다양한 관측 환경에서 확인된 핵형성 입자 및 구름 응결핵의 감소

[연구필요성]

대기 중에서 가스상 전구물질로부터 수 나노미터 크기의 미세입자가 새롭게 만들어지는 ‘초미세입자 생성(NPF)’은 대기 중 초미세입자 수농도와 구름 형성을 좌우하는 핵심 메커니즘이며, 전 지구 구름응결핵(CCN) 공급에 최대 80%까지 기여할 수 있는 것으로 알려져 있다.

그러나 관측 환경별 변동 양상과 장기 추세에 대한 통합 분석이 부족해, 대기오염 저감 및 탄소중립 정책이 초미세먼지 생성과 구름응결핵에 미치는 영향을 종합적으로 평가하기 어려웠음.

[연구성과/기대효과]

세계기상기구(WMO)의 전 세계 37개 지구대기감시(Global Atmospheric Watch) 관측소의 장기간 초미세먼지 측정 자료(수십년 치)를 일관된 자동 분석 기법(순환정상 EOF)으로 종합 분석한 결과, 도시·농촌·원격지·산악 등 거의 모든 환경에서 초미세먼지 생성 빈도와 구름 응결핵 농도가 동반 감소하고 있음을 처음으로 규명함.

도시지역의 초미세먼지 생성 빈도는 연 0.3–2.9% 감소를 보였으며, 특히 서울에서의 구름응결핵은 연 4.3% 감소하는 등 유럽·북미·동아시아 전반에 걸친 동반 감소세가 확인됨. 이는 그동안 미세먼지가 햇빛을 반사하고 구름 형성을 도와 지구 온난화를 일부 상쇄해 왔던 효과(지구 냉각효과)가 약화되는, 이른바 ‘에어로졸 차폐 해제 효과(Aerosol demasking effect)’가 진행되고 있음을 의미함. 결과적으로 '깨끗해진 공기'가 지구 온난화를 가속하는 또 다른 변수로 작용할 수 있음을 보여줌. 대기질 개선 및 탄소중립 시행에 있어 기후 변화 대응을 함께 고려한 통합적 정책 설계가 필요함을 시사함.

[본문]

□ 대기오염 저감 정책으로 공기는 깨끗해지고 있지만, 그 과정에서 구름을 만드는 데 필요한 초미세입자까지 함께 줄어들고 있다는 사실이 전 세계 37개 관측소 자료 분석을 통해 처음으로 확인되었다.

서울대학교 지구환경과학부 김상우 교수와 한국과학기술연구원(KIST) 기후탄소순환연구단 박도현 박사가 주도한 국제 공동연구팀은, 세계기상기구(WMO) 지구대기감시(GAW) 프로그램 등에 참여하는 전 세계 37개 관측소의 초미세먼지 크기별 수농도 자료를 종합 분석해, 도시·농촌·원격지·산악 등 거의 모든 환경에서 대기 중 초미세입자 생성(NPF)과 구름응결핵(CCN) 농도가 동반 감소하고 있음을 확인하였다.

그동안 초미세먼지 생성은 대기 중 초미세입자 수농도를 결정하고 구름응결핵의 주요 공급원으로 작용하는 핵심 과정으로 알려져 왔지만, 관측 환경별 변동 양상과 장기 추세에 대한 통합적 분석은 부족했다. 본 연구는 전지구 규모 관측망 자료를 일관된 기법으로 분석한 첫 종합 연구이다.

□ 분석 결과, 도시 지역 초미세먼지 생성 빈도는 연간 0.3–2.9% 감소하였고, 농촌·원격지·산악 등 비교적 깨끗한 지역에서도 동일한 감소 추세가 일관되게 확인되어, 인위적 배출 저감의 영향이 전지구적으로 확산되고 있음이 드러났다.

연구팀은 도시(9개)·농촌(17개)·지구 배경(6개)·산악(5개) 환경의 세계기상기구 지구대기감시 관측소 자료를 분석했으며, 입자 수 크기 분포의 일주기 변동 패턴을 자동으로 식별하는 순환정상 경험적 직교함수(EOF) 기법을 적용하였다. 이 기법은 기존 수작업 분류 결과와 높은 상관성을 보여 신뢰성이 검증되었다.

통계적으로 유의한 추세가 확인된 모든 관측소에서 초미세입자 생성 빈도가 감소했으며, 특히 도시 지역의 감소 폭이 가장 커 연간 0.3–2.9%에 이르렀다. 비교적 깨끗한 농촌·원격지·산악 지역에서도 감소 추세가 함께 나타나, 인위적 배출 저감의 영향이 특정 지역에 국한되지 않고 전지구적으로 확산되고 있음을 시사한다.

□ 초미세먼지 생성 빈도 감소와 함께 구름응결핵 농도도 동반 감소하는 추세가 도시(서울, 드레스덴 등)뿐 아니라 농촌·원격지·산악에서까지 일관되게 나타나, 에어로졸-구름 상호작용을 통한 간접적 기후 효과 변화를 시사하는 결과이다.

구름응결핵과 초미세먼지 입자 크기별 수농도 분포가 동시에 측정된 6개 관측소 자료를 활용해 추정한 잠재 구름응결핵 농도는 초미세먼지 생성 현상 발생일이 비발생일보다 도시 약 106%, 농촌 76%, 원격지 154%, 산악 116% 더 높게 나타났다. 이는 초미세입자 신규 생성이 구름응결핵 공급원으로 실질적으로 기여하고 있음을 보여주는 결과다.

서울에서는 잠재 구름응결핵 농도가 연간 약 245개/cm3 감소했고, 실제 구름응결핵 농도 또한 서울 -4.3%/년, 스웨덴 바비힐 -15.1%/년 등 유럽을 포함한 전 환경에서 지속적으로 감소했다. 구름응결핵 농도가 감소하면 햇빛 반사가 약해져 추가적인 온난화로 이어질 수 있으며(에어로졸 차폐 해제 효과), 이는 향후 기후 강제력 평가에 중요한 함의를 가진다.

[연구결과]

Decrease in Nucleated Particles and Cloud Condensation Nuclei Observed across a Range of Environments


Do-Hyeon Park, Paolo Laj, Elisabeth Andrews, Clémence Rose, Angela Benedetti, Markku Kulmala, Inés Zabala, Erik Ahlberg, Andrés Alastuey, Eija Asmi, Olaf Bath, Tak Chan, Jin-Soo Choi, Martine Collaud Coen, Sébastien Conil, Sebastiao Martins Dos Santos, Konstantinos Eleftheriadis, Markus Fiebig, Maria I. Gini, A. Gannet Hallar, Antti-Pekka Hyvärinen, Leena Järvi, Nikos Kalivitis, Melita D. Keywood, Jeong Eun Kim, Sumin Kim, Jenni Kontkanen, Giorgos Kouvarakis, Adam Kristensson, Chongai Kuang, Meehye Lee, Heikki Lihavainen, Yong Lin, Chris Lunder, Atsushi Matsuki, Olga L. Mayol-Bracero, Maik Merkel, Nikolaos Mihalopoulos, Cathrine Lund Myhre, Jin-Soo Park, Minsu Park, Rokjin J. Park, Tuukka Petäja, Jean-Philippe Putaud, Andreas Schwerin, Karine Sellegri, Erik Swietlicki, Thomas Tuch, Peter Tunved, Ville Vakkari, Paolo Villani, Stergios Vratolis, Kay Weinhold, Alfred Wiedensohler, Young Jun Yoon, Seong Soo Yum, Vladimir Zdimal, John A. Ogren, Sang-Woo Kim

(Environmental Science & Technology, https://doi.org/10.1021/acs.est.5c18035)

전 세계 37개 관측소의 장기 자료를 일관된 자동 분석 기법으로 종합 분석한 결과, 거의 모든 관측 환경에서 초미세입자 생성 빈도와 구름응결핵 농도가 동반 감소하고 있음을 최초로 확인하였다. 도시 초미세먼지 생성 빈도는 연간 0.3–2.9% 감소했으며, 특히 서울의 경우 구름응결핵 농도 또한 연 4.3% 줄어든 것으로 나타났다. 이러한 초미세먼지 생성과 구름응결핵의 동반 감소세는 비단 서울뿐만 아니라 유럽, 북미, 동아시아 전반에 걸쳐 공통적으로 확인되었다. 초미세먼지 생성이 전 지구 구름응결핵 공급에 최대 80%까지 기여할 수 있다는 점을 고려할 때, 이번에 확인된 동반 감소 추세는 에어로졸-구름 상호작용을 통한 간접적 기후 효과(이른바 ‘에어로졸 차폐 해제’ 효과)를 변화시킬 수 있어, 향후 기후 강제력 평가와 정책 설계에 중요한 함의를 가진다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자 지원사업, KIST 기관고유사업, 국가과학기술연구회 한미일 국가연구기관 협력연구 사업, 한국환경산업기술원의 신기후체제 대응 환경기술개발사업의 지원으로 김상우 교수와 박도현 박사가 주도하고, 세계기상기구 GAW 과학자문단(SARGAN)과 유럽 에어로졸·구름·미량가스 연구 인프라(ACTRIS)를 비롯해 한국·미국·핀란드·영국·프랑스·독일 등 17개국 40개 대학·연구기관의 60여 명의 전문가가 참여한 대규모 국제 공동연구로 수행됐다. 연구 결과는 환경 분야 최고 권위지인 미국 화학회(ACS)의 Environmental Science & Technology에 표지 논문으로 게재됐다.

[그림설명]

그림 1) 전 세계 37개 GAW 및 협력 관측소의 분포(좌)와, 본 연구에서 확인된 관측 지점별 NPF 빈도 추세 대비 핵형성 모드 입자 농도 추세(중앙) 및 잠재 CCN 농도 추세(우)의 산점도. 도시(빨강), 농촌(파랑), 원격지(검정), 산악(보라) 환경 모두에서 NPF 빈도와 잠재 CCN 농도가 동반 감소(좌하단 사분면)하는 양상이 일관되게 나타난다.

그림 2) 환경 분야 최고 권위지 《Environmental Science & Technology》에 게재된 본 연구의 표지 아트. 서울 전경을 바탕으로, 검은색 구(초미세입자 및 잠재 CCN)와 파란색 구(구름응결핵)가 좌측에서 우측으로 갈수록 크게 줄어드는 모습을 화살표와 함께 나타내었다. 이는 맑아지는 공기 이면에 구름을 만드는 '씨앗' 입자들도 함께 감소하여 기후 변화에 새로운 변수로 작용할 수 있다는 연구의 핵심 결과를 상징적으로 보여준다.