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13. 시정장애가. 시정

(1) 시정이란

시정이란 주간에 정상적인 시력을 갖고 있는 사람이 육안으로 하늘을 배경으로 검정색 목표물의 경계를 식별할 수 있는 최대거리를 의미한다.

o 시정은 물리적인 복합현상이며 개인의 감지와 해석능력, 광원의 특성 및 투과율에 좌우되는 주관적인 것으로 관측자의 시력과 물체와 주변공간의 대조(contrast)에 의해 제한을 받음.

(2) 겉보기 대조

관측자에게 나타나는 겉보기 대조(apparent contrast, C_R)는 입자에 의한 산란때문에 고유대조보다 적으며 다음 식으로 나타낼 수 있다.

  C_R   =   B_R- B'_R  /  B'_R

(가) 여기서 B_R과 B'_R은 각각 물체와 주위배경의 관찰된 휘도임.

(나) 고유대조란 주위배경에 대한 물체의 상대적인 밝기(휘도)를 나타냄.

(다) 겉보기대조는 관측자와 물체간에 존재하는 입자의 산란을 무시할 경우 고유대조와 같게 됨.

나. 시정관측

(1) 목측에 의해 관측되는 시정(Visibility)이란 "어떤 방향의 지표면부근의 하늘을 배경으로 하여 정상적인 시력을 가진 사람이 어떤 목표물의 형태나 윤곽을 식별할 수 있는 최대 수평거리"이며 목표물은 뚜렷이 빛나는 밝은 물체가 아니어야 한다.

o 시정 관측시에 부근의 굴뚝에서 나오는 연기나 적은 규모의 먼지 등은 그것이 인위적인 현 상이든 자연적인 현상이든 관측자의 위치를 다소 변경하므로써 그 배후에 있는 목표물을 볼 수 있을 정도의 것은 시정장애 현상으로 간주하지 않음.

(2) 기상청에서는 동심원상에 많은 목표물을 설정하여 그 방향과 거리를 측정한 후, 각 목표물이 확인되는 정도를 살펴서 시정을 측정하고 있다.

(가) 목표물을 뚜렷이 확인한다는 것은 목표물의 형태나 윤곽을 식별하는 것, 즉 건물이면 건물로 수목이면 수목으로 식별할 수 있는 것을 뜻함.

(나) 시정이 방향에 따라 다를 때에는 최소시정을 택함.

(다) 시정관측 목표물은 하늘을 배경으로 하는 검정색 또는 검정색에 가까운 물체를 선택하며 지물을 배경으로 하는 목표물을 선정할 때에는 지평선 부근의 하늘과 같은 밝기의 배경이 되는 것을 선정함.

(라) 야간의 시정관측은 "주간과 같은 밝기라고 가정하여 목표물의 형태나 윤곽을 식별할 수 있는 최대의 거리"이므로 야간의 어두움에 관계없이 주간의 시정과 같은 대기혼탁정도를 표시함.

(3) 서울의 시정은 서울 서대문구에 위치한 서울 측후소에서 3시간 간격으로 측정하고 있다.

(가) 목측방법은 관측자의 숙련도와 같은 주관적인 요소와 목표물의 특성, 기상조건 등의 영향을 많이 받는다는 단점이 있음.

(나) 시정 5km 이상에는 1km 단위로 관측하고 5km 미만에서는 0.1km 단위로 관측함.

(4) 시정을 측정하는 장치는 원리상 총소멸계수(b_ext)나 산란계수(b_sp)를 측정하여 시정으로 환산하는 방식과 목표물과 그 주변의 대조를 측정하여 시정을 계산하는 방법의 두가지로 분류된다.

o Nephelometer, transmissiometer, scatter meter 등은 측정원리상 전자에 속하고 telephotometer, photometer 등은 후자에 속함.

다. 시정장애현상

시정장애를 일으키는 현상 및 원인으로는 안개(Fog), 박무(Mist), 연무(Haze), 연기(Smoke), 스모그(Smog), 먼지(Dust) 및 눈, 비, 안개비(Drizzle) 등이 있다.

o 대기중 시정감소현상을 유발하는 과정은 크게 자연적인 현상과 오염물질의 증가현상에 의 해 기인되는 두가지로 분류됨

o 자연적인 현상에 의한 시정감소현상은 광범위한 기상조건의 변화에 의해 대기중 부유하는 수증기 물방울의 증가로 발생되는 것으로 안개나 박무현상과 같은 기상현상이 있음.

(1) 안개 등에 의한 시정장애현상

안개는 지상에서 발생하는 구름이며 안개에 대한 국제적 정의는 작은 물방울이나 빙정으로 구성된 구름이 관측자의 수평시정을 1000m 미만으로 제한할 때를 일반적으로 안개라고 한다.

o 1955년이래 1990년까지 36년간 김포국제공항에서 관측된 모든 시정장애 현상 가운데 안개 발생에 대한 조사분석 결과는 다음 표 3.13.1과 같음.

표 3.13.1 월별 안개 평균발생일수
 

(출처 : 김포공항측후소, 1991)

(가) 년도별 안개조사

1000m 미만의 안개발생일수를 조사한 결과 36년간(1955-1990) 총 2240일로서 년평균 62일로 나타났음.

1) 1990년이 139일로 조사기간중 가장 많이 발생했으며 1989년 80일, 1981년이 79일이었고 70일이상 발생한 년수는 10년으로 기록되었음.

2) 조사기간중 1988년은 39일로 안개발생이 가장 적었음.

(나) 계절별 안개일수

통계기간중 안개 총발생일수 2,240일을 계절별로 분석한 결과 가을철(9월∼11월)이 722일 평균 20일로 가장 많고 겨울철(12∼2월)이 573일(평균 16일), 여름철(6∼8월)이 522일(평균 15일)로 나타났으며 봄철(3∼5월)이 제일 적은 423일(평균 12일)이었다.

(다) 월별 안개일수

36년간의 안개 총발생일수를 월별로 보면 10월이 297일로 월평균 8.3일, 11월과 1월이 219일로 월평균 6.1일, 12월이 207일로서 월평균 5.8일, 9월이 206일로 월평균 5.7일 순위였으며, 안개가 가장 적었던 달은 5월의 123일로서 월평균 3.4일이었다.

o 월별 안개발생시간은 10월이 가장 긴 1102시간 25분으로 기록되었고, 다음은 11월, 12월, 1월 순위였으며, 안개발생 시간이 가장 짧았던 달은 5월로서 333시간 47분으로 나타나 10 월의 1/4정도였음.

(라) 시간대별 안개 조사분석

총발생시간 7332시간 34분중 월별로 다소의 차이는 있으나 안개가 자주 끼는 시간대는 3시∼10시 사이로 안개가 낀 시간이 2028시간 45분으로서 주로 일출시간을 전후하여 안개가 끼는 것으로 나타났으며, 14시부터 20시 사이에는 60시간 미만으로 안개가 거의 발생하지 않는 시간대로 나타났다.

(2) 오염물질의 증가로 인한 시정감소현상

(가) 자동차나 연료의 연소과정에서 대기중에 배출된 먼지와 가스상물질의 산화과정에 의해 생성된 미세입자(2 마이크로미터 이하)의 농도증가로 인하여 시정감소현상이 발생됨.

(나) 대기중에서 가스상물질의 산화반응에 의해 생성되는 미세입자에 의한 시정감소현상은 광화학반응이 주도적으로 일어나는 L.A형 스모그와 습식산화반응이 주도적으로 일어나는 런던형 스모그로 대별되며 우리나라의 경우 일부 하절기를 제외하고는 습식산화반응에 의한 시정감소가 주로 발생됨.

(다) 대기중 상대습도의 상승이 중요한 인자중의 하나로 작용하며 혹은 자연적 기상조건에 의하여 형성된 안개현상이 오염물질과 반응하여 2차적인 시정감소현상으로 변환되기도 함.

라. 시정장애현상의 원인과 소멸계수

(1) 시정장애현상 원인과 영향인자

시정장애현상은 기체분자와 분진이 가시파장의 빛을 흡수 또는 산란시킴으로서 대기를 혼탁하게 하고 색조 현상을 일으켜 시정을 악화시키는 현상을 말하며 대도시 시정거리 감소의 주원인은 빛의 산란효과에 기인됨.

(가) 시정악화를 야기시키는 영향인자들은 기상요소와 대기중의 오염물질로 대별되며 이들 인자들은 독립적으로 혹은 상호관련성을 가지며 시정에 악영향을 미치게 된다. 기온, 습도 및 풍속은 대기혼합층에 영향을 주어 결과적으로 시정에 영향을 주는 인자가 됨.

(나) 대기중의 미세입자에 의한 빛의 흡수와 산란효과를 합친 시정감소효과는 습도 증가에 의한 영향과 함께 시정감소 원인의 95% 이상을 차지하고 있으며 습도가 증가하면 대기중에서의 미세입자 생성속도가 빨라지고 입자의 흡습성에 의해서 입자 크기가 커지므로써 시정장애 현상이 가속화됨.

(다) 시정장애 현상을 유발하는 주요 미세입자들은 탄소입자(25.7%), 황산염입자(18.7%), 질산염 입자(14.3%), 유기탄소화합물(10.9%), 기타 여러가지 금속산화물(25.0%) 등으로 구성되어 있는 것으로 보고되고 있으며 이 중 탄소입자는 대부분 자동차의 배출가스로부터 배출되는 것이고, 황산염입자, 질산염입자, 유기탄소화합물 등은 연료의 연소과정에서 배출되는 아황산가스, 질소산화물, 탄화수소가스 등이 대기중에서 반응하여 생성되어진 2차 오염물질들이라고 추정됨.

(2) 빛 소멸계수(Light Extinction Coefficient)

광원으로 부터 광도 I_o로 나온 광선은 빛이 통과하는 대기중의 가스와 입자에 의하여 산란, 흡수되므로써 약해지며 거리 X만큼 지난 후의 광도 I는 Lambert-Beer법칙에 의해 다음과 같이 계산한다.

   I  =  I_o exp (-b_ext ㆍX)

o b_ext는 빛의 소멸계수로써 공기 중 가스와 입자에 의해 흡수 또는 산란된 소멸계수의 합을 나타내며, 단위공기부피당 빛 소멸물질의 흡수 혹은 산란유효단면적과 같음.

o 대기중의 기체분자나 부유입자상 물질에 의한 빛의 산란과 흡수는 입자의 크기, 모양, 산란 각, 굴절율, 성분 및 입사광의 파장 등에 의해 영향을 받음.

o 입자가 빛과 상호작용할 때 이들이 받는 전자기적 에너지는 여러방향으로 재복사되는데 이 러한 현상을 산란이라고 함.

o 한편, 입사광이 입자에 의해 열이나 화학반응에너지 등으로 변환되어 제거될때 이를 흡수라고 함.

o 이러한 소멸계수는 다음과 같은 여러 항으로 구성된다.

     b_ext  =   b_ag  +    b_ag   +   b_sp  +   b_ap

(가) 기체에 의한 산란계수 (b_sp)

number density)에 비례하므로 고도가 높아기체에 의한 빛의 산란은 Rayleigh산란에 의해 설명되는데 이 계수는 분자수 밀도(molecular 지면 이 계수는 작아짐.

(나) 기체에 의한 흡수계수(b_ag)

가시광을 흡수하는 대기중의 중요한 가스성분은 NO₂이며 가스의 흡수량이 총 소멸량에 미치는 영향은 대부분의 경우 크지 않으나 굴뚝에서 나오는 배연이나 도시대기중에서 NO₂농도가 높을 때는 b_ag를 고려해야 됨. Hodkinson의 이론에 의하면 20℃, 1기압에서 550nm 파장의 광선에 대해 b_ag는 3.3 ×10^-4m^-1/NO₂(ppm) 또는 0.17 ×10^-6m^-1/?g-NO₂/m³임.

(다) 입자에 의한 흡수계수 (b_ap)

도심지역에서 입자에 의한 빛의 흡수는 주로 원소탄소(elemental carbon)에 의해 일어나며 원소탄소는 1차 입자로 배출원에서 직접 배출되며 물리, 화학적 변환에 의해 생성되지 않음.

○ 탄소에 의한 빛의 흡수계수 b_ap는 opal glass technique에 의해 직접 결정하는 방법과 원 소탄소질량농도와 원소탄소에 대힌 빛 흡수효율간의 관계를 이용하여 결정하는 방법과 그리고 Integrating Plate Method 등이 있음.

(라) 입자에 의한 산란계수 (b_sp)

입자에 의한 빛의 산란은 입자크기에 따라 Rayleigh산란과 Mie산란 등 몇가지로 나누어 설명되고 입자의 크기가 입사광의 파장보다 훨씬 작을 때 즉, 입경이 0.05 ?m보다 작은 입자들에 대해서는 Rayleigh산란이 적용되며, 기체에 의한 산란이 이에 적용된다.

o 입자의 입경이 입사광의 파장과 비슷하거나 그보다 큰 경우 즉, 입경이 0.05 ?m이상되는 입자에 의한 가시광선의 산란은 Mie이론으로 설명함.

마. 대기오염도 및 시정감소현상 현황

(1) 저황유 및 LNG의 지속적인 확대공급으로 아황산가스와 TSP(먼지)농도는 매년 감소하고 있으나, 급증하고 있는 자동차등의 영향으로 오존과 이산화질소 농도는 개선되지 않고 있으며, 특히 경유자동차에서 배출되는 미세입자(카본물질)의 영향으로 아황산가스나 TSP(먼지)농도의 감소와 관계없이 시정감소현상이 발생될 수 있다.

(2) 지난 10년간('84∼'93)의 시정관측자료를 분석하여 본 결과 평균시정거리는 9.5 km이고 3.3 km이하의 시정발생율은 10 %로 약 37일간이었으며 10년동안 시정의 뚜렷한 변화추세가 없는 것으로 나타났다.

(3) 자연적인 기상조건에서 발생된 안개현상과 습도의 영향을 배제하기 위하여 상대습도 70%미만일 때 시정 4 km이하의 발생일은 약간 증가추세를 보이고 있다.

(4) 시정장애현상은 안개(fog), 황사현상과 같이 자연적인 원인에 의한 것과 스모그,연무, 박무 등과 같이 인위적인 원인에 의한 것으로 분류할 수가 있으며 안개도 대기오염이 심할 경우에는 비균질핵형성(heterogeneous nucleation)의 기여도 증가에 따라 그 정도가 심해질 수가 있다.

(가) 인위적인 원인에 의한 시정장애현상은 주로 부유분진(suspended particles) 또는 에어로졸 (aerosol)이라 불리는 대기중에 떠있는 미세입자, 특히 0.1∼2 ㎛ 크기의 미세 입자들이 주원인으로 알려져 있으며 이들 입자들은 대부분 대기중에서의 1차 오염물질들(가스상물질)이 반응, 응축, 응집 등의 과정을 통하여 생성, 성장하기 때문에 2차 에어로졸이라고 불림.

(나) 2차 에어로졸의 성장, 생성 및 여러 특성(크기, 성분, 농도)은 1차 오염물질들인 기체상의 SO₂, NO_x, CO, O₃, 총탄화수소(THC) 등과 입자상물질(TSP)의 농도와 여러 기상조건(온도, 습도, 풍향, 풍속, 일사량, 혼합고)의 영향을 받게 됨.

(다) 2차 에어로졸의 입경분포(size distribution), 화학성분, 수분함량 등의 여러 인자들이 시정장애현상에 영향을 미치므로 시정장애현상은 어느 한가지 인자만이 주 원인이라고 할 수 없는 복합적인 현상임.

바. 시정장애현상에 대한 연구사례

(1) 국립환경연구원 연구사례

국립환경연구원에서는 9년전('86년)에도 이러한 미세입자들의 구성성분에 대하여 조사한 바 있으며, '86년에 비하여 '94년 조사결과는 미세입자중 황산이온의 구성비율이 약 30% 감소하였고 질산이온의 경우는 구성비율이 1% 미만에서 약 14%로 증가한 것으로 나타나 수도권지역의 대기오염 양상이 변화하고 있음이 파악되었고 표 3.13.2에 변화양상을 나타내었다.

o 황산이온이 감소하고 질산이온이 상대적으로 증가하는 현상의 이유로는 지난 10여년간 수도권지역에서의 연료중 황함량의 규제와 청정연료 대체 등의 정책으로 황산화물의 배 출량은 감소하고 있으나 자동차의 급격한 증가로 인하여 질소산화물의 배출량이 증가되 었기 때문인 것으로 추정되었고 표 3.13.3에 시정감소 원인물질의 기여형태와 주요 발생 원을 나타내었음.

표 3.13.2 시정감소 원인물질별 기여율의 변화 양상(대상지역 : 서울)
 

(출처 : 이민희, 1987., 국립환경연구원, 1994)

표 3.13.3 시정감소 원인물질의 기여형태와 주요 발생원
 

(2) 미국 덴버지역 연구사례

(가) 주요원인 물질 : 질소산화물과 미세입자상물질 (대기중 가스상물질의 반응에 의해 생성된 2 차생성입자)로 주요성분은 황산염, 질산염, 탄소성분임.

(나) 기상조건 : 기온역전현상으로 확산이 용이치 못하고 상대습도가 증가시 시정악화현상이 가속화 됨.

표 3.13.4 미국 덴버지역('78년)의 원인물질별 기여율
 

(출처 : Grobliicki, 1981)

참고문헌

1. 이민희, 한의정, 한진석 등, (1987), 대기중 입자상 물질의 생성 및 동태에 관한 연구, 국립환경 연구원.

2. Appel, B.R., et. al., (1985), Visibility as related to atomospheric aerosol constituents, Atm. Env., 19, 1525.

3. Grobliicki, P.J., Woolff G. T., and Countess, R. J., (1981), Visibility-reducing Species in the Denver, Brown Cloud-I, Atmos. Environ., 15, 2473.

4. Koschmieder,H., (1924), Beitr. Phys. freien Atm. 12,33.

5. D.W. Ely et al., (1991, The establishment of the Denever visibility standard, 84th annual meeting and exhibition, AWMA.

6. S.K. Fiedlander, (1977), Smoke, Dust and Haze, John Wiley & Sons.

7. 국립환경연구원, (1984), 수도권 지역의 시정장애현상규명을 위한 조사연구(I).

8. 국립환경연구원, (1995), 수도권 지역의 시정장애현상규명을 위한 조사연구(II).

9. 김포공항측후소, (1991), 김포국제공항의 안개.

작성자 : 대기화학과장 환경연구관 한진석(공학박사)