대기오염개론 대기오염의 규모를 알아보고 대기오염의 규모를 통하여 측정 방법과 오염물질의 이동 확산되는 방법 등을 알아보겠습니다. 국소영역, 도시, 지역, 대륙, 지구 대기오염의 규모에 대해서 알아보겠습니다.
1.5 대기오염의 규모
대기오염의 규모대기의 깊이에 따른 수직거리 셋째, 오염이 진행되는 데 걸리는 시간과 제어가 해결되는데 필요한 시간의 규모 넷째, 오염해결을 위해 요구되는 조직의 규모이다.
1.5.1 대기오염의 규모: 국소영역(Local)
대기오염의 규모에 있어 가장 작은 범위는 국소영역인데 이것은 오염원과 수용체가 근접하고 있어 서로 잘 볼 수 있는 위치에 있다는 것을 의미한다. 예를 들면 양면에 고층빌딩들이 늘어서 있고 교차점마다 신호등이 있고 엄청난 교통양을 가진 도시의 큰 도로에서 오염원은 자동차이고, 수용체는 빌딩의 입주자들과 양쪽 인도 위의 보행자 및 인접한 건물들의 거주자들이고 오염물은 자동차의 배기가스와 분진이다. 이 때 오염물질의 이동과 확산 메카니즘은 그림 1.3에 나타난 바와 같이 1차적으로 빌딩의 벽과 거리로 이루어진 공간 안에서 자동차의 이동과 대류에 의해 전개되고 2차적으로 기후형태에 의해 전개된다.
바람의 회전주 바람 옆 블럭받은 바람에 영향
도시에서의 오염물질의 이동과 확산
대기오염문제의 수평적 규모는 거리 그 자체이고, 수직규모는 인접한 빌딩의 높이이며, 시간규모는 교통량이 한 시간에 여러 요인에 의해 쉽게 변할 수 있으므로 분으로 측정될 수 있다. 교통량의 변화가 없다면 시간규모는 상대적으로 길다.
국소영역 규모의 대기오염문제는 수용체에 영향을 주는 오염원을 특별한 추적자를 이용하지 않아도 확인할 수 있으며, 확인된 오염원을 제어함으로써 수용체들에 대한 나쁜 영향을 줄일 것이다. 일반적으로 단일 오염원 또는 오염원군의 흔적이 한 특정 수용체에서 추적되어질 수 있고, 또한 그것의 배출물질이 다른 풍향조건 하에서 이동되어 다른 수용체에서 추적될 수 있다. 가장 보편적인 영역문제는 독특한 악취원의 발생으로 통제는 더 이상 냄새가 나질 않을 정도까지 악취유출을 감소시키는 것이다. 같은 방법으로 인근지역에 떨어지는 단일입자 또는 액적의 오염원들을 확인하여 감소시킬 수 있으며, 도로상의 일산화탄소 농도는 거리를 따라 지나는 교통밀도에 비례하는 것을 쉽게 확인할 수 있다. 일산화탄소 농도의 단기적 저감은 교통밀도를 감소시킴으로써, 장기적인 저감은 차량에서의 배출을 저하시키면 된다.
1.5.2 대기오염의 규모: 도시(Urban)
대기오염의 규모 대다수의 도시지역은 도심과 주위의 근교로 구성되어 있으며 그것은 또한 외곽지역에 의해 둘러싸여 있다. 어떤 한 계절에서 충분히 긴 시간 동안의 평균 오염물질 농도는 인구밀도와 관련이 있으며, 모든 방향의 바람을 고려한 연평균 오염농도는 그림 1.4에 나타난 바와 같이 중앙에서 가장 높고 양쪽 근교지역은 보다 낮으며 외곽지역이 가장 낮다. 이러한 외곽지역에서의 농도를 도심의 농도에 대하여 배경농도(background concentration)라고 한다.
년 평균 오염농도 배경농도 BBB 오지 근교 외곽도시 도시 외곽도시 근교 오지 그림 1.4 도시지역의 연평균 오염농도
도시지역에서의 주된 대기오염문제는 도시의 환기가 정지될 때 발생하는데 일반적으로 도시의 환기메카니즘은 두 가지를 들 수 있다. 첫째 오염물질을 공공지역 밖으로 이동시키는 수평적인 바람이고, 둘째는 지면 가까운 곳으로부터의 대기의 상부로 오염물을 이동시키고 깨끗한 공기를 지면으로 향해 내려오게 하는 수직적 대류이다.
이들 두 메카니즘은 대소의 차이는 있으나 연간 매일 어느 도시에서나 발생한다. 그러나 특정한 날에 환기메카니즘들 중 모두 또는 그 중 하나가 일어나지 않는 기후학적인 상태에 있어서 수평이동의 정지는 정온(calm)이라고 하고, 수직대류의 정지를 대기역전이라 한다. 이 때 역전은 지상으로부터의 높이에 따른 온도의 증가이다. 두 메카니즘들이 36시간 이상 지속될 때 정체가 발생하며 정체기간 동안 지역의 경계들을 측면으로 하고 지구표면을 바닥면으로 그리고 역전한계(상한)를 윗면으로 한 상자가 거꾸로 되어 오염물질이 일정한 속도로 계속 아래로 유출되는 것처럼 지역 안의 대기중에서 오염농도가 증가한다. 오염물의 증가로 인한 결과를 사건(episode)이라고 하며 표 1.5와 같이 세계의 주요 도시에서 대기오염 사건으로 많은 사람들이 사망하였다.
세계적 대기오염사건
장소발생연도 피해 Donora, Pennsylvania 1945194820명사망, 5,910명의 환자 발생 London, England 18731948700~800명 사망 19524,000명 사망, London Smog발생 19561,000명 사망 1957700~800명 사망 1959200~250명 사망 1962700명 사망 1963700명 사망 Mouse Valley, Belgium 193063명 사망, 6,000명의 환자 발생 New Orleans, Louisiana 19532명 사망, 200명의 환자 발생 New York City 1953165명 사망 19581963200~400명 사망 Poza Rica, Mexico 195022명 사망, 320명의 환자 발생 Los Angeles 1954시정악화, 광화학적 Smog 발생 Yokohama, Japan 1946다수의 환자가 발생 Worldwide 19621,000명 이상 사망
Eastern United State 1966다수의 환자가 발생타임즈비치, Missouri, USA1982 다수의 환자가 발생(유산 및 폐암 등)Bopal, India 19841,600명 사망체르노빌, 구소련 1986 원자력 발전소 폭발사건 Mexico City, Mexico 1987 Smog 발생, 수천마리 새 떼죽음. 울산 온산공단, Korea 1982지역주민 이타이이타이병의 초기증상동양화학 군산공장, Korea 1991 반경 1.5km 이내의 야채 및 과실류의 폐기 Indonesia 산불 199720세기 최대규모 화재, 지역을 덮은 연무 피해로 호흡장애 등 각종질환 유발 Amazon, Brazil 1998지구의 허파, 아마존 열대우림 산불 3개월만에 호우로 진화됨
출처: P. Walton Purdom, 1980주) *표시는 자료부족으로 피해추정이 곤란
그러므로 도시(urban) 규모에서 수평적 단위는 도시지역의 지름이며 수직규모는 대기의 최저 km로 한정하고 있다. 오염원은 그 지역내부에 모두 있고 수용체들은 일차적으로 그 지역에 살고 있는 사람들이며 시간규모는 사건이 일어나는 경우와 필요한 만큼 방출이 감소되는 경우 모두 몇 시간 내에 추정되어질 수 있다. 도시 규모 문제들을 해결하기 위한 적절한 관할조직은 주로 지방자치단체와 관할 지방환경청이다.
1.5.3 대기오염의 규모: 지역(Regional)
대기오염의 규모 지역 규모에서 우리의 관심은 보통 오염되지 않았다고 생각되는 장소의 대기에서 무슨 일이 일어나는가 하는데 있다. 불행히도 도시외곽의 대기는 오염된 도시의 공기와 굴뚝으로부터 나오는 오염물의 장거리 이동에 의해서 점점 오염되어 가고 있다. 따라서 도시쪽으로 움직이는 비도시 지역의 공기로 시간이 지남에 따라 지역의 배경농도가 서서히 증가하며, 비도시 지역에서만 나타날 수 있는 오염원들이 있다. 예를 들면 농업폐기물의 연소, 곡물의 비산, 경작, 동물 배설물, 그리고 동·식물의 가공품으로부터 생성된 폐기물의 처리 등이다.
관련 비도시 지역들은 보통 동일한 군이나 도에 속해 있으므로 군 또는 도의 차원에서 제어를 위한 조직체가 요구되며 영향받는 비도시 지역이 다른 군이다 도에 있을 경우에는 국가적 차원의 제어가 요구된다.
1.5.4 대기오염의 규모: 대륙(Continental)
대기오염의 규모 대륙적 규모에서 가장 큰 관심을 가지는 대기오염문제는 국경선을 통과하는 오염물의 이동이며, 이것을 가장 잘 증명해 주는 예는 영국과 독일에서 발생한 황산화물의 네덜란드, 벨기에, 스칸디나비아로의 이동과 미국중북부 지방의 공업단지에서 발생한 오염물이 캐나다로 이동, 중국에서 배출된 오염물질이 편서풍을 타고 한국으로 이동하는 경우이다. 황산화물은 산성비 형태로 대기중에서 침적되어 수계와 흙의 pH를 감소시켜 생태계를 파괴한다.
산성비를 연구하는 과학자들에 의하면 대륙적 규모에서의 오염물질 이동은 한 국가의 많은 오염원이 결합하여 광대한 공기를 오염시키고 결합된 오염물질은 다른 국가로 이동한다. 산도는 대개 황이나 질소에 의해 형성되며 오염원은 대규모 공장의 굴뚝에서 배출되는 황산화물과 자동차에서 나오는 질소산화물의 소규모 배출원의 복합체이다.
유럽 11개 국가들이 경제협력개발기구의 후원 하에 산성비 문제를 연구한 바에 의하면 1977년 한 해 동안 각 국가가 황산화물을 얼마나 많이 생성하여 국내로 받아들이고 국외로 방출했는가의 관점에서 대기중의 황산화 물질의 이동을 요약한 보고서를 발간하였다. 영국은 황산화물들의 발생을 줄이기 위한 비용이 타국에서 산출된 황산화물의 이동에 의한 손해액의 10배를 넘는 것으로 조사되었다.
1983년 6월 미국 National Research Council의 Environmental Studies Board의 보고서에 의하면 미국 동북부 넓은 지역 내의 산성 침적물들 간의 관계는 황산화물과 질소산화물들이 장기간에 걸친 평균 방출량에 선형적으로 비례하고 있다고 결론을 내렸지만 반드시어떤 특정한 지역에서 오염물 방출을 감소하더라도 다른 지역에서 산성침적이 완화될 수 있을 지는 예측할 수 없다고 결론내렸다.
1.5.5 대기오염의 규모: 지구(Global)
지구규모는 그림 1.5와 같이 대기중 핵 실험으로 인한 방사능 낙진과 화산분출로 인한 비방사능 낙진이 지구 성층권으로 이동하여 지구 주위로 오염물질을 운반하는데 대기의 조성을변화시킬 수 있는 오염물의 증감에 따라 기후도 변화될 수 있음을 예측할 수 있다. 만일 대기오염물질들이 대기를 통과한 태양에너지의 양을 충분히 감소시킨다면 지구는 냉각될 것이며 아마 또 다른 빙하기가 시작되는 시점까지 냉각할 것이다. 역으로 오염물질들이 지구로부터 우주를 향해 적외선 형태로 방출되는 열량을 감소시킬 수 있다면 현재 극지방에 있는 빙하가 녹을 것이라 생각되고 바다의 수면은 상승될 것이며 일부 해안도시들이 물에 잠기는 정도까지 지구온도는 상승될 것이다. 대기중에서 증가하는 오염물질인 분진은 태양에너지 통과를 방해하는 원인이며 태양에너지를 흡수 또는 분산시켜 지구표면으로의 태양에너지 도달을 방해한다. 지구표면으로부터 방출되는 적외선 에너지를 흡수할 수 있는 기체는주로 이산화탄소 등이며 이들이 대기온도를 증가시키는 주요인이다.
대기중 이산화탄소와 분진의 함량이 지난 수십년간 증가되어 왔으나 1840년부터 1990년까지 약 150년 동안 지구의 온도는 약 0.5℃ 증가된 것으로 보고되었다. 대기오염제어에 관해서 대기중 이산화탄소와 분진 중 어느 한 성분만을 감소시키는 것은 그들 사이에 불균질을 초래하므로 바람직스럽지 못하고 균형을 맞추기 위하여 두 가지 성분을 모두 증가시키는 것도 바람직스럽지 못하다.
성층권 하부에는 태양에 의해 방사되는 자외선 파장의 에너지 중 적당량을 흡수하는 오른충이 있으나 이 자외선파는 별다른 에너지 감소없이 태양과 지구 사이를 통과할 수 있다. 지구상의 생명체는 지표에 도달하는 자외선 에너지에 적응하여 왔고 오존층을 고갈시키는 물질은 지표면으로의 자외선 방사를 증가시킬 것이다. 따라서 인류뿐만 아니라 식물과 동물군에 불리한 영향을 준다. 의식 또는 무의식적으로 대기중에 방출 혹은 도입되는 증기상의 어떤 유기합성물들-특히 불화탄소(fluorocarbons)-은 대류층 화학물질에 의해 파괴되는 것이 아니라, 보다 높은 오존층 그리고 성층권에 존재하는 오존층과 태양에너지와의 반응에 의해서 파괴된다는 것이 분명한 가설이며 이 가설은 1970년대의 불화탄소 사용 형태에 화를 주었다.
오존층에 대한 화학적 파괴의 또 다른 예는 성층권을 비행하는 미사일과 비행기에서 배출되는 질소산화물(nitrogen oxides) 등이 있다. 이는 요오드화염(iodide salts)을 살포해 구름핵을 인공적으로 만들고, 비행장 활주로를 따라 연료를 연소시킴으로써 안개를 분산시키는 것, 송풍기와 가열기를 사용하는 것, 동결로부터 열매를 보호하기 위해 오렌지 숲에 물을 분사하는 것 등과 같은 의도적인 기후 변경의 형태와는 다르다.
현재 지구온도 상승변화 속도는 완만하지 않으며 또한 성층권 내 자외선의 양이 증가하는 추세에 있으므로 우리는 결정을 내려 위기를 모면해야 할 지경에 이르렀다. 따라서 대기조성 변화가 지구 생태계에 미칠 영향을 이해하고 대기중 이산화탄소, 분진, 불화탄소들을 감소시키는 방법을 찾아내어 현재의 위기에 대처해야 하며 이를 위해서는 전 세계 모든 국가의 단합된 노력이 있어야 한다.