환경공학과 김창혁 교수가 유럽입자물리연구소(CERN)에서 국제 공동연구 ‘클라우드 실험 컨소시엄(CLOUD* Experiment Consortium)’의 일원으로 참여한 연구 결과가 세계적인 저명학술지 『사이언스(Science)』 2월 5일자(Vol. 371, Issue 6529)에 게재됐다.

 
* CLOUD: Cosmics Leaving Outdoor Droplets

- 논문 제목: Role of iodine oxoacids in atmospheric aerosol nucleation(대기 중 에어로졸 핵 형성에서 요오드 옥소산의 역할)
- 논문 링크: https://science.sciencemag.org/content/371/6529/589
- DOI: 10.1126/science.abe0298

연구 주제로 다뤄진 ‘요오드(Iodine)’ 종(種)은 황산·질산과 함께 대기압에서 새로운 대기 에어로졸 입자를 만드는 것(New Particle Formation, NPF)으로 알려진 전구물질(어떤 화합물에 선행하는 물질) 중 하나다. 요오드는 바닷물에 풍부하게 함유돼 있는데, 요오드산염과 요오드이온 형태를 이루고 있으며 요오드산염이 주로 많다. 에어로졸이란 공기 중에 부유하고 있는 액체 혹은 고체 입자상 물질들을 의미하며, 대기 에어로졸 입자가 충분한 크기로 성장하면 대기 중 빛을 산란시켜 지표면으로 도달하는 빛에너지의 양을 줄일 수 있다.

한편, 특정 크기(50 나노미터) 이상의 에어로졸 입자는 구름을 형성하는 씨앗이 되는 구름응결핵(Cloud Condensation Nuclei, CCN)으로 작용할 수 있다. 구름은 외부에서 지구로 유입되는 빛을 반사시켜 지표면에 도달하는 에너지의 양을 줄이는 역할을 한다. 반대로 극지방에서는 지구에서 나가는 복사(輻射, 전자파나 입자선의 방출)도 지표면으로 반사시켜 돌려보낸다. 이렇게 대기 중 발생한 에어로졸 입자는 기후에 영향을 미치는 복사 강제력을 직·간접적으로 제어하는 중요한 역할을 한다. 하지만, NPF와 에어로졸-구름 상호작용 등과 같이 기후에 영향을 미치는 자연현상들은 여전히 밝혀지지 않은 부분이 많아, 기후 모델 수립의 주요한 불확실성 중 하나로 남아 있다. 

이 논문은 기존에 잘 알려져 있지 않은 해안을 포함한 해양에서 요오드산(Iodic acid, HIO₃)으로부터의 대기 에어로졸 생성과 성장에 대한 연구 결과를 다루고 있다. 기존 연구에서 요오드산은 연안 해양지역에서 에어로졸 입자를 발생하는 주요 전구물질로 알려져 있었지만, 핵 생성 및 성장률에 대한 분석 자료와 발생 메커니즘 등에 관한 연구는 미흡한 실정이었다.

클라우드 실험 컨소시엄은 스위스 제네바에 소재한 유럽핵입자물리연구소(CERN) 내에 CLOUD 챔버를 사용해 바다의 경계층(boundary layer) 조건에서 요오드를 포함하고 있는 증기(vapor)를 대상으로 섭씨 영하 10도에서 영상 10도 이내의 기온에서 요오드 옥소산(Iodine oxoacids)으로부터 대기 에어로졸이 만들어지는 핵 생성 속도(nucleation rate)와 성장률(growth rate)을 측정하고 화학조성을 분석했다.

요오드 옥소산 증기(Iodic oxoacids vapor)는 광화학반응과 요오드 분자의 산화 과정에서 형성되며 이는 해양표면에서 주로 발생한다. 연구팀은 요오드 옥소산에서 요오드산 나노 입자의 핵 생성 속도가 매우 빠르고, 광화학반응에 주요한 요소인 UV가 약한 조건(밤)에서도 잘 일어나며, 같은 조건에서 황산-암모니아(sulfuric acid-ammonia)보다 대기 에어로졸 핵 생성 속도가 더 빠르다는 것을 밝혔다.

이번 연구 결과는 요오드산에 의한 대기 에어로졸의 발생이 산업혁명 이전 대기 조건에서 대표적인 대기 2차 초미세먼지 전구물질인 황산과 경쟁적으로 발생할 수 있음을 암시한다. 또한 요오드산의 경우, 단일 종의 증기로부터 입자의 생성(nucleation)뿐만 아니라, 빠른 성장(rapid growth)이 잘 일어나므로 구름응결핵(CCN) 생성의 매우 효과적인 원인 물질의 하나가 될 수 있음을 보여준다.

요오드산 입자 형성(Iodic acid particle formation)은 극지방(polar region)과 같이 황산과 암모니아의 농도가 매우 희박한 조건의 해양에서 대기 에어로졸 발생에 매우 중요한 요소가 될 것으로 보인다. 또한, 넓은 해양에서 해상 구름의 응결핵(CCN) 형성과 구름 발생에 깊은 연관성을 가지며, 특히, 북극 지역에서 요오드 구름응결핵(CCN, Cloud Condensation Nuclei)의 증가는 구름으로부터의 장파복사* 강제력을 증가시키고 해빙(sea ice) 손실을 가속화하는 데 작용할 것으로 예측되고 있다.

* 장파복사(long wave radiation, 長波輻射): 지구가 내보내는 복사. 태양복사보다 파장이 길기 때문에 장파복사를 지구복사라고 한다. 지구복사는 적외선으로, 열 에너지 형태를 갖는다.

김창혁 교수는 이번 연구 결과에 대해 “전 세계적인 요오드의 대기 배출량은 지난 70여 년간 3배가량 증가해오고 있는데, 이는 해빙이 녹아 얇아질수록 더욱 증가할 것으로 보인다. 해빙이 녹으면서 해빙 내부에 있던 혹은 그 아래 바다속에 있던 요오드를 배출하기 때문이다. 이로 인해 요오드산에 의한 구름응결핵이 증가하면서 구름을 많이 형성하고, 구름에 의한 장파장 복사가 다시 북극의 해빙을 녹이는 속도를 빠르게 하는 일이 발생할 수 있다. 따라서, 해양 특히 극지방에서 요오드를 기반으로 한 대기 에어로졸의 발생에 대한 연구가 매우 필요하다”고 설명했다. 김 교수는 “3면이 바다로 둘러싸인 우리나라의 입지요건을 고려할 때 요오드산 대기 에어로졸 연구는 더욱 큰 의미를 지니며, 동북아 주요 해양도시인 부산시의 대기환경과 관련해서도 시사하는 바가 클 것으로 보인다”고 덧붙였다.

클라우드 실험 컨소시엄팀은 CERN이 보유한 높은 수준의 이온 소스 및 챔버 가공 기술을 적용해, 초정밀의 CLOUD 챔버 내에서 발생하는 대기 에어로졸의 생성과 성장, 그리고 구름응결핵으로의 역할 등에 관한 고도화된 연구를 수행해오고 있다. CLOUD 챔버는 CERN에 위치하며 내부 오염도가 세계에서 가장 낮게 관리되는 세계유일의 반응기로서, ppb 혹은 ppt(10-9 혹은 10-12)수준의 매우 낮은 농도의 전구물질로부터 대기 에어로졸 입자가 발생할 수 있도록 대기 조건을 재현가능한 장비다.

CLOUD 챔버 내에서 다양한 대기 에어로졸 발생 조건을 모사하고 측정한 입자의 물리화학적 특성을 분석해, 기후변화에 에어로졸과 구름이 미치는 영향을 연구하고 있다. 챔버 실험으로 얻은 결과는 전지구 규모의 기후 모델링에 입력해 산업혁명 이전 대기의 상태와 산업혁명 이후 발생한 에어로졸이 기후변화에 미쳐온 영향, 그리고 에어로졸의 발생량을 제어할 시 일어날 미래 기후변화 등을 연구하는 데 활용하고 있다. CLOUD 실험의 다양한 연구결과들은 『사이언스(Science)』, 『네이처(Nature)』를 비롯한 국제 저명학술지에 지난 10여 년간 꾸준히 발표되고 있다.

김창혁 교수는 미국 Caltech(California Institute of Technology, 캘리포니아 공과대학)에서 박사후연구원(Postdoc)으로 재직 시 이 연구 그룹의 일원으로 참여했으며, 『사이언스』지 논문에는 부산대 소속과 Caltech 소속이 병기돼 있다.

이번 연구는 핀란드 헬싱키대학교(University of Helsinki), 독일 프랑크푸르트 괴테대학교(Goethe University, Frankfurt), 미국 캘리포니아 공과대학(Caltech)과 카네기 멜론대학교(Carnegie Mellon Uninversity) 등이 공동으로 참여한 클라우드 실험 컨소시엄에 의해 수행됐다. 헬싱키대학의 쉬청 허(Xucheng He, 박사과정)가 제1저자 및 교신저자, 재스퍼 커크비(Jasper Kirby) 교수와 미꼬 시필라(Mikko Sipila) 교수가 교신저자, 김창혁 교수가 공동저자로 참여했다.

김창혁 교수는 CLOUD 실험을 비롯한 다년간의 에어로졸 연구 경험을 바탕으로 현재 동북아 초미세먼지 국제공동측정을 통한 고농도 초미세먼지 발생 특성 규명 연구 및 자동차 발생 원인별 미세먼지의 환산 및 변환 현상 규명 연구, 미세먼지 측정 및 저감장치 개발연구 등에 참여하고 있다.

* 그림: CLOUD 챔버의 해양 대기 시뮬레이션

[Summary of Research]

Iodic acid (HIO₃) is known to form aerosol particles in coastal marine regions, but predicted nucleation and growth rates are lacking. Using the CERN CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets) chamber, we find that the nucleation rates of HIO particles are rapid, even exceeding sulfuric acid?ammonia ratesunder similar conditions. We also find that ion-induced nucleation involves IO₃? and the sequential addition of HIO₃ and that it proceeds at the kinetic limit below +10℃. In contrast, neutral nucleation involves the repeated sequential addition of iodous acid (HIO₂) followed by HIO₃, showing that HIO₂ plays a key stabilizing role. Freshly formed particles are composed almost entirely of HIO₃, which drives rapid particle growth at the kinetic limit. Our measurements indicate that iodine oxoacid particle formation can compete with sulfuric acid in pristine regions of the atmosphere.

Changhyuk Kim (Co-author), School of Civil and Environmental Engineering, College of Engineering, Pusan National University

Fig.) Simulation of the marine atmosphere in the CLOUD chamber. Iodine emitted from the sea and ice is converted by ozone and sunlight into iodic acid and other compounds. These form new particles and increase clouds, warming the polar climate. Cosmic rays strongly enhance the particle formation rates.  (Image: Helen Cawley)

- Title: Role of iodine oxoacids in atmospheric aerosol nucleation
- Author: Changhyuk Kim (Co-author), School of Civil and Environmental Engineering, College of Engineering, Pusan National University

- https://science.sciencemag.org/content/371/6529/589
- DOI: 10.1126/science.abe0298

- CERN CLOUD: https://home.cern/news/news/experiments/cloud-cern-reveals-role-iodine-acids-atmospheric-aerosol-formation

(2021.3.31.)