Ⅵ. 오존및자외선 6.1 오존감시 지구가이우주에서탄생한지약 46 억년이되었다. 그러나육지에생명체가 나타나기시작한시기는약 4 억년전 고생대실루리아기(Silurian) 로보고있 다. 그이전에는지금처럼오존층이형 성되어있지않았으므로태양으로부터 오는강한유해자외선때문에지상에 는생명체가존재할수없었다. 그러므 로오존층은태양으로부터오는유해 자외선으로부터인간을포함하여모든 동식물들을보호하는역할을하고있다. 그뿐만이아니다. 오존층의열적효과 는성층권과대류권을형성하게하였고, 이로인해인간과그밖의생명체가생 존할수있는대기환경을유지하고 있다. 대기중의오존은성층권(10~50 km) 에많이존재하고있으며이중에서 도오존이많은층을일반적으로오존 층이라고부르고있다. 1928 년에영국옥스퍼드대학의 Dobson 광광도계는 교수가개발한 Dobson 오존분 1957년국제지구물리관측 년 (The International Geophysical Year) 기간에세계중요지점에서지구오존층 을감시하고그후에세계오존층표준 측정기로사용되고있다. 1974년에미국 캘리포니아대학의 Rowland와 교수가우리생활에서냉매, Molina 발포제등 으로널리사용하고있는염화불화탄소 (CFCs) 가하부대기권에서는화학반응 을일으키지않지만오존층이있는성 층권에도달하게되면오존을파괴할 수있다는논문을처음발표했다. 이공 로로이들은독일 Max Planck 연구소 의 Crutzen 박사와함께 1995년노벨화 학상을받았다. 1984 년국제오존위원회 (IOC) 오존심 포지엄에서일본 소화기지에서 Chubachi(1984) 가남극 1982년오존전량이급감했 다는사실을처음발표하였고영국 Farman 등(1985) 이남극영국기지의관 측자료와인공위성자료를근거로남극 오존홀이생겼다는사실을 Nature 과학 지에게재하여그후, 지구오존층파괴 에큰관심을가지게되었다. 같은해에 오존층보호를위한비엔나협약 (Vienna Convention for the Protection of the Ozone Layer), 1987 년오존층을 파괴하는물질의생산과사용금지를위 한몬트리올의정서 (Montreal Protocol) 가채택되어국제적으로오존층보호와 감시연구의움직임이활발해졌다. 우리 나라에서는 1991 년에 오존층보호를위 한특정물질의제조규제등에관한법률 ( 법률 제4322 호) 가공포 시행되었다. 한국에서성층권오존측정은 1984년 5 월에서울연세대학교에서처음시작하 여현재까지 Dobson 오존분광광도계 (Beck #124) 로매일서울상공의오존층을 감시하고있다. 이관측프로그램은세 계기상기구지구대기감시 (WMO/GAW) 내 의전구오존관측시스템 (GO 3 OS) 에속하여 있으며, GO 3 OS station #252로지정되어 있다. 또한, 2004년이후로는관측시스템 의자동화로인하여보다질높은관측 자료의생산을수행하고있다. 1997년부 - 68 -
터는 Brewer 분광광도계 (SCI-TEC #148) 가설치되어오존전량과파장별자 외선복사를측정하고있다. 그리고 1994 년 1월부터는기상청포항기상대( 위도 36 03'N, 경도 129 38'E) 에서 WMO/GAW GO 3 OS station #332로지정되어 Brewer 분광광도계 (SCI-TEC #095, #161) 로매일 포항상공의오존층을관측하고있다. 또 한, 한반도상공의오존층변화에따라 지표자외선복사의변화를파악하기위 하여자외선복사를동시에관측하고있 다. 6.1.1 6.1.1.1 오존전량의변화특성 전구오존분포 전구오존분포는 TOMS/OMI 에의해관측된오존전량값이다. 위성 6.1(a) 는관측전기간(1979~2007) 에 대한평균기후분포이다. 전구평균값 은 298 DU, 최댓값은 391 DU, 최솟값 은 238 DU 로나타났다. 이와같이서울 의연평균기후값 (1985~2007) 323 DU 는전구평균에비해많은편에속한다. 그리고오존전량은적도지역에서약 260 DU 로적고남북양반구를중심으 로중 고위도에서많다. 오존전량은특 히오호츠크해상공의 360 DU 지역을 중심으로제일많고, 북미고위도에서도 비교적많은편이다. 남반구의중 고위 도지역에서는 320 DU의비교적높은 오존전량분포를보이고있다. 한반도 상공은전구에서가장남북경도가큰 지역에속한다. 6.1(b) 는 2007년 전구오존분포를나타낸것이다. 이그 림에의하면전지구의평균오존전량은 288 DU, 최댓값은 392 DU, 최솟값은 204 DU 로나타났으며, 북반구평균값은 313 DU, 남반구평균값은 264 DU로북 반구의평균오존전량이약 49 DU 더 높게나타났다. 6.1(c) 는 2007년오 존전량의평균값에서참조값 (1979~2006) 을뺀차이를비율로서나타낸것이다. 2007 년의전구오존전량은과거참조값 6.1. (a) TOMS/OMI 위성에서관측한전기간의평균분포(1979~2007), (b) 오존전량의참조값 의평균분포(1979~2006), 그리고 (c) OMI 위성에서관측한 2007년오존전량의평균값에서참조값 (1979~2006) 의차이분포. - 69 -
에비해전구평균 최댓값은 3.2%(10 DU) 가적고, 14.3%(43 DU) 가많으며, 최솟값 은 18.9%(55 DU) 적게나타났다. 그리고 북반구평균값은 -0.7%(-2 DU), 남반구 평균값은 -5.7%(-17 DU) 로 2007년남반 구의오존전량이북반구에비해서참조값 보다크게감소하였음을알수있다. 특히 남반구는고위도로갈수록평년평균값에 비해서감소정도가높아져중 고위도에 서 -16% 이하에달하는지역도있다. 전체 적으로 2007년의전구분포가전기간평 균보다적게나타나고있다. 이와같이 2007 년의전구오존전량은대부분그지 역의참조값 (1979~ 2006) 보다적었다. 특 히남반구의중 고위도에서는비편차가 10% 이하되는지역도있었다. 6.1.1.2 한반도의분포 6.2는한반도전지역 25개지 점의오존전량에대한기후값의분포도 이다. 각지역의오존전량은인공위성 TOMS/OMI 자료로서울의 Dobson 지 상관측오존전량에대하여보정한값 이다. 한반도의오존전량은평균 323 DU 로서울연평균값과같으며최댓값 은웅기에서 서 353 DU, 최솟값은제주에 298 DU로위도에따라오존전량이 증가하고있음을볼수있다. 같은위도 라해도경도에따라약간의차이가나 타나기도하지만, 남북방향의차이가 50 DU 는최대 이상인것에비해동서방향의차이 10 DU 정도로상대적으로적다. 2007 년의값과참고값(1985~2006) 을비 교해보면, 2007년에는한반도전체에서 전반적으로증가( 평균 4.9 DU) 하여최 대제주의 의 +5.0 DU로부터최소신의주 +2.7 DU 까지대체로증가하였다. 6.3은한반도상공의오존전량분 포를계절별로나타낸것이다. 한반도 전체적으로봄철평균 값을보였으며가을철평균 353 DU로최댓 294 DU로 최솟값을보이고있다. 이러한계절변동 은위도에따라서다르게나타난다. 봄철 에는함경북도웅기에서 390 DU로최고 치, 제주에서 321 DU로최소치를보이며 6.2. 한반도상공의장기평균오존기후분포 (1985~2007) 와참조값(1985 ~ 2006) 과 2007 년의오존전량의분포차이. - 70 -
북쪽에서남쪽까지의오존전량의차이가 79 DU 로나타났다. 이와같이웅기와제 주의차이가여름에는 26 DU, 가을에는 39 DU, 겨울에는 84 DU로위도에따라 오존전량경도가겨울철에가장크고여 름철에가장작은것으로나타났다. 6.1.1.3 서울상공 2007 년서울상공의일오존전량의 연변화를 6.4 에나타내었다. 최댓 값은 3월 20일의 490 DU(1985~2007년 동안의최대극값 : 2004년 3월 6일 499 DU) 이고최솟값은 10월 12일 231 DU ( 최소극값 : 2004년 7월 29일 225 DU) 로관측되었다. 이에서보는바와 같이오존전량은봄에많고, 가을에적 은계절변화가뚜렷하다. 이원인에대 해서는뒤에서좀더자세히설명할것 이다. 서울상공의 1985년부터 2007년까 6.3. 한반도상공오존전량의계절별분포. - 71 -
6.4. 2007년서울상공의일오존전량 의연변화. 지월별평균값과표준편차를표 6.1과 6.5(a) 에나타내었다. 1985년부터 2007년까지 23년간의평균값은 323 DU 이며, 월별로는 3 월에최대평균값(358 DU) 그리고 10 월에최소평균값(290 DU) 을나타내어연교차는 68 DU 였다. 표준편차도오존전량값이크게나타나 는겨울과봄에다른계절에비해서크 게나타났다. 서울상공의오존전량을 2007년도 값과평년값(1985~2006) 을비교하기위 하여 6.5(b) 와표 6.1에나타내었 다. 이표에서나타난바와같이 2007년 의연평균오존전량은 값에비해 326 DU로평년 4 DU의증가를나타내었으 며, 월별로보게되면, 2007년의월평 균최솟값은 10월의 281 DU로평년보 다 9 DU 가낮고, 최대는 3월의 382 DU 로평년값보다 26 DU 정도크게높다. 연교차는 101 DU로서평년연교차인 66 DU에비해 53% 증가하여연변동 폭이매우큰것으로나타났다. 이와같 이 2007년은 1985년부터 2007년까지의 연교차중최댓값으로나타났고, 로연교차가컸던순서는 그뒤 2005년에 99 DU, 2001년에 96 DU 가있다. 따라서 오존전량이봄철에많고, 가을철에적게 나타나는오존전량연변동추세는일 치하고있으나, 2007년의변동폭은평 표 6.1. 서울상공의오존전량의장기평균값(1985~2006) 과 2007 년값의비교. 그리고최장기평 균값(1985~2007) 및극값. ( 단위 : DU) Month Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Year Reference (85~06) 339 347 356 354 346 333 304 292 291 290 299 316 322 2007 342 349 382 381 351 333 313 294 286 281 299 324 326 Difference 2007-Ref. Difference [%] Average 3 2 26 27 5 0 9 2-5 -9 0 8 4 0.9 0.6 7.3 7.6 1.5 0.0 3.0 0.7-1.7-3.1 0.0 2.5 1.2 (85~07) 339 347 358 355 346 334 304 292 292 290 300 318 323 (std) (15.6) (15.6) (18.1) (13.8) (13.6) (11.2) (9.7) (7.4) (8.2) (9.7) (10.2) (10.7) (5.3) Max 451 498 499 498 466 449 398 387 348 364 388 434 499 (date) (03/4) (87/27) (04/6) (06/20) (05/11) (98/3) (02/15) (98/12) (06/18) (07/19) (99/26) (04/31) (4/Mar/6) Min 262 264 252 283 267 275 225 240 234 231 242 241 225 (date) (2/12,15) (99/25) (97/1) (02/5) (88/9) (90/23) (04/29) (04/1) (07/19) (07/12) (86/14) (03/1) (4/Jul/29) - 72 -
위도로갈수록증가하고있음을알수 있다. 최댓값과최솟값이나타나는시기 는조금씩차이가있어서가장북쪽에 위치한웅기의경우최댓값인 407 DU 가 3 월에, 최솟값인 299 DU가 8월에나 타나고있으며, 가장남쪽에있는제주 도의경우최댓값인 325 DU가 4 월에, 최솟값인 273 DU가 11월에나타나고 있다. 이와같이월최댓값과최솟값이 고위도로갈수록빨리나타나는경향이 있다. 2007). 6.6. 서울오존전량의시계열(1985~ 6.5. 서울상공의 (a) 최장기평균월오 존전량 (1985~2007), (b) 과거평균월오존 전량 (1985~2006) 과 2007년월평균과의비 교, 그리고 (c) 한반도상공 7개지점의평년 월오존전량(1985~2007) 의연변화. 년에비해서가장큰것으로나타났다. 서울과북한지역을포함한다른지 역과비교하기위하여과거 23년간 (1985~2007) 월평균오존전량을 6.5(c) 에나타내었다( 강릉은서울과거 의일치하여에서는생략하였다 ). 이에서보는바와같이모두규칙 적인계절변화를나타내고있으며오존 전량과연교차는제주에서웅기까지고 터 6.6은일오존전량을 1985년부 2007 년까지시계열로표시하였다. 매 년규칙적인계절변동을하고있으며 후반기에는최댓값이증가하는경향이 있으나최솟값은거의일정함을알수 있다. 이들의월최고와최소극값을표 6.1 에표시하였다. 기록적으로높은값 은 2004년 3월 6일 499 DU 이고, 낮은 값은역시 2004년 7월 29일 255 DU로 나타났다. 이와같이일일변동과같은 단기변동은고기압과저기압의이동을 포함한종관계의변화에주로영향받 고있다. 서울상공오존전량에대한연평균 값의경년변화를 6.7에나타내었 - 73 -
다. 오존전량의장기변화추세는계절 변동, 태양활동, QBO( 준 2 년주기) 등 의주기적자연진동과인위적요인에 의하고있다. 이에의하면오존전 량의경년변화는대체로 310 DU와 330 DU 사이에서연도에따라다소변 화가있으나, 1988년이후대체로완만 한증가경향을보이고있다. 특히 1988 년에서 1993년까지 1992년을제외하고 는적은값을나타내고, 1986, 1998, 1999 년에높은값들이나타났다. 2005년 도에는 고 331 DU로제일높은값을보였 2007 년에는비교적낮은편이였다. 6.8은 1985년부터 2007년까지계 절평균편차의경년변화를나타낸것이 다. 1985년부터 2007년까지의계절별오 존전량의평년값은봄 353 DU, 여름 310 DU, 가을 294 DU, 그리고겨울에 6.7. 의경년변화. 334 DU 이다. 서울상공의연평균오존전량 이계절별평년값과편차 에대한경년변화의특징을살펴보면, 봄과겨울은계절별평균값보다높거나 낮게나타나는경우가반복적으로보이 지만, 1980년대후반부터 1990년대전반 에는계절별평년값보다낮고 1990년대 후반부터계절별평년값보다높게나타 나며빈도가자주발생하는편이다. 6.8. 서울오존전량의계절평균편차의경년변화. - 74 -
2007 년사계절모두평년보다높거나 낮다. 한반도상공의 1985 년부터 2007 년까지 의월별자료에서계절효과가제거된월잔 차(%) 시계열을 6.9 에표시하였다. 북 쪽부터웅기, 신의주, 평양, 강릉, 서울, 포 항, 광주그리고제주도까지경향을분석하 였다. 이에서보는바와같이오존전 량은모두증가하는추세를보이고있으나, 그증가폭은약간씩차이를보여서평균제 주에서 1.6% decade -1 로많이증가하고, 웅 기에서최소 1.0% decade -1 로증가를나타 내어, 대체로고위도로갈수록증가경향이 감소하고있다. 이와같이한반도전역에서 비교적단기간 (1985 ~2007) 에 +1.0 ~+1.7% dacade -1 ( 서울 +1.5% decade -1 ) 로증가경향 을보이고있으나, 장기간 (1979 ~2006) 에 대하여서울에서 -0.04% decade -1 로감소경 향을보였다. 1992 년을기준으로관측기간 을전후반기로나누어분석한결과전반기 (1979 ~1992) 는 -3.9% decade -1 로감소경향 을보였으나, 후반기 (1993 ~2006) 는 +1.9% decade -1 로증가경향을나타내어기간에따 라변화경향은차이가있다( 기상청, 2006). 여기에서 1985 ~2007 년기간의서울을제 외한한반도상공의오존전량은인공위 성값을 Dobson 값으로보정한값이다. 6.10은 2007년에서울에서관측 된 Dobson 분광광도계의오존전량과 (a), OMI 위성측정값과 Dobson 관측 값의비교(b), OMI 위성측정값과 Brewer 관측값의비교(c) 를각각나타 6.9. 한반도상공의오존장기변화경향. - 75 -
내고있다. 동일한날짜의일대표값들이 표시되어각기기들의관측값의비교를 보여주고있다. 하나의관측기기만존재 할경우오차나기기적인결함이발생 하는것을빠른시간내에알아낼수 없으며, 여러관측기기의관측값비교가 비슷할수록신뢰도가높아지기때문이 다. (a) 는 R 2 값이 0.92정도이며기울기는 0.94 로거의일치하고있으나, Brewer 관측값이 Dobson 보다작게나타나는 경향이있다. (b) 는 R 2 값이 0.88 로 (a), (b), (c) 중가장작았으며, 기울기는 0.97 이고, Dobson의관측값이 OMI의측정 값보다다소높게나타났다. 그리고 (c) 는 R 2 값이 0.96으로가장큰값을보이 며, 기울기는 1.01로가장 1에가까워서 Brewer와 OMI의값이가장유사하다 는결과가나왔다. 따라서 3가지관측기 기는서로관측값이약간씩차이가있 으나, R 2 값이모두약 0.9로상관성이 높다. 6.1.1.4 포항상공 포항상공의오존전량은 Brewer 분 광광도계(SCI-TEC; #095, #161) 에의해 관측된값이다. 1994년부터 2007년까지 포항상공월평균오존전량의연변화를 6.11 에나타내었다. 14 년간(1994 년~2007 년) 전체평균값은 312.8 DU로 나타났으며표준편차는 났다. 16.1 DU로나타 에서도볼수있듯이오존전 량은봄에많고가을에적어계절변화 가뚜렷하다. 이원인은오존형성에관 련되는산소와자외선중산소는시간 과장소에따라연중거의일정하므로, 자외선량이오존전량을결정하는데자 6.10. (a) Brewer 관측오존전량(TOZ) 와 Dobson 관측 TOZ, (b) OMI 위성측정 TOZ와 Dobson TOZ 그리고 (c) OMI 위성 측정 TOZ와 Brewer 관측 TOZ 와의비교. 외선은적도지방과고위도의여름에서 비교적강하다. 따라서오존전량이봄철 에많기때문에자외선이강한적도지 방의상공에서많이생성된오존은 Brewer-Dobson 로수송된다. 순환에의하여고위도 남북간의온도차가심한 북반구와남반구에서겨울철에오존수 송이활발하다. 봄에남북간의온도차 가줄어들어고위도방향으로오존수 - 76 -
송이약화될때까지고위도지방에서는오존량이계속축적된다. 그러므로오존전량은고위도지방으로갈수록많고봄철에많다. 이와같이오존전량의시 공간적분포는광화학과역학과정에의하여결정된다. 또한표준편차도오존전량값이크게나타나는겨울과봄에다른계절에비해서크게나타남을알수있다. 6.11. Brewer 오존분광광도계로관측한포항상공오존전량의월평균변화. 6.12는 1994년부터 2007년까지 계절별로평균값에대한편차의경년 변화를나타낸것이다. 계절별경년변 화특징을살펴보면계절별평균오존 전량은봄 343.0 DU, 여름 302.7 DU, 가을 284.3 DU, 그리고겨울에 321.0 DU 로나타났으며, 이들계절별평균값 에대한편차의경년변화특징을살펴 보면, 전체적으로봄에편차값이크게 나타나고겨울에편차값이작게나타났 으며여름과가을에는뚜렷한변화경 향이나타나지않았다. 특히 2001년에는 4 계절모두평년에비하여큰음의편 차값을나타내었다. 6.1.1.5 6.12. 포항상공오존전량의계절 평균값의경년변화 (1994~2007). 한반도와일본상공과의비교 한반도의관측값과인접해있는일본 에서의관측값을비교하기위하여, 일본 기상청홈페이지를통해삿뽀로 (Sapporo, - 77 -
위도 43 04'N, 경도 140 20'E ), 쯔꾸바 (Tsukuba, 위도 36 03'N, 경도 140 08'E), 나하 (Naha, 위도 26 12'N, 경도 127 41'E) 의 Dobson 관측값을함께분석하였다. 2007 년한해에대한월평균오존전량의 비교가 6.13(a) 에서보여주고있으 며, 일본은 1985년이전부터관측이시작 되어왔으나서울과의비교에서일관성을 유지하기위해 1985년부터 2007년까지의 월평균오존전량으로비교하여 6.13(b) 에나타냈다. 나하를제외한 3개 지점의연변화경향은거의같으나고위 도로갈수록연변화의진폭이증가함을 알수있다. 1985년부터 2007년까지 23년 간의연평균값은삿뽀로, 서울, 쯔꾸바, 그리고나하의순으로 351, 323, 309, 265 DU 로각각나타났다. 1985~2007년사이의 23년간이들의 경년변화를 6.14 에나타내었다. 이에서보는바와같이자료처리 기간 1985~1992년은모두감소하고있 으며 1993~2007년은대체로증가함을 알수있다. 6.13. (a) 2007년한반도와일본상 공의월오존전량과 (b) 1985~2007년의 한반도와일본상공의평년월오존전량 과의비교. 6.1.2 연직오존분포변화특성 대기오존의모든특징과성질중에 연직오존분포는오존생성의광화학과 정과가장밀접하게연관되고있다. 것은오존이성층권에서생성된후, 이 대 류권으로수송되어소멸된다는매우중 요한사실에기인된다. 오존농도는대류 권에서거의일정하나하부성층권에서 는최대가될때까지고도에따라증가 한다. 이최댓값은위도와계절에따라 차이가있다. 특히연직오존분포는대 6.14. 한반도와일본상공의오존전량의경년변화와의비교. 기의열적구조에크게기여하고있다. 이와같이오존관측은오존전량뿐만아니라연직분포에관한감시와연구가역시필요하다. - 78 -
6.1.2.1 서울연직오존관측 서울오존관측소에서는 1986년부터 Umkehr 방법으로 Dobson 및 Brewer 분광광도계를이용하여연직오존분포 를관측하고있다. 맑은날씨에해가뜨 기전부터시작하여태양천정각이 60 이하가될때까지, 양천청각이 그리고오후에는태 60 일때부터시작하여해 가지는무렵태양천정각 90 부근이 될때까지태양천정광을계속관측한 다. 2007년한해동안총 92회의관측 이시행되었다. 0~60 km까지총 10개 의층에대해각층의오존량을알수 있다. 표 6.3은 1986~2007년까지각층 의월평균값(DU) 과오존전량에대한 비율(%) 로나타낸것이다. 하단의연평 균값을보면 에서는약 19~28 km 층의성층권 141.4 DU의오존량을함유하 고있으며, 오존전량의약 43% 를차지 하여가장높은밀도를함유하고있다. 0~10 km 구간의대류권에는약 10% 이하의오존량을함유하고있다. 표 6.4 에서 1986부터 2006 년까지평년값( 참조 값) 의층별평균과 2007년의층별평 균의차를나타내었다. 네번째, 다섯 번째층(19~28 km 고도에해당) 까지평 년과 2007년모두높은오존량을기록 했고, 0~33 km 사이의구간에서 2007 년의오존전량은모두참조값보다적은 값을나타냈으며 33~48 km 사이의구 간에서는참조값보다높은값을나타냈 다. 6.15(a) 는 2007년의연평균된 연직분포가 1986~2006년평년값에대 한차이를보여주고있다. 단위는 [DU km -1 ] 로서 [mpa] 과동일한차원이다. 24~28 km 구간에서평년자료와 2007 년자료에서동일하게최댓값을기록했 으며, 19~24 km에서두번째최댓값이 나타난다. 19~28 km의높은오존값이 나타나는구간을중심으로고도가높아 질수록오존량은급감하는반면에고도 가낮아질수록오존량의감소추세는약 해지고있다. 이는대류권오존이존재 하기때문이다. 평년값과비교할때, 2007 년의오존연직분포는같은패턴으 로나타나고있으나최댓값이나타나는 24~28 km 구간의오존값이줄어들었 다. 계절에따라분석한것이 6.15(b) 이다. 계절적인일관성을위해 겨울은 2006년 12월~2007년 2월의자 료가사용되었다. 3개월간격으로 3월부 터 5 월까지는봄, 6월부터 8월까지여 름, 9월부터 11 월까지가을로보았다. 따라서계절별횟수는 2007년관측총 횟수와약간의차이가있다. 모든계절 6.15. (a) 연직오존분포의평년값 ( 수평막대기) 과 2007 년값( 실선) 과의비 교와 평균분포. (b) 2007년연직오존분포의계절별 - 79 -
표 6.2. Dobson 분광광도계관측에의한서울상공의월평균오존전량(1985~2007). ( 단위 : DU) 연도 1월 2월 3월 4월 5월 6월 7월 8월 9월 10월 11월 12월 평균 1985 334 344 336 353 334 330 291 280 276 281 308 334 317 1986 362 386 380 358 340 330 303 292 293 298 291 300 328 1987 334 360 369 362 344 335 307 301 290 280 288 315 324 1988 330 331 347 360 320 322 285 285 287 271 301 319 313 1989 316 325 350 344 354 321 301 286 288 285 292 320 315 1990 347 337 348 351 337 319 293 279 282 298 298 334 319 1991 335 337 333 343 325 309 299 298 295 295 300 312 315 1992 333 358 345 371 360 341 314 295 286 286 292 308 324 1993 315 318 337 341 326 324 313 293 293 297 293 321 314 1994 357 350 380 339 356 337 294 290 307 292 296 299 325 1995 332 349 361 344 361 338 297 283 286 283 305 323 322 1996 342 363-364 363 323 306 285 298 294 294 320 323 1997 343 350 340 334 344 338 308 287 296 307 302 319 322 1998 355 363 365 357 340 359 307 305 299 290 307 302 329 1999 318 349 324 372 373 330 320 307 302 313 318 327 329 2000 320 349 366 375 363 336 303 292 304 294 283 319 325 2001 364 330 381 353 354 338 299 297 284 284 301 312 325 2002 324 331 349 333 334 339 304 299 301 297 316 328 321 2003 366 366 372 348 344 342 310 297 283 291 282 297 325 2004 332 347 361 345 350 328 288 290 291 284 294 324 319 2005 357 361 376 368 354 347 316 297 282 277 311 327 331 2006 330 336 379 373 342 352 319 292 301 292 318 325 330 2007 342 349 382 381 351 333 313 294 286 281 299 324 326 월평균 339 347 358 355 346 334 304 292 292 290 300 318 323 표준편차 15.6 15.6 18.1 13.8 13.6 11.2 9.7 7.4 8.2 9.7 10.2 10.7 5.2 표 6.3. 서울상공의층별월평균오존량(DU) (1986~2007). 괄호안은전기둥의오존전량에대한비율이다. Month Umkehr ozone layers (km) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 (0~ 10) (10~ 15) (15~ 19) (19~ 24) (24~ 28) (28~ 33) (33~ 38) (38~ 43) (43~ 48) (48~ 60) 연평균 31.6 25.2 46.2 75.0 66.4-80 - 44.7 23.2 9.1 3.1 1.3 325.8 (9.7) (7.8) (14.2) (23.0) (20.4) (13.7) (7.0) (2.0) (1.0) (0.4) Total Ozone 1월 32.2 30.5 54.6 86.6 66.6 38.7 18.7 8.4 3.4 1.4 341.0 (%) (9.4) (8.9) (16.0) (25.4) (19.5) (11.3) (5.5) (2.5) (1.0) (0.4) 2월 31.6 32.6 56.5 88.4 71.9 41.3 21.2 9.7 3.5 1.4 358.2 (%) (8.8) (9.1) (15.8) (24.7) (20.1) (11.5) (5.9) (2.7) (1.0) (0.4) 3월 31.7 35.3 62.2 86.7 67.6 43.8 25.0 10.4 3.4 1.3 367.4 (%) (8.0) (9.6) (16.9) (23.6) (18.4) (11.9) (6.8) (2.8) (0.9) (0.4) 4월 33.1 34.2 58.8 80.3 66.5 46.3 26.1 9.8 3.1 1.3 359.5 (%) (9.2) (9.5) (16.4) (22.3) (18.5) (12.9) (7.3) (2.7) (0.9) (0.4) 5월 33.4 32.6 57.2 76.8 65.9 48.4 25.8 8.8 2.6 1.2 352.7 (%) (9.5) (9.3) (16.2) (21.8) (18.7) (13.7) (7.3) (2.5) (0.8) (0.3) 6월 33.5 30.2 52.9 74.0 67.4 48.6 23.8 8.0 2.4 1.2 342.1 (%) (9.8) (8.8) (15.5) (21.6) (19.7) (14.2) (7.0) (2.3) (0.7) (0.4) 7월 30.6 18.7 35.5 64.0 65.0 47.2 25.4 8.9 2.7 1.2 299.2 (%) (10.2) (6.0) (11.9) (21.4) (21.7) (15.8) (8.5) (3.0) (0.9) (0.4) 8월 30.1 13.3 30.7 59.3 65.4 48.2 25.1 9.3 2.8 1.3 285.4 (%) (10.5) (4.6) (10.8) (20.8) (22.9) (16.9) (8.8) (3.2) (1.0) (0.5) 9월 30.4 17.4 33.0 63.9 63.5 47.0 25.5 9.6 3.3 1.3 294.9 (%) (10.3) (5.9) (11.2) (21.7) (21.5) (15.9) (8.7) (3.2) (1.1) (0.4) 10월 30.1 16.5 33.3 64.9 66.8 45.7 22.2 8.8 3.3 1.4 292.8 (%) (10.3) (5.6) (11.4) (22.2) (22.8) (15.6) (7.6) (3.0) (1.1) (0.5) 11월 30.2 18.5 35.6 72.4 64.9 42.3 21.6 9.2 3.5 1.4 299.6 (%) (10.1) (6.2) (11.9) (24.2) (21.7) (14.1) (7.2) (3.1) (1.2) (0.5) 12월 31.9 23.2 43.7 82.6 65.0 39.0 18.1 8.0 3.3 1.4 316.2 (%) (10.1) (7.3) (13.8) (26.1) (20.6) (12.3) (5.7) (2.5) (1.0) (0.4)
에걸쳐 19~28 km 구간에서최댓값이 나타나는것은동일하지만, 겨울과봄에 는 19~24 km 하였고, 24~28 km 다. 구간에서최댓값이발생 여름과가을에는좀더상층인 구간에서최댓값이나타난 이구간에대해겨울철에최댓값이 나타나며그뒤를봄, 여름, 가을순서 로나타나고있다. 오존전량이봄에최 댓값을보였던것은연직적으로많은 오존이나타나는고도범위가넓어진 것으로설명된다. 면도로서 표시되어있다. 6.16은시간과고도에대한단 1986~2007년의월평균값들이 이을통해서도가 을부터많은오존이발생하는구간의 폭이넓어지기시작해서봄철에최대가 되고여름부터는감소하는패턴을보이 고있다. 이러한계절에따른변동은각 층별로볼때, 상부대류권과하부성 층권사이에서뚜렷하다. 6.17은 1986년부터 2007년까지 층별로월평균오존전량의연변화를 6.16. 월평균연직오존량의단면도 (1986~2007). 나타낸것이다. 같이층 이에서보는바와 2, 3, 4는오존전량의연변화 모습과거의같다. 0~24 km 구간의각 기층에서겨울과봄에높은오존값이 나타나고여름과가을에낮은오존값 이나타나며연주기를보이고있음을 확인할수있다. 대류권에해당하는 0~10 km 증가하기시작해서 구간에서는오존량이봄부터 6월에최댓값을보인후 표 6.4. 서울상공의층별평년값(1986~2006) 과 2007 년값의비교. YEAR Reference (86~06) Total Umkehr layer ozone (DU) Ozone 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ret. 31.6 25.5 46.2 76.7 66.2 43.6 22.5 9.0 3.2 1.4 326.0 2007 31.2 24.8 45.7 76.1 63.7 41.7 24.1 10.2 3.5 1.4 322.3 Diff. 07-Ref. -0.4-0.7-0.5-0.6-2.6-1.9 1.6 1.2 0.3 0.0-3.8 Diff.[%] -1.3-2.7-1.1-0.8-3.9-4.3 7.0 13.7 8.4-0.1-1.2-81 -
6.17. 층별월오존전량의평균연변화. 6.19. 층별평균변화경향의연직분포. 6.18. 층별오존전량의변화경향. 여름부터낮아졌다가가을에다시약간증가했으며겨울에다시낮아지는경향이나타난다. 이러한대류권오존의경향은포항오존존데를이용하여분석된결과와동일한패턴으로오염물질에의한광화학적요인과성층권대기의유입결과로해석된다. 층별경년변화와그경향은 - 82 -
6.18 과같다. 중 하부성층권에해당하는 24~28 km 구간과 28~33 km 구간에서 각각 -1.67 DU decade -1, -1.44 DU decade -1 의감소경향을보이는반면에하부 성층권부터대류권까지, 그리고중부성 층권이상의고도에서는오존량이증가하 는추세를보이고있다( 6.19). 이는 작년과같은경향으로서하부성층권과 대류권의증가추세는작년에보고되었던 값보다감소하여 ( 작년: Layer4=1.94, Layer3=2.42, Layer2=1.50, Layer1=0.87 [ 단위: DU decade -1 ]) 증가정도가조금완 화되었다. 하는것으로관측되었으며, 여름철로갈 수록최대농도층이점점더높아지는 것을알수있다. 반면에대류권상부에 는오존농도가대체로낮게나타났다. 성층권오존고농도층의시간및연직 적인변화는계절및대류권/ 성층권에서 의역학적및대기화학적조건에따라 다양한형태로나타났다. 겨울철과봄철 인 1월과 3월에는오존고농도역이고 도 12 km 이하의대류권계면부근까지 내려오는경우도다수관측되었다. 6.1.2.2 포항오존존데관측 한반도상공오존층의연직분포를파악 하기위하여 1995년 4월부터포항기상대 (WMO/GO 3 OS Station, #332) 에서매주 1 회 ECC 오존존데 (Electrochemical Concentration Cell Ozonesonde) 를이용하 여오존의연직분포를관측하고있다. 2007 년에는총 50회의오존존데관측이실시되 었으며, 7월부터오존관측이 Loran-C 에서 무선항행보조시스템 (GPS) 으로바뀌었다. 오존존데에의해관측된결과값은 TOMS 위성이나오존라이다등원격탐 사방법에의해얻어진결과를검증하 는데매우유용하게사용된다. 6.20은오존존데를이용하여관 측한포항상공오존분압의월평균연 직분포를나타낸이다(2001년~2007 년). 6.20에나타난바와같이고도 약 18~26 km 부근에오존의고농도역 이나타남을알수있다. 특히, 1월에서 2월에걸쳐고도약 18~22 km 부근에 서성층권오존의최대농도층이존재 6.20. 오존존데관측에의한포항 상공오존분압의연직분포. 6.21은오존존데에의해서관측 된오존분압을대류권에서의수송이나 화학과정의효과를알아보기위해서 오존혼합비(ozone mixing ratio) 로표현 하여나타낸이다. 혼합비는공기덩 어리가흐르는동안에생성이나소멸이 일어나지않으면기압고도가변화해도 보존되므로, 수송의효과를추정하는데 있어서유효한수단이된다. 을살 펴보면지표부근의대류권오존은늦 은봄으로갈수록농도가더높아졌다. 특히, 기온이높고지표자외선강도가 강한 5월에서 7월경까지는대류권내에 - 83 -
서광화학반응이활발하게일어나고 대류활동또한왕성하여지표에서생성 된오존이지상수백미터까지영향을 미치는것으로나타났다. 또한, 대류권 상층에서의오존혼합비는늦봄부터이 른여름에걸쳐성층권으로부터유입되 고있지만, 계절에따라다소차이가있 었으며일반적으로성층권공기는제트 류중심후면에서전선을따라대류권 으로유입되는데, 포항은 6월까지제트 류의후면에위치( 성층권과대류권교 환이활발) 하여고농도의오존분포를 보이다가 7월부터는제트류가고위도로 이동하면서제트류의전면부에위치하 게되어저농도를보이는것으로나타 났다. 그러나봄부터여름에걸친성층 권으로부터의유입이지상오존농도의 계절변화에얼마나영향을미치는지는 아직분명하지않다. 6.1.2.3 6.21. 오존존데관측에의한포항 상공오존혼합비의연직분포. 안면도오존라이다관측 대기권내오존층은성층권의 15~30 km 부근에 90% 가존재한다. 성층권오존 은생체 DNA 변성, 피부암및백내장을 유발시키는 150~320 nm 부근의자외선 을흡수하여인간및동 식물의생명활 동을가능하게해주는중요한역할을한 다. 이러한성층권오존은인간에의해배 출되는염화불화탄소 (CFCs), 할로겐화가스 등의대기오염에의해파괴되고있으며, 1985 년에처음으로발견된남극의오존홀 이그대표적인성층권오존파괴사례이 다. 현재전세계적으로 Brewer, Dobson 분광광도계 (Spectrophotometer) 및 M-124 오존메타등을이용한오존전량관측이지 구대기감시 (Global Atmosphere Watch) 관 측소등을통해이루어지고있으며, 오존존 데나오존라이다를이용한관측도많은지 역에서이루어지고있다. 현재안면도에위치한기후변화감시센 터에서는성층권오존을감시 관측하기 위해 2002년 1 월에오존라이다 ( 모델명 : StraZon3070) 를도입하여운용중에있다. 오존라이다는성층권오존수농도의연직분 포를관측할수있는장비로서차등흡수 (DIAL, Differential Absorption LIDAR) 방 식의원리를이용한다. 차등흡수 (DIAL) 방 식은두개의다른파장( λ=308, 353 nm) 을 대기중으로발사한후, 산란되어되돌아 오는신호를측정한다. 이때 308 및 353 nm 의파장에대해성층권오존이서로다 른흡수율을보이므로그농도차를역산 하여계산하게된다. 관측은운량이 0인 구름이없는청명한야간을선택하여, 성 층권오존수농도의연직분포를관측하였 다. 6.1.2.3.1 연직오존분포관측 오존라이다에의한성층권 - 84 -
오존라이다를이용한성층권오존의 연직분포관측은앞서도언급했듯이 운량이 0인맑은날야간에만관측이 가능하기때문에동센터에서보유하고 있는에어러솔라이다를동시에운영하 여운량및운고를확인한후관측하였 다. 6.22는 2002년 1월부터 2007년 12 월까지관측된안면도상공성층권 오존수농도의월평균분포결과이다. 그 림에서보는바와같이연평균오존수 농도가최대로나타난달은 1월과 2월 에약 21 km 부근에서나타났으며, 이 때의최대오존수농도는 6.75E+12 cm -3 으 로나타났다. 대체로적산된오존수농도 는거의유사한경향을보였으나, 관측 일마다연직분포경향및최대오존수농 도의고도는다양한차이를보였다. 체로여름철로갈수록 대 최대오존수농도 고도가높고겨울철에는낮은분포를 보였다. 6.22. 안면도에서오존라이다로관측한오존수농도의월평균연직분포. 6.23. 오존라이다와오존존데에의한성층권오존연직분포비교 6.1.2.3.2 오존라이다와오존존데관측자료의비교분석성층권오존라이다관측결과검증 및관측기술향상을위해기후변화감 시센터에서관측된오존라이다자료와 포항기상대에서관측된오존존데자료 - 85 -
를비교분석하였다. 6.23은기후변화감시센터에서 관측한오존라이다자료와포항기상대 에서관측한오존존데자료의성층권 오존의연직분포를서로비교한것이 다. 자료의선택은전체관측자료중 자료의질이좋고, 오존존데자료와비 교할수있는사례중 4 일(4월 3 일, 9월 17 일, 10월 5 일, 11월 6 일) 을선택하여 비교분석을실시하였다. 오존존데의관 측고도가 35 km이하로제한되기때문 에비교분석에대한관측유효고도 (valid altitude) 는 20~30 km까지로제 한하였다. 전체적으로 4개의사례모두 유사한연직분포를보이고있으나, 오 존라이다가다소과대평가되어관측되 었음을알수있다. 비교사례중오존 라이다에의해서나타난오존의최대 고도층은 9월 17일약 26.5 km로나타 났고, 최대오존수농도는 4월 3일약 5.45E+12 cm -3 으로나타났다. 6.2 자외선복사 자외선은파장에따라서 315 400 nm 영역을 UV-A 복사, 280 315 nm 영역을 UV-B 복사그리고 100 280 nm 영역을 UV-C 복사라고분류한다. 태양빛이대기를통과함에따라모든 영역의 UV-C와 UV-B 복사의약 90 % 가오존, 수증기, 산소그리고이산화 탄소에의하여흡수된다. UV-A 복사는 대기에영향을보다적게받는다. 그런 까닭에지표에도달하는자외선복사는 대부분 UV-A와 UV-B 복사의한부분 이다. 태양으로부터지구에도달하는태양 복사가대기에입사하기전의대기밖 자외선의파장별세기를 6.24(a) 의 윗부분에가는선으로표시하였다. 이 대기밖 UV 복사가대기를통과하는 동안주로성층권오존에의하여흡수 되고공기분자와에어러솔에의하여산 란된후지상에도달한다. 파장별 이때관측된 UV 세기, E(λ) 를 6.24(a) 에굵은선으로표시하였다. 이에 서보는바와같이비교적짧은파장의 UV-C 영역은주로산소와오존에의 하여완전히흡수되므로지상에서는전 혀관측되지않는다. 자외선이인체에 미치는효과는파장에따라다르다. 파 장에따라인체에미치는효과를나타 내는상대지표로서국제조명위원회 (Commission International de I'Eclairage; CIE) 에서정의한 CIE 작용스펙트럼, 즉 가중값 W(λ)(Mckinlay and Diffey, 1987) 을 6.24(b) 에표시하였다. 이 에서보는바와같이 W(λ) 은파장 320 nm 이상에서는거의 0 에속한다. W(λ) 를관측된자외선세기, E(λ) 에파장마 다곱하여주면, 즉 E(λ) W(λ) 는파장 에따라인체에영향을주는자외선의 세기를의미한다. 기를 파장 파장에따르는이세 6.24(c) 에표시하였다. 280 400 nm까지파장적분한 전자외선복사 (total UV; TUV) E 는 E = 400nm 280nm E(λ)dλ (6.1) 로표시한다. 지상에서 280 nm 이하의 파장에대한복사에너지는거의 한다. 0에속 인체에종합적영향을주는자외 선복사는다음식과같이 E(λ) W(λ) - 86 -
에서파장 280 nm로부터 320 nm까지 적분한 UV-B 복사로홍반자외선복 사(Erythemal UV radiation; EUV) 라고 부른다. EUV = 320nm 280nm E(λ)W(λ)dλ (6.2) 이홍반자외선(EUV) 복사량은피부에 닿아피부가빨갛게타는자외선을의 미한다. EUV 복사의단위를 mw m -2 로하였을때 25 mw m -2 를한단위를 지표(Index) 로자외선지수(UV-Index) 로정하고있다 (WMO, 1994). 즉 UV-Index, UVI UVI = EUV/25 (6.3) 로표시한다. EUV 복사의단위가 W m -2 로표시되었을때는 EUV 값에 40을 곱하여 UVI 를구할수있다. UV-Biometer(Solar Light Model 501) 에의하여관측할경우 EUV 복사량은 MED(Minimum Erythemal Dose) 단위 로나오기때문에 MED 값에 14를곱 하여 UVI 를구하면된다. 기상청에서는한반도지역의지표에 도달하는지표자외선복사량을감시하기 위하여 1994 년부터연차적으로포항, 목포 (2001 년부터무안에서이관하여관측), 안 면도, 제주고산, 강릉등에서 Robertson -Berger 형 UV-Biometer (Solar Light사 Model 501) 를설치하여운용중에있다. 6.25와표 6.5는현재기상청에서운 용하고있는자외선관측지점의위치를 나타내고있다. 그리고연세대학교서울 캠퍼스에서 UV-Biometer 로 1993년 8월부 CIE 6.24. (a) 파장별자외선세기, (b) 작용스펙트럼과 (c) 파장별홍반 자외선세기 ( 일본기상청 website 참조). 터 2000년 12월까지 EUV복사를관측하 였고 2004년부터현재까지 Brewer 분광 광도계(SCI-TEC #148) 로자외선복사 (287 363 nm) 를파장별로측정하여이 파장역의적분값을얻어서홍반자외선 (EUV) 를구한다. 이 EUV로자외선지수 (UVI) 도분석하고있다. 이와같이 EUV 는 W(λ) 의가중값이 6.24(b) 에서보이는바와같이 320 nm 보다긴파장 에는매우적기때문에이자외선은주로 UV-B 복사에속한다. 그리고 320.1 nm 의에어러솔광학깊이(AOD) 도동시에 측정하고있다. - 87 -
6.2.1 전천일사와자외선복사 여기에서자외선복사량과전천복사 량을비교하기위하여기상청서울관측 소 ( 서대문구송월동, 위도 126 97'E) 에서 형의 37 57'N, Kipp & Zonen사의 경도 CM21 Pyranometer 로같은기간(2004~ 2007) 에관측한전천일사량(305~2800 nm) 을사용하였다. Brewer 에의하여파장별 정하고식 분광광도계 UV 복사, E(λ) 를측 (6.1) 에의하여전자외선복 사(total ultraviolet radiation; TUV) 를 구하고식 (6.2) 에의하여홍반자외선 복사 (erythemal ultraviolet-b; EUV or CIE UV) 를구하여이들의일적산값을 2004년 3월부터 2007년 12월까지시계 열을 6.26 에표시하였다. 이들두 UV의파장역의범위는 286.5 363.0 nm에속하지만 EUV 값은실질적으로 파장286.5 nm에서 325.0 nm에속하는 복사에너지이다. 이에서보는바와 같이매년일최댓값은 (a) TUV에서 5 월과 6 월에그리고, (b) EUV에서 7월과 8 월에각각나타나며전체적으로규칙 적인계절변화를보이고있다. 과거 4년 동안(2004~2007) TUV의극값은 2007 년 6월 16일의 1.47 MJ m -2 이고 EUV 의극값은 2005년 7월 4일의 4.59 kj m -2 로각각기록되었다. 6.27은 2004~2007년기간월평 균전천일사량, TUV와 EUV에대해각 각나타낸것이다. 6.27(a) 에서보 는바와같이전천일사량의월평균최 솟값은 최댓값은 12월의 7.0 MJ m -2 이고월평균 5월의 17.5 MJ m -2 로연교차 가 10.5 MJ m -2 로나타났다. 연평균값 은 12.1 MJ m -2 이고이값에대하여연 변동폭은약 ±43% 였다. 특히 7월에는 10.7 MJ m -2 로비교적낮게나타나장 마철의영향으로 6, 8월의평균값에대 하여약 4% 가감소하였다. 2007년도의 전천일사량은과거참조값 (2004~2006) 에비하여 6 월, 7월그리고 11월에최대 2.0 MJ m -2 증가를하고그밖의모든 월에서최대 4.0 MJ m -2 의감소를나타 내었다. 2007년은연평균 -0.9 MJ m -2 로 표 7.6% 가감소되었다. 지역 포항 안면도 6.25. 기상청자외선관측망. 6.5. 기상청자외선관측망정보. 제주 고산 목포 강릉 위도 및경도 36 02'N 129 23'E 36 32'N 126 19'E 33 17'N 126 10'E 34 49'N 126 23'E 37 45'N 128 54'E TUV는 관측 시작년도 1994 1997 2007 같이월평균최솟값을 m -2 이고월평균최댓값을 관측항목 UVB (280~320 nm) UVA (320~400 nm) UVB (280~320 nm) UVA (320~400 nm) 1997 UVB (280~320 nm) 2000 UVB (280~320 nm) 2001 UVB (280~320 nm) 6.27(b) 에서보는바와 1월의 323.7 kj 6월의 889.9 kj m -2 로연평균 630.5 kj m -2 였다. 연평균값은일본쯔꾸바의연평균값 이 - 88 -
6.26. 일 (a) 전자외선과 (b) 홍반자외선복사량의시계열( 파장범위: 286~363.0 nm). 47.1 kj m -2 ( 조희구, 2001) 와비교하였 을때약 10배가훨씬넘는값이다. 이 유는 는파장 에서는 TUV의파장범위가이연구에서 286.5 363.0 nm이고 Tsukuba UV-B 290 325 nm로좁기때 문이다. 서울에서연평균값에대한연변 동폭은약 ±45% 였다. 특히 7월의값은 장마로인하여 6월과 8월평균값에대 하여약 19% 감소하였다. 2007년은과 거참조값(2004 2006) 에비하여여름 (6, 7 월) 과겨울(11 1 월) 에최대 9.0 kj m -2 의증가를제외하고는최대 4.7 kj m -2 의감소를보였다. 2007년은참조값 에비하여연평균 +11.0 kj m -2 로 1.7% 가 증가하였다. UV는 6.27(c) 에서보는 바와같이월평균최솟값은 m -2 이고월평균최댓값은 1월의 0.53 kj 8월의 2.59 kj m -2 로연평균 1.61 kj m -2 였다. 이연평균 값은 1994 1998 년기간에 UV-Biometer 로측정한값 1.7 kj m -2 와비슷하다 ( 조희 구, 2001). 연평균값에대한진동폭은 ±64% 로전천일사량과 TUV보다크게나 타났다. 특히 7월의값은장마로인하여 6, 8월의평균값에대하여 14% 가감소하 였다. 2007 년은과거참조값 (2004 2006) 에비하여여름의 7월과겨울의 11, 12월 에최대 0.51 kj m -2 증가를하였고그밖 의월에는최대 0.65 kj m -2 감소하였다. - 89 -
6.27. 서울월평균 (a) 전천 일사량, (b) 전자외선복사량, 그 리고 (c) 홍반자외선복사량의연 변화. 2007 년연평균값은참조값과비교할 때 -0.18 kj m -2 로 11.0% 가감소하였다. 6.28 안면도, 포항, 고산, 목포, 강릉등 5개소에서관측개시년도부터 2007년까지관측한 EUV-B 복사자료 의일변동을나타낸이다. 5개관측 소모두여름철을중심으로자외선량이 많아지는뚜렷한계절변동을볼수있 고날마다크게변동하는것을알수 있다. 계절변동은태양천정각(solar zenith angle) 의변동에강하게의존하 고있지만, 오존전량의변동에도영향을 6.28 안면도, 포항, 고산, 목포, 강릉에 서관측한일별 받고있다. EUV-B 복사량의연변화. 예를들면태양천정각이같 은춘분과추분무렵을비교함에있어 추분의 EUV-B 복사량이많은것은봄 - 90 -
철보다가을철에오존전량이더적기 때문이다. 또한 6월에 EUV-B 복사량이 감소하는것은 로구름이많아져평균 6월무렵장마의영향으 EUV-B 복사량 이적었기때문이다. 한편, 안면도기후 변화감시센터에서는자외선복사에대 해심도있는연구를위해 2007년 9월 부터 UV-A Biometer(Solar Light 사, 미국) 를설치하여운영중에있으며, 출 력단위는 mw cm -2 이다. 아래의표 6.6은 2007년 9월부터 12 월까지월평균일적산 나타낸것이다. 월평균누적 UVA 복사량 9월 69.4 mw cm -2 10월 69.1 mw cm -2 11월 48.5 mw cm -2 12월 30.1 mw cm -2 UVA 복사량을 표 6.6. 안면도에서관측된월평균일적산 UVA 복사량. 비고 서울에서일최대자외선지수의시계 열은 6.29 에나타내었다. 이 에서보는바와같이연최대 UVI 값 은 2004년과 2007년사이에 9 10이였 다. 이기간의 UVI 극값은 10으로 2006 년 8월 19일과 2007년 7월 14일에각각 같은값으로나타났다. 이지수는표 6.7에서알수있는바와같이 UVI가 매우강하여비상대비를하여야한다. 한낮시간에외출은삼가고외출시에 는반드시긴팔셔츠, 모자사용은필수인경우이다. 햇볕차단옷과 서울에서 UVI의극값은 1994년 7월 13일에 UV Biometer에의하여 12가기록된바있 다( 조희구, 2001). 6.29로부터일 최대 UVI를계급별로 6.30에표시 하였다. 이에서보는바와같이일 6.2.2 자외선지수(UVI) 자외선지수(UVI) 는 EUV 복사량을 사용하여식 (6.3) 에의하여구하였다. 6.30. 일최대 UVI 의계급별발생빈도. 6.29. 서울일최대자외선지수의시계열 - 91 -
최대 UVI의 49% 가 약함 에속하여있 고 매우강함 이불과 3% 이다. 6.31은서울에서월평균일최 대 UVI 의연변화를표시하였다. 이그 림에서보는바와같이월최대 UVI가 8월에 5.8 로나타났고, 태양고도가비교 적높은 6, 7월은장마로 UVI가제일 높게나타나지않았다. 월평균 8월의 UVI는 5.8이고표 6.7에서그세기정 도가강함에속하여방지대비가필요 하다. 한낮시간에햇볕가리개를사용하 고그늘진곳으로가능한이동해야한 다. 따라서이경우햇볕을차단하기위 해넉넉한옷과모자를사용해야한다. UVI의연평균값은 3.5 에해당한다. 그 림 6.32는일최대 UVI의 2007년값과 과거참조값(2004 2006) 과비교한것이 다. 이에서 2007년여름은 UVI가 참조값보다높았다. 반면에안면도의경우전체적으로 자외선지수가 7 이하로나타나는달은 10월에서이듬해 4월초순까지이며피부 노출이많고휴가철이집중된 5월~9월 사이에는지수 9 이상( 매우높음; Extremely High) 의값이빈번하게나타 난다( 6.33). 이를자외선지수강도 에따른피부민감도를나타내는표 6.8 의기준에적용시켜보면맑은날씨에 태양의남중시간전후 30분부근에서 4 월중순, 5월그리고 9월은약 30분이 내, 6월에서 8월까지는약 20분만피부 를태양에노출시켜도홍반이나타나는 것으로분석되었다. 6.31. 지수의연변화. 서울월평균일최대자외선 표 6.7 자외선복사노출구분과방지대비 노출구분 ( 자외선지수) 1~2 3~5 6~7 8~10 11+ 세기정도 약함 (LOW) 보통 (MODERATE) 강함 (HIGH) 매우강함 (VERY HIGH) 극히강함 (EXTREME) 방지대비불필요안심하고외출 방지대비 비상대비필요한낮에가능한한햇볕가리개사용, 곳으로이동 그늘진 가능한긴팔셔츠, 일광화상(sunburn) 방지를위한크림또는넉넉한옷과모자사용 비상대비필요한낮시간에외출삼가 반드시긴팔셔츠, 일광화상방지를위한크림또는옷과모자사용필수 (WHO : Global solar UV index - A practical guide, 2002) - 92 -
월까지 180일을기준으로했을때약 46% 이상을차지하는것이어서이기간동안에 는 1주일중 3일내지 4일은외부활동시 30 분이내에피부홍반이생성될수있음 을알수있다. 6.32. 일최대자외선지수의 2007 년값과과거참조값(2004~ 2006) 과의비교. 표 6.8. 자외선지수에의한피부반응. 자외선강도지수범위홍반생성시간 매우강함 9.0 강함 7.0~8.9 보통 5.0~6.9 낮음 3.0~4.9 20분내홍반생성 30분내홍반생성 1시간내홍반생성 100분내홍반생성 6.34. 안면도에서관측된자외선지수의범위별발생빈도. 매우낮음 0.0~2.9 2~3시간내홍반생성 6.34는안면도에서 2007년일년중 자외선지수의범위별발생빈도를나타낸 것이다. 을살펴보면일년중약 83일 정도가자외선지수 7 이상( 높음; High) 으 로나타났다. 2006 년보다 (102 일) 는약 20일 정도작게나타난빈도수이지만, 4월에서 9 6.2.3. 자외선복사변화에대한구름효과 구름은지표의복사에너지수지에서 단파복사( 태양복사) 에대하여냉각효과 를가지는반면장파복사( 적외선복사) 에대하여온난효과를갖고있다 (e.g., Harrison et al., 1990). 여기에서복사에 대한구름효과는구름- 복사강제력(clo ud-radiative forcing) 으로설명한다. 구 름복사강제력은일반적으로월평균모 든날씨복사속 (all-sky flux; F ) 과월 all 평균맑은날씨 (clear-sky flux; F clear ) 복사속의차로계산한다 (e.g., Harrison et al., 1990; Futyan et al., 2004). 이에 따라지표에서구름의단파복사강제력 (shortwave cloud radiative forcing; S WCRF) 은 6.33. 안면도에서관측된자외선지수의일별연변동경향 SWCRF = F clear - F all (6.4) - 93 -
로정의하였다. 이연구에서단파복사량 은전천일사량(Gl), 전자외선복사량 (TUV) 과홍반자외선복사량(EUV) 으 로나누어분석하였다. 그리고추가하여 맑은날씨의값과운량 n > 7.5 의흐린 날씨의값 ( F ) 의차( cloudy F clear - cloudy ) 도 함께구하였다. 6.35는맑은날씨 (clear sky), 모든날씨(all sky) 그리고 흐린날씨(cloudy sky) 에대한전천일 사량의월평균연변화를나타낸것이 다. 이에서보는바와같이맑은날 씨와모든날씨의전천일사량차, 즉 구름의단파복사강제력, SWCRF는월 에따라월평균최댓값이 7월의 11.9 MJ m -2 (53%) 이고최솟값이 12월의 1.8 MJ m -2 (20%) 로월에따라차이가 있으며계절별로는여름 9.8 MJ m -2 (42%), 겨울 2.2 MJ m -2 (21%), 연평균 5.6 MJ m -2 (65 W m -2 ) 로나타나모든 날씨의구름에의하여 29% 의전천일 사량이감소하였다( 이하의계절에따른 분석결과는모두표6.9에서보이고있 다). Harrison et al.(1990) 은 1985년 4월 과 1986년 1월사이에 ERBE 자료에의 하여전지구의 SWCRF가연평균 -48.4 W m -2 임을밝힌바있다. 맑은날씨와 흐린날씨전천일사량차, F clear - cloudy 는 6.35에의하면월최댓값은 5월 에 19.6 MJ m -2 은 (76%) 이고월최솟값 12월의 6.4 MJ m -2 (72%) 이다. 또 한, 여름은 15.7 MJ m -2 (68%), 겨울 은 8.1 MJ m -2 (77%) 이며, 연평균은 12.5 MJ m -2 (145 W m -2 ) 로서 71% 가 흐린날씨 ( n > 7.5) 의구름에의하여전 천일사량이감소하였다. 6.36 은전자외선복사량(TUV) 을제외하고전천일사량과같이월평균 값의연변화를나타낸것이다. 이 에서 TUV의 SWCRF는월평균최대는 7월의 0.37 MJ m -2 (35%) 에서최소 1 월의 0.06 MJ m -2 는여름의 0.32 MJ m -2 (15%) 이며, 계절별로 (28%) 와겨울의 0.07 MJ m -2 (15%) 로연평균 0.20 MJ m -2 (2.1 W m -2 ) 로서 22% 가감소하였 다. 따라서 F clear - cloudy 는월최댓값이 5월의 0.75 MJ m -2 (65%) 에서월최솟 값이 1월의 0.19 MJ m -2 (51%) 로여름 은 0.59 MJ m -2 (52%), 겨울은 0.26 MJ m -2 (59%) 이며, 연평균은 0.46 MJ m -2 (5.3 W m -2 ) 로서 56% 가흐린날씨의구 름에의하여 TUV 가감소하였다. 6.37은 EUV를제외하고전천 6.35. 맑은날씨, 모든날씨그리고 흐린날씨에대한월평균전천일사량의 연변화( 기둥표시는표준편차). 는 6.36. 전자외선복사량을제외하고 6.35 와같음. - 94 -
일사량의경우와같이월평균값의연 변화를나타낸것이다. 이에서 EUV의 SWCRF는 7월의월평균최대 1.4 kj m -2 (39%) 에서최소는 1월의 0.8 kj m -2 m -2 (13%) 그리고여름은 0.95 kj (27%), 겨울은 0.09 kj m -2 (13%) 로나타났다. 따라서연평균은 0.54 kj m -2 (6.3 mw m -2 ) 로서 21% 가감소하 였다. 표 6.9의 EUV에서모든날씨에 대한계절별 EUV복사량은조희구등 (2001) 이 UV-Biometer로관측한값 (1996~1998) 의분석결과와거의일치된 다. F clear - cloudy 는월최댓값이 7월의 0.2 kj m -2 (56%) 에서월최솟값은 1월 의 0.03 kj m -2 m -2 (46%) 로여름은 1.8 kj (51%), 겨울은 0.4 kj m -2 (56%), 연평균은 1.18 kj m -2 서 (13.7 mw m -2 ) 로 54% 가흐린날씨의구름에의하여 EUV 가감소하였다. 이와같이모든날 씨의구름에의한연평균감소율은전 천일사량, TUV와 EUV가각각 29%, 22% 와 21% 이며흐린날씨의구름에 의한감소율은 71%, 56% 와 54% 로각 각나타났다. 사( 주로 280 320 nm) 에서파장이짧아짐에따라구름에의한영향이줄어듦을알수있다. 6.37. 6.35 와같음. 홍반자외선복사량을제외하고는 전천일사량(305 2800 nm), 전자외선 복사(286.5 363.0 nm) 와홍반자외선복 6.38. (a) 맑은날씨와 (b) 완전 흐린날씨의파장별자외선복사량, 그리고 (c) 파장별구름효과. 파장별구름효과를밝히기위하여 6.38에서와같이맑은날씨와완전 히흐린날씨의파장별자외선복사량 - 95 -
그리고이두날씨의차를사례분석하 였다. 이에서보는바와같이파장 이 363 nm부터 302 nm로짧아짐에따 라맑은날씨와완전히흐린날씨의차 이, 즉, 맑은날씨에대하여흐린날씨 의구름에의한파장별감소율(%) 은 SZA 54±1 에서 54% 로부터 38% 까지, SZA 64±1 에서 47% 로부터 4% 까지로 나타났다. 이와같이자외선복사는구 름에의한영향이파장이짧아짐에따 라감소하며, SZA가 64 에서파장이 302 nm 이하에는거의없었다. 6.40. 서울월평균에어러솔광학깊이 (AOD, 320.1 nm) 의연변화. 6.2.4. 에어러솔광학깊이(AOD) AOD는 Brewer(#148) 에의하여 320.1 nm 에해당되는값이다. 일 AOD 를 6.39 에서시계열로표시하였다. 이에서보는바와같이일사량처 럼계절변화가뚜렷하게나타나지는않 는다. 연최댓값은 2월 7월사이에나 타났다. 6.41. Skyradiometer AOD(500 nm) 와교. Brewer AOD(320.1 nm) 와의비 6.39. 일평균에어러솔광학깊이(AOD, 320.1 nm) 의시계열(2004년 3월~2007년 12 월). - 96 -
표 6.9 맑은날씨, 모든날씨와흐린날씨의전천일사량, 전자외선복사량그리고홍반자외선복사량, 구름의태양복사강제력. 1) 전천일사량 (MJ m -2 ) 계절 맑은날씨모든날씨흐린날씨 평균표준편차평균표준편차평균표준편차 복사강제력 (SWCRF) 흐린날씨와의차 봄 (MAM) 여름 (JJA) 가을 (SON) 겨울 (DJF) 22.34 0.73 15.73 1.10 6.43 0.70 6.6(30 %) 15.9(71 %) 23.19 0.92 13.41 0.28 7.45 0.31 9.8(42 %) 15.7(68 %) 14.57 0.25 10.83 0.82 4.36 1.26 3.7(26 %) 10.2(70 %) 10.60 0.27 8.43 0.45 2.48 1.02 2.2(21 %) 8.1(77 %) 연 17.68 6.20 12.10 3.42 5.22 2.15 5.6(29 %) 12.5(71 %) 2) 전자외선복사량 (MJ m -2 ) 계절 맑은날씨모든날씨흐린날씨 평균표준편차평균표준편차평균표준편차 복사강제력 (SWCRF) 흐린날씨와의차 봄 (MAM) 여름 (JJA) 가을 (SON) 겨울 (DJF) 1.01 0.04 0.75 0.05 0.39 0.03 0.26(26 %) 0.62(61 %) 1.13 0.03 0.82 0.07 0.55 0.05 0.32(28 %) 0.59(52 %) 0.74 0.09 0.58 0.04 0.34 0.06 0.15(21 %) 0.40(54 %) 0.44 0.09 0.38 0.07 0.18 0.06 0.07(15 %) 0.26(59 %) 연 0.83 0.30 0.63 0.19 0.37 0.13 0.20(22 %) 0.46(56 %) 3) 홍반자외선복사량 (kj m -2 ) 계절 맑은날씨모든날씨흐린날씨 평균표준편차평균표준편차평균표준편차 복사강제력 (SWCRF) 흐린날씨와의차 봄 (MAM) 여름 (JJA) 가을 (SON) 겨울 (DJF) 2.52 0.23 1.88 0.23 0.98 0.16 0.64(25 %) 1.54(61 %) 3.46 0.16 2.52 0.23 1.71 0.22 0.95(27 %) 1.75(51 %) 1.79 0.08 1.44 0.06 0.93 0.14 0.35(20 %) 0.86(48 %) 0.71 0.13 0.62 0.10 0.31 0.10 0.09(13 %) 0.40(56 %) 연 2.15 1.19 1.61 0.78 0.97 0.53 0.54(21 %) 1.18(54 %) - 97 -
4 년동안(2004 2007) 에기록적인 AOD 는 2007년 3월 2일에 3.7로나타났다. 이들 을월평균한값의연변화를 표시하였다. 6.40에 이에서보는바와같이 월평균 AOD 의최댓값은여름(6, 7 월) 에약 1.7 에서최솟값은가을(9, 10, 11 월) 과늦겨 울(1, 2 월) 에 0.9 로나타났으며, 연평균은 1.2 였다. 2007 년의월평균 AOD 는참조값 (2004 2006) 과비교하여여름(6, 7, 8 월) 에 최대 0.4가적고 11월과 12월에도적은값 이나타났으며그밖의월에는최대 0.3이 더많았고연평균 AOD 는 1.2로서로같았 다. AOD(320.1 nm) 를 AOD(500 nm) 로환 산하기위하여 6.41 에분산도 (scatter diagram) 로나타내었다. 이에서보는 바와같이결정계수 R 2 =0.82 로나타나상관 이높은편이다. 남극오존홀 (Antarctic Ozone Hole) 면적은오존전량이 220 DU 이하의낮 은값으로둘러싸인넓이로정의하고 있으며 2007년도에는 6.43에서보 는바와같이약 2500만 km 2 로남극 대륙의약 1.8배에달했으며 1979년위 성관측이래 7 번째로큰오존홀이었다. 2007년 9월과 10월동안남극오존량의 연직분포는 13~21 km 고도에서거의 완전히소멸되었다. 남극지역의 2007년 겨울하부성층권온도는거의평년수 준이었다. 이오존홀의최대크기는과거 6.3 최근남극오존홀동향 미국대기해양청(NOAA) 남극지점 관측소에서는 1961년부터 2007년까지 10월 15일과 31일사이에 Dobson 분광 광도계로관측한평균오존전량을연도 별로 6.42 에표시하였다. 이 에서보는바와같이 1980년대에급진 적인감소를나타냈고, 1983~1991년사 이의기간에거의일정하게유지된후, 2000 년이후에남극기상상태의변화로 평균적으로큰변동을나타냈었다. 이 변동은 2007년에도계속되었으며과거 2 년보다는많은오존량을보였다. 로 대체 2007년겨울남극에서매우낮은오 존전량이또관측되었다. 1980년대초반 관측한값과비교했을때, 은약 45% 이상이었다. 오존감소량 6.42. 남극극지점에서 Dobson 분광광 도계로 10월 15-31일사이에미국대기해 양청(NOAA) 에서관측한평균오존전량의 시계열. 6.43. 의변화경향. 남극오존홀의연최대면적 - 98 -
10 년동안기록된크기에비해서는작은 규모였다. 2007년남극오존홀의다른 중요한특징들은오존홀의지속성이거 의 10년동안의평균과유사하거나다소 짧게나타났다는것과 9월과 10월에걸 쳐서남극중심에서다소벗어나있었다 는점이다. 그렇지만, 남극중심부에다 시자리잡은극소용돌이가오래지속 되었기때문에오존홀이 되었다. 12월까지지속 오존파괴물질인염화불화탄소 ( 프레온가스) 류에서발생하는염소(Cl) 와 브롬(Br) 은성층권의오존층을파괴하는 역할을하고있으며, 향후수십년동 안오존량감소에영향을미칠것으로 보인다. 또한남극오존홀도앞으로수 십년동안더지속될것으로보고있 다. 2002년 WMO/UNEP 에서오존변화 추세를평가한결과보다오존완전회복 의예측은 약 다. 10~25년정도가더늦춰진 2060~2075년경이될것으로보고있 이러한늦춰진회복세의진단은주 로극지역에서존재하는오존파괴기 체의소멸시기와관계된다. 앞으로 20 년안에는남극오존홀이회복될것으로 보이지는않는다. 더욱이오존량에영향 을미치는기상조건, 태양활동, 그리고 화산폭발과같은인자들이오존층회 복을진단하는데어려움을만들고있다. 예를들어, 피나투보화산폭발은 1990 년대의오존층진단을예상못하게만 든사례이기도하다. 미국기상청의 Hofmann et al.,(1997) 은남극오존홀의 회복세가과거 10년간의남극오존연 직분포관측결과로보아예측보다빠 를수있다고하였다. 그이유는첫번 째 22~24 km에서봄철에오존감소가 제한되고있고, 두번째 9월중순에나 타나는 감소율이 12~20 km 층의오존량의일별 3 DU미만으로나타나고있으 며, 세번째 9월 15일에 12~20 km 층 의오존량이 70 DU 이상의값을보인 다는것이다. 최근남극성층권관측결 과에의하면극소용돌이의소멸이 1980 년대에비해 1990년이후부터다소늦 춰진경향이있다. 6.44는미국우 주항공국에서 1979년 10월에인공위성 으로처음오존전량을관측한남극오 존홀과 2007년 10월에관측한오존홀을 6.44. 1979년과 2007년 10 월의월평균오존전량의남반구분포( 미국우주항공국 에서인공위성관측, 일본기상청작성). - 99 -
표시한것이다. 에서볼수있는것 같이 1979년의오존홀의오존전량은약 280 DU 였으나, 2007년현재는약 130 DU 로감소하였음을알수있다. 2007년오존홀의크기와지속성은 주로기상조건에연관된것으로볼수 있다. 그러나기상상태만으로완전한 설명이될수없다. 따라서오존전량및 연직오존분포를포함한지속적인감시 와관측이오존회복세진단에필요한 이해에도달하는데반드시필수적이다. - 100 -