서울대학교

- 대기 중 초미세먼지 증가에 따른 빛의 소멸 최초로 정량화 -

[연구필요성]

태양광이 지닌 광학적 특성 중 하나인 선형편광(linearly polarized light)은 빛이 일정한 방향으로 편향되는 현상으로, 이는 레이더 기술, 무선 통신, 자율주행 센서 시스템 등 다양한 신호 송출 및 항법 시스템에 활발히 활용되고 있다.

대기 중 초미세먼지 입자는 빛을 과도하게 산란시켜 편광을 방해한다. 이에 따라 초미세먼지 농도가 증가하면 지표에 도달하는 빛의 선형편광 세기가 약화되어, 이를 활용한 광학 정보의 정확도와 효율성이 저하될 수 있다. 이와 같은 대기 오염이 선형편광에 미치는 영향에 대한 연구는 현재까지 거의 이뤄지지 않았다.

이 연구에서는 대기 중 PM2.5 농도와 햇빛의 선형편광도(Degree of Linear Polarization, DoLP) 사이의 중요한 연관성을 규명하고, 두 변수 간의 관계를 정량화하였다. 이를 바탕으로 미래 대기질 예측 모델에 적용해, 선형편광 활용도의 저하가 시간과 공간에 따라 어떻게 변화하는지 분석하였다.

[연구성과/기대효과]

서울대학교 환경대학원 정수종 교수와 조유리 박사가 주축이 된 연구팀은 4년 간의 지상 기반 관측 및 미세먼지 모델링을 통해 PM2.5 농도와 선형편광도 감소 사이의 명확한 정량적 관계를 세계 최초로 규명하였다. 연구 결과, PM2.5 오염이 심한 지역에서 선형편광에 담긴 빛의 정보가 급격히 저하될 것으로 추정되었다. 이 연구는 Communications Earth & Environment 최신호에 출간되었다.

연구책임자인 서울대 정수종 교수는 “이 연구는 도심오염물질의 증가가 빛이 갖고 있는 광학적 정보를 소멸시킬 수 있다고 막연히 추정해오던 것을 최초로 정량화하면서 미래 대기질이 악화됨에 따라 빛 정보가 언제, 어디서 소멸될 것인지 분석하였다”고 연구결과의 중요성을 언급했다. 뿐만 아니라 “이제까지 PM2.5 관련 연구는 보건학적 측면에서 많이 이루어져 왔던 데에 반해 이 새로운 연구는 미세먼지가 우리 생활에 미치는 다양한 영향을 탐구” 하였음을 강조하였다.

특히 “기후변화는 앞으로 전지구적으로 산불과 같이 더욱 불확실한 미세먼지 오염원을 증가시킬 수 있으며, 이러한 기후재난으로 인한 미세먼지의 증가가 인간의 빛 활용에 미치는 영향에 대해 빠르게 파악하고 관련 기술에 적용시킬 수 있는 방안을 생각하여야 한다.”라며 이 연구가 기후변화 대응을 위한 정책 개발과 실질적인 기술 혁신에 중요한 기초 자료를 제공할 것으로 기대됨을 밝혔다. 이 연구는 2024년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 해양극지기초원천기술개발 사업의 지원을 받아 수행된 연구(NRF-2020M1A5A1110493)이다.

[본문]

태양광이 지닌 광학적 특성 중 하나인 선형편광(linearly polarized light)은 빛이 일정한 방향으로 편향되는 현상으로, 이는 레이더 기술, 무선 통신, 자율주행 센서 시스템 등 다양한 신호 및 항법 시스템에 활발히 활용되고 있다. 특히, 짧은 파장대의 빛이 상대적으로 안정적이기 때문에 주로 사용되는데, 대기 중 초미세먼지(PM2.5)의 입자 직경이 이 짧은 파장대와 유사하여 빛을 과도하게 산란시킬 수 있다. 이에 따라 초미세먼지 농도가 증가하면 지표에 도달하는 빛의 선형편광 세기가 약화되어, 이를 활용한 광학 정보의 정확도와 효율성이 저하될 수 있다.

그러나 이와 같은 대기 오염이 선형편광에 미치는 영향에 대한 연구는 현재까지 거의 이루어지지 않았다. 특히 PM2.5는 전형적인 도심 대기 오염원으로, 산업화와 도시화가 진행되는 지역에서 더욱 심화된다. 인구가 증가하는 이러한 지역에서는 선형편광을 활용한 기술의 수요와 산업적 활용도가 높아지고 있으므로, 초미세먼지가 선형편광에 미치는 영향을 연구하는 것은 시급한 과제라 할 수 있다. 이 연구에서는 대기 중 PM2.5 농도와 햇빛의 선형편광도(Degree of Linear Polarization, DoLP) 사이의 중요한 연관성을 규명하고, 두 변수 간의 관계를 정량화하였다. 이를 바탕으로 미래 대기질 예측 모델에 적용해, 선형편광 활용도의 저하가 시간과 공간에 따라 어떻게 변화하는지 분석하였다.

[연구결과]

Rising atmospheric levels of fine particulate matter reduce the degree of linear polarisation of light

Yoori Cho, Sujong Jeong, Dong Yeong Chang, Jos Lelieveld, Andrea Pozzer, Chang-Eui Park, Jaewon Joo & Chan-Ryul Park
(Communications Earth & Environment, https://www.nature.com/articles/s43247-024-01682-3)

지상편광관측 시스템의 장기간 운영을 통해 획득한 PM2.5와 선형편광도 간의 관계는 PM2.5의 증가가 지수함수적으로 선형편광도를 감소시킨다는 것을 보여주었다. 이 정량적 관계를 독일 Max Planck Institute for Chemistry가 개발한 ECHAM5/MESSy 모형에 적용하여 2050년 전지구 대기질 시뮬레이션을 수행한 결과, 선형편광도가 15% (일반적으로 대기오염이 심한 날의 평균편광도) 미만으로 감소하는 지리적 범위가 전지구적으로 최대 20% 증가할 것으로 추정되었다. 특히 인도와 중국이 가장 큰 영향을 받을 것으로 보이며, 인도에서는 75만 km², 중국에서는 200만 km² 이상의 지역에서 빛의 과도한 산란으로 인해 편광에 담긴 광학적 정보의 소멸이 빠르게 일어날 것으로 추정되었다. 이렇듯 PM2.5 오염이 심한 지역에서 선형편광 활용도가 급격히 저하될 것으로 예측되었다.

□ PM2.5 질량농도와 선형편광도

PM2.5 질량농도 증가에 따라 전체 하늘에 분포하는 선형편광도(DoLP)가 감소함을 시각적으로 표현하고 있다.