RTO care

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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