항공기가 이륙하여 고도가 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났으며 상대습도는 맑은 날씨였기 때문에 44±2%임을 알 수 있다. 풍향은 북서풍계열 (333±14°)로 관측되었고 풍속은 10.6±1.5 ms-1이였으며, 연직바람은 0.1±1.0 ms-1으로 양 (+)과 음 (-)의 값이 반복적으로 나타났다.

Fig. 10.

Time series of (a) temperature, barometric pressure, relative humidity, and (b) wind speed, wind direction, W wind.

항공측정의 시험비행도 태안 비행장을 주변을 비행하며 측정장비의 작동상태, 시료관의 누출 여부 등을 살펴보았다. 항공기 내에 탑재된 측정장비는 배출원의 상공을 지날 때 오염물질의 농도가 상승하였고 그렇지 않은 지역을 통과할 때는 농도가 낮아졌으며 배출원의 특성에 따라 특정 성분의 농도가 상승하였다. 또한, blank test도 실시하여 누출이 없는 것을 확인하였다. 이는 관측항공기가 오염물질이 분포하는 지역을 통과하는 동안에 측정장비는 짧은 시간 (1초) 내에 반응하고 분석되어 올바르게 측정하는 것을 의미한다. 이에 항공관측을 본격적으로 시행한다면 대기오염물질의 고농도 시기에 장거리 영향과 배출원의 영향을 분석할 수 있을 것으로 사료된다.

3. 결 론

항공기를 이용한 대기질 관측은 배경농도, 배출원 및 국외 유입 대기오염물질의 주요성분 및 특성을 입체적으로 짧은 시간 내에 파악할 수 있다. 우리나라에서 본격적인 항공관측은 1993년에 국립환경과학원에서 소형항공기 (5인승)로 시작하였고, 점점 그 규모가 확대되어 2011년부터는 8인승 항공기 (C90GT)를 사용하였으나, 항공기의 크기가 작아 측정항목은 제한적이었다. 따라서 본 연구에서는 기존 항공기 (C90GT)보다 큰 항공기 (B1900D, 21인승)를 개조하여 대기질 항공측정 시스템을 구축하였다.

관측항공기는 쌍발-터보플롭 엔진으로 대기경계층 내 비행이 용이하며, 항공관측 시 저속도 (270~300 km/hr)로 비행할 수 있으며, 가스상과 입자상의 대기질 측정장비들을 탑재하고 5~6명의 연구진이 탑승할 수 있도록 설계하였다. 대기질 항공측정을 하고자 항공기에 개조하고 설치한 장치는 에어로졸 시료채취구, 가스흡입구, 기상측정시스템, 전원공급을 위한 고용량 발전기, 인버터, 기내 소통 인터폰 등이며, 탑재된 측정장비로는 HR-ToF-AMS, SP2, UHSAS, PTR-ToF-MS, CIMS, CO, NH₃, NO_x, NOy, O₃ 분석기 등이 있으며, 향후에는 PILS, WAS 등을 추가로 탑재할 계획이다.

항공기의 개조과정은 엔지니어링을 통해 도면을 작성한 후에 에어로졸 시료채취구, 가스흡입구와 기상측정센서 등을 설치하였다. 개조가 완료된 후에는 지상 테스트와 시험비행을 시행하여 개조한 사항에 대해 작동 여부, 손실, 파손 여부를 최종 점검으로 개조 승인을 획득하였다. 본 연구를 통해 마련된 대기질 관측항공기에는 국립환경과학원의 지원으로 측정장비가 탑재하였고 시험비행을 실시하여 기상과 대기질 측정은 성공적으로 이뤄짐을 알 수 있었다.

본 대기질 관측항공기를 이용하면 장거리 이동하여 우리나라로 유입된 대기오염물질과 대규모 배출원에서 발생한 대기오염물질의 성분분석과 전구물질에 대해 규명을 하여 국내·외의 기여율을 파악할 수 있다. 또한, 항공관측자료는 대기질 수치예보모델의 정확도 향상과 환경위성자료의 개선을 위한 검증 자료로서 활용될 수 있다. 이와 같은 결과로 우리나라의 배출시설 관리방안의 신규 및 증설 등 대기질 개선 대책을 마련하기 위한 방향을 제시할 수 있는 자료로서 활용될 수 있을 것이다.

Acknowledgments

본 연구는 2017년도 정부 (과학기술정보통신부, 환경부, 보건복지부)의 재원으로 한국연구재단-미세먼지전략프로젝트사업 (20173D8A1090662)과 국립과학원 (NIER-2018-01-01-016)의 지원을 받아 수행하였습니다.

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