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연구

연구성과

연구성과

환경대학원 정수종 교수 공동연구팀

위성 분석을 통한 대도시 온실가스와 대기 오염도 관련성 처음으로 밝혀

2021.02.08

"탄소중립을 통한 온실가스 저감은 대기오염 개선효과를 수반할 것임”

서울대학교 환경대학원 정수종 교수와 박하영 연구원 그리고 미국 NASA 제트추진연구소, 네덜란드 KNMI로 구성된 한국-미국-유럽 공동 연구팀은 온실가스 관측 인공위성을 사용하여 북반구 도시의 온실가스 배출 패턴 및 배출 특성 평가의 표준화기법을 개발하였다. 도시에서는 온실가스 배출량 증가에 따라 대기질도 함께 악화되는 것을 보였으며, 특히 도시의 개발 수준에 따라 대기질 악화 정도가 차이가 나는 것을 밝혔다. 이와 같은 결과는 전 세계 81개 대도시의 온실가스와 대기질을 균일한 방법으로 비교분석한 첫 사례이며, 탄소중립을 위한 온실가스 저감은 궁극적으로 대기오염 문제 해결에도 도움을 줄 수 있다는 증거를 제시한 것으로, 국제 학술지 Remote Sensing of Environment에 2020년 12월 온라인으로 발표되었다.

도시에서는 기후변화와 온난화를 유발하는 전 지구의 70% 이상의 이산화탄소(CO2)가 배출되고 있으며, 대기오염의 전구물질인 CO와 NO2 또한 도시에서 많이 배출되고 있다. 전 세계 인구의 절반 이상은 도시에 거주하고 있으며, 도시에서는 난방과 에너지 및 자동차 사용과 같은 인간 활동으로 인한 인위적 CO2 및 대기오염물질이 많이 발생하고 있다. 이로 인해 도시에서는 이산화탄소와 대기오염물질을 저감하는 것이 가장 큰 숙제 중 하나가 되었다. 따라서 도시는 기후변화 완화와 이산화탄소 감축 및 대기질 개선에 있어 아주 중요한 역할을 할 수 있다.

도시 내에 있는 인위적인 배출원에서는 대부분 CO2와 함께 대기오염의 전구물질인 CO와 NO2가 동시에 배출이 되고, 이 물질들의 관계와 비율을 통해 해당 도시의 배출특징을 파악할 수 있다. 정수종 교수 연구팀은 인공위성을 이용해 전 세계 북반구 81개 대도시의 이산화탄소와 대기오염물질의 상관성 및 비율을 분석하여 도시들의 배출 특성을 평가하였다. 이는 인공위성을 이용해 전 세계 대도시 온실가스와 대기오염을 동시에 분석한 첫 사례이다.

연구결과에 따르면 CO2와 대기오염물질인 CO와 NO2가 양의 상관성을 가진 것으로 나타났다. 이는 에너지사용량과 인간활동이 증가할수록 대기질에 영향을 미치는 대기오염물질도 함께 증가한다는 것을 의미한다. 더 나아가 도시 에너지사용량을 반영하는 CO2를 사용해 대기오염물질의 비율을 비교했을 때, 각 도시의 배출 특성과 사회경제적 특징이 잘 반영되는 것으로 나타났다. 도시들을 북미, 유럽, 아시아 지역으로 분류했을 때, 아시아 지역의 도시들과 유럽의 상업 도시들이 CO2 배출 대비 대기오염물질 CO와 NO2 비율이 특히 높은 것으로 나타났다. 또한, 도시의 CO/CO2, NO2/CO2 비율은 도시의 인구수와 GDP와도 상관성이 있다는 것으로 나타났다. 도시 규모나 경제발전이 커질수록 대기질이 악화되는 것을 볼 수 있다.

나아가 북반구 도시들을‘선진국’과‘개발 도상국’지역으로 분류해 GDP와 비교했을 때 새로운 패턴을 보였다. 대부분의 선진국 도시들은 GDP의 증가에 따라 CO/CO2와 NO2/CO2 비율의 작은 증가세를 보이는 반면, 개도국 도시들은 GDP 증가당 비율의 더 큰 증가세를 보였다. 특히, 뭄바이나 톈진처럼 급속한 경제발전에 직면한 개도국 도시들은 선진국 도시와 거의 비슷한 정도의 배출비율을 보였다. 이는 개도국 도시들의 덜 엄격한 오염 통제 조치와 함께 화석 연료의 낮은 연소효율에 기인할 수 있다. 개도국 도시들의 경제발전에 따른 대기질 저하를 효과적으로 관리하기 위해서는 오염 관리 조치가 매우 중요하다는 것을 암시한다. 또한, 본 연구는 테헤란과 밀라노와 같은 도시에서는 기상 조건과 맞물려 도시에 대기오염을 가둘 수 있는 지리적 특성의 중요성을 강조하였다.

본 연구결과는 위성 관측을 통해 도시의 이산화탄소와 대기오염물질의 동시 배출을 제어하는 요인에 대한 단서를 제공할 수 있음을 입증하였다. 연구 책임자인 정수종 교수는“국가의 탄소중립 정책에 따라 도시에서는 기후변화와 대기질 개선을 위해 에너지 전환과 탈탄소의 적절한 대응 정책 수립이 고려되어야 한다. 본 연구는 이러한 이산화탄소 감축 및 대기질 완화를 위한 전략에 사용될 수 있는 결과를 제시한다”고 연구의 중요성을 밝혔다.

본 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었다 (No. NRF-2019R1A2C3002868).

연구결과

An assessment of emission characteristics of Northern Hemisphere cities using spaceborne observations of CO2, CO, and NO2
Hayoung Park1, Sujong Jeong1,2,*, Hoonyoung Park1,2, Lev D. Labzovskii3, Kevin W. Bowman4,5

1Department of Environmental Planning, Graduate School of Environmental Studies, Seoul National University, Seoul, Republic of Korea
2Environmental Planning Institute, Seoul National University, Seoul, Republic of Korea
3R&D Satellite and Observations Group, Netherlands Meteorological Institute(KNMI), De Bilt, Netherlands
4Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, CA 91109, United States
5Joint Institute for Regional Earth System Science and Engineering (JIFRESSE), University of California, Los Angeles (Remote Sensing of Environment)

도시에서는 강화된 인간활동과 높은 수준의 에너지 소비로 인해 대기에 이산화탄소(CO2) 및 대기오염물질(CO, NO2)이 많이 배출한다. 본 연구는 2018년 12월부터 2020년 3월까지의 겨울철에 Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2) 와 Sentinel-5 Precursor TROPospheric Monitoring Instrument (S5-P TROPOMI) 인공위성의 CO2와 CO, NO2 관측을 이용해 북반구 도시들의 배출 특성을 평가한다. 본 연구는 각 도시의 CO2 및 대기오염물질의 도시증가량(urban enhancement; 도시에서 나오는 순수 인위적 배출농도)을 계산하였다. 또한, CO2와 대기오염물질의 관계를 나타내는 CO/CO2와 NO2/CO2 비율을 분석한 결과 도시가 위치한 지역에 따라 뚜렷한 배출 패턴을 보이는 것을 발견하였다. 본 연구에서 도시의 CO/CO2와 NO2/CO2 비율은 각 도시의 인구수와 GDP(gross domestic product; 국내총생산)과 양의 상관성을 보였다. 또한, 북반구 도시들을 “선진국”과 “개발 도상국”도시들로 나눴을 때, 새로운 패턴이 나타났다. 대부분의 선진국 도시들은 GDP의 증가에 따라 CO/CO2와 NO2/CO2 비율의 작은 증가세를 보이는 반면, 개도국 도시들은 GDP 증가당 비율의 더 큰 증가세를 보였다. 특히, 뭄바이나 톈진처럼 급속한 경제발전에 직면한 개도국 도시들은 선진국 도시와 거의 비슷한 정도의 비율을 보였다. 이는 개도국 도시들의 덜 엄격한 오염 통제 조치와 함께 화석 연료의 낮은 연소효율에 기인할 수 있다. 본 결과는 개도국 도시의 경제발전에 따른 대기질 저하를 효과적으로 관리하기 위해서 오염 관리 조치가 매우 중요하다는 것을 암시한다.

나아가 본 연구는 테헤란과 밀라노와 같은 도시에서는 기상 조건과 맞물려 도시에 대기오염을 가둘 수 있는 지리적 특성의 중요성을 강조한다. 짧은 분석 기간에도 불구하고, 본 연구는 CO2와 대기오염물질의 위성 관측을 통해 도시의 이산화탄소와 대기오염물질의 동시 배출을 제어하는 요인에 대한 단서를 제공할 수 있음을 입증하였고, 향후 더 긴 관측 기간에 본 연구에서 제안된 방법이 적용되었을 때 도시의 대기질 개선과 기후변화 완화 전략을 지지할 수 있을 것으로 기대한다.

용어설명

1. 도시증가효과 (urban enhancement)
  • 식생효과 및 외부에서 유입된 배경농도를 제거한 도시에서 순수 배출된 이산화탄소 및 대기오염물질 농도를 의미함. 도시 연구에서는 배경농도를 제거하는 것이 중요하며, 본 연구에서는 도시증가효과만 고려하여 분석을 진행하였음.
2. CO/CO2, NO2/CO2 배출비율 (CO/CO2, NO2/CO2 emission ratio)
  • 가스상 물질을 따로 분석할 때는 여러 요인으로부터 영향을 받을 수 있어 분석에 한계가 있을 수 있음. 예를 들어, 큰 도시에서 자동차나 화력발전소를 많이 사용한다면 당연히 대기질이 안 좋을 수 밖에 없음. 따라서 도시 에너지사용량을 반영하는 CO2 농도를 사용해 대기오염물질(CO, NO2)의 농도 비율을 비교하여 도시 규모와 상관없이 에너지사용량 대비 대기오염물질의 배출이 대기질에 어떠한 영향을 나타내는지 비교하고, 도시 내에서는 어떠한 배출 특성이 있는지를 파악할 수 있음.
3. 연소효율 (combustion efficiency)
  • 발전소 또는 자동차 엔진 연료가 연소하였을 때의 발열 효율을 의미함. 연료의 발열량에 대해 연소실에서 실제로 연소하여 발생한 열량의 비로서, 연소가 완전히 이루어졌는가 또는 어떤가에 대한 정도를 말함. 본 연구에서는 도시의 CO/CO2 비율이 높을수록 불완전 연소가 많이 이루어져 연소효율이 떨어지는 것으로 판단할 수 있음.

그림설명

그림 1 북반구 도시의 (a) CO/CO<sub>2</sub>와 (b) NO<sub>2</sub>/CO<sub>2</sub> 비율 순위를 나타내는 그림. 색깔은 각 지역을 의미함 (빨강:미국, 노랑:유럽, 파랑: 아시아). CO<sub>2</sub> 대비 대기오염물질이 높을수록 대기질이 악화 되는 것을 의미함.
그림 1 북반구 도시의 (a) CO/CO2와 (b) NO2/CO2 비율 순위를 나타내는 그림. 색깔은 각 지역을 의미함 (빨강:미국, 노랑:유럽, 파랑: 아시아). CO2 대비 대기오염물질이 높을수록 대기질이 악화 되는 것을 의미함.
그림 2 북반구 도시의 CO/CO<sub>2</sub>와 NO<sub>2</sub>/CO<sub>2</sub> 비율을 각 도시의 GDP와 비교한 그림. 초록색은 개도국 도시, 검정색은 선진국 도시를 나타냄. 선진국은 GDP가 증가할수록 증가세가 작지만, 개도국의 경우 GDP가 증가할수록 비율이 급격히 높아지는 것을 볼 수 있음.
그림 2 북반구 도시의 CO/CO2와 NO2/CO2 비율을 각 도시의 GDP와 비교한 그림. 초록색은 개도국 도시, 검정색은 선진국 도시를 나타냄. 선진국은 GDP가 증가할수록 증가세가 작지만, 개도국의 경우 GDP가 증가할수록 비율이 급격히 높아지는 것을 볼 수 있음.

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