<4주차>

Chap. 3 미기상학

3.1 서론

- 대기오염물 배출원

고정오염원 : 점오염원(point source)

면오염원(area source)

이동오염원(mobile source)

- 대기오염물의 확산 기구

바람의 작용에 의한 풍하지역으로 이동

난류에 의한 모든 방향으로 분산(열난류, 기계적 난류)

농도구배에 의한 확산

3.2 태양복사

- 태양복사에너지 평형

< 그림 2. 지구의 에너지 평형 메카니즘 >1)

(원출처: Kiehl and Trenberth : Earth's annual global mean energy budget, Bull.Am.Meteorol.Soc.,78,197-206,1997)

지구가 태양으로부터 받는 에너지 : 342 W/m2

지표에 흡수된 태양에너지 : 168 W/m2 = 복사열(66)+잠열(78)+열에너지(24)

지표면에서 방사되는 적외선에너지 :

390 W/m2 = 대기흡수(350) + 우주직접방출(40)

※ 복사 이론

- 열의 전달

전도(conduction), 대류(convection) : 매질을 통해서만 전달 가능

복사(radiation) : 전자기장의 진동에 의한 파동형태의 에너지 전달, 매질이 필요

없음, 대기의 복사는 주로 0.1-100㎛ 파장의 자외선, 가시광선, 적외선에 의해

일어남

- 절대 0도 이상의 모든 물체는 전자기파 발생, 입사된 복사에너지를 잘 흡수하는 물

체가 전자기파를 잘 발생시킴.

- 흑체(black body) : 입사된 복사에너지를 완전히 흡수하는 가상적인 물체, 주어진

온도에서 이론상 최대에너지를 복사

- 스테판볼츠만의 법칙(Stefan-Boltzmann's Law)

흑체 단위표면적당 발생하는 복사에너지(R)와 물체의 표면온도(T) 관계

∞

: 파장 에서의 복사에너지

표면온도 1000K와 2000K인 흑체의 복사에너지는 16배 차이

- Wien's 의 법칙

: 복사에너지의 강도가 최대가 되는 파장[㎛]

T : 물체의 표면온도[K]

태양의 표면온도 : 6100K, = 0.475㎛(가시광선:0.4-0.8㎛)

지구표면온도 : 290K, = 10㎛(적외선 : 0.8-100㎛)

※ 온실효과(green house effect) : 지표 부근에 존재하는 수증기, CO2에 의해 적

외선 영역의 복사선을 흡수하여 대기온도가 상승하는 현상(태양복사선은 투과)

(기체 1kg 기준)

* HFCs(HydroFluoroCarbons, 수소불화탄소)

* PFCs(PerFluoroCarbon, 과불화탄소)

- 산업화로 인한 대기중 먼지의 농도 증가 : 태양복사선 차단, 온실효과와 반대

효과

※ CFC계열의 물질 개론

□ CFC(ChloroFluoroCarbon, 염화불화탄소) - 용도 : 냉장고․에어컨의 냉매, CFC-12 스프레이, 에어로졸의 추진체 - 화장품, 무스, 살충제 발포기능 - 스티로폴, 폴리우레탄 등의 포장재, 단열재, 소화기(공기차단), CFC-11 세척제, 세정제 - 반도체, 전자부품산업, 정밀부품의 세척, CFC-113

□ HCFC(HydroChloroFluoroCarbon, 수소화염화불화탄소) 수소가 하나 이상 포함된 CFC, 오존층 파괴물질인 CFC를 대체하기 위한 냉매 로 개발되었으나 역시 염소가 함유되어 있어 현재는 사용이 제한됨, 선진국의 경우 2020년까지, 개도국은 2040년까지 전폐키로 한 중간대체물 질 개념 HCFC-22, HCFC-123, HCFC-124, HCFC-141b, HCFC-142b

□ HFC(HydroFluoroCarbon, 수소화불화탄소) 오존층 파괴를 유발하지 않는 친환경 냉매의 선두주자 HFC-32, HFC-125, HFC-134a(R-134a), HFC-404a, HFC-407c, HFC-410a

※ CFC 계열의 냉매 명명법 - R : Refrigerant(냉매) - 100단위수 = 탄소수-1 10단위수 = 수소수+1 1단위수 = 불소수 염소수는 포화화합물을 만드는데 필요한 갯수 - 숫자뒤의 영문자는 이성체를 구분하기 위한 표시

(ex) CFC-12 : CF2Cl2 HCFC-22 : CHF2Cl HFC-134a : CH2F-CF3

(ex) 숫자+90 = 3자리수 100단위수 : C 수 10단위수 : H 수 1단위수 : F 수

Cl은 포화화합물을 만들도록 채워줌□ 과불화탄소(perfluorocarbonc, PFCs) 탄화수소에서 수소원자가 불소로 치환된 화합물의 통칭 전자제품, 도금산업 등에서 세정용, 냉매, 소화기 및 폭발방지물, 분무액, 솔벤트 용제, 발포제 등으로 쓰이는 가스이다. 오존층을 파괴하는 염화불화탄소(CFC)를 대체하여 쓰이고 있으나 온실가스의 하나로 알려져 있다. 국내에서도 전체 온실가스 중 과불화탄소가 차지하는 비중 이 해마다 늘고 있다. 우리나라의 경우 전량 반도체 제조공정에 사용되며, 과불 화탄소의 지구온난화지수(CO2=1)는 7,000배이며, 국내 온실가스 총배출량의 4.2%을 차지한다.

※ Halon-1301

1: C 개수

3 : F

0 : Cl

1 : Br

- 일사량(insolation) : 지표 단위면적당 태양복사열의 량

= f(입사각, 대기의 구성) ⇒ 위치, 계절, 하루 중의 시간

- 태양복사열에 의한 지표의 불균일 가열로 기류의 이동이 일어남

지표의 표면상태에 따라 흡수율이 다르며, 동일한 복사열이 흡수된다고 가정해도

물질의 비열차이에 의해 표면온도가 달라짐

토양의 비열 < 물의 비열

200 cal/kg℃ < 1000 cal/kg℃

3.3 바람의 순환

▶ 바람에 관여하는 힘

1) 기압경사력(pressure gradient force)

지표의 불균일 가열 때문에 기압차이 발생, 수평적으로 기압차이가 존재할 때

기압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 공기에 작용하는 힘, 바람의 생성 원동력, 고

기압에서 저기압으로 등압선에 수직으로 작용

2) 전향력(Coriolis' Force)

지구자전의 영향으로 운동하는 물체의 경로를 휘게하는 겉보기힘(apparent

force), 운동의 방향만 변화시키며 속도에는 영향 없음.

∙ sin : 풍속

: 지구자전각속도 sec : 위도

방향 : 북반구 - 물체의 운동방향에 대해 오른쪽 90°

남반구 - 왼쪽 90°

3) 구심력(centripetal force)

cos ≒ cos

: 공기질량

극지방 zero, 적도 최대

4) 마찰력(drag force)

풍속에 비례하고 방향은 풍속의 반대 방향

태풍 볼라벤의 진로

태풍(열대성 저기압)의 회전방향 일정, 하수구에 많은 양의 물을 버릴 경우 물이 반

시계방향으로 회전-서쪽에서 동쪽으로 도는 지구자전 때문에 생기는 전향력

(편향력)의 영향

저기압 주위로 시계반대방향으로 바람이 불어들어 오므로 바람의 진행방향의 오른

쪽 반경은 풍속의 상승이 일어나 피해가 큼

※ Meteorology(기상학) : 대류권의 천기현상을 취급

micrometeorology(미기상학) : 행성경계층에서의 물리적 현상 연구

대류권은 행성경계층과 자유대기로 구분

행성경계층(planetary boundary layer) = 지구경계층 : 지표면의 영향을 받아

기상요소의 일변화가 나타나는 층(지표 500m까지)

행성경계층 : 지표경계층(50m 까지)과 전이층으로 구분

- 지구경계층에서 마찰력에 의한 풍향의 변화

▶ 지균풍과 경도풍

1) 지균풍(geostrophic wind)

지표마찰의 영향이 무시되는 대기상층에서 등압선이 직선인 경우 전향력과 기

압경도력이 평형을 이루고 있을 때 부는 바람, 등압선과 나란히 북반구에서

오른쪽 방향으로 부는 바람

2) 경도풍(gradient wind)마찰이 작용하지 않는 대기 상층에서 등압선이 곡선일

때 기압경도력과 전향력, 구심력이 평형을 이루면서 등압선에 접선방향으로

부는 바람

북반구의 저기압 둘레에서 반시계방향의 공기흐름 : 선풍(cyclone)

고기압 둘레에서 시계방향의 공기흐름 : 역선풍(anticyclone)

ac : V에 수직으로 안쪽으로 향하는 가속도

▶ 지상풍

1) 등압선이 직선일 경우

지표부근에서 마찰력 때문에 전향력과 마찰력을 합한 힘이 기압경도력과 평형

을 이루게 되어 등압선과 어떤 각을 이루며 부는 바람

마찰력이 클수록 각도 는 증가

2) 등압선이 원형인 경우

북반구의 경우 저기압에서 반시계방향으로 돌면서 중심으로 바람이 불어들어감

고기압 시계방향으로 중심에서 불어 나감

※ 고기압 중심에서의 기류 흐름 : 상부로부터 침강(subsidence)기류,

오염물 확산 방해,

저기압 주위에서는 상승기류 발생, 대기 하층부의 오염물이 광범위한 지역에

확산

※ 바람

대기상층 – 지균풍 : Fp, Fc

경도풍 : Fp, Fc, ac

지상(마찰영향) - 등압선 직선

등압선 곡선

3.4 체감률(lapse rate)

1) 건조단열체감율

공기층의 상향이동에 의한 기압강하로 부피팽창(외부에 일을 하는 효과)에 의

해 공기의 내부에너지 감소(기온 강하) ⇒ 매우 빨리 일어나므로 기단과 주위

사이에 열전달이 없는 단열과정으로 가정

공기를 건조한 이상기체로 간주

(3-1)

공기의 부피가 일정하고 의 열이 기단에 첨가되어 온도가 만큼 상승하면

※ 열역학 1법칙

: 계의 내부에너지의 변화

기체가 팽창할 때 주위에 행한 일,

변화가 일정부피에서 일어난다면

⇒

온도상승은 압력상승으로 이어지므로

기체상수 ≡

: 비용 = 공기 밀도의 역수[volume/mass]

압력이 일정할 때

※ 미분하면

(3-3)

만일 압력의 변화에 대하여 기단이 단열수축(팽창)될 경우, 이며,

식(3-1)을 위식에 대입하면,

(3-4)

고도에 따른 g, Cp 값의 변화를 무시하면 단열상태에서 고도에 따른 온도

변화는 일정한 값

g = 9.8 m/s2

Cp = 1005 J/kg․℃ (교재 p594)

℃

≒ ℃

⇒ 건조단열감율

2) 표준체감율

비교의 목적으로 국제표준대기에 대한 온도구배(대류권에서 실제 측정에 의해

구함)

℃ ℃

3) 포화(습윤)단열감율

수증기로 포화된 공기의 상승(단열팽창) → 기온강하 → 수증기 응축

⇒ 응축엔탈피 방출로 공기 온도 상승

대기의 단위부피당 건조공기 질량에 대한 수증기 질량의 비 :

: 기단의 상승으로 인하여 액상으로 변하는 물의 량

: 수증기 응축열

: 응축열 방출량

식(3-3)과 식(3-1)로부터

상승하는 기단에서 는 negative 이다.

∼ ℃ ∼ ℃

※ 푄 현상(푄풍)

고도가 높은 산맥에 지각으로 강한 바람이 부는 경우 산맥의 풍하측에 강하고

고온 건조한 바람이 불어내리는 현상

높새바람 : 봄부터 초여름에 태백산맥을 넘어 영서지방으로 부는 고온건조한

북동풍, 푄풍의 일종

대기오염및연습 참고자료

1. 대기오염제어, 이상권 외 9명 공역, 도서출판 동화기술, 2009년 원저 : AIR POLLUTION ITS ORIGIN AND CONTROL, Kenneth Wark, Cecil F. Warner, Wayne T. Davis, Prentice Hall, INC, 2004

2. 대기오염방지공학, 김동술, 김태오 공역, 도서출판 동화기술, 2003년 원저 : Air pollution Control : A Design Approach, C. David Cooper, F. C. Alley, 2-nd Edition, Waveland Press, Inc. 1994년

3. 2013 대기환경기사. 산업기사, 이승원, 성안당, 2013년

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5. Air Pollution Engineering Manual, 2-nd Edition, US. EPA

6. Handbook of Air Pollution Technology, Edited by Seymour Calvert and Harold M. Englund, John Wiley & Sons, 1984

7. 대기오염제어공학, 이규성 외 5인 공저, 형설출판사, 2000년

8. 최신 대기오염방지기술, 김종석 외 11인 공저, 동화기술, 2000년

9. 대기오염과 방지기술, 동종인, 신광출판사, 2000년