대기 에어러솔은 대기중에 존재하는 미세입자로 인체 유해성을 지니고 있으며 기후변화에 있어서도 중요한 역할을 하는 변수로 알려져 있다. 게다가 대기 에어러솔의 주요 성분에 대한 정확한 평가는 환경에 미치는 영향에 있어서도 매우 중요하다. 이 때문에 지구관측 위성자료는 대기질 감시측면에서도 효과적인 수단으로 이용되고 있다. 따라서 본 연구에서는 인공위성 관측 자료를 이용하여 전구적인 규모의 대기 에어러솔의 주요 성분별 분포변화를 알아보고자 MODIS 에어러솔 광학두께(AOT; Aerosol Optical Thickness)와 미세입자분율(FMF; Fine Mode Fraction), 그리고 TOMS 자외선 흡수성 에어러솔 지수(AAI; UV Absorbing Aerosol Index)를 이용하여 네 가지의 주요 에어러솔의 성분(먼지, 탄소성, 황산화물, 해염)을 구분할 수 있는 방법을 제시하였다. 여기서 얻어진 결과물을 검증하기 위하여 에어러솔 예측 모델자료와 각 격자별 자료로 선형회귀분석을 수행한 결과, 본 연구에서 산출된 결과물이 에어러솔의 성분별 전반적인 패턴을 잘 표현하는 것을 확인 할 수 있었다. 이렇게 주요 에어러솔 타입으로 구분된 위성자료의 사용은 대기질 감시뿐만 아니라 기후변화연구에 있어서도 도움을 줄 것으로 사료된다.
대기 중 에어러솔이 지구의 복사수지에 미치는 영향을 파악하기 위한 연구들은 여러 각도에서 수행되고 있다. 2001년 봄철에 진행된 ACE-Asia 뿐만 아니라, ACE, ACE2, TARFOX, INDOEX 등등의 여러 집중 측정연구들이 수행되었다. 그러나 에어러솔 관측자료의 시공간적 한계는 여전히 남아있으며, 위성관측을 통한 에어러솔의 분석도, 다양한 지표면 상태 및 에어러솔의 특성에 대한 불완전한 가정 등으로 인해 충분한 정보를 제공하지 못하고 있다. (중략)
세계 최초의 정지 궤도 해양관측 센서인 Geostationary Ocean Color Imager (COMS/GOCI)가 측정하는 가시광선 영역의 파장대 ($0.4-0.9{\mu}m$)는 대기 구성성분(기체상 또는 입자상)에 의하여 영향을 받기 때문에 이에 대한 보정이 필요하다. 특히, 대기중에 존재하는 미세입자인 에어러솔은 그 물리 화학적 특성의 다양함으로 인하여 태양광과 반응하는 과정이 상당히 복잡하게 나타나므로, 정확한 해양 관측을 위하여 대기 에어러솔과 복사 과정의 상호작용에 대한 정확한 이해가 필요하다. 본 연구에서는 알려진 대기 에어 러솔 특성 자료를 이용하여 에어 러솔의 물리 적, 광학적 특성을 분석하였다. 여기서 얻어진 에어러솔 특성 값들은 복사전달 모델을 이용하여 다양한 환경 조건하(에어러솔의 종류와 양)에서 위성센서가 측정하는 이론적인 복사량과 에어러솔의 관계를 분석하는데 사용되었다. 복사전달모델 분석결과, 위성 자료 분석에서 잘못된 에어러솔의 광학 특성값의 사용으로 인한 오차는 에어러솔 광학 두께($\tau$)가 0.2보다 작은 범위에서는 비교적 작은 값을 나타내나 0.2보다 크게 되는 경우 지속적으로 증가하였다. 추가로 위성 관측값과 복사전달 모델에 의하여 계산된 값의 차이가 최소인 에어러솔 타입의 광학 특성값을 이용하여 ($\tau$)와 ${\aa}ngstr{\ddot{o}}m$ exponent 를 도출한 결과는 기존의 표준 알고리즘보다는 지상관측자료와의 비교적 잘 일치하고 있는 것으로 나타났다. 따라서 위성 관측자료에서 에어러솔 분석함에 있어서 에어러솔 타입에 따른 광학적 특성값의 중요성은 매우 크다고 할 수 있다. 이러한 결과들은 궁극적으로 향후 발사될 COMS/GOCI의 관측 자료를 이용한 대기 에어러솔 분석이나 대기 효과 보정에 있어서 도움이 될 것이다.
본 연구에서는 GLI 센서의 자외선인 380nm, 가시광선 영 역의 400nm와 412nm, 가시광선의 푸른 파장영역인 460nm와 490nm, 근파장 적외선인 2100nm를 비교 분석하여 생체 소각 에어러솔 탐지에 효과적인 파장을 살펴보고자 하였다. 자외선 파장이 지표 반사도가 낮고 BRDF 효과도 작게 나타나므로 에어러솔 추정시 효과적이라고 알려져 있으나 412nm를 제외한 400nm, 460nm, 490nm에서 380nm와 비슷한 지표 반사도를 보였다. 지표 반사도 대비 방법을 2003년 5월에 적용해 에어러솔 반사도를 산출하였을때 460nm의 에어러솔 반사도가 380nm 보다 민감하게 나타났다. GLI의 두파장을 이용해 TOMS 에어러솔 지수를 산출하였을 때 생체 소각 에어러솔은 흡수성 에어러솔로 나타났으며 380nm와 460nm를 이용한 TOMS 에어러솔 지수가 AERONET의 에어러솔 광학 두께와 높은 상관관계를 보이며 에어러솔의 광학 두께에 민감하게 반응하고 있다. 그러므로 생체소각 에어러솔을 탐지할 때에는 가시광선의 푸른색 영역의 파장대가 효과적일 것으로 사료된다.
황해지역에서의 대기중 에어러솔 분포의 특징을 살피기 위하여 1999년 4월 말, 5월 초 인천에서 약 50km 떨어져 있는 경기도 옹진군 덕적도에서 Micro Pulse Lidar 측정과 에어러솔 샘플링을 수행하였다. 황해지역에서 봄철의 평균적인 에어러솔 농도 및 성분에 대한 연구와 함께 황사가 발생하였을 때의 특성에 대하여 연구하였고, 이 지역으로 유입되는 공기의 기원을 추적하기 위하여 등온위면 역궤적 분석을 수행 하였다.(중략)
대기 중의 에어러솔 입자들은 직접적으로는 빛의 산란, 흡수 등 복사 평형에 영향을 미치며, 간접적으로는 구름 응결핵(CCN)으로 작용함으로써 알베도와 구름의 수명에 영향을 미치게 된다. 자연적인 에어러솔은 인위적 활동에 따른 황 화합물, 질소 화합물, 유기물. 매연 그리고 토양 먼지의 증가에 의해 사실상 교란되어 왔다. 인위적인 에어러솔에 의한 복사 강제력(radiative forcing)은 현재 전 지구적 평균이 -0.3~-3.5Wm$^{-2}$ 정도로 추정되며, 이것은 온실 기체에 의한 강제력인 +2.0~+2.8Wm$^{-2}$ 와 비교될 만 하다(IPCC, 1995). (중략)
인공위성에 의한 대기 에어러솔의 관측방법은 에어러솔이 기후에 미치는 영향의 평가에 있어서 중요한 요소가 되었다. 기본적으로 인공위성 원격탐사자료는 가시광선 영역역대의 밴드에서 대기중의 분자들이나 에어러솔에 의한 산란효과에 의해 영향을 받는다. 황사 현상과 같은 먼지구름은 인공위성 영상에서 쉽게 보이며 이러한 먼지 구름이 복사 강제 효과에 대한 기여도가 클 것으로 예측된다. (중략)
인공위성 관측자료를 이용한 대기 에어러솔 원격탐사 기법은 단시간에 넓은 공간적 영역을 분석할 수 있게 하며, 대상 지역에 존재하는 에어러솔의 분포 정보 및 광학적, 물리학적 특성을 제공 해준다. MODIS 위성자료는 현재까지 가장 진보된 에어러솔 분석자료를 생산하고 있으며, 가장 최근에 개선된 에어러솔 알고리즘(Collection 5 또는 C005)은 기존의 알고리즘(Collection 4 또는 C004)에 비해 많은 부분이 개선되었다. 본 연구는 동북아 지역에서 두 가지 MODIS 에어러솔 알고리즘에 의해 생산된 에어러솔 관측자료를 비교하였고, 각각의 정확도를 검증하기 위하여 AERONET sunphotometer 관측자료와 비교분석 하였다. 2005년 한해 동안의 MODIS 에어러솔 광학두께를 이용하여 에어러솔 광학 두께 (AOT)의 차이를 분석한 결과 에어러솔의 시공간적인 분포특징은 비슷하였으나, $AOT_{C005}$가 $AOT_{C004}$에 비하여 약 0.035(5%) 정도의 낮은 값을 보였다. MODIS AOT와 AERONET AOT와의 비교결과 C004가 상관계수 R=0.89 (기울기=0.86)를, C005는 R=0.95 (기울기=1.00)을 보였다. 더욱이 정확도 분석에서는 C005가 C004에 비해 약 40% 정도 개선이 된 것으로 나타났다.
본 연구에서는 MODIS 인공위성으로 분석된 에어러솔 광학두께 자료와 지상에서 관측된 시정거리 자료를 이용하여 에어러솔 연직분포 모델링을 수행하였다. 위성과 지상관측자료로부터 에어러솔의 척도 고도를 구할 수 있었으며, 그 결과는 복사전달 모델에서 사용되고 있는 표준대기 모델과 비교에서 만족할 만한 수준의 근사치를 보였다. 그리고 실제 사례로서 대기가 청명한 경우(${\tau}_{MODIS}=0.12{\pm}0.07$, 시정거리=$21.13{\pm}3.31km$)와 혼탁한 경우(${\tau}_{MODIS}=1.71{\pm}0.85$, 시정거리 =$13.33{\pm}5.66km$)에 대해서 적용하여 척도 고도를 산정한 결과는 각각 전국 평균값으로서 $0.63{\pm}0.33km$와 $1.71{\pm}0.84km$로 나타났다. 그리고 이 결과를 바탕으로 대기 에어러솔 소산계수의 연직분포를 구할 수 있었으며, 최종적으로 KML 형식으로 코딩되어 관심 영역의 대기 환경 특성 변화를 감시하는데 도움이 될 것으로 기대된다.
기후변화와 관련한 한반도 배경대기의 에어러솔에 대한 특성 연구는 관측된 입자 수농도와 대기 복사 관측 자료를 바탕으로 에어러솔의 물리적, 화학적 및 광학적 특성에 대하여 분석하였다. 에어러솔의 물리적 특성 연구는 2001년부터 2003년까지 제주도 고산관측소에 설치된 광학입자계수기(Optical Particle Counter, OPC)로 $0.3{\sim}25{\mu}m$직경의 에어러솔을 8개 구간으로 나누어 관측하여 분석하였다. 그 결과 황사의 발생률이 높은 봄철에 조대 입자($2.2{\mu}m$이상)의 수농도가 다른 계절보다 높게 나타났다. 기상요소 (상대습도, 풍속, 풍향, 시정 등)와 입자 수농도의 상관관계 분석에 의하면 $0.3{\sim}0.5{\mu}m$ 크기 구간에서는 상관성이 없는 것으로 나타났으며 $0.5{\sim}2.23{\mu}m$ 구간에서는 에어러솔 수농도와 상대습도가 서로 양의 상관관계를 가지는 것으로 나타났다. 풍속과의 상관성에서 작은 입자들은 풍속이 강해질수록 감소하는 패턴으로 분석되었으며 겨울철에는 조대입자 수농도가 높은 풍속에 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 시정거리는 $0.5{\sim}1{\mu}m$ 크기 정도의 에어러솔 수 농도와 밀접한 관련이 있는 것으로 나타났으며 에어러솔 수 농도가 증가할수록 시정거리는 감소하는 경향을 보였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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