자동차 배출 온실가스, 이제 ‘지문’으로 구별한다

[연구필요성]

인간활동에 의한 탄소배출은 지구온난화와 극한기상 및 여러 기후재해의 주요 원인으로 지목받고 있다. 서울은 수도권 도시들과의 연결로 인구 2,000만 명 이상의 거대도시의 중심부에 위치하고 있으며, 여러 가지 방식으로 온실가스를 배출하고 있으나, 정확한 원인별 배출량 평가에는 한계가 있다. 측정기반 감시시스템과 분석기술이 아직 성숙한 단계에 이르지 않았기 때문이다. 무엇보다 다양한 원인에 대한 구분이 어려운데, 온실가스의 동위원소(원자번호는 같으나 질량이 서로 다른 원자) 비율을 측정하면, 이러한 문제를 해결할 수 있다. 동위원소비는 각 배출 원인별로 특정값을 갖고 있어, 일종의 온실가스 ‘지문’이라고도 볼 수 있기 때문이다.

본 연구에서는 서울시 차량에서 배출되는 이산화탄소(CO₂)와 아산화질소(N₂O)의 동위원소를 측정하여, 차량기원의 배출원에 대한 지문을 확보하고, CO₂와 N₂O 배출비를 측정하여, 실제 배출량 산정의 정확도를 높이는데 있다. 아산화질소(N₂O)는 이산화탄소보다 약 300배 강력한 온실가스로 오존층도 파괴한다.

[연구성과/기대효과]

현재 우리나라 온실가스 배출량 감시시스템은 과학적 측정보다는 배출기관이나 업체의 보고에 의존하고 있다. 일부 지역에서는 정밀한 농도측정으로 감시가 이루어지고 있으나, 정확한 기원을 아는데 한계가 있어 왔다. 인위적 활동이 활발한 도심지에서 동위원소 측정으로 특정 배출원을 구분할 수 있는 계기가 되었다.

[연구 추진 배경, 성과, 기대효과 등]

그간의 도심지 아산화질소(N₂O) 배출량은 실제 측정보다는 배출계수 등을 이용한 추정에 의존해 왔다. 특히 이번 연구에서는 오존층을 파괴할 수 있는 강력한 온실가스인 아산화질소(N₂O)의 차량 배출량이 기존 인벤토리 추정치보다 2배 이상 높게 측정되어, 현재의 배출량 산정체계가 교통부문의 N₂O 배출을 과소평가하고 있을 가능성을 확인하였다. 또한 온실가스의 기원을 정확히 구분하기 위해서는 일종의 ‘지문’이라 할 수 연구는 고도화된 동위원소 분석기법을 활용하여 대도심지 탄소배출 산정 있는 동위원소 분석이 필수적이지만, 국내 관련 연구는 매우 드물었다. 본의 신뢰도를 높이는 계기를 마련했으며, 다양한 배출원의 기여도를 정량적으로 구분할 수 있는 기반을 제시하였다.

이번에 출판된 논문은 서울대학교와 서울특별시 보건환경연구원이 2022년 체결한 업무협약을 바탕으로 수행한 첫 공동연구 성과다. 서울대가 연구를 총괄하고, 보건환경연구원은 시료 채취 지원, 연구 결과 검토 등에 참여했다. 또한, 일본 동경공업대와 토후쿠대학과의 협업을 통해 분석기법을 한층 고도화하였다. 서울대와 서울시 보건환경연구원은 이번 연구를 바탕으로 서울 지역 온실가스 배출 특성을 규명하고, 측정 기반의 배출량 산정 정확도를 높이기 위한 후속 연구를 이어갈 계획이다.

[본문]

[연구결과]

CO₂ and N₂O Emissions From Vehicles in Seoul Megacity, South Korea: Insights From Mixing Ratio and Stable Isotope Ratios


Jeongeun Kim, Jinho Ahn, Sambit Ghosh, Sakae Toyoda, Shinji Morimoto, Hyunsuk Choi, Jaehoen Jung, Hungyu Lee

(Rapid Communications in Mass Spectrometry, https://doi.org/10.1002/rcm.70094)

본 연구는 실제 도시 주행 환경에서 서울의 터널 측정을 통해 차량 기원 이산화탄소(CO₂)와 아산화질소(N₂O)의 동위원소 특성을 규명하였다. 차량배출 평균 N₂O:CO₂ 비율([4.8 ± 1.9] × 10⁻² ppb:ppm)은 IPCC(기후변화에 관한 정부간 협약체)에서 측정자료가 없을 때에 대략값 추정치 결과보다 2배 이상 높게 나타나, 현재의 온실가스 배출량 산정 체계가 교통 부문의 아산화질소(N₂O) 배출량을 과소평가하고 있을 가능성을 보여주었다. 차량에서 배출된 이산화탄소소(CO₂)는 특징적인 탄소동위원소비(δ¹³C) 값을 보이며, 서울의 휘발유 및 경유 차량 중심의 차량 구성과 일치하였다. 아산화질소(N₂O)의 동위원소 조성은 고온 연소 및 배기가스 후처리 과정에서의 생성 메커니즘을 반영하는 것으로 나타났다.

□ 연구실 홈페이지

https://sites.google.com/view/LICP

[그림설명]

(터널에서의 시료채취 장면 및 측정장비) 기체크로마토그라피 장비는 농도측정에 사용되었고, 질량분석기는 동위원소비 측정에 사용되었다.

(차량기원 배출가스량 비율) 측정한 아산화질소(N2O)와 이산화탄소(CO2) 방출량 비율이 기존 어림셈 방식의 결과 (국가 인벤토리 추정치)보다 두 배 높았다.

(차량에서 방출되는 이산화탄소의 동위원소비 측정결과) x축은 탄소동위원소비를 y축은 산소동위원소비를 나타낸다. 차량 연료별로도 이산화탄소(CO2)의 탄소, 산소 동위원소비가 달라진다.

(차량에서 방출되는 아산화질소의 동위원소비 측정값) x축은 질소동위원소비, y축은 산소동위원소비를 나타낸다. 전지구적 평균 값 (초록색)과 관악산 공기 (파란색), 그리고 터널공기 (검은색)의 아산화질소 동위원소비가 구별된다.