바이오/농업/의료·헬스케어

계측과 제어_22.5 특집 총론 (p343-345)

대기 환경 리모트 센싱
대기환경 문제에 대한 리모트 센싱의 역할
도쿄도립대학 시스템디자인학부 시바타 야스쿠니(柴田 泰邦) 교수

1. 머리말
최근에 이상 기상이 증가하고 있다. 그 원인으로서 중위도 편서풍의 사행(蛇行), 온난화에 따른 해수면 수온의 상승에 의한 적란운이나 태풍에 대한 수증기 공급량의 증대 등 전 지구적인 기후 변동이 초래하는 큰 영향을 지적하고 있다. 이들 요인은 장기적인 지구의 자연 기후 변동이 요인의 하나로 생각되지만 산업혁명 이후의 인간 활동에 의한 영향이 크다.

지구의 기후 상태를 조사하고, 이해하고, 평가하는 것이 장기적인 기후 변동 예측 및 인간 활동의 영향을 억제하는 정책을 실시하는 데 있어서 매우 중요하다. 또한 황사나 화산재 등 국소적으로 자연 발생하는 대기오염 물질은 바람을 타고 먼 곳으로 이동하기 때문에 지구 규모로 계측할 필요가 있다.

인공위성 관측은 지구를 주기적, 계속적으로 계측하는 것이 가능한 유일한 수단이다. 지구 전체의 기후를 관측적으로 평가하는 베이스 데이터 취득의 관점에서 매우 중요한 관측 방법이라고 할 수 있다.

현재, 지상 장치로 직접 계측할 수 있는 영역은 한정적이며, 선박에 의한 해상 계측이나 항공기에 의한 공간 계측은 한정적이라는 과제가 있다. 한편, 거리 분해능을 갖는 리모트 센싱 방법은 특정 장소에서의 공간 분포를 계속적으로 계측하는 것이 가능하며, 중장기적인 변화만이 아니라 일변동 등 짧은 주기의 대기의 움직임을 알 수 있는 이점이 있다.

본 특집호에서는 특히 대기환경 오염, 지구온난화, 호우 재해로 직결되는 대기중의 에어로졸, 이산화탄소(CO₂), 수증기를 각각 계측하는 리모트 센싱 기술에 주목하고, 각각의 관측 방법에 대해 해설한다.

2. 에어로졸 관측
대기 중을 부유하는 미립자인 에어로졸은 태양 방사를 산란∙흡수함으로써 지구의 방사 수지에 영향을 주는 ‘직접 효과’와, 에어로졸이 구름이나 안개의 생성에 크게 관여하고 있기 때문에 기후 변동에 기여하는 ‘간접 효과’의 2개의 효과가 있다.

에어로졸은 화산, 모래 태풍, 삼림 화재, 해일에 의한 해염 입자 등의 자연 현상에 의해 발생하는 것과, 화석연료의 연소나 지형의 큰 변화 등 인위적 요인에 의해 발생하는 것이 있다. 생성 과정에 따라서 다양한 입경 분포나 모양, 조성을 갖는다. 대기중에서 다른 물질과의 혼합되면서 변질도 발생하기 때문에 특성은 복잡화되고 시간적, 공간적인 변동도 크다.

이처럼 복잡한 에어로졸 특성을 해명하기 위해, 그 발생원이나 화학 조성에 주목해 에어로졸을 분류하고 평가하는 연구가 진행되고 있다. 06년에 발사된 CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations) 위성에 탑재된 라이더를 이용한 에어로졸 분류 연구는 눈부신 진보를 이루었다.

화산재, 황사, 연무 등 10종류의 시간∙공간 분포 데이터를 취득할 수 있게 되었다. 대규모 화산 분화나 삼림 화재, 황사 등이 발생했을 경우, 지상 라이더 네트워크나 위성 탑재 라이더를 조합함으로써 화산재나 연무, 황사의 공간적인 확대나 확산 속도 등의 정보를 얻을 수 있다.

3. CO₂ 관측
기후 변동에 영향을 미치는 기체 성분으로서 CO₂가 잘 알려져 있다. 산업혁명 이전의 지표 부근의 CO₂ 농도는 280ppm이었지만 현재는 약 40% 이상 증가해 410ppm(19년)을 초과했다. CO₂는 지표나 해수면에서의 적외 방사를 흡수해 온실 효과를 초래하는 기체이다. 인간 활동에 의한 CO₂ 배출량의 억제를 전 세계에서 검토하고 있는 것은 주지의 사실이다.

정상적(定常的)인 CO₂ 관측은 지상 설치한 적외 분석계를 이용한 농도 관측, 지상 설치한 푸리에 변환 분광기(FTS: Fourier Transform Spectrometer), GOSAT(Greenhouse gases Observation SATellite) 시리즈나 OCO-2(Orbiting Carbon Observatory-2)에 의한 위성 베이스의 칼럼 평균 농도 계측이 이루어지고 있다.

또한 CO₂ 분포 관측 방법으로서, 주로 삼림 지역에 설치된 높이 수백 미터의 타워를 이용한 타워 플럭스 계측, CO₂ 존데 계측, 민간항공기에 탑재한 센서로 계측하는 방법이 있다.

대기중의 CO₂ 플럭스는 인버스 방법으로 수치를 해석하고 있지만, 초기값이 되는 관측 데이터, 특히 연직 분포의 부족으로 충분한 예측 정밀도를 얻지 못하고 있다. 그래서 CO₂ 농도의 3차원 공간 분포를 연속적으로 관측 가능한 라이더를 이용한 관측 방법의 연구가 이루어지고 있다.

4. 수증기 관측
대기중의 물은 지구 전체의 물의 0.001% 정도에 불과하지만 수증기, 구름, 비, 눈 등 다양한 형태로 존재하며, 잠열의 흡수∙방출을 통해 활발한 대기 현상을 일으킨다. 특히 수증기는 지구 규모에서의 대규모 물순환의 역할을 하면서 동시에 최대 온실 효과를 갖는 기체이다.

일기예보를 하는 수치 예보 모델의 초기값을 얻기 위해, 패시브 센서를 탑재한 위성 관측이나 지상 설치한 센서로 관측이 이루어지고 있다. 지상에서 수증기 분포를 측정하는 장치로서 라디오 존데(풍선형 고층기상관측장비), 마이크로파 방사계, 적외 방사계 등이 있다.

라디오 존데는 고정밀도, 고분해능이지만 관측 빈도가 하루 2회로 적다. 마이크로파 방사계, 적외 방사계는 몇 분 정도의 시간 분해능을 갖지만, 연직 분해능이 낮고, 측정 고도 범위가 최대 3km 정도밖에 되지 않는다.

최근에는 국소적인 호우가 빈발하게 되면서 호우를 초래하는 적란운의 발생∙발달 예측 정밀도의 향상이 기대되고 있다. 그래서 시공간 분해능에 뛰어난 라이더에 의한 수증기 관측 방법에 관한 연구가 이루어지고 있다.

또한 라이더 관측을 통해 얻어지는 수증기 데이터를 수치 예보 모델에 동기화함으로써 호우의 발생∙발달 예측 정밀도 향상을 목표로 하는 연구도 이루어지고 있다.

5. 지구온난화 문제
위에서 말했듯이 모든 요소들은 대기 환경을 이해하는 데 있어서 필수 관측 대상임과 동시에 지구온난화 예측을 논의하는 데 있어서 상호 밀접한 관계를 갖는다. 21년 8월에 기후 변동에 관한 정부간 패널(IPCC: Intergovernmental Panel on Climate Change, 기후변화협의체)이 공표한 제6차 평가보고서에서, 산업혁명 전(1750년)부터 2019년까지, 어떤 대기중 물질의 농도 증가가 세계 평균 기온에 얼마나 영향을 미쳤는가를 제시하고 있다.

온난화 효과로서 CO₂(0.74~1.41℃), 메탄(0.19~0.39℃), 오존(0.11~0.39℃)을, 냉각효과로는 에어로졸과 구름의 상호작용(-0.77~-0.12℃)과 에어로졸과 방사의 상호작용(-0.28~-0.01℃)을 들고 있다.

에어로졸은 주로 태양광을 직접 확산하고, 물이나 얼음 등 구름의 재료가 되면서 ‘우산효과’ 등을 낳고, 지표면을 냉각한다. 산업혁명 전부터 현재에 걸쳐서 대기중의 에어로졸 농도는 증가해 CO₂ 등에 의한 온난화의 일부를 지워왔다.

최근 PM2.5로 대표되는 에어로졸에 의한 인체의 건강 피해를 억제하기 위해 다양한 대책이 실시되고 있다. 온난화 가스도 동시에 삭감하지 않으면 에어로졸에 의한 냉각효과가 급속하게 줄고, 지구온난화를 가속시킬지도 모른다는 우려가 있다.

<표 1> 온실효과 물질의 기여

표1은 온실효과 가스의 방사 강제력을 나타낸 것이다. 수증기는 넓은 파장역에서 적외선을 흡수하기 때문에 온실효과로서 CO₂보다도 기여가 크다. 기후 모델의 예측에 따르면, 대기중의 CO₂ 농도만이 2배가 됐을 경우의 온실효과의 기여만을 생각하면 지표 기온은 1.2℃ 정도 상승한다.

기온 상승에 의해 해수면으로부터 수증기 증발량이 증가함으로써 대기중의 수증기량이 증가해 적어도 2.4℃, 즉 수증기량의 증가를 생각하지 않았을 경우의 2배 정도가 된다.

이와 같은 다양한 온난∙한랭화 요인을 동시에 고려했을 경우, CO₂ 농도의 배증으로 인한 기온 상승은 1.5℃에서 4.5℃의 범위일 가능성이 높다고 한다.

이상과 같이 지구온난화는 CO₂만 줄면 해소되는 것이 아니라 에어로졸이나 수증기 등과 관련된 다양한 물질이 서로 관계하고 있다. 따라서 지구온난화 예측 정밀도를 향상시키기 위해서는 그와 관련된 각 기체나 에어로졸을 고정밀도, 시간적∙공간적 고분해능으로 계측할 필요가 있다.

6. 본 특집에 대해

키워드: 리모트 센싱, 대기환경, 에어로졸, 온난화가스, 이산화탄소, 수증기

 -- 끝 --