해양 및 토양의 영향

대기 미세먼지의 구성 성분은 발생기원에 따라 차이가 있지만 크게 해염, 토 양 및 오염기원 입자들로 나눌 수 있다. 그리고 이러한 입자들이 어떤 기원 입자 에 속하는지를 판단하는 방법은 각 기원의 농축인자(enrichment factor, EF)를 계산하여 각 기원에 대한 상대적인 농축 정도를 갖고 판단하는 것이다. 또한 각 기원의 지시성분과의 상관계수를 살펴봄으로써 가능하다. 미세먼지 입자는 일반 적으로 해염성분이 상당량 함유되어 있으며, 제주지역 미세먼지의 경우 그 영향 이 클 것으로 예상된다. 이를 보다 정량적으로 확인하기 위하여 Na⁺을 지표성분 으로 하여 주요 수용성 성분들에 대하여 해양농축계수를 다음의 식에 의해 계산 하였다(김원형, 2003).

EF = (Cx/CNa+)Aerosol/ (Cx/CNa+)Seawater

식에서 (Cx/CNa+)Seawater는 해수 중 Na⁺와 SO42-, Cl^-, Mg²⁺, Ca²⁺, K⁺의 농도비 이고, (Cx/CNa+)Aerosol는 에어로졸 중의 Na⁺와 SO42-, Cl^-, Mg²⁺, Ca²⁺, K⁺의 농도비 이다. 이렇게 계산된 농축인자는 그 값이 1에 가까울수록 SO42-, Cl^-, Mg²⁺, Ca²⁺, K⁺성분들이 해염으로부터 유입되고, 1보다 클수록 이들 성분들이 해염보다는 다 른 요인에 의해 미세먼지에 유입되고 있음을 의미한다.

연구기간 중 측정한 각 성분들의 농도와 계산한 평균농도로부터 구한 해양농 축계수를 Table 18에 나타내었다. 한라산 1100 고지의 해양농축계수를 보면, Cl -과 Mg²⁺의 농축계수는 PM10 미세먼지에서 0.5, 2.6의 EF값을 보였고, PM2.5 초미 세먼지에서 0.6, 2.9의 EF값을 나타내고 있어 이 성분들은 주로 해양의 영향을 많이 받고 있는 것으로 판단된다. 반면에 K⁺, Ca²⁺, SO42-의 EF 값은 각각 PM10

미세먼지에서 17.5, 25.8, 81.2로 나타났고, PM2.5 초미세먼지는 34.8, 17.5, 171.5로 비교적 큰 값을 나타내었다. 따라서, K⁺, Ca²⁺, SO42-는 PM10, PM2.5에서 1보다는 큰 값을 나타내어 해염의 영향보다는 다른 기원의 영향을 받고 있는 것으로 추 정된다.

Table 18. Seawater enrichment factors for major ionic species in PM10 and PM2.5 fine particulate matter.

X Seawater Ratio PM10 PM2.5

K⁺ 0.04 17.5 34.8

Ca²⁺ 0.04 25.8 17.5

Mg²⁺ 0.12 2.6 2.9

Cl^- 1.80 0.5 0.6

SO42- 0.25 81.2 171.5

(2) 토양 농축인자

대기 미세먼지는 토양, 해염, 검댕, 비산재 등이 주성분이며, 이외에도 각종 성 분들이 흡착 또는 반응된 상태로 대기 중에 부유된다. 이 중 토양입자의 유입 영 향은 토양의 주요 성분인 Al, Ca, Fe을 기준으로 토양농축인자를 구하여 확인할 수 있다. 본 연구에서는 Al을 토양의 지표성분으로 이용하여 다음의 식으로부터 토양 농축인자를 구하였다(김원형 등, 2003).

EF = (Cx/CAl)Aerosol/ (Cx/CAl)Crust

식 에서 (Cx/CAl)Crust는 Taylor와 McLennan (1985)가 분석한 지각 성분의 조 성을 기준으로 계산하였다. 이렇게 계산된 농축인자는 그 값이 1에 가까울수록 토양으로부터 유입이 큼을 의미하고 1보다 클수록 토양보다는 다른 요인에 의해 미세먼지에 유입되고 있음을 의미한다. 연구기간 중 각 금속 성분들의 전체 평균 농도로부터 구한 농축계수를 비교한 결과를 Table 19에 나타내었다.

한라산 1100 고지의 경우, 결과에서 보듯이 토양 발생기원의 Fe과 Ca에 대한 EF 값은 각각 5.3, 6.6로 비교적 작은 값을 나타내었다. 또 Na, K, Mg, Ti, Mn, Cu등의 EF 값은 각각 6.0, 2.2, 4.4, 5.9, 10.2, 5.4를 나타내었고, 이들 성분들은 대체적으로 암석의 풍화, 토양의 비산 등에 의해 대기 미세먼지에 유입되고 있는 것으로 추정된다. 반면에 Zn, V, Pb, Ni, Co 등은 각각 218.2, 280.6, 539.2, 650.3, 22.8의 높은 EF 값을 보였고, 이들 성분들은 토양보다는 다른 요인들에 의해 대 기 미세먼지에 유입되었을 가능성이 큰 것으로 보인다.

Table 19. Crustal enrichment factors for elemental species in PM10

fine particulate matter.

X Crustal Ratio PM10

Fe 0.4353 5.3

Ca 0.3731 6.6

Na 0.3595 6.0

K 0.3483 2.2

Mg 0.1654 4.4

Ti 0.0093 5.9

Mn 0.0075 10.2

Zn 0.0009 218.2

V 0.0007 280.6

Pb 0.0002 539.2

Cu 0.0003 5.4

Ni 0.0002 650.3

Co 0.0001 22.8

3) 미세먼지 성분 발생기원

한라산 1100 고지 미세먼지 성분의 발생기원 및 특성을 확인하기 위하여 통 계 프로그램(SPSS 12)을 이용하여 요인분석(factor analysis)을 실시하였다. 요인 분석은 변수들 간의 상관관계를 이용하여 서로 유사한 변수들끼리 묶어주는 방 법으로 대기분진 구성 물질의 기원을 분별하고 유추하는데 매우 유용하게 사용 된다(Oravisjärvi et al., 2003; 강창희 등, 2003).

요인분석은 일련의 관측된 변수에 근거하여 직접 관찰할 수 없는 요인을 확 인하기 위한 것이다. 또한 요인 분석은 수많은 변수들을 적은 수의 몇 가지 요인 으로 묶어줌으로써 그 내용을 단순화하는 것이 그 목적이며 구체적으로 다음과

같은 목적으로 이용된다.

nss-SO42-, NO3- 성분과 Mg²⁺, nss-Ca²⁺이 높은 적재값을 나타내어 인위적 성분 과 토양성분의 혼재 되어 있는 특징을 보였다. 두 번째 인자는 20.6%의 설명력 을 보였고, 유기산 성분인 HCOO^-, CH3COO^- 성분이 높은 적재값을 나타내었다.

세 번째 인자는 18.8%의 설명력을 보였고, 대표적 해염성분인 Na⁺, Cl^-이 높은 적재값을 나타내었다. 이러한 요인분석 결과를 기초로 이들 성분들의 발생기원을 추정해 보면, PM2.5 미세입자는 인위적 기원과 토양의 영향이 크고, 그 다음으로 해염의 유입 영향을 받고 있는 것으로 판단된다.

Table 20. Rotated Varimax factor analysis for ionic species in coarse particles

Species Factor 1 Factor 2 Factor 3

NH4+ 0.21 -0.02 0.91

Na⁺ 0.93 0.19 0.00

K⁺ -0.18 0.07 -0.05

nss-Ca²⁺ -0.16 0.68 -0.18

Mg²⁺ 0.32 0.75 -0.24

nss-SO42- -0.31 0.56 0.56

NO3- 0.51 0.13 0.47

Cl^- 0.79 0.21 -0.36

HCOO^- 0.21 0.75 0.18

CH3COO^- 0.15 0.28 -0.54

Eigenvalue 2.1 2.1 1.9

Variance (%) 21.2 20.9 19.2 Cumulative (%) 21.2 42.1 61.2

Table 21. Rotated Varimax factor analysis for ionic species in fine particles.

Species Factor 1 Factor 2 Factor 3

NH4+ 0.87 0.06 -0.12

Na⁺ 0.03 0.06 0.94

K⁺ 0.77 0.23 0.18

nss-Ca²⁺ 0.78 -0.08 0.03

Mg²⁺ 0.84 -0.14 -0.02

Variance (%) 35.3 20.5 18.8 Cumulative (%) 35.3 55.8 74.6