단일입자분석을 이용한 황해상과 동일기단에서 채취한 대기 입자 특성 분석 = Single particle characterization of aerosols collected on the Yellow Sea and for the same air mass

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Due to the prevailing westerlies, Korea is expected to be influenced atmospheric aerosols emitted from China, and the Yellow Sea. During the aerosol's long-range transport, it can react with diverse chemical species and/or provide a reaction site for chemicals in the air. In this study, aerosol samples were collected on the Yellow Sea and for the same air mass to understand the modification of the aerosol particles during the long-range transport. For the characterization of the collected Asian Dust samples, a recently developed single particle analytical technique, named low-Z particle EPMA, was applied.
1. Single-particle characterization of aerosols collected on the Yellow Sea
Six sets of aerosol samples (samples S1-S6) were collected on the deck of a commercial ferryboat that plied between Incheon (Korea) and Tianjin (China) on 28 April 1 May, 2006, in order to characterize marine aerosol particles over the Yellow Sea. Samples S4-S6 happened to be collected when an Asian Dust storm event occurred in the sampling region. Sample S1 collected near the Korean peninsula contains a significant amount of reacted sea-salts and C,N,O-rich particle. For sample S2 which is collected at Bo Hai Sea, soil-derived particles, reacted sea-salts, and reacted CaCO3 are abundant. Soil-derived particles are mostly observed in sample S3. These results imply that sample S1 was somewhat marine influenced, sample S2 was influenced both by sources in the Yellow Sea and continental China, and sample S3 was mostly influenced by sources in continental China. Samples S4-S6 collected during an Asian Dust storm event have somewhat different characteristics from the samples S1-S3 that were collected when Asian Dust storm event did not happen. For samples S4-S6, it was observed that soil-derived particles are major chemical species in coarse fraction whereas in fine fraction most abundantly encountered particles are aluminosilicate with nitrate and/or sulfate and C,N,O-rich particles. The results of analysis of samples S1-S6 show that chemical compositions of each sample depend on sampling locations and meterological conditions. However, all samples nitrate-and/or sulfate-containing particles, implying that NOx and SOx were abundantly present over the Yellow Sea.
2. Single-particle characterization of aerosols collected for the same air mass
Asian Dust particles were collected in Beijing, China (once on Apr. 28, 2005), and Incheon, Korea (twice on Apr. 28 and 29, 2005), for the same air mass of an Asian Dust storm event. For the characterization of the collected Asian Dust samples, a recently developed single particle analytical technique, named low-Z particle EPMA, was applied. For the sample collected in Beijing (sample S1), most particles are soil-derived and only few particles were observed to experience chemical modification. Whereas, for the samples collected in Incheon (samples S2, S3), many reacted particles were observed, indicating that Asian Dust particles experienced chemical reactions while they had traveled over industrialized regions of China and the Yellow Sea.

국문 초록 (Abstract)

우리나라는 중국에서 불어오는 편서풍에 의해 중국 대륙과 황해를 거쳐 유입되는 대기입자의 영향을 받을 것이라고 생각된다. 이러한 대기입자는 중국의 공업단지와 중국 북동부를 거쳐 장거리 이동을 하면서 mineral dust와 해염입자가 대기 중에서 SOx와 NOx와 같은 오염물질들과 화학 반응하여 황산염, 질산염이 생성되기 때문에 중요하게 생각하고 있다. 본 연구에서는 우리나라 해염입자의 기원이 되는 황해 대기입자의 특성을 이해하기 위해 황해 상에서 채취한 대기입자와, 장거리 이동을 하는 대기입자의 대기화학반응을 이해하기 위해 중국 베이징과 우리나라 인천에서 동일기단의 황사입자를 채취하였고, 이를 low-Z particle EPMA 단일입자분석법을 이용하여 분석하였다. 단일입자분석은 Hitachi사 SEM-3500N과 Oxford사 ultra-thin window EDX 검출기를 사용하여 개개 입자의 X-ray 스펙트럼을 얻어, 입자의 화학종을 판별하였다.
1. 황해 상에서 채취한 대기입자의 특성
2006년 4월 28일부터 5월 1일 사이 우리나라 인천과 중국 톈진을 왕복하는 위에서 각각 3 차례씩, 총 6 차례 단일입자 시료 채취를 실행하였다(시료 S1-S6). 톈진에서 인천으로 돌아오는 동안에는 황사현상이 있었으며, 이로 인해 황해 상에서 황사 시 대기입자를 채취할 수 있었다(시료 S4-S6). 경기만에서 채취한 시료 S1에는 sea-salt와 C,N,O-rich 입자가 많은 부분을 차지하고 있었다. 보하이 해에서 채취한 S2은 토양입자와 해염입자가 많이 분포하고 있었으며, 톈진 근해에서 채취한 S3는 토양입자가 대부분이었다. 이 결과는 시료 S1은 황해의 영향을, 시료 S2는 황해와 중국 내륙의 영향을 받은 것으로 생각되며, 시료 S3는 중국 내륙의 영향을 받은 것으로 보인다. 이러한 분석결과는 HYSPLIT model과 meteorological data를 이용하여 실행한 backward trajectory 분석을 통해서도 확인할 수 있었다. 황사 기간 동안 채취한 시료 S4-S6에서는 각 시료마다 성분 분포가 약간씩 차이는 있었지만, 조대입자영역에는 aluminosilicate나 SiO2와 같은 토양기원입자가, 미세입자영역에서는 질산염이나 황산염을 포함한 토양입자와 C,N,O-rich 입자, 반응한 입자들이 많이 발견되었다. 황해 상에서 채취한 총 6 시료를 분석한 결과, 시료를 구성하는 화학종 분포의 비율이 시료를 채취한 위치와 기상 조건에 따라 약간의 차이가 있음을 알 수 있었다. 또한, 많은 입자들이 질산염이나 황산염 형태로 존재하는 것으로 보아 황해 상에 NOx와 SOx가 풍부하게 존재하는 것으로 생각된다.
2. 동일기단에서 채취한 황사입자의 특성
대기입자 채취는 2005년 4월 28일, 29일 중국 베이징(2005년 4월 28일 오전 8시, (시료 S1))과 인천 (2005년 4월 28일 오후 3시(시료 S2), 29일 오전 9시(시료 S3))에서 행하였다. Air mass backward trajectory와 위성사진에 의하면 이 황사는 같은 기단의 황사로 내몽골에서 발생한 후 베이징과 인천에 도달한 것으로 보인다. 베이징에서 채취한 시료 S1에는 분석한 입자의 86.8 % 이상이 토양기원입자로 중국대륙의 영향을 받은 것으로 보인다. 그러나 인천에서 채취한 시료 S2와 S3에는 토양기원의 입자가 각각 32.7 %, 31.9 %로써 베이징 시료와 비교하였을 때 그 비율이 확연히 감소하였다. 대신 베이징 시료에서는 발견되지 않았던 NaNO3, (Na,Mg)NO3와 같은 반응한 해염입자가 시료 S2에서는 19.1 %, PM10 농도가 가장 높았던 시료 S3에서는 10.4 % 발견되었다. 또한 베이징 시료에서 CaCO3를 포함한 입자가 전체의 6.7 %이었으나, 인천에서는 1 % 이내로 거의 발견되지 않았다. 하지만 장거리 이동을 하는 동안 NOx, SOx와 반응하여 생성되었을 것이라 생각되는 Ca(NO3,SO4)와 같은 반응한 CaCO3의 분포는 증가하였다. 이 결과는 중국에서 발원한 황사는 토양기원입자가 대부분이었고 이 황사가 우리나라로 유입될 때 중국의 공업단지와 황해를 지나 우리나라로 장거리 이동하는 동안 다양한 대기화학반응을 겪었음을 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• 국문요약 = 1
• 영문요약 = 3
• I. Introduction = 5
• II. Experimental = 8
• 1. 시료 채취 = 8
• 1.1 황해 상에서의 시료 채취 = 8
• 1.2 동일기단의 황사입자 채취 = 10
• 2. low-Z particle EPMA를 이용한 단일입자분석 방법 = 12
• 2.1 측정 시료 준비 = 12
• 2.2 SEM/EDX를 이용한 시료의 분석 = 12
• 2.3 개개입자의 X-ray spectrum으로부터 각 원소의 X-ray 세기 구하기 = 14
• 2.4 Monte Carlo calculation을 이용한 각 원소의 정량분석 = 14
• 2.5 개개입자의 화학종 판별 및 분류 = 14
• III. Results and Discussions = 17
• 1. Classification = 17
• 2. 황해 상에서 채취한 대기입자의 특성 = 18
• 2.1 전체 상대 분포 및 backward trajectory = 18
• 2.1.1 시료 S1-S3의 특징 = 20
• 2.1.2 시료 S4-S6의 특징 = 21
• 2.2 황해 상에서 채취한 대기입자의 물리 화학적 특징 = 23
• 2.2.1 carbonaceous particle: carbon-rich, organic, C,N,O-rich particle = 23
• 2.2.2 aluminosilicate 와 silicon dioxide = 25
• 2.2.3 CaCO3-containing 입자 = 29
• 2.2.4 해염입자 = 31
• 2.2.5 reacted (CaCO3 + sea-salt) 입자 = 32
• 2.2.6 fly ash 입자 = 33
• 3. 동일기단에서 채취한 황사입자의 특성 = 35
• 3.1 중국 베이징과 우리나라 인천에서 채취한 황사기단의 특성 = 35
• 3.2 동일기단 황사시료의 단일입자분석 결과 = 37
• 3.2.1 베이징에서 채취한 황사시료 (시료 A1) = 41
• 3.2.2 인천에서 채취한 황사시료 (시료 A2, A3) = 41
• 3.2.3 시료 A1과 시료 A2, A3 비교 = 43
• IV. Conclusion = 45
• 참고문헌 = 46