한국의 초미세먼지는 32%가 중국에서, 51%가 국내에서, 2%가 일본의 영향
한국‧중국‧일본 3국이 서로 미세먼지를 얼마나 주고받는지에 대한 3국 연구팀의 공동 연구 결과가 처음으로 공개됐다.
특히, 한국 하늘을 오염시키는 초미세먼지 가운데 32%는 중국에서 날아왔고, 51%는 국내에서 발생한 것으로 드러났다.
환경부 소속 국립환경과학원은 20일 한‧중‧일 3국이 공동으로 연구한 '동북아시아 장거리 이동 대기오염물질(LTP, Long-range Transboundary air Pollutants) 국제 공동연구 요약보고서'를 발표했다.
한·중·일 3국 과학자들은 2000년부터 단계적으로 황산화물·질소산화물 등 대기오염물질에 대한 연구를 추진했고, 4단계 연구 기간인 2013~2017년에는 초미세먼지(PM2.5)에 대한 연구결과까지 추가해 이번 보고서를 작성했다.
한국 초미세먼지 32% 중국, 51% 국내발
연구팀은 한‧중‧일 3국 주요 도시의 초미세먼지가 어디서, 얼마나 오는지를 분석했다.
2017년 기준으로 중국 6개 도시(베이징‧톈진‧상하이‧칭다오‧선양‧다롄), 한국 3개 도시(서울‧대전‧부산), 일본 3개 도시(도쿄‧오사카‧후쿠오카)의 연평균 농도를 기준으로 각국의 자체 기여도(각국 초미세먼지 농도 중 각국 내 발생이 차지하는 비중)와 국외 배출원의 영향을 계산했다.
각국의 초미세먼지 중 중국은 91%, 한국 51%, 일본이 55%를 각 나라 안에서 발생시키는 것으로 분석됐다.
한국의 초미세먼지는 32%가 중국에서, 51%가 국내에서, 2%가 일본의 영향으로 분석됐다.
한‧중‧일의 영향으로 분류되지 않은 15%는 몽골, 러시아 등 다른 나라의 영향으로 풀이됐다.
중국은 초미세먼지의 91%가 국내에서 발생하고, 2%가 한국, 1%가 일본의 영향을 받는 것으로 나타났다.
일본은 55%가 자체 발생, 한국 영향 8%, 중국 영향이 25%로 나타났다.
여러 나라를 거쳐서 도착하는 오염물질의 경우, 최초 발생국으로 분류해 표시했다. 중국에서 한국을 거쳐 일본으로 오염물질이 들어가더라도, 일본 기준으로 '한국' 기여도로 보지 않고 '중국' 기여도로 반영하는 식이다.
국내 자체연구, 고농도 시기 국외 기여율 '70%'
미 항공우주국(NASA) 위성사진에 포착된 중국발 미세먼지.
이번 연구는 '연평균농도'를 기준으로 진행돼, 지난 3월과 같은 고농도 시기에 특정 국가의 기여도에 대해서는 공동으로 분석된 바가 없다. 장윤석 국립환경과학원장은 "국내에서는 자체적으로 월별 데이터와 고농도 시기 국외 기여도 등을 모두 계산하고 있다"며 "지난 3월 고농도 시기 초미세먼지 중 국외 기여율은 약 80%, 그중 약 70%는 중국 기여율로 파악하고 있다"라고 설명했다. 실제로 지난 1월 11~15일 고농도 시기의 전국 초미세먼지 중 국외 기여율은 69%~82%였다.
한·중·일 미묘한 시각차도
각 나라가 별도로 모델링(가상 결과)을 돌린 결과를 모은 이번 자료에서는 미묘하게 3국의 시각차도 보였다.
단적인 예로, 서울의 초미세먼지 농도에 중국발 대기오염물질이 미치는 영향에 대해 우리나라와 일본은 39%라고 분석했지만, 중국은 23%로 분석했다.
일본 도쿄에 대한 중국 영향은 한국과 중국은 각각 14%, 16%로 계산했지만, 일본은 30%로 계산했다.
다만 한국·일본은 미국 환경부(EPA)가 개발한 CMAQ, 중국은 미국 람볼엔비론(Ramboll Environ사에서 개발한 CAMx를 사용해 모델의 차이도 영향을 미쳤을 수 있다. 환경부 유제철 생활환경정책실장은 "2000년 연구 시작 때 '모델 간 비교도 학문적으로 유의미하다'는 판단하에 과학자들이 두 가지 모델을 선택하는 것으로 합의해 진행된 것"이라고 설명했다.
한·중·일 모두 초미세먼지 농도는 감소 추세
이 연구는 동북아 장거리이동 대기오염물질 조사와 대책 마련을 위해 2000년부터 2017년까지 장기간에 걸쳐 한·중·일 3국의 배경농도 자료를 분석한 것이다.
‘배경농도’는 외부 오염원이 영향을 미치지 않은 상태의 기본 농도로, 중국의 다롄‧옌타이‧샤먼, 한국의 백령도‧강화도‧태안‧고산, 일본의 리시리‧오키 측정소의 자료를 수집했다.
연구가 시작된 2000년부터 최근까지, 한‧중‧일 모두 미세먼지(PM10), 초미세먼지(PM2.5), 황산화물(SO2), 질소산화물(NO2) 농도가 감소 추세를 보였다.
특히 2015년 대비 2018년의 초미세먼지 연평균 농도는 한국 12% 감소, 중국 22% 감소했다.
2018년 자료가 아직 확정되지 않은 일본은 2015년 대비 2017년 농도가 12% 감소한 것으로 나타났다.
장윤석 국립환경과학원장은 "중국도 처음 국가적으로 배출량을 산정한 거라 불확실한 부분이 많긴 하지만 UNEP에서 어느 정도 검증된 수치"라며 "최근 중국 측에서 '40% 감축'을 많이 이야기하는데, 그 자료는 이번 LTP 보고서에는 포함되지 않았다"라고 설명했다. 다만 중국의 '배출량 40% 감축' 주장에 대해서는 "중국 전체로 보면 불가능한 수치고, 고농도 지역을 기준으로 계산하면 나올 수 있는 수치"라며 "그러나 기저 농도가 워낙 높기 때문에 감축을 했더라도 한국과 일본에 비해서는 훨씬 많은 양을 배출한다"라고 덧붙였다.
우여곡절 끝에 빛을 본 보고서
이번 연구는 지난해 한 번 공개할 예정이었으나 중국 측의 반발로 발표가 연기된 적이 있다.
환경부는 “23~24일 일본 기타큐슈에서 열리는 한·중·일 환경 장관회의 전에 보고서를 발간하기로 한‧중 환경부 장관이 합의한 결과, 올해는 공개하게 된 것”이라고 설명했다. 장윤석 원장은 "중국 측에서 '2010년 자료는 너무 오래됐으니, 2017년 자료가 나오면 반영하자'고 주장해서 계산을 더 하느라 시간이 걸렸다"라고 말했다.
이번 연구는 각국의 최신 배출량 자료를 이용해 배출원과 영향 지역 간 관계를 분석하고, 향후 상세 오염물질 측정과 모델 개선 등 공동연구의 기반이 된다는 점에서 중요하다.
장윤석 국립환경과학원장은 “이번 보고서는 한·중·일 3국의 연구진이 공동으로 연구를 추진하고, 3국 정부가 연구결과를 함께 검토하여 발간하게 된 최초의 보고서라는 점에서 의미가 크다”며, “미세먼지 등 동북아 대기 질 개선을 위한 국가 간 협의의 귀중한 과학적 기초자료가 될 것"이라고 밝혔다.
"3국 과학적 공감대 마련…논의 지속해야"
장윤석 원장은 "이번 발표에는 '3개 도시' 기여율을 계산했지만, 사실 국가 전체 농도로 기여율을 따지면 국외 영향은 더 올라갈 것"이라며 "그러나 중국에서 3개 도시 기준을 원했고, 3국 공동 연구 진행을 위해 이렇게 발표했다"라고 설명했다. 그는 "데이터에 대해 이견이 있을 수 있지만, 어쨌든 오늘 공개된 각 국가별 기여율, 평균 32%라는 숫자에 대해서는 공감대가 형성된 것"이라고 덧붙였다.
이번 공동연구에 12년간 참여한 건국대 신기술융합학과 우정헌 교수는 “3국 정부 대표들이 모여서 가장 최신의 현대과학적 기반에서 함께 연구하고 앞으로 지속할 첫 단추를 끼운 결과물”이라며 “앞으로 공식적인 틀 안에서 공동의 해결방안을 마련하려면 과학적 공감대가 있어야 하는데, 이번에 발표되는 기여율은 그런 면에서 매우 크고 유의미한 정보”라고 설명했다.
그는 “그간 협력이 필요하지만 3국의 입장차가 너무 커서 힘들었다면, 지금은 각국이 대기오염물질을 줄이기 위해 노력한 결과 입장이 약간 비슷해지면서 협력을 할 수 있는 기반이 생긴 것”이라며 “이번 발표가 매우 중요한 변곡점”이라고 강조했다.
그는 “현재 기여도가 얼마고, 이런 걸 따지기보다는 앞으로 어떤 해결책을 낼까 고민하는 게 가장 효과적인 방법”이라며 “이번 연구결과의 최대 수혜자는 우리나라다. 지금까지는 과거-현재(오염물질의 원인)를 많이들 봤다면 앞으로는 미래(해결책)를 보는 게 공동연구의 주제가 돼야 할 것”이라고 덧붙였다.
국내 초미세먼지 발생 원인과 개선 노력
❶ 국내 초미세먼지 농도 현황
국내 시도별 연평균 초미세먼지(PM2.5) 농도를 국외 선진국 농도 현황과 비교하면 국내 열악한 대기 환경이 쉽게 이해된다(그림 1). 최근 정부가 발표한 ‘미세먼지 관리 종합계획’에서는 2016년 시 · 도별 연평균 초미세먼지 농도를 기준으로 2024년까지 배출량 저감을 통한 초미세먼지 농도 개선을 목표로 세우고 있다. 우리나라 전국 연평균 초미세먼지 농도는 2016년 현재 26㎍/m3이며 시 · 도별로 낮게는 21㎍/m3, 높게는 31㎍/m3까지 차이를 보인다. 그림 1에서 노란색 점선은 우리나라 연평균 대기환경기준인 15㎍/m3를 나타내며 모든 시 · 도에서 해당 기준을 훌쩍 초과한다.
이러한 현실에서 대부분의 시 · 도가 대기환경기준을 만족시키기 위해 절반 가까이 초미세먼지농도를 낮추어야 한다는 점은 실로 부담스러운 일이다. 한편, 세계 보건기구(WHO)의 초미세먼지 농도 권고기준은 이보다 더 낮은 10㎍/m3이며 이를 만족시키기 위해서는 국내 모든 지역에서 60% 이상의 농도 개선이 필요하다. 이에 반해 미국, 영국, 프랑스, 일본의 경우 연평균 농도가 12~14㎍/m3 수준으로 국내에 비해 현격히 낮은 농도를 보인다.
그림 2는 2016~2018년 사이 국내 연평균 초미세먼지 농도 변화와 고농도 발생일을 정리한 것이다. 연평균 초미세먼지 농도는 23.5㎍/m3, 25㎍/m3, 23.3㎍/m3으로 3년 중 2017년의 농도가 가장 높다. 연평균 초미세먼지 농도는 장기적인 노출 수준을 살펴볼 수 있으나 단기적인 급성노출 정도를 알기 위해서는 일평균 초미세먼지 농도를 기준으로 고농도 발생 일수가 많이 이용된다.
초미세먼지 예보 등급에 따라 ‘나쁨’ 수준에 해당하는 35㎍/m3 초과 일수는 1년 중 60일(16%) 이상으로 나타난다. 특히 연평균 농도는 2017년에 가장 높았으나 50㎍/m3 초과 일수는 2018년에 19일로 가장 빈번했다. 이렇게 장기 농도와 단기 농도 발생의 부조화는 초미세먼지 관리에서 무엇을 우선순위로 정할지 고민에 빠지게 한다.
❷ 초미세먼지 구성 성분
공기 중에 떠다니는 미세먼지는 오염원에서 미세먼지 형태로 직접 배출되는 ‘2차 미세먼지’와 오염원으로부터 재료가 되는 물질이 배출된 후 공기 중에서 물리적, 화학적 반응을 통해 미세먼지로 전환되는 ‘2차 미세먼지’로 구분된다(그림 3).
1차 미세먼지는 검댕, 중금속 및 지각 구성 물질이 대표적이며 2차 미세먼지는 황산염, 질산염, 암모늄과 같은 무기성 물질과 유기탄소 등이 포함된다. 미세먼지는 연소나 노천(야외) 소각 등을 통해 발생하기도 하고 황사, 해염 입자, 꽃가루 등 자연적인 오염원으로부터 발생하기도 한다.
그림 4에서 초미세먼지의 주요 구성 성분과 배출원을 확인할 수 있다. 초미세먼지의 구성 성분은 크게 무기성 이온, 유기 탄소, 원소 탄소, 지각 성분, 중금속으로 구분할수 있다. 제시된 바와 같이 자동차, 화력 발전, 산업체, 농축산, 조리 과정, 소각 및 연소, 비산 등 다양한 오염원으로부터 배출된다. 이러한 배출원의 다양성으로 인해 초미세먼지 농도 관리를 특정 배출 부문에 한정할 경우 제한된 농도 개선 효과를 기대할 수밖에 없다.
국내에서 고농도 미세먼지 발생 시 중요해지는 무기성 이온 성분의 경우 전구물질인 황산화물, 질소산화물, 암모니아 등 가스상 오염물질에 의해 생성되는데 이들 전구물질은 산업, 발전, 농업 등 다양한 오염원에서 배출될 수 있다.
유기탄소의 경우에는 석유정제, 화학 공정, 페인트 및 도장, 펄프 염색 같은 유기용제 사용에서 배출되고 식물이나 조리 과정 등에서도 배출될 수 있다. 무기성 이온 성분의 주요 구성 성분인 질삼염(NO3-,Nitrate)은 주로 자동차 등 내연기관과 발전, 산업 등 연소 시 발생하는 질소산화물(NOx, Oxides of Nitrogen)이 산화되어 생성된다. 노후 경유 차량 등 질소산화물 배출이 높은 오염원 관리는 이러한 질산염 생성의 재료가 되는 질소산화물 배출을 억제하기 위함이다.
화석연료인 석탄에있는 황(S) 성분은 연소 시 이산화황(SO2)을 만들며 대기 중으로 배출된 SO2는 산화 과정을 거쳐 황산염(SO42-, Sulfate)을 생성한다. 노후 석탄화력 가동 중지는 SO2 배출을 감소시켜 초미세먼지 농도를 낮추고자 하는 노력이다. 이러한 초미세먼지의 2차 생성 과정은 전구물질에 대한 관리가 필요한 이유다.
❸ 초미세먼지 농도의 계절 변화
국내에서는 초미세먼지 농도가 계절별로 차이를 보인다. 추운 겨울철에는 초미세먼지 농도가 증가하는데 이는 국외 유입 증가와 기상 영향에 의해 대기 확산이 감소되기 때문이다. 이와 반대로 여름에는 초미세먼지 농도가 낮아지며, 이는 북태평양 고기압의 영향으로 깨끗한 공기 유입과 잦은 강우 현상에 의해 초미세먼지 등 대기오염물질이 제거되기 때문이다. 특히 겨울철, 봄철에는 북서 계절풍 영향으로 국외 유입이 높아진다. 이런 계절적 변화 요인을 고려해 지난해 12월부터 지난 3월까지 정부는 미세먼지 계절 관리제를 도입해 사업장 등 주요 오염원에 대한 배출 감소를 유도했다.
이 기간 초미세먼지 농도는 전년 대비 30%가량 감소했는데 여기에는 이상 요인과 함께 배출량 감소가 작용한 것으로 보인다. 배출량 감소 원인에는 계절 관리제 등 미세먼지 관련 대책과 COVID-19와 같은 특수한 상황이 더해진 것으로 추정된다. 다만 올 겨울 동안 국내를 비롯한 동북아 지역에서 이전 대비 배출량 감소 효과는 작지 않았던 것으로 평가된다. 여기에서 주목해야 할 점은 우리의 배출량 저감 노력에 비례해 대기질이 개선될 수 있다는 점이다.
❹ 초미세먼지 농도의 국외 영향
그림 5는 우리나라와 중국에서 초미세먼지 농도가 높게 관측된 날과 비교적 낮게 관측된 날을 비교한 것이다. 먼저 초미세먼지 농도가 높게 관측된 중국 지역을 살펴보면 크게 두 가지 특징이 있다.
첫 번째로 인구가 밀집된 지역을 중심으로 나타난다는 점이다. 대표적으로 중국의 수도인 북경(2,154만)과 중국 서부의 청두(1,658만)가 이에 해당한다. 두 번째로 공장, 발전소 그리고 탄광 등 주요 산업 배출원이 집중된 지역이다.
그림 5에서 나타난 지역은 중국의 북쪽 지역인 흑룡강성과 산둥반도가 공업지역의 영향으로 내륙에 위치한 산시성(山西省)은 밀집되어 있는 석탄광의 영향으로, 높은 오염도를 보인다. 중국 역시 인구가 밀집된 대도시와 산업시설이 모여 있는 공업 지역에서 초미세먼지 농도가 상대적으로 높게 나타나며 이는 국내에서도 유사하다.
최근 중국의 대기 오염도가 많이 개선되었다고는 하나 아직도 국내보다 2배 이상 높다. 이로 인해 중국의 고농도 초미세먼지 발생 시 국내에서도 잇따라 고농도가 발생하는 경우가 많으며 기상 조건에 따라 고농도 기간 및 강도가 달라진다. 결국 배출 저감과 더불어 동북아 지역의 기상 조건이 초미세먼지 발생에 유리한 조건으로 전개될지 여부를 판단하는 것이 필요하다.
❺ 동북아 지역의 초미세먼지 농도 변화 추세
그림 6은 NASA의 MODIS 위성 자료에서 2014년부터 2017년까지 동북아 지역에서 측정된 연평균 초미세먼지 분포를 나타낸 것이다. 위성에서 측정된 광학적 에어로졸 두께(Aerosol Optical Depth, AOD)는 대기 중에 존재하는 입자상 물질의 대리 인자로써 초미세먼지의 공간적 분포를 확인할 수 있다. 이러한 위성 관측은 장기간에 걸쳐 넓은 지역의 대기질 변화를 감시할 수 있다는 점이 장점으로 부각된다.
2014년 연평균 AOD 분포를 살펴보면 중국 산동반도 지역과 BTH(Beijing-Tianjin-Hebei), YRD(Yangtze river delta) 지역에서 측정된 AOD는 1.0 이상으로 황해상까지 0.4 이상의 높은 미세먼지 분포를 보인다. 붉은색으로 나타낸 영역은 그만큼 대기질이 좋지 못하다는 의미이며 이 지역에서의 대기질 개선이 시급함을 나타낸다. 다행스럽게도 동북아 지역의 이러한 고농도 미세먼지 농도는 최근 감소하는 경향을 보인다.
2015년 역시 앞서 언급한 세 지역에서 측정된 AOD는 0.6, 황해상은 0.4 가량으로 낮아졌다. 2016년과 2017년 연평균 에어로졸의 공간분포를 살펴보면 2014년 대비 중국 전 지역에서 50%가량 AOD 값이 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 이를 종합하면 2014년을 기준으로 2015년부터 2017년까지 중국지역의 미세먼지 농도가 매년 감소하는 추세를 확인할 수 있으며 국외 영향을 크게 받는 국내에서의 대기질 개선 역시 기대된다.
❻ 결론 : 에너지 - 기후 - 기상, 그리고 대기오염
최근 들어 평균적인 초미세먼지 농도는 감소하고 있으나 국민들이 자각하고 우려하는 고농도 미세먼지 발생 일수는 이번 겨울을 제외하면 오히려 증가하는 것으로 보인다.
이런 고농도 미세먼지 발생에는 앞서 설명한 바와 같이 다양한 요인이 작용하나 기상적인 요인에서 동북아 지역에서의 풍속 약화를 주목할 필요가 있다. 이러한 풍속 감소의 원인으로 장기적이고 포괄적인 관점에서 기후 변화와 연관 지어 설명되고 있다. 온실가스 배출에 의한 기온 및 해수면 온도 상승이나 엘리뇨 현상, 북극해의 빙하 감소 등 다양한 요소들을 고려할 수 있다.
특히 동북아 지역은 기후변화에 취약하다는 점에서 더 큰 우려를 낳고 있다. 이와 관련하여 온실가스의 배출은 결국 직간접적인 에너지 생산과 소비 과정에서 유발된다는 점을 고려한다면 환경을 위해 우리가 어떻게 현명하게 에너지를 생산하고 소비해야 할지를 고민할 수 있을 것이다. 제한된 공간에서 높은 인구 밀도와 많은 대기오염물질의 배출은 우리가 해결해야 할 당면과제다.
김순태 아주대학교 환경안전공학과 교수