대기 중 오염물질의 확산과 이동

대기 중 오염물질의 확산과 이동

1. 대기 중 오염물질 확산의 개념

대기오염물질은 배출된 후 바람, 기온, 대기 안정도 등의 환경 요인에 따라 확산되거나 이동한다. 확산이 잘 이루어지지 않으면 특정 지역에서 오염이 심화되며, 대기 안정도가 높으면 오염물질이 정체되기도 한다.

2. 대기 안정도와 기온 역전

(1) 대기 안정도

대기의 안정성은 오염물질의 확산에 큰 영향을 미친다.

• 불안정한 대기: 오염물질이 수직으로 쉽게 확산됨 → 공기 정체가 적음
• 안정한 대기: 오염물질이 지면 가까이 머물러 축적됨 → 공기 오염 심화

(2) 기온 역전(Temperature Inversion)

기온 역전이란 일반적으로 고도가 높아질수록 기온이 낮아지는 현상과 반대로, 특정 조건에서 고도가 높아질수록 기온이 상승하는 현상을 의미한다.

• 복사역전: 밤에 지표면이 냉각되면서 형성됨 (런던형 스모그 발생)
• 침강역전: 고기압 지역에서 대기가 하강하면서 형성됨 (LA형 스모그 발생)
• 이류역전: 따뜻한 공기가 차가운 지표면 위를 지나가면서 발생

3. 대기 중 오염물질 이동을 결정하는 힘

대기 중 오염물질의 이동은 여러 물리적 힘의 영향을 받는다.

• 기압경도력: 기압 차이에 의해 공기가 이동함
• 전향력(코리올리 힘): 지구의 자전으로 인해 바람이 휘어짐
• 마찰력: 지면과의 마찰로 인해 지표 부근 바람 속도가 감소
• 부력: 따뜻한 공기는 상승하고 차가운 공기는 하강하여 대류현상 발생

4. 바람과 오염물질 확산

(1) 바람의 유형

• 지균풍: 지상 1km 이상에서 마찰력 없이 일정하게 부는 바람
• 지상풍: 지표면의 영향을 받아 불규칙한 방향으로 부는 바람

(2) 국지풍(Local Wind)

• 해륙풍: 낮에는 바다에서 육지로, 밤에는 육지에서 바다로 부는 바람
• 산곡풍: 낮에는 계곡에서 산으로, 밤에는 산에서 계곡으로 부는 바람
• 휀풍: 산을 넘어 내려오면서 온도가 상승하는 바람

5. 오염물질 확산 모델

(1) 가우시안 확산 모델

오염물질이 바람을 따라 이동하면서 좌우 및 상하로 확산되는 것을 설명하는 모델이다.

• 특징: 점배출원(굴뚝)에서 나오는 오염물 확산 예측에 유용함
• 공식: 

  

(2) 연기 확산 형태

연기의 확산 형태는 대기 안정도와 바람 속도에 따라 달라진다.

• 환상형(Looping): 불안정한 대기에서 연기가 크게 출렁이는 형태
• 부채형(Fanning): 강한 안정 상태에서 연기가 수평으로 퍼짐
• 원추형(Coning): 중립적 대기 상태에서 이상적인 확산 형태
• 지붕형(Lofting): 연기가 위쪽으로만 확산됨 (하층 기온 역전)
• 훈증형(Fumigation): 연기가 아래쪽으로만 확산됨 (오염 심각)
• 구속형(Trapping): 연기가 상하로 이동하지 못하고 갇힘

6. 굴뚝의 유효 높이

굴뚝에서 배출된 연기가 어느 높이까지 도달하는지를 결정하는 요소는 풍속, 연기의 속도, 배출가스 온도 등에 따라 달라진다.

• 연기 상승 공식(Smith 식):