[사이언스프리즘] 대기환경 개선을 위한 측정기술

미세먼지 입자 작을수록 건강에 악영향
빛을 이용한 환경 측정·감시 기술 중요

대기오염에 대한 관심이 최근 매우 높아지고 있다. 대기오염으로 인한 국민의 건강 악화와 사회적 비용의 증가가 큰 문제가 되고 있기 때문이다. 이로 인해 정부는 미세먼지 감축을 위한 응급대책으로 30년 이상된 노후 석탄화력발전소 일부에 대해 일시 가동중단을 했고, 환경단체도 시민들과 함께 서울의 공기질을 측정하며 관심을 높이기도 했다. 작년에는 우리나라 연구팀이 미국 항공우주국(NASA)과 3대의 비행기를 동원해 한반도 상공에서 공기질을 측정했는데 대기오염이 매우 심각하다는 결론을 얻은 바 있다.

대기오염물질로는 총부유먼지(TSP), 미세먼지(PM10), 초미세먼지(PM2.5) 등의 입자 형태 물질뿐만 아니라 이산화황(SO2), 일산화탄소(CO), 이산화질소(NO2) 등의 기체 형태 물질이 있으며, 이 중에는 카드뮴 등 중금속 유해물질도 포함돼 있다. 총부유먼지는 입자의 지름이 100㎛(마이크로미터: 1 마이크로미터는 100만분의 1m) 이하인 것을 총칭하며, 미세먼지는 입자의 지름이 10㎛ 이하인 것을, 초미세먼지는 2.5㎛ 이하를 뜻한다. 

이병호 서울대 교수 전기·정보공학

미세먼지는 입자의 크기가 작을수록 건강에 미치는 영향이 크다. 이산화황, 일산화탄소, 이산화질소와 음식을 굽거나 튀길 때 발생하는 산화 가스의 인체 흡입은 폐암 발병을 높이기도 하고, 치매 비율을 높이는 원인이 되기도 한다. 또 영·유아, 임산부같이 면역력이 낮은 이들에게 악영향을 미치기도 한다. 환경당국과 학계, 경제협력개발기구(OECD) 등에 의하면 현재 한국의 대기오염으로 인한 사회적 비용은 연간 10조원을 웃돈다.

미세먼지는 방사선을 이용해 측정하는 베타선 흡수법으로 실시간 연속 측정한다. 일정시간 동안 여과지 위에 포집된 먼지에 베타선을 투과시켜 그 약해지는 정도를 보고 미세먼지 농도를 측정한다. 환경부, 국립환경과학원, 서울시, 경기도 등 정부와 지자체에서 많은 노력을 해 도시대기측정망, 도로변대기측정망, 국가배경농도측정망, 교외대기측정망을 구축해 전국 320여 개 측정소에서 공기질을 측정하고 그 결과를 공개하고 있다. 하지만 얼마 전 전국 229개 시·군·구 중 81곳에는 아직 대기측정망이 없다는 지적이 있었다.

대기오염물질의 이동을 보다 정확히 예측하기 위해서는 지표에서의 오염물질 정보만 아니라 대기 중에서 고도에 따른 오염물질 분포의 정보를 알아야 하며, 이를 기상예측 시뮬레이션과 맞물려 계산해야 한다. 최근에는 빅데이터를 이용한 작업으로 인공지능(AI) 기술을 접목하는 연구가 제안되고 있다. 결국, 대기오염의 정확한 모델링과 예측을 위해서는 정확한 측정과 대기과학 연구라는 두 가지가 관건이라 하겠다.

미세먼지보다 넓은 개념인 에어로졸은 대기 중에 부유하는 입자나 액체 형태의 물질을 칭하는데, 건강에 해로울 뿐만 아니라 태양광을 차단·산란·흡수해 기후변화에 막대한 영향을 미친다. 인공위성에서 찍는 초분광이미지분석(hyperspectral imaging)으로 관측하고, 라이다(LiDAR)를 써서 측정하기도 한다. 라이다는 특정 파장의 레이저 빛이 대기오염 물질에 의해 산란되는 원리를 이용하는데, 레이저의 방향을 바꿔 가며 대기에 쏘고 산란돼 돌아오는 빛의 양을 측정하는 고가 시스템으로서 광범위한 영역에서 대기오염물질 분포를 알아낼 수 있다.

이처럼 대기오염 측정기술은 대부분 빛을 이용한다. 빛을 이용한 환경 측정과 감시 기술이 중요한 이유다. 광학을 이용한 측정기술은 대기권뿐만 아니라, 수권(水圈), 빙권(氷圈), 지권(地圈), 생물권(生物圈) 등 다양한 환경 분야의 모니터링에 이용된다. 우리나라의 고농도 미세먼지는 경유차 배출가스, 건설기계, 냉난방, 화력발전소 등이 주요 원인으로 알려져 있다. 하지만 편서풍 등의 환경에 따라 30~80%가 중국에서 온다고도 알려져 있다. 이에 미세먼지에 대한 국제적 공동연구와 대책 마련이 중요하다 하겠다.

이병호 서울대 교수 전기·정보공학