대기오염물질 항공관측의 국내외 연구 및 동향

1. 서 론

항공기 기반의 대기 관측 기술의 발달은 기존 지상에서 수동적으로 연구하던 대기 과학, 대기 화학 및 기상학 등의 연구 분야에서 공간적인 제약을 깨고 다양한 각도에서 관찰하며 능동적인 연구를 할 수 있도록 했다 (Brunke et al., 2022; Crawford et al., 2021; Decker et al., 2021; Herman et al., 2018; Nault et al., 2018; Fishman et al., 1996; Pickering et al., 1996; Thompson et al., 1996; Harriss et al., 1994, 1992, 1990; 1988; McNeal et al., 1983). 지상관측은 고정된 장소에서 해당 지점에서 발생하는 과학적 현상을 관찰하거나 관측 지점으로 유입되어 거쳐가는 대기를 관측하는 고정형 관측이기 때문에 계속적으로 이동하는 대기를 이해하는 데 어려움이 있다 (Park and Kim, 2023; Rickly et al., 2023; Zhang et al., 2023a, 2023b; Cui et al., 2022; Lee et al., 2021; Wu et al., 2021; Lee et al., 2013; Shao et al., 2009). 이러한 지상관측의 공간적인 한계에서 비롯된 과학적 현상의 이해에 대한 갈망은 지상 의 관측 지점을 무수히 넓혀서 대기의 이동에 따라 변화하는 현상들을 추적 관찰할 수 있도록 하였지만 관측 지점이 지표로 제한되어 있기 때문에 전체적인 대기 현상 이해에 대한 한계가 있다 (Sun et al., 2023; Wetherbee et al., 2019; Benedict et al., 2013).

항공관측은 지상에서 접근하기 힘든 지역 (높은 고도, 해상, 극지방 등)들을 물리적으로 접근하여 데 이터를 수집하고 대기 현상 이해에 필요한 부분들을 제공하고 있다 (Prather et al., 2023; Thompson et al., 2022; Park et al., 2020b; Shingler et al., 2016). 이러한 항공관측의 이점은 대기 연구 분야에서 특히, 기상 시스템의 역학, 대기오염물질의 확산, 기후 변화의 영향에 대한 이해를 높이는 데 많은 역할을 하고 있다 (Park et al., 2022; Zhang et al., 2011; van Donkelaar et al., 2008). 지표에서 벗어난 상층부의 대기를 원격 관측이나 존데 비양을 통해 연구할 수 있지만 기상 영향 (강수, 구름, 바람) 등에 의해 관측이 제한되기도 하며, 측정 대상에 따라서 오차가 클 수 있다 (Bechle et al., 2013; Velasco et al., 2008). 항공관측은 지상원격관측과 위성원격관측 사이에서 항공기 내부에 보다 신뢰성 높은 측정 장비들을 탑재하여 보다 높은 공간 및 시간 해상도의 데이터를 관측할 수 있으며, 위성 및 지상 원격관측에서 수집한 데이터를 검증하고 개선하는 데 필요한 자료를 산출하기도 한다 (Ryu et al., 2021; Shilling et al., 2018; Spinei et al., 2018). 또한, 기상정보 및 대기오염물질 등을 동시에 관측할 수 있는 다양한 측정 장비를 탑재하여 종합적인 연구를 통해 복잡한 대기 과학 및 대기 화학적 변화를 측정할 수 있다 (Sun et al., 2022; DeCarlo et al., 2010, 2008). 그리고 항공관측은 뛰어난 이동성을 바탕으로 야생산불이나 화산 폭발 등 갑작스러운 현상에 투입되어 실시간으로 상황을 관측하고 이로 인한 2차적인 피해를 줄이는 데 필요한 데이터를 산출할 수 있다 (Fu et al., 2015; Dupont et al., 2012; Weber et al., 2012).

항공관측은 지구의 대기와 환경 변화에 대한 이해도를 높이는 데 많은 기여를 하였지만 지상관측과 마찬가지로 한계가 있다. 가장 큰 단점은 항공관측의 높은 운영 비용이다. 항공관측은 이동 측정이 가능한 장점이 있지만 비행을 위해 연료 소모는 필수 불가결이며, 연구를 위해 측정 장비 외 항공기 구입 및 유지 보수 비용과 항공기 조종 및 유지 보수를 위한 조종사와 정비사의 고용 비용이 발생된다. 또한 연구용 항공기 보관 및 주차를 위한 격납고 (Hangar) 또는 계류장 (Apron), 비행을 위한 활주로 사용료 등 각종 부대비용이 발생한다. 항공관측을 위해 부가적으로 발생되는 높은 연구 비용은 장기적이고 지속적인 연구활동을 하는 데 제한 사항으로 작용할 수 있으며, 연구 비용 문제로 인한 단발적인 항공관측은 대표성이 없는 데이터를 제공하여 대기 현상을 잘못 이해할 여지를 줄 수 있다. 항공기의 제한적인 비행 시간도 항공관측의 한계이다. 항공관측은 비행 가능한 시간 동안 비행 영역 내에서 자세한 대기 관측활동을 할 수 있지만, 주유된 연료량에 비례하여 비행할 수 있기 때문에 계속적인 관측이 어렵다. 그로 인해 높은 공간 해상도를 갖지만 위성 원격관측과 같이 지속적이고 넓은 범위를 관측할 수 없어서 대규모 대기 과정이나 지구 환경 변화를 연구하는 데 한계가 있다.

항공관측은 앞서 서술한 바와 같이 다른 관측법 (지상, 원격, 위성)들처럼 장점과 단점이 모두 있는 관측방법이다. 하지만 대기 현상의 과학적 이해도를 높이기 위한 장점이 더 큰 만큼 많은 연구자들이 계속적으로 관측활동을 하고 있다.

본 연구의 목적은 국내외에서 수행된 항공관측 중 대기오염물질을 대상으로 한 항공관측 연구들을 정리하고, 대기오염 항공관측에 고려되어야 할 내용들을 제언하여 앞으로 우리나라에서 계속적으로 수행될 많은 항공관측들의 시행착오를 줄이고 과학적으로 보다 유의미한 결과를 얻는 데 보탬이 되고자 한다.

2. 대기오염 항공관측 연구 동향

2. 1 해외 연구 동향

대기오염 항공관측은 대류권과 성층권의 대기 화학을 이해하기 위한 관측활동들을 바탕으로 발전하였다. 이에 가장 큰 영향을 준 연구로 미국 항공우주국 (National Aeronautics and Space Administration, NASA)의 Global Tropospheric Experiment (GTE) 연구가 있다 (표 1) (McNeal, 1998, 1987; Hoell, 1985). GTE는 대류권에서 일어나는 대기 화학 반응과, 육지와 바다 그리고 성층권과의 상호 작용을 이해하기 위한 항공관측 중점의 연구로 1983년에 시작되어 2001년에 종료되었다 (Raper et al., 2001; Hoell et al., 1999, 1997, 1996, 1993, 1990; Andreae et al., 1996; Harriss et al., 1994, 1992, 1990, 1988; Beck et al., 1987). NASA의 GTE 연구는 크게 세 개로 분류할 수 있으며, 1) 항공관측에 필요한 고성능의 측정 장비 개발 및 검증 (Instrument development), 2) 생물권과 대기의 상호 작용 (Biosphere atmosphere exchange), 3) 대기의 장거리 이동 (Long range transport)으로 구분할 수 있다 (표 1, 그림 1) (McNeal et al., 1998).

Table 1.

List of NASA Global Tropospheric Experiment (GTE) missions between 1983 and 2001 (Adapted from GTE: Aircraft-Based Missions, NASA Langley Research Center, 2022b).

Fig. 1.

Map illustrating the locations of NASA Global Tropospheric Experiment (GTE) missions conducted between 1983 and 2001 (Adapted from GTE Expeditions, NASA Langley Research Center, 2022a).

첫 번째는 항공관측에 필요한 측정 장비를 개발하고 검증하는 단계로 Chemical Instrumentation Test and Evaluation (CITE)라는 연구명으로 1983년부터 1989년까지 3개의 연구사업으로 진행되었다 (표 1). CITE-1의 주 목적은 CO, NO, OH를 분석하기 위한 측정 장비 개발과 검증 작업으로, NASA CV-990 항공기에 탑재하여 1983년 11월 (미국 하와이 - 캘리포니아)과 1984년 4월 (미국 캘리포니아)에 항공관측을 수행하였다 (그림 1) (Chameides et al., 1989; Beck et al., 1987; Bradshaw et al., 1985). CITE-1 결과, 레이저를 활용한 Laser differential absorption 방식과 laser-induced fluorescence (LIF) 방식이 각각 CO와 NO를 대기 중의 다른 물질들과 간섭 현상 없이 높은 시간 해상도로 측정할 수 있음을 확인하여 레이저 측정법의 장점을 확인하였다 (Hoell et al., 1987, 1984; Bradshaw et al., 1985). CITE-2 (1986년)는 질소 관련 물질인 NO₂, HNO₃, peroxyacetyl nitrate (PAN)을 대상으로 한 측정법들을 검토하였으며 (Gregory et al., 1990; Hoell et al., 1990; Ridley et al., 1990; Sandholm et al., 1990; Singh et al., 1990), CITE-3 (1989년)에서 황 관련 물질 (SO₂, CS₂, COS, H₂S, Dimethyl sulfide (DMS))의 측정법을 검토하였다 (표 1, 그림 1) (Farwell et al., 1995; Gregory et al., 1993; Hoell et al., 1993).

NASA의 CITE 연구와 비슷한 시기에 미국 해양 대기청 (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)에서도 대기오염 측정을 위한 항공 관측을 수행하였으며, Schnell et al. (1987)은 1986년 1월 수행된 미국 동부 해안에서 대서양으로 이동하는 대기오염물질을 관측하기 위한 Western Atlantic Ocean Experiment (WATOX-86) 연구를 보고하였다. WATOX-86의 결과를 통해 대기오염물질 (입자 상, 가스상)의 연직 분포 등이 보고되었는데 (Luke and Dickerson, 1987; Misanchuk et al., 1987; Thornton et al., 1987; Whelpdale et al., 1987), Luke and Dickerson (1987)은 NO_y (NO+NO₂+NO₃+HNO₃+2N₂O₅+HONO+R-ONO_x+NO₃^-+peroxyacetyl nitrate (PAN)) 의 연직 분포를 관측하여 대기경계층 (Planetary Boundary Layer, PBL) 내 NO_y 평균농도 (1.35 ppbv)가 미국 동부 해안의 시골 지역농도와 유사하고, 자유대류권 (Free troposphere, FT)의 농도는 배경농도 수준 (0.54 ppbv)인 것을 확인하였다. 또한 Filter Pack (직경 47 mm, 1.0 μm 공극, 필터재질: Teflon, nylon 등)과 Aethalometer를 사용하여 PBL 내 입자상 물질인 SO₄^2-, NO₃^-, NH₄⁺, Black carbon (BC)과 가스상 물질인 SO₂와 HNO₃를 관측하였다 (Whelpdale et al., 1987). 이를 통해 입자상 물질의 연직 분포를 관측하여 FT와 PBL의 농도 차이와 SO₄^2-와 NO₃^-의 구성비 및 NH₄⁺와 SO₄^2-의 결합상태를 보고하였다 (Whelpdale et al., 1987). 하지만 WATOX-86가 수행된 1986년 1월에는 CITE-1까지만 수행되었기 때문에 항공 측정 기술의 한계로 인하여 대기오염물질별 분석 시간이 3초 (가스상)에서 34분 (입자상)까지 다양했다. 이는 항공관측에서 시간 해상도의 중요성과 CITE 연구가 대기오염 항공관측 발전에 큰 기여를 했음을 나타낸다.

NASA GTE 연구의 두 번째 연구 주제는 생물권과 대기의 상호 작용 연구를 위한 Atmospheric Boundary Layer Experiment (ABLE)이다 (표 1, 그림 1). ABLE은 대기경계층과 육지 및 바다 생물권의 계속적인 상호작용에 의해 변화하는 대기 화학 과정을 연구하는 것이 주 목적으로 CITE 연구와 비슷한 시기인 1984년부터 1990년까지 NASA Electra 항공기를 이용하여 수행되었다 (Harriss et al., 1990, 1988). ABLE는 연구 목적에 부합하기 위하여 다양한 자연환경 (ABLE-1: 북대서양, ABLE-2: 브라질 열대 우림, ABLE-3: 북부 (알레스카, 캐나다) 습지)에서 연구를 수행하였다. ABLE-1은 1984년 6월 기간 중 북대서양에 위치한 바베이도스에서 열대 대서양 지역에서 수행되었고, 사하라 사막에서 기원한 입자상 물질 (Saharan dust, 사하라 더스트)이 장거리 이동에 의해 1.5~3.5 km 고도로 유입되는 것을 관측하였다 (Gregory et al., 1986; Talbot et al., 1986). 이를 바탕으로 건조한 아프리카와 아시아 지역의 지각기원 물질들이 장거리 이동에 의해 전 지구적으로 영향을 줄 수 있음을 확인하였다 (Talbot et al., 1986). 또한 북대서양 상공에서 항공관측을 통해 해양의 식물성 플랑크톤에서 기원한 DMS가 자연적 황 배출원의 많은 부분을 차지한다고 평가하였다 (Ferek et al., 1986).

ABLE-2은 브라질 열대 우림 (아마존)에서 1985년 7~8월 (ABLE-2A, 건기)과 1987년 4~5월 (ABLE-2B, 우기)에 항공관측과 지상관측이 함께 수행되었으며 (표 1, 그림 1) (Harriss et al., 1990, 1988), 아마존이 대기 순환에 중요한 역할을 한다고 보고하였다 (Andreae et al., 1990, 1988; Gregory et al., 1988). 우기에는 강수로 인해 대기질이 매우 좋지만 건기에는 아마존 외각 지역의 생물성 연소 (Biomass burning)로 인하여 대기질이 매우 나쁜 것으로 보고되었다 (Harriss et al., 1990; Sachse et al., 1988). 아마존 건기의 생물성 연소는 온난화물질인 CO₂, CH₄뿐만 아니라 CO, NH₃ 등의 주요 배출원으로 기여한다고 보고하였으며 (Andreae et al., 1988; Sachse et al., 1988), CO의 경우 아마존의 식생에서 배출된 isoprene의 산화에 의한 생성도 CO의 주요 배출 경로인 것으로 확인하였다 (Rasmussen and Khalil, 1988; Zimmerman et al., 1988).

1988년 7월 (ABLE-3A)과 1990년 7월 (ABLE-3B)에 수행된 ABLE-3는 각각 미국 알래스카의 영구동토층 (툰드라)과 캐나다 북부의 아북극 및 북극 지역을 대상으로 항공관측과 지상관측을 이용하여 툰드라와 습지 등의 지표와 대기의 상호작용 (특히, CH₄, O₃, CO 등)을 중점적으로 연구하였다 (표 1, 그림 1) (Harriss et al., 1994, 1992; Ritter et al., 1994). ABLE-3를 통해 알래스카의 영구동토층이 CH₄의 주요 배출원임을 확인하였으며 (5~6천만 kg/yr) 지표 기온 상승시 영구동토층의 CH₄ 배출량 상승을 야기하여 지구온난화에 영향을 줄 수 있다고 보고되었다 (Hamilton et al., 1994; Bartlett et al., 1992; Houghton et al., 1992).

NASA의 세 번째 GTE 연구는 대기의 장거리 이동에 관하여 주로 대양에서 진행되었으며, 태평양을 중심으로 한 Pacific Exploratory Missions (PEM)과, 대서양 및 태평양을 대상으로 한 연구하는 Transport and Chemistry near the Equator in Atlantic (TRACE-A) 과 Transport and Chemical Evolution over the Pacific (TRACE-P)이 진행되었다 (Raper et al., 2001; Hoell et al., 1999, 1997, 1996; Andreae et al., 1996; Fishman et al., 1996).

그 중 PEM은 1991년 9월부터 1999년 4월까지 크게 두 개의 연구로, 북서태평양 (PEM-West)과 남태평양 (PEM-Tropics)에서 수행되었다. PEM-West는 북서태평양 (일본, 홍콩, 대만, 괌 등) 지역에서 따뜻한 시기 (1991년 9~10월)와 추운 시기 (1994년 2~3월)의 O₃ 및 O₃ 생성 전구체에 대하여 인위적, 자연적인 배출 영향을 관찰하고, 대기 중 황화합물의 순환에 대해 연구하였다 (Hoell et al., 1997, 1996). PEM-West 연구 기간 중 북서태평양 지역에서 High-NO_x (NO_x=NO+ NO₂) 사례 (NO_x>20 ppb)는 주로 아시아 대륙에서 기원하고 Low-NO_x 사례 (NO_x<20 ppb)는 태평양 해상에서 기원하였으며, O₃ 생성은 High-NO_x가 Low-NO_x보다 약 2~6배 높은 것으로 나타났다 (Crawford et al., 1997). PEM-West 기간 동안의 SO₂는 동아시 아의 인위적 오염원과 화산 폭발에 기원하여 장거리 이동을 통해 서태평양 열대 지역의 자유 대류권 (Free troposphere) 상층으로 유입되는 것을 확인하였으며, 이는 산화를 통해 H₂SO₄를 형성하여 구름 응결핵 (Cloud condensation nuclei, CCN)으로 작용할 수 있다고 보고되었다 (Thornton et al., 1997).

PEM-Tropics 항공관측은 남태평양과 북태평양 (PEM-Tropics B 한정) 지역에서 1996년 8~10월 (PEM-Tropics A, 건기)과 1999년 2~4월 (PEM-Tropics B, 우기)에 수행되었다 (Raper et al., 2001; Hoell et al., 1999). PEM-Tropics A 기간 중 남아메리카와 남아프리카 지역에서 발생된 생물성 연소에 기원한 대기오염물질이 장거리 이동을 통해 남태평양 지역으로 유입됨을 확인하였다 (Browell et al., 2001; Blake et al., 1999; Singh et al., 1996). PEM-Tropics B 기간 중 열대 북태평양 (하와이 지역)의 경우, 유라시아 (유럽과 아시아)에 발생된 대기오염물질이 장거리 이동에 의해 열대 북태평양으로 유입되어 배출원이 적은 해상 지역의 대기질 저하에 영향을 주는 것을 확인하였다 (Clarke et al., 2001; Staudt et al., 2001). 앞서 서술한 NASA의 GTE 연구는 항공관측의 필요한 측정 장비 개발 및 검증부터 대기 화학의 이해를 높이기 위한 국제적인 항공관측활동을 통해 대기오염 항공관측의 방법론과 방향성을 제시하는 데 큰 기여를 하였다 (표 1, 그림 1).

2000년대 이전에도 NASA의 GTE 연구와 연관된 대기오염 항공관측 이외에 여러 항공관측들이 수행 되었으나 (Dulac and Chazette, 2003; Marenco et al., 1998; Brandtjen et al., 1994; Andreae et al., 1992), NASA의 GTE 연구가 종료된 2000년 이후부터는 많은 국가들에서 대기오염 항공관측이 활발히 수행되었다. 2000년 이후의 항공관측은 주로 각 국가 주변의 대기 화학 및 대기오염물질 조성과, 주변 국가 및 다른 대륙으로의 장거리 이동 등을 이해하기 위한 조금 더 집중된 목적의 항공관측으로 수행되었다 (표 2) (Benish et al., 2020; Srivastava et al., 2012; Paris et al., 2010, 2009a, 2009b; de Gouw et al., 2001; Ramanathan et al., 2001).

Table 2.

List of airborne measurement campaign for air pollution.

먼저 미국에서는 NASA의 GTE 연구를 바탕으로 2000년대 이후에도 전 세계에서 가장 활발이 항공관측을 수행하였다. 2000년대 이후에 미국에서 진행된 대표적인 항공관측으로는, 위성원격관측을 이용한 대기오염물질 측정 정확성을 높이기 위한 기초 자료 생성의 목적의 Deriving Information of Surface Conditions from Column and Vertically Resolved Observations Relevant to Air Quality (DISCOVER-AQ) 캠페인 (Lee et al., 2018; Sawamura et al., 2017; Ziemba et al., 2013)과, 2019년에 미국에서 빈번하게 발생하는 서부의 산불 (wildfires)과 남동부 지역의 농업 화재 (agricultural fires) 시 배출되는 대기오염물질이 대기와 기상 및 기후에 주는 영향을 연구하기 위한 Fire Influence on Regional to Global Environments and Air Quality (FIREX-AQ) 등이 있다 (Warneke et al., 2023; Bourgeois et al., 2022; Liao et al., 2021; Xu et al., 2021) (표 2).

아시아에서는 우리나라와 중국에서 항공관측이 활발히 수행되었다 (표 2). 중국은 자체적인 대기오염 물질의 조성 파악을 위하여 다양한 연구자들에 의해 항공관측이 수행되었으며 (Ma et al., 2013), Geng et al. (2009)은 2007년 10월 양쯔강 삼각주 지역에서 대기오염물질 중 가스상 전구물질 (O₃, NO_x, SO₂, CO, Volatile organic compounds (VOCs))의 공간 분포 관측과 함께 O₃-NO_x-VOCs의 민감도 분석을 수행하였다. Chen et al. (2013)은 2007부터 2010년까지 수행된 217건의 항공관측 자료를 바탕으로 베이징 지역의 O₃ 연직 분포를 분석하여 도심지역에서 O₃가 지속적으로 생성되며, O₃의 생성은 지표와 가까워질수록 VOC-limited 조건임을 보고하였다. Liu et al. (2013)은 항공용 canister 샘플링을 이용한 BTEX (Benzene, Toluene, Ethylbenzene, Xylene) 측정방법을 개발하여 2009년 베이징 지역 상공의 BTEX를 분석하였고, Liu et al. (2019)은 2011년 베이징 지역의 비내화성 극미세먼지 (Non-refractory-PM_1.0, NR-PM_1.0)의 화학적 조성을 관측하여 NR-PM_1.0의 성분 (Organic aerosols (OA), SO₄^2-, NO₃^-, NH₄⁺, Cl^-)별 연직 분포비를 보고하였다. Benish et al. (2020)은 2016년 5월과 6월 중 Air Chemistry Research in Asia (ARIAs)를 수행하며 중국 허베이 지역의 O₃ 생성 관련 물질과 대기오염물질의 조성을 관측하였다.

아프리카에서 수행된 항공관측은 (표 2), 2008년 6월 African Monsoon Multidisciplinary Analyses (AMMA) 캠페인을 통해 서아프리카 지역에서 우기 (Monsoon) 기간에 대류권의 대기오염물질 조성과 사하라 더스트를 측정하였으며 (Chen et al., 2011; Reeves et al., 2010; Chou et al., 2008; Redelsperger et al., 2006), 2017년 2월과 2019년 1월에 Methane Observations and Yearly Assessments (MOYA) 캠페인을 통해 세네갈과 우간다 지역의 넓은 영역에서 발생하는 생물성 연소와 습지 등에서 배출되는 CH₄, CO₂, CO 등을 관측되었다 (Shaw et al., 2022; Barker et al., 2020).

유럽에서는 국지적인 연구와 더불어 대륙을 넘어서는 항공관측이 수행되었다 (표 2). 대표적으로 2008년 European Integrated Project on Aerosol Cloud Climate and Air Quality interactions (EUCAARI) 캠페인을 통해 기후와 대기오염의 상호관계를 연구하였으며 (Crumeyrolle et al., 2013; Hamburger et al., 2011; Kulmala et al., 2009), Effect of Megacities on the transport and transformation of pollutants on the Regional to Global scales (EMeRGe) 캠페인을 통해 주요 인구 밀집지역에서 배출된 대기오염물질의 국지적인 영향과 유럽 및 다른 대륙으로의 확산에 관한 연구를 수행하였다 (Förster et al., 2023; George et al., 2023; Hernández et al., 2022).

2. 2 국내 연구 동향

우리나라의 대기오염 항공관측은 1990년대 초반 (1993년)부터 시작되어 벌써 25년 이상의 역사를 가지고 있다. 1990년대 이전에는 해외 연구 기관과 협력하여 국내 대기오염 항공관측을 수행하였으나, 1993년도에 창공-91 항공기를 이용한 항공관측이 첫 시도되고 (Jeong et al., 1994), 1996년부터 국립환경과학원에 의해 우리나라의 독자적인 대기오염 항공관측이 본격적으로 수행되기 시작하였다 (Kim et al., 1997). Kim et al. (1997)은 1996년 3월 1일부터 3월 3일까지 SF-600 항공기를 이용하여 우리나라 서해안 상공에서 장거리 이동으로 국내로 유입되는 SO₂, NO, NO₂를 대상으로 항공관측을 시도하였다. 김포공항과 광주공항을 이용해서 강화군과 신안군 서쪽 해상을 가로지르는 관측 비행은 국내로 유입되는 대기오염물질의 공간 (수평, 수직) 분포를 파악하고 유출입량 (Flux) 산정을 시도하여 항공측정기반의 장거리 이동 영향을 평가하는 방향성을 제시하였다 (Kim et al., 1997). 이후 국립환경과학원은 1997년부터 현재까지 계속해서 우리나라 서해상에서 국내로 유입되는 장거리 이동 대기오염물질의 공간 분포 및 화학적 조성 측정을 위한 항공관측을 계속적으로 수행하고 있다 (Park et al., 2023, 2020a, 2020b; Lee et al., 2016; Song et al., 2009; Han et al., 2006; Kim et al., 2001).

우리나라는 한-미 협력 국내 대기질 공동조사 (KORea-United State Air Quality study, KORUS-AQ)를 준비하는 과정 중 선행 연구로 2015년 5월부터 6월까지 메가시티 오염 발생 메커니즘 규명을 위한 국 제관측 캠페인 (Megacity Air Pollution Studies, MAPS)을 수행하였으며 (Kim and Lee, 2018), King Air C90GT 항공기에 High Resolution Time-of-Flight Aerosol Mass Spectrometer (HR-ToF-AMS)와 Ultra-High-Sensitivity Aerosol Spectrometer (UHSAS)를 탑재하여 총 7회의 항공관측을 통해 국내 서해상뿐만 아니라 수도권 지역 상공 PM_1.0의 물리화학적 특성을 연구하였다 (Park et al., 2020b; Kim et al., 2018). MAPS-Seoul 기간 중 HR-ToF-AMS로 측정된 국내 상공의 NR-PM_1.0의 화학 성분 (OA, SO₄^2-, NO₃^-, NH₄⁺)별 공간 분포와 조성비는 국내 자체적으로 측정한 첫 사례로 보고되었지만 (Park et al., 2020b), 다른 가스상 대기오염물질 (O₃, NO, NO₂, CO 등)과 항공 기상 (풍향, 풍속, 온도, 압력 등) 정보의 측정은 미수행되었다.

우리나라의 대기오염 항공관측은 2016년 5월부터 6월까지 수행된 KORUS-AQ를 기점으로 크게 확장되었다 (Crawford et al., 2021). KORUS-AQ는 초미세먼지 (PM_2.5)와 O₃ 등 우리나라 대기질 저하에 영향을 주는 원인과 현상을 파악하기 위해 지상, 항공, 선박, 위성, 모델링 등을 이용하여 전방위적인 국제 공동 연구이다 (Crawford et al., 2021). KORUS-AQ 기간 항공관측은 총 3대 (DC-8, King Air B200, King Air C90GT)의 항공기가 23일간 83회 (DC-8: 20회, King Air B200: 30회, King Air C90GT: 33회)의 항공관측에 투입되 어 대기오염물질 중 O₃ 관련 물질과 PM_2.5 관련 물질들을 동시에 측정하여 국내 대기오염물질의 공간 분포 및 거동과 대기 화학적 변화 등의 연구에 필요 한 자료들을 수집하였다 (표 3) (Crawford et al., 2021; Fried et al., 2020; Simpson et al., 2020; Nault et al., 2018). KORUS-AQ 항공관측 결과, 기상 조건 (대기 정체)에 따라 우리나라에서 자체적으로 배출된 VOCs에 의해 국지적인 2차 유기 에어로졸 (Secondary Organic Aerosol, SOA) 생성이 제시되었고 (Nault et al., 2018), 서울 지역의 VOCs 배출원들을 분류하였으며 (Simpson et al., 2020), 충남 대산산업단지의 VOCs 배출 인벤토리와 항공측정 기반의 VOCs 배출량 추정치가 차이가 있음이 제시되었다 (Cho et al., 2021; Fried et al., 2020). 또한, 항공측정으로 수집된 결과를 대기질 모델 개선과, 배출 인벤토리 개선 등 우리나라 대기오염의 이해와 개선을 위한 다양한 연구에 활용하여 항공관측이 결합된 종합적인 대기오염 관측의 필요성을 확인하였다 (Tang et al., 2023; Kim et al., 2022a; Choi et al., 2021; Kwon et al., 2021; Park et al., 2021; Jordan et al., 2020; Schroeder et al., 2020; Souri et al., 2020; Oak et al., 2019; Spinei et al., 2018; Tang et al., 2018).

Table 3.

Airborne instrumentation onboard research aircraft during the KORUS-AQ (Adapted from Crawford et al., 2021).

KORUS-AQ 이후 국내 기상 및 대기오염 항공관측을 위한 관측용 항공기가 도입 및 개조되었다 (Kim et al., 2022b; Seo et al., 2019). 국립기상과학원은 2017년 말 King air 350HW를 도입 및 개조하여, 기상 및 기후 관측과 대기 환경 관측을 수행하고 있다 (Kim et al., 2023b; Ku et al., 2023, 2020; Jung et al., 2022; Kim et al., 2022b; Kang et al., 2021). 또한, 종합적인 대기오염 항공관측을 위해 2017년 미세먼지 국가전략프로젝트 (과학기술정보통신부, 환경부, 보건복지부)와 국립환경과학원의 지원으로 한서대학교에서 보유한 21인승 중형항공기 Beechcraft 1900D (B1900D)를 국내 대기오염 및 대기 화학 이해를 위한 관측용 항공기 개조하여 국내 대기오염 개선을 위한 종합적인 항공관측이 수행되고 있다 (Seo et al., 2019). B1900D는 기존 King air C90GT 대비 여유로운 유효 탑재량을 바탕으로 다양한 대기오염물질 (가스상: O₃, NO₂, SO₂, NH₃, VOCs, CO, CO₂, CH₄; 입자상: Black carbon, NR-PM_1.0 화학 성분 (OA, SO₄^2-, NO₃^-, NH₄⁺ 등), 입경분포)을 측정할 수 있는 측정 장비를 탑재하여, 장거리 이동 대기오염물질과 국내 대형 산업단지 및 도심, 산림, 해상지역 등 다양한 환경에서 대기오염물질의 조성과 공간 분포를 관측하여 대기오염 개선에 필요한 연구들이 수행되고 있다 (Kim et al., 2023a; Park et al., 2023; Park et al., 2022; Sarkar et al., 2021; Park et al., 2020a; Seo et al., 2019). 위와 같이 국내 대기오염 항공관측의 기술 발전과 측정 인프라의 확장은 산업단지, 도심지역, 해상 등과 같이 넓은 대기오염 배출지역을 관측하고 위성 및 지상원격관측 검교정에 필요한 기초 자료 수집을 통해 국내 대기질 개선 연구활동에 기여함으로 항공관측의 중요성과 필요성이 점점 대두되고 있다. 또한, 타국에 의존하지 않고 국내 자체적으로 대기오염 항공관측을 수행하여 동아시아와 같은 지역적 대기오염 현상을 연구하는 것에 있어서 국제적으로 기여할 수 있는 역량을 확보하였다.

3. 대기오염 항공관측 고려사항

3. 2 항공용 대기오염물질 측정 장비

항공기를 이용한 대기오염물질 측정은 단시간 내에 넓은 지역을 이동하며 측정하는 장점이 있지만, 빠른 속도로 이동하는 항공관측의 특성으로 인해 측정 장비를 선정할 때 분석 시간과 검출한계 등 여러 부분을 고려해야 한다. 국내 항공관측에서 주로 사용하는 Beechcraft C90GT나 Beechcraft 1900D의 경우 항공관측 시 평균 300 km/hr로 비행하고, KORUS-AQ에 사용된 NASA DC-8의 경우 약 850 km/hr로 비행할 수 있으며 각각 1초에 83 m와 236 m를 이동할 수 있다. 이와 같이 빠른 속도록 이동하면서 측정을 수행하는 항공관측은 1초 이하의 빠른 분석이 요구된다.

대기오염물질 항공관측에서 가장 많이 쓰이는 측정법은 대표적으로 질량분석법 (Mass spectrometry), 화학발광법 (Chemiluminescence), 레이저 분광법 (Laser spectroscopy)이 사용되며, 라디오미터 (radiometer)와 라이다 (Light Detection and Ranging; LiDAR)를 이용한 다양한 광학 측정들도 사용된다 (표 4). 이 측정방법들의 공통적인 특징은 분석 시간이 1초 이하로 매우 빠르다는 것이다. 분석 시간이 길어질 경우 빠른 속도로 비행하는 항공기로 인하여 측정 장비를 통해 검출된 대기오염물질의 검출 장소를 특정화하기 어렵다.

Table 4.

Instruments for airborne measurement of air pollution

대기오염물질 항공관측에서 사용되는 질량분석기는 대표적으로 미세입자의 화학성분 분석을 위한 HR-ToF-AMS와 VOCs 및 그 외 가스상 물질 (H₂O₂, SO₂, HNO₃, Organic acids 등)을 분석하는 Proton Transfer Reaction ToF Mass Spectrometer (PTR-ToF-MS)와 Chemical Ionization MS (CIMS)가 있다. 이 HR-ToF-AMS, PTR-ToF-MS, CIMS는 ToF 질량분석기를 사용하여 높은 질량 분해능 (Mass resolution)을 바탕으로 측정 정확도와 정밀도가 높고, 1 Hz 이상의 고해상도 측정이 가능하며, 각 측정 장비가 한 번에 여러 가지의 대기오염물질을 측정할 수 있는 장점이 있다 (Park et al., 2023, 2020b; Bourgeois et al., 2022; Nault et al., 2018; Müller et al., 2014; Ren et al., 2012; Eerdekens et al., 2009; DeCarlo et al., 2008).

항공관측에서 화학발광법은 대기오염물질 중 주로 NO, NO₂, O₃ 등을 측정할 때 사용한다 (Nussbaumer et al., 2021; Tadic et al., 2021; Zhao et al., 2021; Ashworth et al., 2020; Flocke et al., 2020). 화학발광법은 두 화학물질이 반응 (예, NO+O3=NO₂)하며 생성된 전자적으로 여기된 화학물질 (예, NO₂*)이 기저상태로 돌아오며 화학발광에 의해 방출되는 빛을 측정하는 방식이며, 높은 민감도와 낮은 검출한계로 측정할 수 있는 장점이 있다 (Nussbaumer et al., 2021; Demerjian, 2000).

항공관측에서 레이저 분광법은 가스상 대기오염물질 (NH₃, NO, NO₂, HONO, CO, CH₂O, C₂H₆ 등)들과 온실가스 (CO₂, CH₄, N₂O 등)들을 측정할 때 주로 사용된다 (Park et al., 2023; Fried et al., 2020; Li et al., 2020; Pollack et al., 2019; Jahjah et al., 2014; Di Carlo et al., 2013). 레이저 분광법은 적외선 영역 또는 특정 파장의 레이저는 조사하여 시료에서 흡수 또는 산란 등에 의해 변화하는 스펙트럼을 측정하는 방법으로 낮은 검출한계와 높은 민감도 및 빠른 분석 시간이 장점이다 (Richter et al., 2015; Lee et al., 2011; Santoni et al., 2011; Nelson et al., 2004).

앞서 설명한 측정 장비 외에도 1초 이하의 분석 시간과 높은 민감도 및 대기오염물질 배출원이 적은 상층 대기에서 측정 가능한 낮은 검출한계를 만족하는 대기오염물질 측정 장비는 연구자에 선택에 따라 적용 가능하지만 공간 및 전력 사용에 제한이 있는 항공관측 특성상 유효 탑재량 (Payload)을 고려하여 최종 선정해야 한다.

3. 3 유효 탑재량 (Payload)

대기오염 항공관측은 연구용 항공기 내부에 연구장비와 연구자가 탑승하여 상공을 비행하며 관측을 수행한다. 항공관측의 미션수행 시간과 관측비행영역은 항공기의 비행가능 시간 및 거리에 따라서 제한될 수 있으며, 이는 항공기에 탑재된 측정 장비와 탑승 연구진의 무게에 큰 영향을 받는다. 항공기의 무게는 크게 세 개의 그룹으로 1) 항공기 동체와 가동을 위한 기초장비들의 무게 (Operation Empty Weight, OEW), 2) 항공기 연료 (Total fuel), 3) 유효 탑재량 (Payload)으로 나눌 수 있다 (Chati and Balakrishnan, 2018; Ackert, 2013). 항공기의 무게 중 OEW는 줄일 수 없으며, 항공기 연료량과 유효 탑재량을 조절하여 비행거리를 조절할 수 있다 (그림 2). 예를 들어 그림 2의 D지점은 항공기에 항공기 연료를 가득 주유하고 측정 장비와 연구자가 탑승하지 않았을 때 가장 긴 거리를 비행할 수 있음을 의미한다 (최대비행거리). D지점에서 측정 장비가 탑재된다면 항공기의 무게 상승으로 인해 비행거리가 줄어들게 된다 (D to C). C지점은 항공기의 최대이륙무게 (Maximum Takeoff Weight, MTOW)를 의미하며, 탑재되는 측정 장비가 더 증가할 경우 MTOW를 초과하지 않도록 항공기 연료를 줄여야 한다 (C to B) (Ackert, 2013). 따라서 더 많은 종류의 대기오염물질을 관측하기 위하여 많은 측정 장비를 탑재할 경우 비행 시간의 감소로 비효율적인 관측비행이 수행될 수 있다.

Fig. 2.

Standard payload-distance diagram (Adapted from Ackert, 2013).

다음 고려사항은 측정 장비의 소비전력이다. 항공관측 중 측정 장비의 전기공급은 항공기 엔진에서 발전되는 전기를 사용하는데 항공기 엔진에서 생산될 수 있는 발전량이 정해져 있기 때문에 소비전력이 큰 연구 장비는 탑재하기 어렵다. 추가적으로 국내에서 대기오염 항공관측으로 주로 사용되는 Beechcraft C90GT와 B1900D는 직류 (Direct Current, DC)를 생산하는데, 이를 인버터를 사용하여 측정 장비를 가동시킬 수 있는 교류 (Alternating Current, AC)로 변환한다. 인버터를 이용하여 DC에서 AC로 변환될 때 인버터의 AC 출력 용량이 정해져 있기 때문에 항공기에 탑재될 수 있는 총 측정 장비는 인버터의 AC 출력 용량 이하로 제한된다. 국내에서 대기오염 종합관측을 위해 활용되는 B1900D의 경우 약 1,650 W (220 V, 7.5 A) 출력 용량의 인버터를 총 6개 탑재하여 약 9,900 W 이내의 전력을 연구 장비 가동을 위해 공급할 수 있다.

마지막으로 항공기의 내부 공간은 항공기에 따라서 매우 협소할 수 있어서 측정 장비의 무게와 소비전력 조건을 만족하더라도 내부 공간의 제약으로 인해 탑재하지 못할 수 있기 때문에 항공관측을 계획하는 과정 중에 대기오염물질의 측정 대상과 탑재 장비의 선별이 필요하다.

4. 맺음말

항공관측은 기상 현상과 대기 화학 및 거동을 이해하는 데 많이 활용되어 왔으며, 특히 대기오염을 연구하는 데 중요한 역할을 한다. 대기오염 항공관측의 저변 확대는 대기질 개선에 필요한 과학적 자료를 산출하여 과학적 이해도 향상과 공공 보건 개선을 위한 정책 마련에 밑거름이 된다.

하지만 항공관측은 지상 측정 대비 높은 운영 비용과 유효 탑재량의 제한으로 인하여 복합적인 대기 화학 과정을 이해하기 위해 필요한 측정 장비를 모두 탑재할 수 없기 때문에 측정 대상에 대한 선택과 집중이 요구된다. 또한, 항공관측 비행경로는 공역관리규정 (국토교통부고시 제2020-839호)에서 규정하는 비행제한구역과 비행금지구역 등으로 인하여 제한적인 (수동적인) 비행경로로 수행되는 실정이다. 제한적인 비행경로의 주요 원인은 국내 곳곳에 위치한 공항에서 발생되는 항공 교통량 (비행경로 간섭)과 군사 훈련 (비행, 낙하, 사격 등) 및 국가 보안 시설 등의 영향이 있다. 제한된 항공관측 비행경로는 군사기관 및 정부기관 (지방 항공청 등)과 사전 협의를 통해서 더 과학적 가치가 높은 항공관측 비행경로로 일정 부분 조율할 수 있지만, 갑작스럽게 발생하는 고농도 미세먼지 현상과 같은 대기오염 현상을 미리 예측하여 관련 기관과 사전 협의하는 것은 매우 어렵다. 또한 대기오염 항공관측은 강수 (대기오염물질의 습식 침적 등), 안개와 같은 기상 현상들의 영향을 받기 때문에 사전 협의를 통해 항공관측을 계획하였더라도 기상 현상 등 기타 요인에 의해 계획된 항공관측을 수행하지 못하기도 한다. 이와 같이 대기오염 항공관측을 수행하는 데 제한이 되는 부분들을 개선하기 위해 다음의 사항을 제안한다.

• 1) 대기오염 항공관측을 위한 대형 항공기 도입: B1900D와 King Air C90GT 같은 중·소형 항공기는 좁은 회전반경으로 공간 해상도가 높은 비행이 가능하고, 제트엔진 대비 작은 소음으로 인구 밀집지역에서 저공 비행이 가능하다는 장점이 있지만, 제한된 유효 탑재량으로 인해 측정 장비의 선택적인 탑재가 요구되며 4시간 내의 짧은 비행 시간으로 인하여 1회의 항공관측으로 관측 가능한 영역이 일부 구역으로 제한된다. 이는 항공관측을 통해 대기오염물질의 확산과, 확산 과정 중 역동적으로 변화하는 대기 화학 반응을 연구함에 있어서 연속적이지 못한 (관측활동의 중단) 관측 결과를 초래한다. 대형 항공기의 도입은 상대적으로 더 많은 유효 탑재량을 바탕으로 비행 가능 시간 (거리)의 확대와 측정 장비의 추가 탑재가 가능한 장점이 있으며, 1회의 항공관측만으로도 국내 전역을 비행 (한반도 순환 비행)하며 국내 상공에 분포하고 있는 대기오염물질을 종합적으로 관측할 수 있다. 이는 지난 2016년 수행된 KORUS-AQ에 투입된 DC-8의 항공관측 수행 능력을 통해 이미 확인되었다. 이러한 대형 항공기의 도입은 항공기 구입 및 개조 비용뿐만 아니라 운영 비용 등을 수반하기 때문에 많은 비용이 필요하다. 대기오염 항공관측은 궁극적으로 국민건강을 저해하는 대기오염의 원인을 파악하는 것에 목적을 두기 때문에 정부와 민간, 학계 등 모든 부분의 관심과 지원이 필요하다. 선례로 현재 국내 대기오염 항공관측의 사용되는 B1900D는 과학기술정보통신부, 환경부, 보건복지부 및 국립환경과학원 등 여러 정부기관의 지원으로 도입되었다. B1900D 사례와 같이 정부가 주도하고 민간 및 학계가 함께 참여한다면 대기오염 관측을 위한 대형 항공기 도입도 가능할 것으로 판단된다.
• 2) 항공관측 전문 운영 인력 배양: 항공관측은 연구자 외에도 항공기 조종사 및 항공기 정비사가 함께 참여하여 운영된다. 국내 대기오염 항공관측은 시계 비행이 가능한 낮 시간 (일몰 전)에만 항공관측이 수행되고 있기 때문에, 대기오염물질의 야간 화학 반응 (night-time chemistry)에 관한 연구를 수행할 수 없다. 영국의 경우 야간 항공관측을 통해 HO₂, NO₃, N₂O₅ 등 야간 화학 반응에 기여하는 화학 성분들을 직접 관측하여 야간 화학 반응에 의한 대기오염의 영향을 연구하였다 (Stone et al., 2014; Kennedy et al., 2011). 항공관측의 전문 운영 인력 배양은 항공관측에 필요한 운영 인력을 안정적으로 확보하고 항공관측의 적합한 비행 능력을 고도화하여, 아직 국내에서 연구가 미흡한 야간 대기오염물질의 분포와 화학 반응에 대한 연구를 수행할 수 있는 기틀을 마련할 수 있다.
• 3) 대기오염 항공관측 비행경로 협의를 위한 간소화된 공식 연락 체계 (Hot-Line) 구축: 항공관측 비행경로 협의는 군사기관 및 정부기관 (지방 항공청 등)과 항공관측이 수행되기 1주일 전에서 1달 전 사이에 협의가 진행되며, 항공관측 연구 규모에 따라서 수 개월 이전에 협의를 하기도 한다. 항공기 운항에 안전을 위한 행정 절차는 꼭 필요하지만, 복잡한 행정 절차는 고농도 미세먼지 현상과 같이 갑작스럽게 발생한 대기오염을 대상으로 한 항공관측의 수행을 어렵게 한다. 일반적으로 국내 대기오염 항공관측은 정부 주체로 수행되기 때문에 사익을 추구하기보다는 공익을 추구한다. 비행경로 협의를 위한 각 기관 담당자 (실무자 및 승인권자)들 간의 연락체계가 구축된다면 대기오염 항공관측을 수행함에 있어 보다 능동적인 연구가 가능할 것으로 판단된다.

우리나라 대기오염 문제의 원인 파악과 대기질 개선을 위한 연구 및 정책 활동들이 계속적으로 진행되고 있다. 특히 2024년에는 KORUS-AQ의 뒤를 잇는 대기질 국제공동조사 연구 3단계 (Satellite Integrated Joint Monitoring of Air Quality-III, SIJAQ-III)와 Airborne and Satellite Investigation of Asian Air Quality (ASIA-AQ)가 함께 수행될 예정으로, KORUS-AQ 이후에 반영된 대기오염 저감정책들과 KORUS-AQ 대비 개선된 대기질을 평가할 수 있는 좋은 원년이 될 수 있다. 본 논문을 통해 국내 대기오염 항공관측의 발전과 SIJAQ과 ASIA-AQ의 성공적인 연구 활동을 기원한다.

Acknowledgments

이 논문은 국립환경과학원의 재원으로 ‘입체관측을 통한 유기미세입자 및 주요 2차 입자상물질의 국가 간 이동파악을 위한 항공관측’의 지원을 받아 수행하였습니다 (NIER-2023-01-01-142). 대기오염 항공관측을 함께 수행하고 도움 주시는 모든 연구자분들과 관계자분들의 노고에 감사드립니다.

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