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[이동인의 기상記] 에어로졸 입경과 물리적 특성

기사승인 19-11-12 12:50

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대기 중에 부유하고 있는 강수 입자나 구름 입자를 제외한 액체나 고체 상태의 입자를 에어로졸(aerosol)이라고 한다. 에어로졸은 무수히 많은 입자들의 집합체이며 두가지 이상의 크기 분포를 가지는 다분산 입자로 구성되어 있다.(단분산 입자는 자연계에서 거의 존재하지 않는다)
 
 
이동인 교수
 
다분산 에어로졸은 하나의 대표 직경만으로 모든 입자의 직경을 나타낼 수 없으므로 입경 분포를 통해 물리적 크기를 표현한다. 에어로졸의 실제 크기나 표면적을 파악하는 것은 쉽지 않아 일반적으로 구형이나 구형과 비슷하다고 가정한다. 에어로졸의 침강 속도는 입자의 무게와 유체의 저항으로 결정되며, 이 관계를 이용하여 공기역학적 입경을 측정할 수 있다. 공기역학적 입경은 입자의 형태나 밀도가 다르더라도 침강 속도가 같다면 동일한 동역학 직경을 갖는다는 것을 의미한다.

 대기 중에 존재하는 에어로졸은 매우 넓은 입경 범위를 가지며, 대부분의 경우 입경은 0.001 ~ 100 ㎛에 분포한다. 입자의 크기는 에어로졸 거동을 예측하는데 있어서 매우 중요한 요소이다. 100 ㎛ 이상의 입자는 중력의 영향을 크게 받아 대기 중 체류 시간이 매우 짧다. 0.001 ㎛ 이하의 입자는 큰 입자에 확산 부착하여 대부분 소멸된다. 10 ㎛보다 큰 입자는 지표면에서의 기계적 과정을 거쳐 생성되며, 보통 상부 기관지에서 제거되므로 생리학적으로 문제가 되는 에어로졸에 대한 상한 직경으로 간주된다.

입경 범위에 따라서 입자의 호칭도 달라진다. 0.001 ~ 0.1 ㎛에 해당하는 미세입자, 0.1 ~ 1 ㎛는 대 입자, 1 ~ 10 ㎛는 거대입자라고 칭한다. 직경 범위가 0.1~1.0 ㎛인 대 입자는 호흡성 분진으로 인체에 흡입될 때, 증기 상태의 탄소, 황산, 중금속을 흡착시켜 유입시키는 매개체로 작용하며, 폐 속까지 침투하여 인체에 악영향을 미친다고 알려져 있다.

 대기 중에서 나타나는 에어로졸의 물리적인 작용 또한 해당 입경 범위 내에서 주로 발생하며, 입경에 따라서 다르게 나타난다. 빛의 산란 현상도 입경이 0.1 ~ 1 ㎛를 경계로 이보다 작은 입자는 레일리 산란 (Reyleigh scattering)을, 큰 입자는 미 산란 (Mie scattering)을 일으킨다. 입자의 병합 작용은 0.01 ㎛ 부근에서 가장 활발하다.

에어로졸의 크기 영역별 개수는 입자의 광학적 특성을 이용하여 측정될 수 있다. 입자의 산란광을 전기신호로 바꾸어 입자의 크기를 측정하고, 전기신호의 빈도를 분석하여 입경별 입자의 개수를 측정한다. 특정 입경 구간에 포함된 입자의 개수를 통해 에어로졸의 단위 체적당 입경 구간별 수농도를 계산하고 대수적 방법으로 분포 특성을 나타낸다. 입경 범위가 작은 영역의 입자는 전체 입자 수에 크게 기여하지만 전체 표면적이나 체적에서 차지하는 비율은 적다. 따라서 입경 분포 특성을 나타낼 때에는 에어로졸 수농도, 표면적 농도, 체적 농도를 함께 고려하는 것이 중요하다.

이동인 부경대 환경대기과학과 교수

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