RTO care

30. 철도소음

   

가. 특 성

(1) 현 황

(가) 유동인구 및 물동량 증가로 철도 운행량이 증가됨.

(나) 매스컴과 국민의 환경인식의 증가로 소음민원이 점증

(다) 철로변 일부에 방음벽을 설치하였으나, 미미한 수준임.

(2) 철도소음의 감각적 특징

(가) 철도 소음의 주파수 특성은 500∼2,000 Hz에서 최고 소음을 보여, 사람이 혐오하는 주파수 대역인 2,000∼4,000 Hz에 근접함.

(나) 철도소음은 도로변 생활환경기준(주거지역, 낮) 65 dB(A)를 초과함.

나. 철도소음의 크기

(1) 차속에 따른 소음의 크기

(가) 80 km/h로 운행시 선로중앙으로부터 100 m거리에서 70 dB(A),

(나) 100 km/h로 운행시 선로중앙으로부터 100 m거리에서 74 dB(A)임.

(2) 철도소음의 한도

(가) 주거지역 등 : 2000년부터 주간 70 dB(A), 야간 65 dB(A)임.

2010년부터 주간 70 dB(A), 야간 60 dB(A)임.

(나) 상·공업지역 등 : 2000년부터 주간 75 dB(A), 야간 70 dB(A)임.

2010년부터 주간 75 dB(A), 야간 65 dB(A)임.

다. 철도소음 발생원

(1) 차량 자체소음

(가) 디젤엔진 소음

(나) 레일과 차륜사이의 요철에 의한 충격·마찰로 발생되는 전동음

(2) 기타 소음

(가) 레일 체결구에서의 충격음 : 레일의 길이, 차륜과 레일의 중량

(나) 제동구간이나 곡선구간 소음 : 레일과 차륜의 편마모

(다) 전기철도 차량소음 : 차체 하부의 전동기와 보조기기 소음

(라) 철도 노반에서의 진동 : 철도연변 건물에 고체음과 진동을 유발

(마) 팬터그라프 소음 : Pantagraph(집전장치)와 가선사이의 마찰음, 펜터그라프와 가선사이 공간 발생으로 인한 spark음

라. 철도소음한도

1994년 11월 21일 제정된 철도소음 한도는 표 3.30.1과 같다.

표 3.30.1 철도소음 한도 (소음진동규제법 시행규칙 제37조 관련)

   

구 분

   

대상지역

한 도 (Leq,1h dBA)

  

  

  

  

2000년1원1일

∼2009년12월31일

  

2010년 1원1일부터

  

  

주간

06:00∼ 22:00

야간

22:00∼ 06:00

주간

06:00∼22:00

야간

22:00∼06:00

주거지역, 녹지지역, 준도시지역중 취락지구 및 운동·휴양지구, 자연환경보전지역, 학교·병원·공공도서관의 부지경계선에서 50m 이내지역

70

65

70

60

상업지역, 공업지역, 농림지역, 준농림지역·준도시지역중 취락지구 및 운동·휴양지구외 지역, 미고시지역

75

70

75

65

비고 : 1. 대상지역의 구분은 국토이용관리법(도시지역의 경우 도시계획법)에 의한다.

2. 정거장은 적용하지 않으며, 철교는 2010년1월1일부터 적용한다.

3. 이 규칙 공포일 이후 준공되는 철도는 2010년1월1일의 한도를 적용한다.

마. 철도소음 현황

(1) 노선별 소음레벨

(가) 경 부 선 : 선로중앙에서 20m지점 - 시간당 통행량이 12∼17대일 때, Leq,1h는 70 dB(A)

(나) 호 남 선 : 선로중앙에서 20m지점 - 시간당 통행량이 4∼5대일 때, Leq,1h는 68 dB(A)

(다) 태 백 선 : 선로중앙에서 20m지점 - 시간당 통행량이 3∼7대일 때, Leq,1h는 72 dB(A)

(라) 경인전철 : 선로중앙에서 20m지점 - 시간당 통행량이 18∼19대일 때, Leq,1h는 70 dB(A)

(2) 아파트 층별 철도소음 분포

(가) 경부선 및 호남선 : 선로로부터 50∼100 m 지점

① 아파트 3층 : 1시간 등가소음도(Leq,1h) - 63∼69 dB(A)

② 아파트 8층 : 1시간 등가소음도(Leq,1h) - 65∼72 dB(A)

③ 아파트 12층 : 1시간 등가소음도(Leq,1h) - 65∼69 dB(A)

바. 철도소음의 문제점

(1) 근본적인 문제

(가) 인체에 미치는 소음의 영향에 대한 국내의 연구가 미비함

(나) 철도소음에 대한 환경 기준이 설정되지 않음

(다) 철로변 토지이용의 변화로 민원이 증가함

(라) 방음벽 설치로 저층의 소음은 저감되나, 고층은 방음효과가 없음

(2) 구조적인 문제

(가) 부처간 협의(건축허가시 환경기준 검토 등)와 철도로부터의 건축물 이격거리 (50m이상) 등 이 건축업체의 이해상관 관계로 잘 준수되지 않음

(나) 방음벽, 이중창 등의 대책이 전면적으로 시행되지 않음.

사. 철도소음 방지대책

(1) 건축허가시 철로로부터의 이격거리 준수

(2) 주택지역 통과시 철로변에 방음벽 설치

(3) 철로변 공동주택의 중간층의 이중창, 삼중창의 의무화

(4) 공동주택을 선로와 직각배치 또는 복도·거실을 철로변으로 배치

(5) 짧은 레일을 긴 레일로 대치 및 방진침목 설치

(6) 주거지 통과시 저속운행

참고문헌

1. 환경법령집, 1995, 소음진동규제법.

2. 국립환경연구원, 1993, 사업장소음의 방지대책에 관한 연구(Ⅱ).

3. 국립환경연구원, 1994, 사업장소음의 방지대책에 관한 연구(Ⅲ).

4. 김석홍외 2인, 1993, 경부선 철도소음진동의 전파특성에 관한 기초연구, 한국소음진동공학회

제3권 제1호

5. 衛生工學ハンドブック 騷音·振動編, 1982, 朝倉書店.

   

작성자 : 소음진동과 환경연구관 김종민(공학석사)

   

   

원본 위치 <http://home.sunchon.ac.kr/~bioenvlab/data2/ham3/3-30.htm>

   

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29. 발파진동

   

가. 발파진동의 특성

(1) 발파진동의 정의

- 발파란 연소에 의해 순간적으로 분해되고 많은 양의 열과 가스를 방출하는 화약을 써서 바 위 따위를 파헤쳐 깨뜨리는 것을 말함

- 폭약이 장약공 내에서 폭발하면 초기 충격 폭굉압(또는 충격압), 화약의 연소에 의한 지연 폭발가스압, 그리고 3,000℃이상의 고온이 발생

- 폭원으로부터 3차원으로 전파되어온 충격압에 의한 충격파는 거리에 따라 현저히 감쇠되어 발파에 의한 에너지의 0.5∼20%가 탄성파의 형태로 암반중으로 전파되어 가면서 지반의 진동을 발생시키는데 이를 발파진동(blast vibration)이라 함

(2) 진동원의 구분

표 3.29.1 작업별 진동 특성

   

구분

작 업

진동

폭파 : 폭파 다짐/치환, 구조물 해체등, 지질탐사

발파 : 채광발파, 건설발파

지반타격 : 동다짐공법, 석주공법, 타격식 굴착

항타 : 단말뚝/터널말뚝의 타입

지반굴착 : 암따기, 파쇄, 기계식 현장타설 기초공사

지반천공 : 시추, 어스앵커링

건설장비 : 다짐장비, 토공장비

일시

진동

  

  

지속

진동

교통

진동

도로차량진동 : 도심 중교통도로, 고속도로

철도열차진동 : 지하철, 일반철도, 고속철도

  

산업

진동

동력기계 : 회전원동기, 왕복운동 동력기, 컴프레셔

가공기계 : 제련 제지 절삭기계

기타 : 대형 크레인

  

(자료 : 우제윤, 1993)

(3) 발파진동과 지진

(가) 발파진동과 지진과의 비교

표 3.29.2 발파진동과 지진의 주요특성 비교

   

구 분

발파진동

자연진동

진원의 깊이

지표 또는 지표가까운 내부

지하 10km 이상

진동의 주파수

수 10∼수 100Hz

1Hz 정도 또는 그 이하

진동지속시간

0.1sec 정도 이내

10 sec 이상

진동의 파형

비교적 단순

복잡

(자료 : 한국토지개발공사)

① 발파 진동은 지진 진동에 비하여 지속 시간이 짧고, 주파수 범위도 수십에서 수백Hz인 관계로 감쇠가 쉽게 일어나며, 파형이 비교적 단순

② 지진에 의한 진동피해의 경우 그 정도를 보통 가속도로 표시하고 있으나, 발파진동에 의한 구조물의 피해정도는 진동속도에 비례하기 때문에 세계 각국에서는 대부분 발파 진동의 규제기준을 진동속도의 최대치로 정하고 있음

(나) 진도계(震度階)와 진동가속도레벨

표 3.29.3 진도계와 진동가속도레벨의 관계 및 피해손상

   

진도계

명칭

최대진동

가속도

(cm/s2)

진동가속도

레벨

(환산치)

피해손상의 상황

진도 0

무감

0.8 이하

55dB 이하

인체가 느끼지 못하며 지진계에 기록되는 정도

진도 1

미진

0.8∼2.5

55∼65

정지해 있는 사람이나, 지진에 특히 주의깊은 사람만이 느낌

진도 2

경진

2.5∼8

65∼75

많은 사람이 느끼는 정도의 것이므로 집의 미닫이가 약간 움직이는 것을 알 정도

진도 3

약진

8∼25

75∼85

집이 흔들리고, 미닫이가 덜덜 소리내며 움직이고, 전등이 흔들리고, 그릇의 수면이 움직이는 것을 알 정도

진도 4

중진

25∼80

85∼95

집의 동요가 심하고, 안정감이 좋지 않은 꽃병 등이 쓰러지고, 그릇의 물이 넘치고, 걷고 있는 사람에게도 느껴지고, 많은 사람이 집밖 으로 뛰어나오는 정도

진도 5

강진

80∼250

95∼105

벽이 갈라지고, 묘비·석등탑이 넘어지고, 굴뚝·돌담이 파손

진도 6

열진

250∼400

105∼110

집이 무너지는 것이 30% 이하이고, 산이 붕괴 되고, 땅이 갈라지는 현상이 나타나고, 많은 사람들이 서 있는 것이 불가능한 정도

진도 7

격진

400 이상

110 이상

집이 무너지는 것이 30% 이상에 이르고, 산이 붕괴되고, 단층등이 생긴다

주) 기상청 진도등급에 진동속도, 진동레벨을 대응시킨 것

(자료원 : 日本 東京都環境保全局, 1994, ; 정일록, 1984)

나. 발파진동의 평가

(1) 진동 단위

표 3.29.4 진동의 기본 및 파생 단위

   

구 분

기본단위

파 생 단 위

진동변위

cm

μ=10-3mm=10-4cm, mm=10-1cm, m=102cm

진동속도

cm/sec

mm/sec=10-1cm/sec, kine=1cm/sec, m/sec=102cm/sec

진동가속도

cm/sec2

gal=1cm/sec2, g=980cm/sec2≒103gal, m/sec2=102cm/sec2

   

(2) 가속도 레벨 (VAL)

진동의 양과 사람의 감각정도는 대수척도로 대응하므로 대수척도인 dB(deci Bel)로 표현

가속도레벨 VAL = 20 log 10 A/A0(dB)

A : 측정치의 가속도 실효치 (m/sec2)

A0 : 기준치 10 -5 m/sec 2

(3) 진동레벨 (보정가속도레벨, VL)

국제표준화기구(ISO)의 인체의 진동에 대한 진동폭로기준에 의하여 가속도레벨에 주파수에 대한 인체의 진동감각(Wn)을 보정한 것

VL = VAL + Wn

다. 발파진동의 영향

(1) 진동의 영향

표 3.29.5 진동에 의한 구조물, 기기, 생물 피해

   

대 상

종 류

  

적 요

비 고

  

양태

구분

  

  

미관적 손상

토건

구조 손상

파손

   

파손

-단독주택 및 소규모 건축물의 내외벽의 미장재가 떨어져 나가거나 균열을 일으키는 정도로서 큰 어려움 없이 원상회복이 가능한 손상

-토목 건축구조물의 구조요소간 연결부위의 이탈 이완, 골격부재내의 균열발생 및 파단 침화 뒤틀림 등 내부 구조물의 구조적 안정과 기능에 심각한 위협이 되는 중대한 손상

-균열의 형태 깊이 등에 대한 면밀한 조사 필요

일시

오작동

품질

손상

   

고장

   

기능장애

기능장애

   

파손

   

-충격진동 등에 의해 기기가 일시적으로 오작동되는 정도로서 커다란 물적 작업방해 피해를 유발하지 않는 정도의 피해

-기기 자체의 항구적 고장을 유발하는 정도는 아니나, 기기를 이용한 사람의 작업에 큰 지장을 주거나 기기의 처리 가공으로 얻어지는 성과 제품의 질을 크게 떨어뜨리는 수준의 피해

-기기를 구성하는 주요 구성부품의 이탈, 접속부의 단절 파단을 초래하여 기기 자체의 수리를 요하는 중대한 피해

-전자저울 등을 이용한 정밀계측 현미경 촬영 등

-컴퓨터 및 컴퓨터를 이용한 기기에서 데이터처리 오류 및 초정밀 분석 가공 제조기기의 오작동.

심리

피해

   

생산성

저하

   

   

   

생리적

피해

공해성

   

   

공해성

   

   

   

   

기능장애

-신경이 전혀 안쓰이지는 않으나 참을 만한 정도의 피해

   

-참기 어려울 정도의 심한 불안감 및 불쾌감을 유발하는 정신적 피해를 일으키고 휴식여건 및 작업수행 성과에 영향을 미침으로서 근무효율 및 생산성을 크게 떨어뜨리는 수준의 피해 가축의 경우는 불안을 유발하여 축산생산을 저하시키는 수준

-의학적으로 사람 및 가축의 생리상태에 직접적인 영향을 미쳐 육체적 건강을 해치는 수준의 피해 가축의 경우는 수태불능 등의 중대한 축산 피해

-주변환경 여건, 사람에 따라 가변, 사전예고 설득으로 어느 정도 해결 가능

-수면방해, 집중도가 높은 정밀작업 지장등

   

   

   

-돌발적인 강한 충격진동 및 지속적인 큰진동

(자료 : 우제윤, 1993)

(2) 진동속도와 피해

표 3.29.6 진동속도에 따른 인체·구조물 피해

   

진동속도

(mm/sec)

500.0

100.0

50.0

10.0

5.0

2.0

1.0

0.5

0.1

0.05

-건물에 큰 피해가 일어난다.

  

  

건물에 균열이 생긴다.

  

  

-건물에 극히 가벼운 피해가 일어난다.

  

  

-건물에 극히 가벼운 피해가 생긴다.

(사람은 건물이 무너질듯한 느낌을 받는다.)

  

  

인체는 심하게 느끼나 건물은 피해가 없다.

  

  

-일반적으로 많은 사람이 진동을 느낀다.

  

  

매우 민감한 사람이 진동을 느낀다.

  

  

-인체로 느낄 수 없다.

(자료 : 한국토지개발공사, 1993)

라. 발파진동의 허용기준치

(1) 터널공사 표준안전작업지침(노동부고시 94-25호, 1994. 6) 및 발파작업 표준안전작업지침(노동부 고시 94-26호, 1994. 6)에 발파작업에서의 진동 및 파손의 우려가 있을 때 준용할 수 있는 기준은 다음과 같다.

표 3.29.7 발파작업시 구조물 특성에 따른 허용진동치

   

건물분류

문화재

주택

아파트

상가

(금이 없는 상태)

철골콘크리트

빌딩 및 상가

건물기초에서의

허용진동치 (cm/sec)

0.2

0.5

1.0

1.0∼4.0

비고: * 기존구조물에 금이 있거나 노후 구조물 등에 대하여는 상기표의 기준을 실정에 따라 허용범위를 하향 조정하여야 한다.

* 이 기준을 초과할 때에는 발파를 중지하고 그 원인을 규명하여 적정한 패턴(발파기준)에 의하여 작업을 재개한다.

(2) 저주파의 진동은 건물의 고유주파수(일반적으로 30Hz이하)와 공명을 일으켜 건물에 더욱 큰 피해를 유발할 가능성이 크므로 더욱 엄격하게 규제할 필요가 있고, 실제로 외국의 발파진동 허용기준치는 주파수를 고려한 경우가 많음

마. 발파진동의 예측

지발당장약량 W와 거리 R이 변화할 때 최대 입자속도를 예측하는데는 환산거리를 이용하는 방법이 많이 사용됨.

V = K(R/Wb)n

여기서 V : 지반의 진동속도(particle velocity, cm/sec)

R : 발파원으로부터의 거리(m)

W : 지발당 장약량(charge per delay, ㎏)

K, n, m : 지발암반조건, 발파조건 등에 따른 상수

b : 1/2 또는 1/3

양변에 로그를 취하면 1차 회귀직선이 됨

log V = log K + n log (SD)

거리와 지발당 장약량의 비 R/Wb를 환산거리(scaled distance, SD)라 하며, b=1/2이면 자승근 환산거리, b=1/3 이면 삼승근 환산거리라 함.

일반적으로 짧은 거리(6∼30m)에서는 삼승근이, 먼거리 (30m 이상)에서는 자승근이 더욱 잘 맞는 것으로 알려져 있음.

이 발파 진동식에서는 지반의 공학적 성질이나 발파조건 등에 따른 진동감쇠 특성이 결국 상수 K, n에 반영되어 표시되므로 안전발파 설계를 위해서는 대상지역에서 시험발파를 통한 K, n 상수값을 결정하는 것이 중요.

바. 발파진동의 조절

(1) 제어법

(가) 표준발파의 실시

(나) 자유면의 최대한 이용

(다) 공간거리와 저항거리의 비를 1이상으로 실시

(라) 벤치발파에서 Subdrill 길이를 알맞게 설계

(마) 지발 뇌관당 장약량을 감소

(바) 물이 발생하는 곳, 수중발파시, 공간거리가 가까운 곳에서 잘 발생하는 전폭현상(Flash over)이 생기지 않도록 외부충격에 둔감한 폭약과 뇌관을 사용

(사) 소단면 굴진발파는 Cylinder cut 발파를, 대단면 굴진발파는 Cylinder cut 또는 Fan cut 발파를 실시

(아) 콘크리트 파쇄기를 이용

(자) 팽창성 파쇄재를 이용

(차) 선행이완발파의 이용

(카) 심발 발파를 실시할 때는 다음의 방법을 고려하여야 한다.

① 순발뇌관을 사용하지 말고 MS뇌관을 사용

② 심발 보조공을 천공하여 저항거리를 적게하여 약량을 줄임

③ 대공경의 공공을 뚫어줌

④ 터널 주변에 Presplitting 발파를 실시한 후 심발 발파

(타) 저폭속의 폭약을 사용

(파) 참호(Trench)나 Presplitting으로 지반진동의 전파경로차단

(2) 진동제어 발파 설계

건물, 구조물, 사람 등에 근접한 발파로 진동에 의한 피해가 예측될 때에는 진동제어 발파

설계를 하여야 함

(3) 미진동 발파공법의 채택

근접한 시설물을 보호해야 하는 특수한 발파조건이 요망될 때 등 사용

(4) 차단벽을 이용한 진동 저감

(가) 오픈 트렌치(Open Trench)

(나) 채움재 차단벽(Infilled Trench)

(다) 주열상 방진공(Row of Piles)

(라) 구형(矩形) 차단벽(Rectanger Wave Barrier)

사. 문제점

(1) 저진동 또는 미진동 발파공법이 많이 개발되어 왔으나 그 발파공법의 적용 가능성, 발파 효과, 경제성 등으로 인하여 모든 경우에 다 적용할 수는 없음

(2) 건설분야에서는 주로 진동의 단위를 건물피해와 직접관련 되는 cm/sec를 사용하나, 환경분야에서는 인체가 느낄 수 있는 진동의 표현에 적합한 dB단위를 쓰고 있어 건설분야의 측정자료의 활용시 혼돈이 있고, 실제활용하기가 곤란

(3) 구조물 피해와 관련된 연구자료는 있으나, 실제 인간, 가축, 가금류 등의 생체 피해측면에서의 조사연구가 부족하여 발파진동피해 발생시 실제 피해여부의 확인, 피해보상 등의 과학적 근거자료제시가 곤란

아. 대책

(1) 저진동·미진동 발파공법 및 발파 대체 굴착기계의 개발 촉진

(2) 발파진동 허용기준 설정

(3) 발파진동단위의 상호환산이 가능한 경험식 개발

(4) 발파진동의 생체피해 관련 연구 추진

참고문헌

1. 우제윤, 1993, 한국지반공학회 지반진동위원회 학술발표집, p.122.

2. 日本 東京都環境保全局, 1994, 建設作業振動防止手引き,정일록, 1984, 소음진동학, 신광출판사.

3. 한국토지개발공사, 1993, 암발파 설계 기법에 관한 연구.

4. 동아건설산업주식회사 기술연구소, 1993, 현장기술지도서(건설환경관리-소음·진동).

5. 터널공사 표준안전작업지침(노동부 고시 94-25호, 1994. 6).

6. 발파작업 표준안전작업지침(노동부 고시 94-26호, 1994. 6).

   

작성자 : 소음진동과 환경연구사 이정희(공학석사)

   

   

원본 위치 <http://home.sunchon.ac.kr/~bioenvlab/data2/ham3/3-29.htm>

   

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28. 고속전철소음

   

가. 현황

(1) 사업개요

(가) 구 간 : 서울∼부산간 (412km)

(나) 운행시간 : 160분 (2역 정차 기준)

(다) 최고속도 : 300km/hr (3분당 1대)

(라) 수송규모 : 1개열차당 1,000명 수송

(마) 추진일정 : 사업기간 - 1992.6.∼2004.4.

천안∼대전간 - '99.12.준공 (시험운행 '99.12.∼'03.9.)

서울∼대구간 - '04.4.준공 (영업운행 '04.4.∼)

대구∼부산간 - '04.4.(기존선 전철화)

대구∼부산간 - 2010 준공

(2) 고속전철 소음의 특징

(가) 기존철도와 같은 추진계 및 체결구 소음 이외에 차체와 공기의 마찰에 의한 공력소음, 가선과 Pantagraph(집전장치)사이의 스파크소음이 부가적으로 발생함

(나) 시속 250km 이상 고속으로 운행시 공력소음 발생, 시속 150km 이상 고속으로 운행시 스파크소음 발생

나. 고속전철 소음의 크기

(1) 차속에 따른 소음의 크기

(가) 240km/h일 때 선로중앙으로부터 100m거리에서 80dB(A)이고,

(나) 300km/h일 때 선로중앙으로부터 100m거리에서 85dB(A) 정도임

(2) 고속철도의 소음도

고속철도소음과 일반철도소음을 비교하면 다음 표 3.28.1과 같다.

표 3.28.1 차종별 소음도 (선로중앙으로부터 25m, Lmax dBA)

   

TGV

(250km/hr)

새마을

(97∼126km/hr)

무궁화

(84∼122km/hr)

전철

(80km/hr)

89

85

88

84

(출처 : 고속철도공단, 1995 ; 국립환경연구원, 1994)

다. 고속전철 소음발생원

(1) 차량 자체소음

(가) 추진계 소음 : 차체 하부의 전동기와 보조기기 소음 및 차륜과 레일사이의 소음으로 속도의 3승에 비례하여 증가

(나) 공력소음 : 공기와 차체사이의 마찰로 발생되는 소음으로 속도의 6승에 비례하여 증가 (250km/hr 이상에서는 추진계 소음보다 공력소음이 큼)

(2) 기타 소음

(가) 레일 체결구에서의 충격음 : 레일의 길이, 차륜과 레일의 중량

(나) 제동구간이나 곡선구간 소음 : 레일과 차륜의 편마모

(다) Pantagraph 소음 : Pantagraph와 가선사이의 spark음(150km/hr 이상에서 발생)

라. 고속전철 소음예측

(1) 고속철도 최고소음레벨 예측

(가)

(나) Lmax : 운행시 최고소음도 [dB(A)]

V : 열차운행속도 [km/hr]

d : 선로중앙에서 수음점까지의 거리 [m]

(2) 고속전철 최고소음도

속도별 고속전철 최고소음도는 다음 표 3.28.2와 같다.

표 3.28.2 속도별 최고소음도 [25m, dBA]

   

속도 [km/hr]

100

150

200

250

300

최고소음레벨

80.0

82.5

86

89

93

(출처 : 고속철도공단, 1995)

(3) 고속철도 등가소음도 예측

(가)

(나) Leq : 운행시 T시간 등가소음도 (dBA)

Lmax : 운행시 최고소음도 (dBA)

n : T시간 동안 열차통과 대수 (대)

T : 측정대상 시간 (sec)

마. 고속전철 소음현황

(1) 거리별 소음도

고속전철(TGV)의 최고소음도는 열차길이 400m, 속도 300km/hr인 경우 표 3.28.3과 같다.

표 3.28.3 거리별 최고 소음도

   

선로중앙으로부터의 거리 (m)

50

75

100

150

200

300

최고소음도 (dB(A))

88.8

86.5

84.6

81.7

79.3

77.3

(출처 : 고속철도공단, 1995)

(2) 차종별 고속철도 소음도

외국의 고속철도 소음도를 비교하면 다음 표 3.28.4와 같다.

표 3.28.4 고속전철 차종별 소음도 비교 (측정거리 25m, Lmax dBA)

   

속도(km/hr)

100

150

200

250

300

T G V ()

80.0

82.5

86.0

89.0

93.0

I C E ()

73.5

78.0

83.0

87.5

91.5

신간선 ()

81.5

83.0

86.0

90.0

94.0

(출처 : 국립환경연구원, 1994)

바. 인체에 미치는 소음의 영향

(1) 수면 방해 : 40∼50dBA

(2) 산술계산 능력 저하 : 50∼60dBA

(3) 주의·집중력 저하 : 70∼80dBA

(4) 문장 이해력 저하 : 80∼90dBA

(5) 작업량 저하 : 90∼100dBA

(6) 난청 : 100∼110dBA

(7) 육체적 고통을 일으킴 : 120∼130dBA

사. 고속전철소음의 문제점

(1) 근본적인 문제

(가) 인체에 미치는 소음의 영향에 대한 국내의 연구가 미비함

(나) 철도소음에 대한 환경 기준이 마련되지 않음

(다) 고속전철의 도심통과로 민원 발생의 우려가 높음

(라) 기존의 철도소음보다 소음발생량이 많음

(마) 고속운행시 터널 입·출구에서 발생되는 미기압파 충격소음

(2) 구조적인 문제

(가) 건축물 이격거리를 확보하지 못한 주거시설 등의 이주·보상 방안

(나) 방음벽, 방음터널, 이중창 등 방음대책 시행시의 재정확보

아. 철도소음 방지대책

(1) 프랑스의 철도소음 방지 관련제도 및 방음대책

(가) 프랑스 철도청(SNCF)은 일반철도의 경우 철도변 건물 정면의 등가소음도가 60∼65dB(A)를 초과하거나, TGV 철도의 경우 철도변 건물 정면의 등가소음도가 65∼70dB(A)를 초과하면 통상적으로 방음벽 설치, 혹은 대상건물에 대해 방음공사를 적용하고 있다.

(2) TGV철도 주변의 토지이용 및 도심 통과시 방음대책

(가) 프랑스에서 TGV노선을 선정할 때 마을로부터 250m(독립주택으로부터는 100m) 이상 떨어지도록 함으로써 소음문제를 근본적으로 해결하고 있다.

(나) 그리고 도심에서는 기존 철도망과 병행시키고 100km/hr 내외로 저속 운행하는 것으로 보고되고 있다.

(3) 기타의 소음진동문제

(가) 진동의 영향은 생활방해와 초정밀기기의 기능장애를 들 수 있는데, 생활방해 측면에서 TGV의 진동기준은 다음 표 3.28.5와 같다.

(나) 한편, 광학천칭, 전자현미경 등과 같은 초정밀기기는 생활방해기준보다 상당히 낮은 진동 수준에서도 기능장애를 받는 것으로 알려져 있기 때문에, 이들 기기가 설치되어 있을 것으로 예상되는 학교·병원, 연구소, 공장 주변을 통과하는 고속철도는 방진대책에 세심한 배려가 필요하다.

표 3.28.5 고속철도 운행시의 연도 진동기준(TGV)

   

장 소

가속도 (cm/sec2)

진동레벨 (dB)

  

비 고

  

  

주 간

야 간

  

병 원

0.5

55

52

국제표준화기구

(ISO)의 권장치

와 동일함

주 택

주간 : 1∼2,

야간 : 0.7

60

55

  

사무실

2

65미만

57미만

  

공 장

4

65

  

  

   

(출처 : 국립환경연구원, 1994)

참고문헌

1. 국립환경연구원, 1994, 사업장소음의 방지대책에 관한 연구(Ⅲ).

2. 국립환경연구원, 1993, 사업장소음의 방지대책에 관한 연구(Ⅱ).

3. 고속철도공단, 1995, 경부고속철도 건설사업.

4. 이희현외 2인, 1993, 고속철도의 소음과 진동, 한국소음진동공학회 소음분과학술세미나자료집.

5. 오인택, 박진모, 1993, 고속철도의 기술특성, 한국소음진동공학회 소음분과학술세미나자료집.

6. 김정태, 1996, 고속철도소음의 전파특성, 한국소음진동공학회 춘계학술대회논문집.

작성자 : 소음진동과 공업연구관 강대준(공학박사)

   

   

원본 위치 <http://home.sunchon.ac.kr/~bioenvlab/data2/ham3/3-28.htm>

   

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27. 건설소음의 관리와 소음표시 권고제

   

가 . 건설소음의 특성

(1) 건설소음은 공장소음, 도로교통소음, 철도소음 등과는 달리 다음과 같은 특성이 있음

(가) 건설기계의 소음은 음향파워레벨이 110dB(A)이상까지 되는 경우도 있어 작업시 인근 주민에게 피해를 주는 사례가 많이 있음

(나) 건설기계소음은 저주파 에너지를 많이 가지고 있어 일단 소음이 발생되면 멀리까지 많은 소음의 감쇠없이 진행하는 물리적 특성이 있음

(다) 공사중 소음은 서로 다른 음색을 갖는 음원에서 발생하는 음이 복합된 소음이며, 때때로 충격소음을 포함하는 경우가 많음

(라) 공사중 소음은 보통 공정의 진척에 따라 소음 Power Level과 Spectrum이 다른 여러 종류의 건설기계가 투입됨에 따라 다양해짐

(마) 공사중 소음은 영속성인 타소음과는 달리 건설공사 기간내에만 발생

(바) 건설공사는 보통 주간에 행하여지지만 도로보수공사 등의 일부공사는 야간에 행하여짐

(사) 공사중 소음의 음원은 보통 위치가 고정되어 있지 않고 현장 부지내를 이동하는 음원과 덤프트럭처럼 공사현장을 출입하는 음원이 있으며, 현장을 출입하는 음원의 경우 소음의 영향권이 더욱 넓어지는 경향이 있음

(2) 건설소음대책의 특수성

(가) 공사중 공법변경 등의 소음공해 경감조치는 공사비의 증대, 공기의 연장, 건축물의 안전 등의 문제 때문에 곤란

(나) 공장의 경우 건물구조 등에 차음시설을 하는 방법이 유효하지만, 건설공사는 옥외이므로 획일적, 정형적인 대책이 곤란하고, 현실적으로 흡음재 등을 통한 건설기계 소음방지의 효과가 저조한 실정임

(다) 소음대책비가 공사의 원가에 영향을 미침

(3) 소음표시제의 중요성

건설소음대책의 특수성으로 인하여 건설소음을 줄이기 위한 대책으로 소음발생을 원천적으로 줄이는 소음원 대책이 중요하고, 선진 각국에서도 건설기계의 소음을 줄이기 위하여 소음표시제 등의 소음원 대책을 시행하고 있으며, 저소음 건설기계의 개발에 박차를 가하고 있음

나. 건설소음의 관리 및 소음표시 권고제

(1) 고소음기계의 소음도 및 종류

보통 음향파워레벨이 100dB(A) 이상인 기계를 고소음 기계라 하고, 굴삭기, 로우더, 공기압축기, 발전기, 항타기, 브레이커, 압쇄기, 콘크리트 절단기 등 다수의 건설 기계가 100dB(A)를 초과

(2) 건설소음의 관리

주요 고소음 발생 건설기계를 사용하는 공사는 특정공사로 정하고, 규제지역내에서 특정공사를 시행할 때는 사전신고를 하도록 하고, 규제기준의 적용을 통하여 관리하고 있음

(가) 특정공사의 사전신고대상 기계·장비의 종류(소음·진동규제법시행규칙 제33조제1항 관련)

① 항타기·항발기 또는 항타항발기(압입식 항타항발기를 제외한다)

② 병타기

③ 착암기

④ 공기압축기(공기토출량이 분당 2.83m3이상의 이동식인 것에 한한다)

⑤ 건축물 파괴용 강구

⑥ 브레이커(휴대용을 제외한다)

⑦ 굴삭기

⑧ 발전기

⑨ 로우더

⑩ 압쇄기

(나) 규제기준

표 3.27.1 공사장소음 규제기준(소음·진동규제법 시행규칙 제29조의2 제3항 관련) (단위: dBA)

   

시 간 별

대상지역

조 석

(05:00∼08:00)

(18:00∼22:00)

주 간

(08:00∼18:00)

심 야

(22:00∼05:00)

주거지역, 녹지지역, 준도시지역중 취락지구 및 운동휴양지구, 환경보전지역, 학교·병원·공공도서관

65이하

70이하

55이하

기타지역

70이하

75이하

55이하

비고 : 1. 소음의 측정방법과 평가단위는 소음·진동공정시험방법에서 정하는 바에 따름

2. 대상지역의 구분은 국토이용관리법(도시지역의 경우에는 도시계획법)에 의함

3. 공사장 소음의 규제기준은 주간의 경우 소음발생시간이 1일 2시간 미만일 때에는 +10dB, 2시간이상 4시간이하일 때는 +5dB를 보정한 값으로 함

4. 규제기준치는 대상지역을 기준으로 하여 적용함

(3) 소음표시 권고제

(가) 목적

소비자에게 취사선택의 정보를 제공하고 생산자로 하여금 저소음제품을 개발토록 유도하여 건설소음을 저감시키고자 함

(나) 내용

① 환경부는 건설소음원 대책의 일환으로「고소음기계중 저소음제품에 대한 소음표시 권고에 관한 규정」을 고시(환경부고시 제1995-147호, '95.12.30)하고, '96. 2. 1일부터 시행(환경부고시 제1996-110, '96.9.6 개정)

② 국립환경연구원은 소음표시권고대상기계를 제작(수입)하고자 하는 자중 희망자에게 기계 의 소음도를 검사해 주고, 그 기계가 권고소음도에 적합할 경우에는 소음도표시 권고서를 교부하여 제작(수입)자가 소음도 표지를 부착, 판매할 수 있도록 함

③ 제작(수입)자의 자발적 참여를 유도하기 위하여 소음도 표지를 부착한 기계만을 사용하는 공사는 특정공사의 종류에서 제외시켜 특정공사신고의 절차 및 비용을 절감시킴

(다) 소음표시 권고대상 건설기계의 종류 및 권고소음도

표 3.27.2 소음표시 권고대상 건설기계의 종류 및 용량별 권고소음도

   

종 류

용 량

권고소음도 (dBA)

측 정 조 건 등

굴삭기

출력 마력< 75

75 ≤마력< 140

140 ≤마력< 280

280 ≤마력

73

76

79

82

무부하, 최고회전수

로우더

출력 마력< 75

75 ≤마력< 140

140 ≤마력

76

79

82

정격부하, 정격회전수

공기압축기

유량 ㎥/min< 10

10 ≤㎥/min< 30

10 ≤㎥/min

74

76

78

정격부하, 정격회전수

발전기

출력 마력 < 75

75 ≤마력

74

76

무부하, 정격회전수

(60Hz)

착암기

전체

85

작업시 (콘크리트괴)

브레이커

전체(본체 및 바켓)중량

500㎏ 미만

500㎏ 이상

   

85

88

작업시 (콘크리트판)

압쇄기

출력 마력< 75

75 ≤마력< 140

140 ≤마력< 280

280 ≤마력

73

76

79

82

High idling(베이스 머신)

항타기

전체

85

작업시 (벤치테스트)

※ 권고소음도 : 7.5m 거리에서 측정한 소음도

다. 고소음 발생 건설장비에 의한 작업 소음도

표 3.27.3 건설공종별, 기계별 거리에 따른 작업 소음도

   

공 종

기 계 명

  

O. A. 소 음 도 ( dBA )

  

  

  

측정

대수

비 고

  

  

  

7m

  

15m

  

  

  

  

  

  

범 위

평균

범 위

평균

214

  

기초

공사

천공

기계

착암기

드릴마스터

어-스오거

RCD**

-

88/96

93/95

88/93

94/98

75/81

-

96

91

94

90

96

78

88

-

84/88

81/91

84/87

87/91

70/77

-

91

86

87

85

89

74

-

1

5

5

4

(3)

2

1

휴대용

차량에 장착

차량에 장착

사토지반 천공

암반 천공

사토지반 천공

암반 천공

  

항타

기계

항타기

항타항발기

드릴마스터

93/95

99/110

106/108

101/104

89/92

96/99

80/91

103/107

94

103

107

103

91

97

85

105

88/90

96/101

100/103

92/93

83/85

90/92

75/86

99/100

89

99

102

93

84

91

80

100

4

8

3

2

2

4

3

2

con-pile***打入

천공후 H-빔打入

con-pile, 一般地

″ , 軟弱地

보조강관, 軟弱地

H-빔 抗入

강관 打入

표 3.27.3 (계속)

   

공 종

기 계 명

  

O. A. 소 음 도 ( dBA )

  

  

  

측정

대수

비 고

  

  

  

7m

  

15m

  

  

  

  

  

  

범 위

평균

범 위

평균

214

  

지반

정지

공사

굴삭기

불도우저

로우더

그레이더

  

81/94

72/88

80/90

70/94

78/90

86

82

84

87

83

66/85

65/81

73/84

69/84

69/82

79

76

78

80

77

14

41

14

9

8

작업중

High Idle

작업중

  

다짐

기계

로울러

람마,콤팩터범면다짐기

74/90

76/86

78/80

-

81

82

79

90

67/85

69/81

-

-

75

74

-

-

17

15

2

1

비 진동식

진동식

휴대용

굴삭기에 장착

콘크리

트공사

콘크리트 프랜트

콘크리트 믹 서

콘크리트 펌프카

  

-

87/95

80/88

82

90

84

-

-

72/81

80

-

78

1

3

3

프랜트 1조

믹서에서 1m위치

포장

공사

아스팔트 프랜트

아스팔트 피니셔

  

79/92

76/83

85

80

76/86

71/77

80

74

6

4

프랜트 1조

작업중

파괴 및

해체공사

브레이커

압 쇄 기

  

90/103

81/84

98

82

84/97

76/80

91

78

11

3

작업중

기 타

공기압축기

발동발전기

콘크리트절단기

쇄 석 기

지 게 차

  

80/92

82/87

91/95

-

-

84

85

93

90

81

70/85

74/81

85/86

-

-

76

78

86

83

73

5

7

2

1

1

디젤엔진

   

주) 유ㆍ공압식* : 유압모터+공기해머식, RCD** : REVERSE CIRCULATION DRILL

con-pile*** : concrete pile, ( ) : 동일기계를 대상으로 작업조건에 따른 분류 대수

(자료 : 국립환경연구원, 1992)

라. 소음의 크기와 영향

(1) 소리의 크기와 그에 따른 느낌, 영향 및 적정환경

표 3.27.4 일상적인 소음도와 느낌, 영향, 적정환경 (단위 : dBA)

   

소음도

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

주변의소리

  

   

들을 수 있는 한계

호흡 소리

나뭇 잎 스 치는 소리

깊은밤 교외

조용한 실내

사람의 대화

조용한 거리

전화벨, 시끄러운 소리

전철,버스 안

피아노, 스테레오

철교밑

록 밴드

비행기엔진 10m거리

   

바람직한

실내환경

  

  

  

   

   

   

녹음 스튜디오

침실,도서관

은행

보통 사무실

일반 공장

기계 공장

  

  

  

  

  

   

   

   

   

   

   

인체의영향

  

  

  

  

   

   

   

   

뇌파에변화

수면

방해

산술계산저하

  

   

주의 집중력 저하

문장 이해력 저하

작업량 저하

난청

  

   

육체적 고통

   

시끄러운

정도

  

   

매우 조용함

  

조용함

  

일상생활에 바람직한 범위

  

시끄러움

  

매우 시끄러움

  

청력장해

  

  

(자료 : 국립환경연구원, 1994)

(2) WHO의 소음권고기준(안) (1993년)

(가) 수면방해, 괴로움, 대화방해와 같은 기준치로 제시

(나) 보통의 괴로움으로부터 대다수를 보호하기 위해 소음도(LAeq)가 50dB를 초과해서는 안됨

(다) 낮동안에 심한 괴로움으로부터 대다수를 보호하기 위하여 실외거주지역의 정상연속소 음의 소음도(LAeq)가 55dB를 초과해서는 안됨

(라) 밤에 실외의 소음도(LAeq)가 45dB를 초과해서는 안됨(침실의 정상연속소음에 대한 권고 치인 30dB가 창문을 열어 놓아도 달성될 것임)

마. 문제점

(1) 소음표시제가 권고제이기 때문에 대상기계 제조자의 자발적 참여가 필요하나, 제작자의 자발적 참여를 유도하기 위한 유인책이 소음도 표지를 부착한 건설기계에 대한 특정공사 신고제외조치 뿐이므로 미약함

(2) 현재의 권고소음도가 국내 건설기계의 소음발생량을 고려하여 높게 설정되어 있으므로 차후 낮추어야 할 것이고, 이것은 제조자의 기술개발 목표를 수정시키는 결과가 될 것이므로 기술개발 추진상의 혼란을 초래할 우려가 있음

(3) 작업소음이 큰 건설기계를 소음표시제의 대상기계로 포함시키기 위하여는 해당 기계의 작업소음 측정방법을 표준화하고, 현실적이고 목표지향적인 권고소음도를 설정하여야 하는데, 아직 충분한 조사연구자료가 부족한 실정임

바. 대책

(1) 소음표시 대상기계 확대

일본은 22종의 건설기계에 대하여 소음표시제를 시행하고 있고, EU는 CE마크제도를 통하여 과거의 소음표시제를 강화하고, 품목을 확대 적용하는 추세이며, ISO에서는 고소음기계 뿐만 아니라 가전제품, 컴퓨터 주변기기 등에 대하여 소음표시제 측정방법을 규정하여 정숙하고 쾌적한 실내환경조성을 위한 제품 기술개발을 유도하고 있으므로 우리나라도 단시일 내에 적어도 고소음건설기계는 모두소음표시 대상기계로 확대해야 함

(2) 소음표시제를 권고제에서 의무제로 전환

현재는 소음표시제가 권고제이기 때문에 제조·수입자의 자발적 참여가 필요하고, 권고소음도가 높게 설정될 수밖에 없는 실정이므로 제조자의 기술개발의 목표가 낮게 설정될 것이고 결과적으로 실제의 환경소음 저감효과가 크지 않으므로 소음표시를 의무제로 전환해야 함

(3) 권고소음도 강화

장기적인 안목에서 권고소음도를 점증적으로 강화할 계획을 사전에 공고하여 권고소음도 기준의 개정에 따른 제작업체의 기술개발 목표변경의 혼란을 최소화해야 함

(4) 건설기계소음에 대한 조사연구를 통하여 건설기계의 작업소음 측정방법에 대한 표준화 조건을 설정하고, 합리적인 권고소음기준을 설정해야 함

참고문헌

1. 국립환경연구원, 1994, 사업장 소음의 방지대책에 관한 연구(Ⅲ), p.77.

2. Dieter Gottlob, Regulations for Community Noise. Noise/News International. 1995.

3. 국립환경연구원, 1992, 사업장소음의 방지대책에 관한 연구(Ⅰ).

4. 환경부고시 제1996-110호, 1996, 고소음기계중 저소음제품에 대한 소음표시권고에 관한 규정.

5. 동아건설산업주식회사 기술연구소, 1993, 현장기술지도서(건설환경관리-소음·진동).

   

작성자 : 소음진동과 공업연구관 강대준(공학박사)

   

   

원본 위치 <http://home.sunchon.ac.kr/~bioenvlab/data2/ham3/3-27.htm>

   

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26. 대기환경기준

   

가. 대기환경기준의 필요성 및 소사

o 국민의 생활수준 향상과 리우환경회의 이후의 환경보호의식의 확산 등으로 대기질 개선에 대한 국민적 욕구의 증가

o 대기환경기준은 대기오염에 의한 피해로부터 국민을 보호하기 위한 행정목표치로서, 인체와 동식물에 해로운 영향을 유발하는 폭로량을 기준으로 하여 장·단기 기준치를 설정.

o 영국 1956년 청정공기법(Clean Air Act)을 제정하여 연기규제를 시작.

1968년 이 법을 개정하여 1970년에 환경청을 신설

1990년 대기오염, 폐기물 및 기타 환경오염 문제를 포함하는 환경보호법(Environmental Protection Act)으로 개칭.

o 미국 1963년 청정공기법을 제정

1970년 이 법을 대폭 개정하면서 환경보호청을 신설

1971년 대기질 기준을 처음 공표하여 6개의 대기오염물질(SO2, NO2, O3, CO, Pb, 부유먼지)에 대한

환경기준을 설정하고 그 달성년도를 1975년으로 하였음.

1977년 대폭 개정된 청정공기법에서는 대기질 달성년도를 1982년으로 연기하고 권역별 대기오염

관리제도를 도입.

1990년 개정법에서는 오존의 전구물질(precursor)에 대한 규제를 강화하고, 오존의 기준치 달성년도를

20년간으로 완화하는 한편 배출업소와 위반업소에 대한 행정조치를 강화.

1997년 오존 및 PM10 환경기준 개정 및 PM2.5 환경기준 추가

o 일본 1967년 공해대책 기본법을 제정.

1971년 환경청을 발족

1969년 SO2의 대기환경기준을 처음 설정

1970년 CO, 1972년에 부유먼지, 1973년에 NO2와 광화학 옥시단트에 대한 환경기준을각각 설정하였고, 1973년과 1978년에 각각 SO2와 NO2의 환경기준을 개정.

o 유럽 1980년 SO2와 입자상물질에 대한 기준을 처음 제정

공동체 1982년 Pb, 1985년에 NO2 에 대한 기준을 각각 제정하였으며

1989년 SO2의 기준을 개정하였고, O3에 대한 기준을 제안.

o 한국 1971년 공해방지법 제정

1977년 환경보전법 제정

1978년 SO2 기준 설정

1983년 SO2를 포함한 6개 대기오염물질(SO2, NO2, O3, CO, 탄화수소, 부유먼지)에 대한 대기환경

기준을 제정

1990년 납 기준 추가

1994년 미세먼지 기준 추가

표 3.26.1국내 대기환경기준의 변천

   

개정일

항목

  

대기환경기준

  

  

비고

  

  

1983년

1990년

1994년

  

아황산가스(SO2)

(ppm)

  

연간 0.05

24시간 0.15

연간 0.05

24시간 0.15

연간 0.03

24시간 0.14

1시간 0.25

  

   

일산화탄소(CO)

(ppm)

  

1개월 8

8시간 20

1개월 8

8시간 20

   

8시간 9

1시간 25

  

   

이산화질소(NO2)

(ppm)

  

연간 0.05

24시간 0.15

연간 0.05

24시간 0.15

연간 0.05

24시간 0.08

1시간 0.15

  

   

먼지

(㎍/㎥)

총먼지

(TSP)

연간 150

24시간 300

연간 150

24시간 300

연간 150

24시간 300

  

  

   

미세먼지

(PM10)

-

-

연간 80

24시간 150

'95년 시행

오존(O3)

(ppm)

  

연간 0.02

1시간 0.1

연간 0.02

1시간 0.1

   

8시간 0.06

1시간 0.1

  

   

탄화수소(HC)

(ppm)

  

연간 3

1시간 10

연간 3

1시간 10

-

'94년 삭제

납(Pb)

(㎍/㎥)

  

-

3개월 1.5

3개월 1.5

  

   

   

나. 항목별 대기환경기준 비교

(1) 모든 오염물질 항목에 대해 WHO는 권고치(guideline)이며 일반 국가들은 기준치(standard)임.

(2) 권고치는 순수하게 인체에 유해한 영향을 준다는 자료만을 근거로 한 값이며 기준치는 사회나 국가의 특성, 즉 기술적 문제, 효과비용, 사회, 경제적 조건 등을 고려해서 법으로 공표된 값임.

(3) 대부분의 선진국에서는 분위수 개념(98%, 중앙값 등)을 도입하여 환경기준 초과 여부를 판단하고 있는데 이는 측정기 오측으로 인한 이상 자료를 배제하기 위함.

(1) 아황산가스(SO2)

(가) 황을 함유하고 있는 연료의 연소시 발생하는 아황산가스는 고농도에 노출될 시 호흡기 질환을 가져올 수 있으며 또 산성비, 건물부식, 시정감소와 같은 악영향을 줄 수 있는 물질이다.

(나) EC는 부유먼지가 많을 때는 SO2농도의 기준치를 강화하는(연평균 0.03ppm) 한편, 연료 사용량이 많아지는 겨울철에는 다소 완화하고 있음. 부유먼지 농도에 따른 기준치 설정은 SO2와 부유먼지의 상승작용에 의한 스모그 발생을 예방하기 위해서이다..

(다) 대부분의 국가에서 1시간, 8/24시간, 년 평균 기준을 정하고 있으며 영국, WHO에서는 각각15분, 10분 평균의 초단기간 기준치를 두고 있다.

표 3.26.2. 각국의 SO2 기준치 비교 (단위:ppm at 25℃)

   

구분

1시간 평균치

24시간 평균치

1년 평균치

비고

한국

0.25

0.14

0.03

  

   

미국

  

   

0.14

0.03

0.5(3시간)

일본

0.1

0.04

  

  

   

   

EC 기준치

먼지 농도가 34㎍/m3보다 클 때 0.03

먼지 농도가 34㎍/m3보다 작을 때 0.045

  

  

일평균치의 1년 중앙값

  

먼지 농도가 51㎍/m3보다 클 때 0.049

먼지 농도가 51㎍/m3보다 작을 때 0.068

  

  

겨울철

  

먼지 농도가 128㎍/m3보다 클 때 0.094

먼지 농도가 128㎍/m3보다 작을 때 0.131

  

  

일평균치의 1년 98%값

EC 권고치

  

   

0.038∼0.056

0.015∼0.023

1년 평균

영국

  

  

  

   

   

   

0.1(15분)

호주

0.2

  

   

0.02

0.25(10분)

뉴질랜드

  

   

0.05

  

   

0.02(3개월)

캐나다

0.172

0.334

0.057

0.115

0.306

0.011

0.023

desirable

acceptable

tolerable

WHO권고치

  

   

0.048

0.02

0.175(10분)

   

(2) 이산화질소(NO2)

(가) 자동차, 산업시설 등에 사용되는 연료의 고온연소시 발생하는 이산화질소는 그 자체가 호흡기에 영향을 주기도 하고 대기 중에서 산화제 역할을 하여 산성비를 만들며 오존이나 스모그 생성에 중요한 역할을 한다.

(나) 우리나라의 현행 1시간 환경기준치는 영국, WHO 등과 동일한 수준이나 년 기준의 경우 WHO 기준의 약 2배로 약한 편이다.

표 3.26.3 각국의 NO2 기준치 비교 (단위:ppm at 25℃)

   

구분

1시간 평균치

24시간 평균치

1년 평균치

비고

한국

0.15

0.08

0.05

  

   

미국

  

  

   

   

0.053

0.5(3시간)

일본

  

   

0.04∼0.06

  

  

   

   

EC 기준치

  

  

   

   

0.105

1시간평균치의 1년 98%값

EC 권고치

  

  

   

   

0.026

0.071

1시간평균치의 1년 50%값

1시간평균치의 1년 98%값

영국

0.15

  

   

0.021

  

   

호주

0.16

  

  

  

   

   

   

뉴질랜드

0.11

0.053

  

  

   

   

캐나다

-

0.213

0.532

-

0.106

0.160

0.032

0.053

-

desirable

acceptable

tolerable

WHO권고치

0.11

  

   

0.026

  

   

   

(3) 일산화탄소(CO)

(가) 일산화탄소는 외국의 경우에 자동차 배기가스가 주오염원이나 우리나라에서는 겨울철에 일반 가정에서 연탄과 화석연료의 불완전연소가 주된 오염원이다..

(나) 겨울철에는 여름철의 거의 4배정도 더 높고, 다른 오염물질과 달리 야간에도 높다.

(다) 국내 기준치는 WHO, 유럽 등과 같거나 더 강화된 수준이다.

표 3.26.4 각국의 CO 기준치 비교 (단위:ppm at 25℃)

   

구분

1시간 평균치

8시간 평균치

24시간 평균치

비고

한국

25

9

  

  

   

   

미국

35

9

  

  

   

   

일본

20

10

  

  

   

   

EC

-

-

-

  

   

영국

  

   

10

  

  

   

   

호주

  

   

9

  

  

   

   

뉴질랜드

40

10

  

  

   

   

캐나다

13.1

30.6

5.2

13.1

17.5

  

   

desirable

acceptable

tolerable

WHO

25

9

  

   

90ppm(15분)

50ppm(30분)

(4) 오존(O3)

(가) 오존은 주로 자동차에서 배출되는 탄화수소와 주유소나 페인트 공장들에서 증발하는 휘발성 유기화합물(VOC)이 대기 중에서 광화학 반응을 통해 생성되며 오후 3∼4시경에 일반적으로 농도가 가장 높아진다.

(나) 1차 오염물질과는 달리 여름철에 가장 농도가 높고, 일최대치와 최저치의 비가 10배가 넘는 큰 일변화를 보인다.

(다) 오존농도가 1989년 이후 증가 추세에 있어, 앞으로 자동차 운행량의 증가와 함께 지속적으로 악화될 것이 예상된다.

표 3.26.5 각국의 O3 기준치 비교 (단위 : ppm at 25℃)

   

구분

1시간 평균치

8/24시간 평균치*

1년 평균치

비고

한국

0.10

0.06

  

  

   

   

미국

0.12

0.08

  

  

   

   

일본

0.06

  

  

  

   

   

   

EC

(proposal)

0.089

0.056

  

  

  

   

   

0.09

0.18

  

  

   

   

population information

population warning

영국

  

   

0.05

  

  

   

   

호주

0.10

  

  

  

   

   

   

뉴질랜드

0.06

0.03

  

  

   

   

캐나다

0.051

0.082

0.153

0.082

0.025

0.015

   

0.015

desirable

acceptable

tolerable

WHO

  

   

0.06

  

  

   

   

* 캐나다는 24시간 평균치, 나머지는 8시간 평균치

(5) 입자상 물질(Particulate Matter)

(가) 입자상 물질은 자동차, 산업시설 등에서 직접 발생하기도 하고 SO2, NOx 등이 대기중에서 반응하여 형성되기도 한다.

(나) 부유먼지는 SO2와 함께 대도시의 스모그를 유발하는 주 원인물질이며, 기관지와 폐 등에 피해를 입히게 된다. 특히 공기 역학적으로 직경 10?m 미만의 입자인 PM10은 인간이 호흡할 때 폐의 기관지 또는 폐포 부위에 침착되기 쉬운 크기의 입자상 물질이므로 인체에 미치는 영향이 더욱 심각한 것으로 알려져 있다.

(다) 현재 대부분의 국가가 PM10(입경 10㎛ 이하의 입자)의 농도를 기준으로 삼고 있는 추세이며 미국은 '97년 이보다 작은 PM2.5(입경 2.5㎛ 이하의 입자)의 24시간, 년 평균 기준을 설정한 바 있다.

표 3.26.6 각국 먼지의 기준치 비교 (단위:㎍/m3)

   

구분

1시간 평균치

24시간 평균치

1년 평균치

비고

한국

  

   

300

150

150

80

총 먼지

PM10

미국

  

   

150

65

50

15

PM10

PM2.5

일본

200

100

  

   

PM10

EC

  

  

   

   

80

130

250

일평균치의 중앙값(PM10)

겨울철(PM10)

일평균치의 98%값(PM10)

영국

  

   

50

  

   

PM10

호주

  

  

   

   

90

총 먼지

뉴질랜드

  

  

  

   

   

   

60㎍/m3(7일)

캐나다

  

   

   

50

400

60

70

desirable

acceptable

tolerable

   

(6) 납(Pb)

(가) 대기중의 납성분은 주로 유연 휘발유에서 배출되는 것으로 국내에서는 1987년부터 무연 휘발유용 승용차만 생산하고 있어 납의 농도는 매우 낮게 나타나고 있슴.

(나) 국내 기준치는 타 국가와 동일한 수준

표 3.26.7 각국의 납의 기준치 비교 (단위 : mg/m3)

   

구 분

3개월 평균치

1년 평균치

비 고

한 국

1.5

-

  

   

미 국

1.5

-

  

   

일 본

-

-

  

   

영 국

  

   

0.5

  

   

호 주

1.5

  

  

   

   

WHO

-

0.5∼1.0

  

   

EC

-

2.0

  

   

   

참고문헌

1. 윤순창, 이용근, 김윤신, 대기환경기준 설정 및 대기환경지표 개발에 관한 연구, 환경과학 연구협의회, (1992), 113pp.

2. 한국환경과학 연구협의회, 대기환경기준 개정에 관한 공청회 자료집, (1992), 53pp.

3. 한국대기보전학회, 대기측정망과 환경기준, (1990), 101pp.

4. 국립환경연구원, 대기환경기준에 관한 공청회(주제발표문), 1990, 44pp.v

5. WHO 및 각국 환경부 인터넷 홈페이지

작성자 : 대기연구부 환경연구사 김병곤(이학석사)

   

   

원본 위치 <http://home.sunchon.ac.kr/~bioenvlab/data2/ham3/3-26.htm>

   

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25. 대기측정 정도관리

   

가. 배 경

굴뚝에서 배출되는 대기오염물질 중 먼지의 시료채취 및 분석 방법과 유류중 유황 함량 측정분 석기술에 대한 관련 요원들의 측정분석 능력을 향상시키고자 '90년부터 대기분야 정도관리를 실시하고 있다. (법적근거 : 환경기술개발 및 지원에 관한 법률)

나. 대 상 ('99년 기준)

(1) 공공기관 : 8개 지방환경관서, 15개 시·도 보건환경연구원

(2) 민 간 : 106개 자가측정대행업소

다. 항목 및 방법

(1) 먼지 (공공기관 및 민간업소)

(가) 소집교육

- 대상기관에서 자체 보유하고 있는 먼지시료 채취장비 일체를 담당요원 2인이 지참하여 국 립환경연구원에서 이론교육을 실시하고, 준비물 점검, 입자상 물질 채취능력과 결과산정 능력 등을 평가한다.

(나) 현지 지도·점검

- 소집교육 평가 결과가 일정수준 이하(불량)로 판정된 기관(업소)에 대하여 국립환경연구원실무자가 직접 해당 기관 또는 사업장을 방문하여 실험실 운영, 장비관리, 요원의 측정분석 능력 등을 파악하고 집중 교육하게 된다.

(2) 유류 중 유황분석 (공공기관)

- 국립환경연구원에서 준비한 유황함량이 각기 다른 3∼4종의 표준시료를 대상기관에 우송하고, 자체 보유하고 있는 분석장비로 분석한 후 그 분석결과를 송부받아 판정하고 있다.

라. 평가기준

(1) 먼지

- 24개항의 준비사항, 21개항의 시료채취장비 운영능력 및 결과 산정 능력 등을 점검하여 총 100점 만점에서 우수(90점 이상), 양호(90점 미만 80점 이상), 보통(80점 미만 70점 이상), 불 량(70점 미만) 4단계로 구분하여 판정

(2) 유류 중 유황분석

- 분석치의 정밀도(상대표준편차)와 정확도(상대오차)가 10%이하 우수, 20%이하 양호, 30%이 하 보통, 30%초과 불량으로 판정

표준편차

- 정밀도 (상대표준편차) = ---------- × 100 (%)

평균치

검정치 - 측정평균치

- 정확도 (상대오차) = -------------------- × 100 (%)

검정치

마. '94, '95년도 측정분석 정도관리 결과

o 대기분야별 대상기관의 '94, '95년도 측정분석 정도관리 결과를 표 3.25.1에 나타내었다.

표 3.25.1 '94, '95년 정도관리 평가결과 종합

   

분야

대상기관명

'94

대상

기관수

'95

대상

기관수

'94 평가결과

  

  

  

'95 평가결과

  

  

  

  

  

  

  

  

우수

양호

보통

불량

우수

양호

보통

불량

면제기관

먼지측정

분석정도

관리

(대기분야)

시.도 보건

환경연구원

15

15

15

-

-

-

-

-

-

-

15

  

지방환경

관서

7

7

3

-

-

-

6

1

-

-

-

  

자가측정

대행업소

66

71

21

38

5

2

14

28

12

5

11

유류중 유황

분석정도

관리

(대기분야)

시.도 보건

환경연구원

15

15

14

-

-

-

-

-

-

-

15

  

지방환경

관서

7

7

6

-

-

-

2

-

-

-

-

   

바. 문제점

(1) 피정도관리 기관(업소)

1) 공공기관은 측정장비 상태등 기기적인 측면보다는 잦은 인사 이동에 따른 측정요원의 기술숙련도가 낮기 때문이다.

2) 자가측정 대행업소는 측정요원의 잦은 이동과 함께 일부 비전공분야 출신을 채용하고 있고, 업소 당 2∼3명의 직원이 20여 항목의 측정분석을 맡고 있어 정확한 측정분석을 할 수 있는 시간적 여유가 적어 기술습득에 어려움이 있으며, 또한 업체의 영세성에 따른 고가 분석장비 미확보, 기존 측정장비의 관리부실 및 노후화와 시약·초자기구의 부적정한 사용 등으로 나타났다.

(2) 정도관리 기관

1) 먼지 표준시료의 조제가 불가능하여 장비의 가동상태, 계산능력, 장비운영 능력 등만을 평가하기 때문에 평가결과와 실제의 측정분석 결과와의 객관적 비교가 어렵고,

2) 정도관리 수행에 필요한 절대 인력이 부족하고, 정도관리 결과에 대한 사후조치 등 사후관리 미흡에 따른 분석정도 향상이 지연되므로 이를 보완 할 수 있는 제도적 장치가 필요하다.

사. 개선 방안

(1) 검사기관의 측정분석 요원에 대한 일정기간 근무 의무화 및 수당지급 등 인센티브 시행

(2) 현장실사를 통하여 측정오차 요인을 분석하고, 측정기술 향상을 위한 지속적 기술지원 및 내부 정도관리 지침서 등 작성 보급 필요

(3) 측정분석 능력이 불량한 기관(업소)에 대하여는 시정조치 등 규제를 강화할 수 있는 제도적 장치 필요

(4) 검사기관 지정시에 측정분석능력도 사전 평가하여 반영하고, 자가측정업소나 국책사업을 수 행하는 기관에 대하여도 정도관리를 할 필요가 있음

   

작성자 : 대기공학과 환경연구관 홍지형(공학박사)

   

   

원본 위치 <http://home.sunchon.ac.kr/~bioenvlab/data2/ham3/3-25.htm>

   

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24. 환경기상 관측

가. 서론

인류는 오랜 옛날부터 농업, 어업 등 인간생활에 많은 영향을 주는 날씨에 대하여 많은 관심을 가져왔으며 근대에 들어와서는 체계적인 측정 방법을 제정하여 정기적인 관측을 실시하고 있고 그 측정 결과에 의한 예보는 실생활에서 중요하게 이용되고 있다.

한편 환경오염이 심각해짐에 따라 대기오염물질의 이동 확산과 관련하여 지상 1∼2㎞ 고도 이내의 도시규모에서의 바람, 기온 등에 관한 보다 자세한 측정 자료가 절실히 요구되고 있으며 이러한 환경 오염과 관련하여 측정하는 기상관측을 기존의 일반적인 기상관측과 구분하여 환경기상관측이라 한다. 주로 미기상에 해당되는 환경기상 항목에는 지상 및 고도별 풍향, 풍속, 기온, 습도, 일사량 자료 등과 이들 자료로부터 도출되는 혼합고, 역전층, 수직 수평 확산 계수, 대기안정도 등이 중요하게 활용된다. 본 자료에서는 이러한 환경기상 항목의 관측 방법에 대하여 설명하고자 한다.

나. 측정 방법

(1) 지상기상관측

과거에는 수동식 또는 기계식 장비가 대부분이었으나 최근에는 측정기술이 발달하여 거의 자동화된 기기로 측정되며 흔히 AWS(Automatic Weather Station)이라는 측정기기로 관측하고 있다.

(가) 풍향 풍속

1) 일반적으로 지상 10m 고도에서 측정하며, 주변에 건물이나 나무 등에 의한 영향이 없도록 주의하여야 한다.

2) 측정자료는 대개 1시간 평균치를 사용하며 10분 또는 15분 평균치를 사용하기도 한다.

3) 또한 수평 확산을 판단할 수 있는 풍향의 표준편차를 계산하는 경우도 있다.

4) 측정 단위로서 풍향은 도 또는 16방위를, 풍속은 m/s를 소수 첫째 자리까지 측정한다.

(나) 기온

1) 잔디밭 위 1.5m고도에서 백엽상 또는 전용 측정 장치내에서 관측한다.

2) 수직확산을 결정하는데 중요한 인자이므로 고도별로 측정 센서를 설치하여 관측하는 경우도 있다.

3) 측정치는 대개 매 정시에서의 순간치를 뜻하나 목적에 따라 간혹 1시간 평균치를 사용하기도 한다.

4) 측정 단위는 ℃로써 소수 첫째자리까지 표기한다.

(다) 기압

1) 날씨 변화와 기압대 이동 등을 파악하는데 유용한 인자이다.

2) 측정단위는 hPa단위로 나타내며, 1기압은 1013.15hPa에 해당된다.

(라) 습도

1) 절대습도와 상대습도가 사용되며 실생활에서는 대개 상대습도를 널리 사용한다.

2) 오염물질의 화학반응과 시정장애 현상과 밀접한 관계가 있으며 % 단위로 나타낸다.

(마) 강수량

1) 산성비, 시정장애, 오염물질의 씻겨내림(washout) 등의 연구에 활용된다.

2) 기록 단위는 ㎜로 표기하며, 눈의 경우는 ㎝ 단위를 사용한다.

(2) 상층기상관측

대기오염물질은 지상 또는 상공에서 배출되어 확산되므로 상층 대기 특성 파악이 중요하다. 도시규모에서는 지상부터 약 2㎞ 내외까지의 기상 특성 파악 필요하고 국가간 장거리 이동 규명시는 지상 약 3∼5㎞까지의 기상 자료 필요하다. 상층기상 관측방법으로는 Radio Sonde, SODAR/RASS, 고층기상탑 이용법 등이 있다.

(가) Radio Sonde

1) 원리 : 온도, 기온, 습도 센서를 장착한 센서 상자를 헬륨이나 수소를 채운 풍선에 매달아 비양시키면서 보내온 측정신호를 컴퓨터로 분석하여 측정하는 방법이다.

2) 측정고도 : 풍선 상승고도와 센서의 작동 조건에 따라 달라지나 대개 10∼35 km 까지 가능하다.

3) 측정 방법 : 풍향과 풍속은 지상에서 비양하는 풍선(센서상자)를 추적하여 방위각과 고도각을 계산하고 센서에서 보내오는 기압 변화로 상승 속도를 계산한 후 삼각함수에 의해 일정 고도 구간에서의 평균 풍향, 풍속을 구한다.

4) 종류 : Air-Sonde, Tethered Balloon, Rawin-Sonde, Rocket-Sonde, Drop-Sonde, Ozone-Sonde 등 센서 또는 관측방법에 따라 다양하며, 현재 국내에서 사용중인 Radio- Sonde 의 형태는 다음의 두 종류이다.

가) Air-Sonde : 403.5 MHz의 주파수 신호를 사용하는 것으로써 수동식 Theodolite를 사용하며 기압센서의 정확도가 ±3 hPa 정도이고 구름속 관측과 악천후에는 사용이 곤란하다. 측정고도는 약 5km 정도이고 국내에서는 현재 국립환경연구원, 서울대학교, 한국전력, 연세대학교 등이 보유중이다.

나) Rawin-Sonde : 1,680MHz대의 주파수를 사용하는 것으로써 자동 추적 Radiotheodolite 를 사용하며 기압센서의 정확도가 ±1 hPa 로 비교적 정확하며 악천후에도 관측이 가능하며 측정고도는 약35km까지이며, 현재 국립환경연구원, 기상연구소, 서울대학교에서 보유중이다.

(나) SODAR/RASS

1) 명칭 및 원리 : SODAR(SOnic Detection And Ranging)는 Acoustic Sounder 또는 Acoustic Wind Profiler라고 부르며, 음파를 이용하여 발신된 신호음이 각 기층에서 반사 되어 올 때 기층의 이동에 의해 주파수 변화가 나타나는 것을 Doppler 이론에 의해 컴퓨터로 계산함으로써 수평 및 수직 방향의 풍향과 풍속을 측정하는 기기이다.

2) 특징 : 컴퓨터에 의해 자동 제어되므로 수 백m까지 원하는 고도 및 평균값에 대해 연속 측정이 가능하지만 소음을 발생과 주변의 측정 환경(소음, 장애물 등)에 민감하고 신호음의 누적 평균을 사용하므로 순간 측정이 불가능한 단점이 있다.

3) 구성 : RASS(Radio Acoustic Sounding System)는 고도별 기온을 측정하는 장비로서 단독으로는 측정이 불가능하고 SODAR와 연결되어 가동되며 모든 변수 및 명령어 수행도 SODAR의 기본 프로그램에 의해 제어된다. 측정원리는 SODAR와 동일하게 Doppler 효과를 이용하지만 음파대신 전자파(915MHz)를 사용하며 안테나는 각각 발신 및 수신 안테나 2개로 구성되어 연속 송수신을 한다.

4) 보유 기관 : 현재 본 장비 보유 기관으로서는 국립환경연구원이 SODAR/RASS를, 기상연구소가 mini-SODAR를 가동하고 있는 정도이다.

5) 측정 자료 : 국립환경연구원에서 측정하고 있는 자료의 내용은 50m∼920m 고도 사이의 풍향, 풍속, 수직풍속, 바람의 벡터성분, 기온 등을 매 시간 생산중이다.

6) 활용범위 : 고도별 바람 특성 및 대기 난류 특성 조사, 해륙풍 및 도시 대기 순환 연구, 혼합고 및 기온 역전층 분석, 대기오염물질 확산 이동 연구 등 다양하게 활용가능하다.

(다) 고층 기상탑(Meteorological Tower)

1) 원리 : 고층 철탑의 원하는 고도에 바람, 온도, 습도, 난류측정기 등의 측정센서를 설치하여 고도별 기상요소를 관측하는 방법이다.

2) 특징 : 부지 확보 및 시설비가 막대하게 소요되는 단점이 있으나 가장 정확하게 측정, 관리할 수 있을 뿐만 아니라 필요시 오염도 측정 기기 설치도 가능한 장점이 있다.

3) 현황 : 국내에는 전용 기상탑이 없으나 미국에는 오래 전부터 St. Louis시의 Brookhaven National Laboratory(BNL)에 123m기상탑을 이용하여 각종 확산 연구를 수행한 바 있고, Denver시 부근에는 약 300m급(세계최고) 기상탑을 가동중이다. 또한 일본의 과학연구 단지인 츠쿠바 소재 기상연구소에서는 213m의 기상측정탑을 활용중이다.

(라) Tethered Balloon과 Pilot Balloon

1) Tethered Balloon : 센서를 부착한 풍선에 끈을 묶어 오르내리면서 기상 관측을 하는 방법으로 원칙적으로 Radio Sonde의 일종이지만 센서 자체에 풍향, 풍속계가 달려있고 끈의 길이에 따라 측정고도가 결정되는 차이점이 있다.

2) Pilot Balloon : 풍선만을 비양하고 theodolite로 방위각과 고도각을 측정한다. 한 시간 간격으로 측정된 방위각 및 고도각과 풍선의 상승속도를 이용하여 삼각함수법에 의해 고도별 풍향 풍속만을 계산하는 방법으로서 비용이 매우 적게 드는 장점이 있다.

다. 측정 자료의 활용

(1) 기온역전층과 혼합고

(가) 기온역전층

1) 특징 : 대류권내에서 온도는 고도에 따라 감소하는 것이 보통이지만 경우에 따라 온도가 높아지는 층이 생길 때가 있으며 이 층을 기온역전층이라 한다. 이러한 기온역전층이 형성되면 배출된 오염물질은 역전층을 통과하지 못하고 그 아래에 축적되어 고농도를 유발하는 경우가 있다.

2) 기온역전층의 평가 : 기온 역전의 강약 여부는 역전층 하부의 고도, 역전층의 두께, 기온 증가율로 결정하며 상층기상 관측자료로 알 수 있다.

3) 종류 : 역전층은 그 발생 유형에 따라 복사역전, 침강역전, 이류역전 등으로 구분한다. 이 중 야간의 복사 냉각에 의해 발생하는 복사역전과 미국 LA지역에서 자주 발생되는 침강역전이 중요함. 이들 기온 역전 현상을 종류별로 간단히 설명하면 다음과 같다.

가) 복사역전 : 지표는 대기보다 쉽게 가열되고 식으므로 주간에 충분히 가열됐던 지표가 야간에 계속 냉각되면 지표부근의 대기 온도가 상층의 대기보다 낮아져 역전층을 형성하게 된다. 이 역전층은 대개 지표부근에서 발생되므로 대기오염에 많은 영향을 준다.

나) 침강역전 : 고기압 중심에서는 상층의 공기가 서서히 침강하게 되며 이때 하강하는 기층은 단열압축에 의해 온도가 올라가게 되어 하층의 대기층 사이에 역전층을 형성한다. 이 층은 대개 상층에서 발생되나 매우 안정하고 오염물질의 수직 확산을 억제한다.

다) 이류역전 : 따뜻한 공기가 차가운 공기위로 이류되면서 나타나는 기온 역전을 말하며 전선역전도 이의 일종이다.

(나) 혼합고

1) 혼합고란 : 지상의 대기가 난류 확산에 의해 혼합될 수 있는 고도를 말하며 하루중 가장 높은 혼합고도를 일최대 혼합고라 하며 보통 15시경에 나타난다.

2) 계산 방법 : 흔히 상층기상 자료에서 지상의 기온을 건조단열 감율선을 따라 그은 선과 환경감율선이 만나는 고도를 혼합고로 결정하며, 보통 혼합고 부근에서는 역전층, 습도 또는 풍향의 급변이 나타난다.

3) 온위 이용법 : 혼합고 산정시 온위(potential temperature)를 사용하면 편리하다. 온위란 어떤 고도에서의 기온을 일정한 고도(대개 1,000hPa)에서의 기온으로 환산한 값(절대온도로서)을 말하며 실질적인 온도차를 비교할 수 있다. 즉, 온위 θ는,

θ = T(Po/P)R/Cp = T(1000/P)0.2859

T : 온도(K)

P : 기압(hPa)

R : 기체상수(287 Jkg-1K-1)

Cp: 정압비열(1,004 Jkg-1K-1)

(2) 대기확산모델

o대부분의 확산모델에서는 시간별 풍향, 풍속과 혼합고, 대기안정도, 기온 등의 자료가 직접 또는 가공된 형태로 입력된다.

o 이들 관측자료는 연기상승(plume rise)과 수직 수평 확산 이동을 결정하는 주요 인자들이다.

o 또한 기상관측 자료중 대기안정도를 계산하는데 필요한 인자는 풍속, 고도별 기온변화율, 일사량(또는 운량, 운고), 풍향의 표준편차 등이 있다.

   

작성자 : 대기물리과 환경연구사 김정수(공학석사)

   

   

원본 위치 <http://home.sunchon.ac.kr/~bioenvlab/data2/ham3/3-24.htm>

   

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지구 관측 원격탐사 기술의 현황과 발전 방향

원 중 선

개 요

1960년 대 이전까지 지구나 다른 행성에 대한 관찰은 가시광선 영역에 제한되어 왔다. 그러나 최근 원격탐사(remote sensing) 기술은 관측장비의 발달과 디지털 형태의 자료를 신속하게 처리할 수 있는 컴퓨터의 발달로 인하여 다양한 파장영역을 이용하여 지구나 다른 행성을 관찰할 수 있도록 발전되어 왔다. "원격탐사"란 일반적으로 전자기파(빛, 열, 마이크로파 등)를 이용한 감지 및 측정을 통하여 원거리 물체의 특성을 분석하는 기술로서, 행성의 환경, 지표면의 구성물질 및 상태, 자원조사, 행성의 지질학적 연구 등에 매우 유용하게 활용되고 있다. 원격탐사는 크게 자료획득 기술, 자료처리 기술, 자료의 분석 및 해석 기술로 이뤄진다. 자료획득 기술은 광학이나 전파과학 이론에 기초를 두고 있으며 따라서 물리학 및 공학적인 이론이 핵심을 이루고 있으며, 자료처리 기술은 디지탈 신호처리 및 영상자료처리 이론이 그 중심을 이룬다. 또한 획득된 자료의 정량적인 해석을 위해서는 지구표면 물질의 특성, 전자기파와 물질과의 상호작용, 대기의 상태 등 다양한 지구과학적 지식이 필요하다. 따라서 원격탐사 기술은 지구물리학 이론을 기초로 하는 종합 학문적 성격이 강하다.

원격탐사 기술은 지구나 행성의 표면을 관측목적으로 하는 기술과 대기 및 기상상태를 목적으로 하는 기술로 구분되나, 이 글에서는 지구의 표면을 관측하기 위한 지구관측 원격탐사 기술의 현황과 문제점 그리고 앞으로의 발전방향 등을 소개코자 한다.

원격탐사 활용기술의 접근방법

일반인들은 흔히 원격탐사 기술의 우수성을 판단할 때 얼마나 작은 것까지 볼 수 있는가에 주로 관심을 두고 있다. 현재 일반인들이 접근할 수 있는 인공위성 자료의 공간해상도 한계는 약 1 m 내외이다. 이는 두개의 물체가 1 m 이상의 간격을 두고 떨어져 있다면 구분할 수 있으나, 그 이하에서는 하나의 물체로 인식한다는 것이다. 군사적인 목적으로 사용되는 첩보위성(spy satellite)에 대한 자세한 정보는 알려지지는 않고 있으나, 일반적으로 현재 수 십 cm 단위의 공간해상도를 갖는 것으로 알려져 있다. 그림 1은 미국 Space Imaging 사에서 개발하여 1999년 9월에 발사한 IKONOS 위성을 이용하여 약 680 km 상공에서 우리나라 잠실 야구장 주변에서 얻어진 영상이다. 야구장 내의 구조물 뿐만 아니라 주변 도로의 차량의 숫자 및 종류를 인식할 수 있으며 특히 차선은 강한 반사도 차이로 인하여 선명하게 보인다. 이와 같은 고해상도의 위성영상 자료는 군사적인 목적 뿐만 아니라 지도 제작 및 도시 건축물 관리, 농경지에 농약을 살포하는 계획, 유전개발, 오염물 감시, 보험회사에서의 보험료 산정 등 매우 폭 넓은 분야에서 이용되고 있다.[1]

이와 같은 예는 원격탐사 기술이 제공하는 물체의 형태적인 특징을 이용하는 활용분야로서 초기 항공사진 판독기술에 기초를 두고 있다. 즉 광학 및 기하학적 분석을 통하여 지표면 대상물체의 정확한 형태와 크기를 알아내는 것이다. 실제로 대부분의 지형도 제작에 필요한 정보는 다른 각도에서 관측된 두개 이상의 자료에서 나타나는 기하학적 왜곡을 정량적으로 계산함으로서 얻어지고 있다. 그러나 지구과학자들에게는 이와 같은 지표면의 형태적인 특징 외에도 지표 혹은 대기의 물리적·화학적 구성요소에 대한 정량적인 정보를 획득하는데 더 큰 관심을 기울이고 있다. 이를 위해서는 우선 관측대상 물체의 구성성분과 상태에 따라 어떤 파장영역에 민감하게 작용하는가에 대한 연구와 관측된 자료로부터 필요한 요소를 복원할 수 있는 모델수립에 대한 연구가 필수적이다. 이와 같은 연구들은 실내실험과 현장실험으로 이루어지는데 일반적인 문제점은 실제 자연상태는 실내실험 경우와는 다르게 수많은 요소들이 복합적으로 영향을 준다는 점이다. 한 예로서 만일 표면의 거칠기(roughness)를 알고 있는 토양에서 수평편파(HH-polarization)와 수직편파(VV-polarization)의 마이크로파를 이용하여 후방산란을 측정하는 경우 이론적으로는 유전율을 구할 수 있으며 이로부터 수분함량을 유추할 수 있다. 그러나 실제의 경우 표면의 거칠기와 유전율 두 요소의 영향을 정량적으로 분리하는 것은 매우 어려운 문제이다. 따라서 현대 원격탐사 기술은 필요한 지구과학적 요소를 분석하는데 적절한 파장영역의 선택과 관측된 자료로부터 정량적인 값을 얻을 수 있는 실제적인 역산모델의 수립이 그 핵심을 이룬다.

그림 2는 원격탐사에서 흔히 사용되는 파장영역과 각 파장영역의 대기 투과정도를 도시한 것이다. 인간의 육안관찰은 가시광선영역( 0.40.7 ㎛)에 대해 연속적으로 관측이 가능한 아날로그 시스템이다. 반면 사진을 제외한 대부분의 원격탐사 시스템은 일정 파장영역을 불연속적으로 감지하는 디지털 시스템을 이용하고 있으며, 인간의 육안에 비하여 감지할 수 있는 파장영역은 가시광선영역 외에도 매우 폭넓고 다양하다. 인간이 육안으로 구별하는 것은 단지 색에 불과하나 이와 같이 인공위성 원격탐사에서 사용하는 방법을 적용하면 색 외에도 온도, 구성물질의 성분, 엽록소의 양, 유전율 등 매우 다양한 정보를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 그러나 그림 2에서와 같이 대기에 의하여 흡수되는 영역은 지구표면을 관측하는데 사용하기 어렵다. 이에 따라 흔히 사용되는 영역은 가시광선에서 열 적외선까지의 0.414 ㎛ 영역과 대기에 의한 흡수가 매우 적은 마이크로파 영역 중 0.1 cm1 m 파장영역을 주로 사용하고 있다. 전자의 경우를 흔히 "광학 원격탐사"라고 하며 후자의 경우를 quot;마이크로파 원격탐사"라 한다. 마이크로파 영역은 지구관측 뿐만 아니라 인공위성과 지상과의 통신에도 주로 사용되며 1 m 이상의 파장을 갖는 라디오파의 경우는 공중파 방송 및 통신에 주로 사용되고 있어 원격탐사에는 사용하지 않는다. 일반적으로 가시광선과 반사적외선 (0.7 3.0 ㎛)은 지표면 구성물질의 화학적인 성분에 민감하며, 반대로 마이크로파의 경우는 물질의 형태적 및 물리적 특징에 민감한 것으로 알려져 있다. 따라서 원격탐사 기술의 현황 및 앞으로의 전망은 크게 이와 같은 두 종류의 기술을 나누어 설명하는 것이 타당할 것이다.

그림 1. 잠실 야구장 주변의 1m 해상도 영상(현대 우주항공(주) 제공)

그림 2. 전자기파의 파장 영역에 따른 특성

광학 원격탐사

가시광선 및 적외선 부분을 사용하는 광학원격탐사 기술은 얻어진 영상자료가 인간의 육안으로 관측한 경우와 매우 유사하다는 장점으로 인하여 초기부터 발달한 기술이다. 이 기술은 다시 가시광선 및 반사적외선 영역을 관측하는 기술과 열 적외선을 관측하는 기술로 세분된다.

열 적외선을 측정함으로서 물체의 복사온도를 매우 정확하게 알 수 있으며(Landsat TM의 경우 약 0.5 의 정밀도[2]), 이 기술은 이미 해수의 수온변화, 화산이나 산불지역, 공장이나 발전소 등의 배수지점 등에 대한 감시에 널리 사용되고 있다. 또한 물체는 열의 전도 및 저장능력에 따라 주, 야간의 표면온도 특성이 다르게 나타나며, 이와 같은 점을 이용하여 주간과 야간에 얻어진 열 적외선 자료를 비교함으로서 물체의 종류를 구별하는 기술도 널리 이용되고 있다.

현재 광학 원격탐사 기술 중 가장 큰 관심을 갖는 영역은 가시광선 영역과 근적외선을 포함하는 0.42.5 ㎛ 파장영역을 이용하는 기술이다. 이 분야의 기술은 크게 두 가지로 요약된다. 하나는 앞서 설명한 바와 같이 지상의 물체 중 얼마나 작은 것을 볼 수 있는가 하는 공간해상도를 높이는 기술과 다른 하나는 파장영역을 얼마나 세분하여 관측할 수 있는가 하는 분광해상도를 높이는 기술에 집중되고 있다. 공간해상도를 높인 자료는 특히 군사적인 목적 외에도 토목공사, 도시 관리, 농경지 관리 등 주로 인간에 의한 구조물에 대한 정보를 제공하는데 유용하게 이용된다. 그러나 실제로 지표면의 구성물질과 그 상태에 대한 정보를 얻기 위해서는 공간해상도 보다는 분광해상도를 높여야 하며, 특히 가시광선에서 반사적외선 전 영역에 대한 반사 및 방사 특성 정보가 필요하다. 이를 위해서는 0.42.5 ㎛ 파장영역 전체를 최소 수 십 nm 이하로 나눠서 연속적으로 관측하는 기술이 필요하며, 이와 같은 기술을 hyperspectral 분석이라 한다. 현재 미국에서는 항공기 시스템인 AVIRIS(최대 10 nm 분광해상도의 224개 밴드로 0.42.5 ㎛ 영역 관측)를 이용한 시험적 단계를 거쳐 현재 초기 모델인 EOS-AM1 인공위성에 4050 nm 분광해상도 갖는 50개 밴드를 측정할 수 있는 MODIS/ASTER 센서를 탑재하여 운용하고 있다.[3] 이보다 좀 더 발달된 형태의 센서를 현재 호주에서 개발되고 있으며 이는 전 세계의 자원탐사를 목적으로 ARIES 인공위성에 탑재되어 2001년에 발사할 예정이다. Hyperspectral 자료는 앞으로 매우 폭넓게 활용될 것으로 기대되며 이중 가장 먼저 적용이 되고 있는 분야는 자원탐사, 농업 및 환경분야이다. Hyperspectral 분석은 특히 OH를 갖는 점토광물 종류와 Fe+2/Fe+3를 갖는 금속광물의 구분에 특히 유용할 것으로 알려지고 있다.

그러나 hyperspectral 분석을 통하여 광물이나 암석을 구분하는데 필요한 대부분의 분광특성은 실내실험을 통하여 이미 얻어졌으나, 실제 자연계에 적용하는 데는 아직 많은 문제점을 갖고 있다. 근본적인 문제점은 실내에서 실험을 통하여 결과와 실제 자연계의 상태는 큰 차이가 있다는 점이다. 첫째 실제 자연계의 구성물질은 불균질하며, 둘째 대기에 의한 영향이 시간에 따라 변화된다. 즉 실험실에서 얻어진 결과를 실제 항공기나 인공위성을 이용하여 얻어진 자료와 비교하기 위해서는 기상 상태가 최소한의 영향을 주어야 하며, 또한 지표면에 수분이 거의 없고 수목 등 다른 물질과의 혼합이 적어야 한다. 이와 같은 상황은 사막을 제외하면 실제 거의 일어나기 어려우며 따라서 이에 대한 영향을 정량적으로 제거해 주는 지역별 모델수립 문제점이 앞으로의 연구과제로 남아있다.

마이크로파 원격탐사

마이크로파 원격탐사는 광학원격탐사에 비하여 비교적 최근 개발되고 있는 기술로 주로 2차 세계대전 이후에 본격적인 개발이 시작되었다. 마이크로파는 구름 등의 기상이나 태양의 일조 상태에 관계없이 언제나 관측이 가능하다는 장점 때문에 최근 전 세계적으로 활발히 기술개발이 이뤄지고 있다. 그러나 자료를 획득하고 처리하는 과정이 매우 어렵고 특히 인간의 육안으로 관측하는 것과는 매우 다른 원리에 의해 관측이 수행되는 관계로 영상자료의 해석 및 이용은 특히 전문 지식이 필요하다는 단점이 있다. 그럼에도 불구하고 관측 안테나 고도에 관계없이 요구되는 해상도를 얻을 수 있는 영상레이더인 SAR(Synthetic Aperture Radar)의 개발로 인하여 1980년대 이후 그 수요가 급증하고 있다. 안테나의 해상도(3 dB 폭으로 정의됨)는 안테나의 길이가 길수록 개선이 된다. 그러나 항공기나 인공위성에 탑재할 수 있는 안테나의 길이는 제한이 되며 따라서 길이가 작은 안테나를 이용하여 관측을 실시하면서도 신호의 합성을 통하여 마치 매우 긴 안테나로 관측한 것과 같은 효과를 얻을 수 있는 시스템이 SAR이다. SAR는 지속적으로 움직이는 안테나와 대상물체와의 상대적 이동에 의한 도풀러 효과를 기초로 하고 있는데, 등속도로 이동하는 안테나와 지표면의 산란체와의 도풀러 위상은 다음과 같다:

여기서 rr0는 각각 안테나와 산란체와의 거리 및 최단거리, λ는 파장, υ는 안테나의 이동속도이다. 식 (1)에서 첫 번째 항은 안테나의 중심주파수와 관련된 항이며, 두 번째 항과 세 번째 항은 도풀러 주파수 및 도풀러 주파수 변화율로 정의된다. 즉 위 식에서와 같이 이 경우 도풀러 주파수의 변화는 시간에 대한 직선의 변화를 갖게 되며, 따라서 선형의 주파수변조와 같은 효과를 갖게된다. 선형의 주파수 변조된 신호는 탄성파탐사 자료에 흔히 적용되는 정합필터(matched filter)를 적용하면 신호축약을 통하여 고해상도의 신호를 얻을 수 있다. 그러나 위의 식은 개념적인 설명을 위한 근사식이며, SAR 신호로부터 지표면의 산란체를 복원하는 역산의 식은 파수 영역에서의 파동방정식의 해를 구하는 방법으로 그 결과는 다음과 같다.

여기서 x과 η는 각각 안테나의 이동방향(azimuth) 및 거리방향(range) 좌표이며 Θ는 안테나에서 수신된 신호로서, 이로부터 지표면 산란체의 산란계수 σ0를 구하는 것이 궁극적인 목적이다. 영상레이더는 지표면의 영상을 얻기 위해 개발이 되어 그 동안 지구뿐만 아니라 Magellan 계획[4]을 통해 금성에서 얻어진 자료는 금성의 판구조론적 운동 여부를 유추하는데 귀중한 자료로 사용되고 있다. 또한 지질·자원, 지리, 지구물리, 군사적 이용 등의 여러 분야에 필요한 정밀 지형정보 획득 및 임업, 농업, 도시계획, 환경 등의 분야에 필요한 토지이용도 작성을 위해서도 활용되고 있다. 특히 최근에는 해양학적인 연구에 그 활용이 급증하고 있는데 이는 해양에서의 풍속에 대한 정량적 관측과 유류를 관측하는데 매우 유용하기 때문이다. 즉 해양에서 풍속에 대한 정보는 마이크로파 원격탐사를 제외한 다른 방법은 극히 제한적이며, 또한 유류오염사고 혹은 유전탐사 등에 이와 같은 정보는 필수적이다. 그러나 최근의 경향은 단순한 지표면의 영상취득 보다는 지표면의 정밀한 지형정보와 유전율 및 거칠기에 의한 정량적인 분석기술 개발에 집중되고 있으며 radar polarimetry와 radar interferometry 연구가 그 핵심을 이루고 있다.

현재 인공위성에 탑재되어 운영되고 있는 SAR는 모두 단일 파장의 단일 편파만을 사용하고 있다. 그러나 지표 물질의 산란특성을 구분하기 위해서는 유전율(실제 지구표면에서는 수분의 함량이 크게 좌우함)과 표면거칠기의 영향을 분리해야 되며, 이를 위해서는 다양한 파장과 특히 다양한 편파를 이용한 관측이 필요하다. Radar polarimetry는 단일 편파 대신 HH-, VV-, HV-, VH-polarization의 네 종류의 편파를 동시에 관측함으로써 지표면의 물성적인 특성을 정량적으로 분석하고자 하는 것이다. 특히 σh0h/σv0v 및 σh0v/σv0v는 표면의 거칠기와 수분함량을 분리하는데 유용하며 실험식은 다음과 같다. 즉,

로서 Fresnel 반사계수이며, ks는 지표면의 수직거칠기에 대한 파수이다.[5] 따라서 네 종류의 편파를 측정한 후 위의 비선형 방정식을 풀면 지표면의 거칠기와 유전율을 분리할 수 있다. 그러나 이와 같은 모델은 아직 실제 자연상태의 지표면에 적용하기에는 충분하지 못하며 앞으로 더 많은 야외실험을 통한 검증과 모델의 개선이 요구되고 있다.

영상레이더의 또 다른 장점은 지상에 대한 영상뿐만 아니라 레이더의 또 다른 특징인 거리측정이 가능하다는 점이다. 이와 같은 SAR의 관측특성을 이용하여 그림 3의 모식도에서와 같이 특정 지역에 대하여 약간 다른 각도에서 관측된 2개 이상의 자료에 기록된 위상차로부터 지표면의 정밀고도를 복원하는 기술을 radar interferometry라 한다. 이와 같이 방법으로 얻어진 SAR 자료는 그림 4의 자료처리 과정을 거쳐 필요한 지형정보를 추출하게 된다. 현재의 기술은 약 800km 상공에서 같은 위성을 이용하여 다른 시간에 두 번 이상 관측하는 경우 약 수 m 내외의 오차로 고도정보를 구할 수 있으며, 항공기를 사용하는 경우 10 km 상공에서 2 cm 내외의 오차로 줄일 수 있다.[6]

미국 NASA에서는 전 세계(북위 60°남위 54°지역) 육지의 80 %에 해당되는 지역에 대한 정밀 지형정보를 동시에 모두 얻기 위해 우주왕복선을 이용한 SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) 프로젝트가 2000년 2월 중순에 실시되었으며, 이는 인류 역사상 최초로 전 지구적인 지형정보를 단일한 방법에 의해 동일시기에 얻었다는데 그 의의가 있다. 이 자료는 현재의 지구 지형에 대한 정보로서의 가치뿐만 아니라 판구조 활동에 의한 지구의 지형변화를 관측하는 기초자료로 사용될 예정이다. 현재 지형도 제작을 위해 항공사진과 광학위성자료가 주로 이용되고 있으나, 비용 절감과 정밀도 향상이라는 측면에서 인공위성 레이더의 활용이 급증하고 있다. 그림 3은 일본의 JERS-1 위성 L-밴드 SAR를 이용하여 백두산 지역에서 관측된 자료로부터 추출된 지형정보를 3차원 영상으로 표현한 것이다. 비록 이 기술은 아직도 정밀도 개선을 위한 많은 연구가 필요한 실정이나, 21세기 SAR 활용기술 중 가장 활발하게 연구 및 활용이 이뤄질 분야 중 하나이다.[7]

현재 radar interferometry는 단순한 지형정보의 획득 뿐만 아니라 같은 지역을 일정 기간 후에 다시 측정하여 지구표면의 변화를 관측하는데 더 많은 연구가 진행되고 있다. 이와 같은 변화는 판구조 운동 뿐만 아니라 지진, 화산활동, 산사태, 지반침하, 홍수와 같은 대부분의 자연재해와 연관되기 때문이다. Massonnet은 미국 캘리포니아 Landers 지역에서 발생한 지진에 의한 지표면의 변위를 2.3 cm 정밀도로

그림 3. Radar Interferometry 자료획득 모식도

관측하는데 최초로 성공하였으며, 이에 따라 지진을 발생시킨 단층의 정확한 규모와 단층의 운동 및 주변지역의 피해상황을 정확하게 파악할 수 있게 되었다.[8] 현재 인공위성을 이용하는 경우 최대 2 cm 정도까지의 지표면 변화를 측정 가능하며, 항공기를 이용하는 경우 2 mm까지 관측이 가능한 것으로 보고되고 있다.[9] 이에 따라 자연재해에 대한 지속적인 감시 및 예방을 위한 목적으로 이 기술을 개발/이용하고 있으며, 이 밖에도 해안선 변화, 토지피복 연구, 수자원 조사, 파랑관측, 빙하이동 관측, 전자통신 전파모델링, 산림자원 관리를 위한 수목 성장변화 관측 등 지구과학적 연구에 폭 넓게 활용되고 있다. 이에 따라 기존의 인공위성 계획 외에 추가로 이 기술의 적극적인 활용을 통한 자연재해에 대한 지속적이며 장기적인 감시 및 정밀 지형정보 획득을 위해 SRTM(미국, 독일), SEISM(프랑스), TREIS(유럽), ALOS(일본) 등의 계획이 추진 중이다.

향후 인공위성 레이더를 이용한 자연재해의 지표변위 정밀관측 및 획득된 지형정보의 정밀도를 항공기 레이더 수준의 정밀도로 향상시키기 위한 연구와 이로부터 한 단계 더 나아가 자연재해가 발생할 가능성이 있는 지역에 대한 응력(stress)을 관측할 수 있는 기술로 발전시켜 자연재해 발생을 예고하기 위한 노력이 적극 수행되고 있다. 그러나 이와 같은 radar interferometry의 정밀도를 향상시키기 위한 연구 중 가장 큰 문제점은 대기상태에 따른 전자기파의 전파속도 변화이다. 그 동안 SAR를 이용하여 지표면의 영상만을 얻고자 하는 경우 매우 작은 전파속도의 차이는 큰 문제가 되지 않았으나, 정밀한 지형의 변화를 관측코자 하는 경우에는 미소한 전파속도의 차이가 상대적으로 큰 오차를 발생시킨다. 그러나 현재로서는 이에 대한 적절한 보정을 실시할 수 방법이 없는 상태이며, 향후 이에 대한 연구가 집중될 것으로 예상되고 있다.

Radar interferometry 기술은 지진계 및 GPS와 함께 현재 대규모의 지진, 화산활동, 산사태, 지반침하 지역 등 자연재해가 예상되는 지역에 대하여 지속적인 관측자료를 제공해 주고 있다. 과연 앞으로 자연재해의 발생을 미리 예측할 수 있는 시대는 올 것인가? 이에 대해 현재까지는 아무도 쉽게 대답할 수는 없다. 그러나 이와 같은 목표를 이루기 위해 최소한의 요구되는 점에 대해서는 쉽게 예측할 수 있다. 즉 모든 이용 가능한 기술과 관측자료가 모두 종합되어 최종 판단될 때 비로소 가능할 수 있다는 점이다. 하나의 예로 최근 전 세계적으로 자주 발생하고 있는 지진의 예측을 위해서는 지진계에 의한 미소 지진의 신호를 지속적으로 수신해야 하며 이와 함께 GPS를 이용하여 변화가 없는가를 관측해야 한다. 또한 인공위성을 이용하여 지속적인 응력의 축적에 따른 변화를 정밀관측하고 또한 원인이 될 수 있는 단층지역에 대한 정밀한 지질학적 야외조사가 함께 병행되어야 한다. 이와 같이 종합된 관측을 실시하는 경우 자연재해 예측은 보다 현실화가 될 수 있을 것이다.

   

   

그림 4. Radar Interferometry 자료처리과정 활용분야

   

(a)

(b)

그림 5. 백두산 지역에서 얻어진 SAR 자료로부터 추출된 (a) interferogram과 (b) 3차원 지형도.

맺음말

초기 군사적인 목적으로 개발이 시작된 원격탐사 기술은 현재 지질학, 해양학, 대기과학, 임업 및 농업 등 다양한 지구과학 연구에 활용되고 있다. 그러나 그 동안의 연구는 온도나 식생지수 등의 일부 요소에 대한 성공적인 사례를 제외하면, 대부분의 지구물리학적 요소를 정량적으로 추출하기보다는 주로 형태인식에 기초를 둔 정성적인 분석에 치중하여 왔다. 이와 같은 문제점을 주로 정량화 모델을 수립하기 위해서는 실내에서보다는 실제 야외에서의 실험자료가 더욱 절실히 필요하나 야외 실험의 여러 가지 제한으로 인한 현장실험 자료의 부족에 기인하고 있다. 21세기 지구환경의 효과적인 감시와 관리가 강조되고 있는 점을 감안할 때 원격탐사 자료로부터 지구물리학적 요소를 정량적으로 얻을 수 있는 노력이 지속적으로 이뤄질 것으로 예상된다.

참 고 문 헌

[1] Oberg, J., IEEE Spectrum 36(11), 62-69 (1999).

[2] Bartolucci, L. A., M. Chang, P. E. Anuta and M. R. Graves, Atmospheric effects on Landsat TM thermal IR data, IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing 26(2), pp.171-176.

[3] Kaufman, Y. J., D. D. Herring, K. J. Ranson, and G. J. Gollatz, IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing 36(4), 1045- 1055 (1998).

[4] Arvidson, R. E., V. R. Baker, C. Elachi, R. S. Saunders and J. A. Wood, Science 252, 270-275 (1991).

[5] Y. Oh, K. Sarabandi and F. T. Ulaby, Development of a semi-empirical polarimetric scattering model for microwave radar observations, Proc. IEEE IGARS'95, Florence, Italy (1995), Vol. 2, pp. 939-941.

[6] Allen, C. T., 1995, Interferometric syntehtic aperture radar, IEEE Geosci. Remote Sensing Newsletter, Issue#96, Sept., pp. 6-13.

[7] Madsen, S., N. Skou, 1998, Problem to be addressed by SAR systems in the 21'st centrury: where are we and where are we heading, IEEE Geosci. Remote Sensing Newsletter, Issue#106, March, pp.6-13.

[8] Gray, A. L., MP. J. Farris-Manning, IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing 31(1), 180-191 (1993).

[9]Massonnet, D., M. Rossi, C. Carmona, F. Adragna, G. Peltzer, K. Feigl and T. Rabaute, Nature, 364(6433), 138-142

   

원중선 박사는 카나다 마니토바대학(Univ. of Manitoba) 지구과학과 이학박사로서 한국해양연구소 선임연구원을 거쳐 현재 연세대학교 지구시스템과학과 조교수로 재직 중이다.

(jswon@yonsei.ac.kr)

   

현재 저희 홍보잡지에는 [물리학의 선구자]라는 난이 연재되고 있습니다. 당분간 본 난에서는 주로 외국인들을 중심으로 국제 최고 수준의 물리학의 선구자들을 계속 조망할 계획입니다. 본 난이 개설된 뒤로 몇몇 관심 있는 분들로부터 왜 한국인은 다루지 않느냐는 문의가 들어왔습니다. 따라서 저희 홍보잡지 편집위원회에서는 [물리학의 선구자]난과 함께 [한국의 물리학자]라는 난을 새로 신설하여, 한국 물리학의 발전에 많은 공헌을 한 선구자적인 분들을 하나하나 소개하고자 합니다.

현재 물리학회에는 한국 물리학계에서 선구적인 역할을 했던 분들에 대한 체계적인 자료가 수집되어 있지 않고, 따라서 이 분들에 대한 역사적으로 가치가 있는 소개를 하기가 무척 힘든 상황입니다. 이에 저희 물리학과 첨단기술 편집위원회에서는 한국 물리학 발전에 선구적인 역할을 한 분들에 대한 자료를 수집하고 있습니다. 수집된 자료는 자료 정리를 거쳐 한국물리학회 [한국물리학 역사자료실]에 보관하고, 그 평가된 내용을 한국의 물리학자 난에 소개하며, 한국물리학회 50년사 편찬을 비롯해서 한국 물리학사 관련 자료 집필에 참고할 예정입니다. 본 자료 수집 사업에 가족이나 친지, 교우, 후학들의 많은 관심과 협조가 있으시길 부탁드립니다.

인물 추천: A4 1-2매 정도의 소개문

수집 자료: 저서, 발표 논문 목록 및 논문 별쇄본, 서한, 신문잡지기사, 상훈 및 각종 증명서, 유품 등등 역사 편찬에 도움이 될 사료 (원본을 계속 개인이 소장하실 분은 사본을 보내도 무방합니다)

보내실 곳: 서울 강남구 역삼동 635-4 과학기술회관 901호 (우편번호 135-703)

한국물리학회 홍보잡지 편집위원회 [한국물리학 역사자료실]

   

출처: <http://mulli2.kps.or.kr/~pht/9-4/000422.htm>

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항공기를 이용한 대기오염 측정

   

가. 항공기 측정 배경과 목적

대기오염물질은 기상조건에 따라 확산, 분산되며 대기 중에서 화학반응을 통해 변환되면서 장거리 이동 및 침강이 가능하므로 이와 같이 입체적으로 일어나는 대기 환경현상을 효과적으로 연구하기 위해서는 항공기를 이용한 실측이 요구된다.

(1) 지상측정이나 인공위성을 통한 원격탐사 뿐만 아니라 공간적으로 균일하지 않은 대기 중의 오염물질의 농도 변화와 상호 반응을 규명하기 위해서는 실시간 연속 측정법이 필요하고, 항공기를 이용한 실시간 연속측정은 넓은 지역에 걸쳐 오염물질의 수직 및 수평분포에 대한 자료를 신속하게 얻을 수 있는 장점이 있다.

(2) 미국 해양 대기청 산하 환경 연구소의 대기자원 연구실(NOAA/ERL/ARL)에서는 1983년 부터 King Air 항공기를, 1994년부터는 Twin Otter 항공기를 이용하여 대기오염 측정 뿐만 아니라 구름 및 강수 물리 측정 등을 실시해오고 있다.

(3) 국가적인 차원에서 연구목적의 항공기를 도입하여 대기 환경 뿐만 아니라 대기과학, 자원탐사, 해양환경 등 여러 분야에 활용함으로써 운영효과를 높일 수 있을 것이며, 외국 연구기관(NOAA, NCAR)과 협력하여 항공 측정기술을 전수받아 빠른 시간내에 국내 측정기술을 발전시켜 측정신뢰도를 높이고 각종 국제 공동 연구조사 사업에도 참여할 수 있을 것으로 판단된다.

(4) 항공기 측정의 응용분야

(가) pollution survey / sampling

(나) plume dispersion / transformation

(다) atmospheric tracer study

(라) model boundary conditions

(마) model validation / improvement

(바) climate / radiation research

(사) atmospheric research / cloud physics

(아) eddy flux measurement

(자) weather modification

(차) remote sensing

(카) intercomparison / calibration

   

나. 항공기 측정시 고려할 사항

(1) 비행기 특성과 관련된 사항

(가) 비행시간 및 비행거리 제한 등을 고려해야 함.

(나) 측정장비의 무게, 크기, 소요전력, 등의 제한.

(다) 측정장비는 과격한 온도 및 습도 변화와 진동 등에 견딜 수 있어야 함.

(2) 샘플 보전

(가) 빠른 비행속도(50∼200 m/sec) 때문에 샘플을 보전하기가 어려움.

(나) 비행 도중 등속흡입이 일어나지 않기 때문에 입자상 물질의 경우는 난류 및 관성의 영향으로 시료 포집의 오차 발생이 쉬움.

(다) 기체상 물질의 경우는 흡착에 의한 손실을 줄여야 함.

(3) 기타 사항

(가) 고도(압력) 변화에 따른 측정장비의 감도 변화여부

(나) 측정장비의 반응시간과 계기보정

   

다. 항공기 및 측정장비

- 현재 각국에서 사용중인 대기측정용 항공기를 표 3.23.2에 제시한다.

   

라. 항공 측정결과

다음은 미국에서 실시한 항공기 측정의 결과를 제시한 것이다.

(1) FRLAB(Front Range Lidar, Aircraft, and Balloon Experiment)

1990년 콜로라도주 볼더 부근에서 항공기, Lidar 및 기구를 이용하여 대기중 aerosol의 연직분포를 측정. 항공기 양쪽날개 밑에 장착된 PMS(Particle Measuring System), ASASP(Active Scattering Aerosol Spectrometer Probe)와 FSSP(Forward Scattering Spectrometer Probe)로 측정된 aerosol 농도를 측정하여 고도별로 aerosol이 여러 층으로 형성되어 있음을 알 수 있었음.

(2) LMOS(Lake Michigan Ozone Study)

1991년 NOAA King Air 항공기는 LMOS 실험에 참여하여 Michigan호 주위의 기체상 및 입자상 오염물질을 측정. 그 결과 호수상공에서 지면의 오염물질이 상승하여 형성된 층을 확인. 입자의 크기분포를 보면 아침보다 미세입자농도가 크게 늘어났으며 평균 입자 크기도 증가했음을 알 수 있었음.

(3) Board-ARM Regional Flux Experiment

1991년 NOAA/ARL의 long-EZ 항공기를 이용하여 미국 에너지성의 ARM (Atmospheric Radiation Measurement) 프로그램의 일환으로 Oregon주 Boardman에서 flux를 측정.

(4) 대기오염은 입체적으로 발달하는 현상이기 때문에 효과적인 대기오염을 연구하기 위해서는 항공기 측정이 필수적이지만 항공기 측정만으로는 비용이 많이 들기 때문에 지상에서의 감시 측정과 모델링연구가 병행되어야 할 것임.

   

마. 국내 항공기를 이용한 상층의 대기오염 측정결과

(1) 측정경로 : 주로 중국배출원의 영향을 파악하기 위하여 서해 상공을 중심으로 측정이 이루어졌다(그림 3.23.1).

(2) 측정방법 : 항공기는 고정익쌍발기 Chieftain(Piper Co)를 사용하였으며 측정기는 아래와 같다(표 3.23.1).

표 3.23.1 항공측정에 사용된 측정장비 제원

   

Parameter

Operation Principal and Instrument Model

Range & Unit

Response time

Precision

SO2

UV Fluorescence/

Thermo-43C Trace

≤100 ppb

80sec

(10sec avg.)

0.2ppb

(10sec avg.)

O3

UV Photometric/

Thermo-49C

≤1000 ppb

20sec

(0∼95%)

1ppb

NOx

Chemiluminescence/

Thermo-42C Trace

≤100 ppb

60sec

(10sec avg.)

0.05ppb

(2min avg.)

Particle Number

OpticalParticle Counter /

Rion Co., KC-01C

≤1000/cm3

2 min

0.3∼10?m

(5 channel)

Position & Altitude

Global Positioning System/

Garmin, GPS-II

Latitude(N)/

longitude(E)/ Altitude(m)

15 sec

1∼5m

Temperature

Thermister/

TRH-5S

-20∼80℃

1.5 sec

0.2℃

Relative Humidity

Hygrometer/

TRH-5S

0∼100 %

1.5 sec

0.5%

   

(3) 측정결과

국내에서도 국립환경연구원을 중심으로 항공기를 이용한 장거리 대기오염물질 측정에 대해 연구를 실시중이며 결과를 분석중에 있음. 그 결과, 입자상물질의 갯수농도는 0.3?m이상의 입자가 1cm3 당 40∼100개 정도의 수준인 것으로 나타났으며 이는 지상농도의 1/10수준이었슴. 오염물질중 SO2나 입자개수농도는 하층에서 농도 변화가 컸으나 상층으로 갈수록 편차가 줄어들면서 농도도 크게 감소하였고, O3이나 NOx는 고도에 따라 농도 변화가 크지 않았다. SO2의 한반도 서해 경계를 따라 이동되는 양은 겨울철인 1997년 12월, 1998년 11월이 각각 0.25, 0.24 톤/km/hour로 가장 컸고, 그다음이 가을 1997년 10월, 그리고 봄철 1998년 4월순으로 나타났음. 일반적으로 SO2 평균농도는 0.5∼1.5ppb로 나타났지만 기류가 중국 배출원 지역을 통과하여 한반도 곧바로 수송될 경우는 최고 10ppb를 초과할 정도로 고농도 SO2 plume을 확인할 수 있었다(그림 3.23.2).

그림 3.23.1 항공측정 분석영역(사각형내)

   

그림 3.23.2 항공측정 각 에피소드에 대한 경계층내의 SO2의 Box plot

(5, 10, 25, 50, 75, 90, 95% 분위수를 나타냄)

   

표 3.23.2. 국외 대기 측정용 항공기

   

Country

Institution

Specification

Company

USA

NOAA/ERL

   

   

   

   

King Air C-90

Twin Otter

P3-Orion RP3A

Aero Commander-2

Citation 550

Turbo-Commander

Beechcraft

DeHavilland

Lockheed

Gulfstream

Cessna

Gulfstream

  

NASA/ARC

DC-8 72

C-130 NC-130B

ER-2

Perseus

Twin Otter DHC-6

McDonnell Douglas

Lockheed

Lockheed

NASA

DeHavilland

  

NASA/WFF

Electra L-188

P-3 Orion

Sabreliner T-39

Skyvan SC-7

Lockheed

Lockheed

Rockwell

Short Bros

  

NCAR/RAF

King Air B220-T

Sabreliner

C-130 Hercules

Electra L-188C

G-IVA

WB-57F

Beechcraft

Rockwell

Lockheed

Lockheed

Gulfstram

General Dynamics

  

Air Force Geophy. Lab

NKC-135 Tanker

Boeing

  

Naval Res. Lab.

P3

Lockheed

  

Battelle PNL

G-1

Gulfstram

  

Brookhaven National Lab.

Queen Air

Beechcraft

  

Univ. of Washington

Samaritan C-131A

Convair

  

Univ. of Wyoming

King Air 200-T

Beechcraft

  

Univ. of North Dakota

Citation 550

Cessna

  

SDSMT

T-28

North American

  

NMIMT

Schweizer

  

  

   

NAWC Inc.

421,340, 340, 414

Cessna

  

SRI Int. Inc.

Queen Air

Beechcraft

  

Weather Mod. Inc.

Duke

  

  

   

BMI, Inc

G-I

Gulfstream

  

Sonoma Tech. Inc.

Queen Air

Beechcraft

   

표 3.23.2 (계속 )

   

England

Meteorological Office

C-130

Chieftain

Lockheed

Piper

Canada

Nat. Res. Council

Inst. Aero., Res./FRL

Atmos. Env. Serv.

Twin Otter

Convair 580

Falcon 20

T-33

DeHavilland

General Dynamics

Desault

Canadair

Germany

DLR

Fraunhofer- Institute

Falcon 20

HS125

Dassault

Hawker Siddley

France

  

   

DC7

McDonnell Douglas

Norway

Institute for Air Research

Navajo

Piper

Australia

CSIRO

F27

Fokker

New Zealand

Meterorological Service

F27

Fokker

Japan

National Institute for Env. Studies

440

Cessna

  

Metero. Res. Institute

404

Cessna

  

Tohoku Univ.

206

Cessna

  

Nagoya Univ.

Merlin Ⅳ

Selingen

(출처 : 김영준, 1995)

표 3.23.3 항공기 탑재 샘플링 방법

   

구 분

샘플링 방법

Batch sampling 방법

- filter packs

- cloud water and Precipitation collectors

- gas samples

In-situ (연속)

측정방법

- O3, SO2, NOx, CO, H2O2 측정기

- aerosol size distribution

- cloud droplets, liquid water content

- meteorological parameters

- radiation, turbulence

Remote Sensing 측정방법

- LIDAR

- spectroradiometer

(출처 : 김영준, 1995)

표 3.23.4 항공기 탑재용 측정장비 개요

   

Aircraft Instrumentation

  

  

  

  

  

  

Parameter

Method

Manufacture

Range

Accuracy

Resolution

Response Time

Pressure

transducer

Rosemount

0∼1100mb

±1mb

0.1mb

1s

Temperature

platlum relstance

Rosemount

-60。c -40。c

1。c

0.1。c

1s

Dew point

hygrometer

General Eastern

-75。c +50。c

〈1。c

0.1。c

1s

Cloud water

slotted rod

modified Mohnen

〉5㎛

N/A

N/A

intermlttent

Liquid water

content

heated wire

PMS-king

0∼6gm-3

0.1gm-3

0.1gm-3

1s

Particle size distribution

Aerosol scattering extinction Condensation nuclel

particle spectrometer

3-wavelength

nephelometer

Expansion cloud chamber

PMS ASASP-100X

PMS FSSP-100

PMS OAP-2DC

Norman C. Ahlqulst

General Electric

0.12∼3.12㎛

0.5∼47㎛

25∼800㎛

10-8∼10m-1

3∼300,000㎝-3

N/A

N/A

N/A

±10%

±10%

N/A

N/A

N/A

10-3m-1

0.1%

0.1s

0.1s

N/A

1min

1s

Solar lrradiance

photometer

U-COR

0∼1500Wm-2

N/A

1Wm-2

1s

Gas analyses

H2O2

N2O

CFC 12,11,113

CH3CCl3, CCl4

NO/NOy

O3

SO2

   

fiourescence

gas chromatography

gas chromatography

chemllumlnescence

u.v.photometic

pulsed flucescence

   

k+k Enterprises

shimadzu

shimadzu

TECO 14B(mod)

TECO 49

TECO 43s

   

1∼50ppby

10ppb∼300ppm

10ppb∼100ppb

0∼1000ppbv

0∼1000ppbv

0∼100ppbv

by mole fraction

   

0.1ppbv

1.0ppbv

5.0ppbv

0.1ppbv

2.0ppbv

0.1ppbv

   

0.1ppbv

0.2ppbv

1.0ppbv

0.07ppbv

1.0ppbv

0.05ppbv

   

2min

2min

4min

1min

1min

1min

Aerosol

Collection

Black carbon

   

filter packs

light attenuation

   

NOAA AOG

Mages Sclentific

   

N/A

10ng∼100㎍m-3

   

N/A

±15%

   

N/A

1ng m-3hr

   

〉30min

1hr∼1s

Aircraft position

Heading

Lat/long

Tas

Wind speed

Wind direction

   

LORAN-C

LORAN-C

computed value

computed value

computed value

   

Advanced Navigation

N/A

N/A

N/A

N/A

   

0。∼360。

N/A

N/A

N/A

0。∼360。

   

1deg

200m

1ms-1

1ms-1

1deg

   

1deg

200m

1ms-1

1ms-1

1deg

   

1s

1s

1s

1min

1min

Data acqusition

computer based

scalence Eng Assoc

software Config

N/A

16bit

0.01sec

(100Hz)

(출처 : 김영준, 1995)

참고문헌

1. 김영준, 항공기를 이용한 대기오염 측정, 1995년도 한국대기보전학회 추계학술대회 요지집,(1995) 29∼41.

2. Otto Klemm and Eberhard Schaller, Aircraft measurement of pollutnat fluxes across the borders of eastern Germany, (1994), 2847∼2860.

3. 장거리이동 대기오염물질의 공간분포 및 변화에 관한 연구 (Ⅰ),(Ⅱ) 국립환경연구원 조사연구보고서, 1997, 1998.

4. 김병곤 등, 1997, 항공기를 이용한 상층의 SO2 및 NOx 측정, 대기보전학회지.

작성자 : 대기화학과 환경연구사 김병곤(이학석사)

   

   

원본 위치 <http://home.sunchon.ac.kr/~bioenvlab/data2/ham3/3-23.htm>

   

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