[미국] 산불에 의한 온난화 예측을 개선하는 연소 메커니즘의 규명
미국 로스앨러모스 국립 연구소(Los Alamos National Laboratory), 카네기 멜론 대학(Carnegie Mellon University) 및 몬태나 대학(University of Montana) 소속의 연구진으로 구성된 협력 연구팀은 산불(wildfires)로부터 소위 브라운 카본(brown carbon)이라고 불리는 대기 중 입자의 중요한 속성을 규명했다. 브라운 카본은 물질의 온난화 효과(warming effect)를 고려하는데 실패한 현재 기후 모델에 영향을 끼칠 수 있다. 연구진이 수행한 관련 연구는 Nature Geosciences 저널에 게재됐다.
바이오매스 연소와 산불은 인간에 독성을 초래하고, 기후를 온난하게 하거나 냉각시킬 수 있는 미세 입자(fine particulate)를 배출한다. 미세 입자의 독성이 확실한 반면, 미세 입자의 특이한 기후 효과는 규명되지 않은 채로 남아 있으며, 관심이 집중되는 주제 분야라고 로스앨러모스 국립 연구소 소속의 기후 과학자인 Manvendra Dubey는 밝혔다. 산불에서 발생하는 연기는 지구의 블랙 카본(black carbon)의 약 1/3을 차지하는 것으로 추산된다. 블랙 카본은 거대한 화염을 동반한 화재와 관련이 있는 유사한 까맣게 탄 입자(charred particle)라 할 수 있다. 블랙 카본이 탄소로만 구성되어 상대적으로 단순한 반면, 브라운 카본은 복잡한 유기 재료의 혼합물을 포함하고 있어 규명, 특성화 및 모형화 등을 수행하는데 어려움이 따른다.
모든 파장에서 일광을 흡수하는 블랙 카본 또는 매연(soot)은 잘 알려진 강력한 온난화 요인이다. 블랙 카본과 짝을 이루는 유기 탄소(organic carbon)는 화재로 블랙 카본과 동시에 배출되고, 일광을 반사하여 기후를 냉각시킬 수 있다. 이러한 두 가지 상반되는 효과는 상대 효과를 상쇄시켜, 산불이 기후에 작은 순 효과(net effect)를 가지는 것으로 예측하는 현재의 기후 모델이 생성됐다. 그러나 브라운 카본이라고 불리는 세 번째 형태의 배출이 화재 배기가스 혼합물에 존재하며, 브라운 카본은 짧은 파란색 파장에서 일광을 흡수한다.
이 연구는 브라운 카본이 블랙 카본과 일반적인 생성 메커니즘을 공유한다는 것을 발견했다. 브라운 카본의 광학적 특성(optical property)과 휘발성(volatility)은 가변성이 매우 높으며 복잡하고, 현재의 모델에서 실현 가능한 체계적 처리가 없다. 실제로, 더욱 곤란한 것은 유기 탄소로 브라운 카본을 처리하는 수많은 모델이 이중고를 겪고 있다는 점이다. 왜냐하면 이러한 모델들이 실제로는 온난화 입자에 대하여 냉각 효과를 일으키는 것으로 계산하기 때문이라고 Dubey는 밝혔다. 분명한 것은 모델이 현재와 미래에 화재의 온난화 효과(warming effect)를 상당히 과소평가할 수 있다는 점이라고 Dubey는 지적했다.
당신은 브라운 카본을 나무가 모든 방법으로 완전히 가열될 때 만들어지는 파쇄된 블랙 카본이라고 부를 수 있을 것이라고 Dubey는 밝혔다. 브라운 카본은 블랙 카본과 유사하게 대기를 온난화시킨다. 그러나 산불 연기에서 브라운 카본의 실제적인 만연은 상당한 의문으로 남는다. 이 연구는 모델에서 모든 흡수된 화재 입자를 단순하게 처리하는 방안을 제공하고, 기후 예측을 개선함으로써 이러한 질문에 해답을 줄 수 있다.
Dubey, Allison Aiken 및 Shang Liu 등을 포함한 로스앨러모스 연구팀은 전 세계적으로 중요한 연료에 의해 배출되는 입자의 광학적 특성에 대한 제어된 실험실 실험을 수행했다. 연구팀은 휘발성 성분을 제거하기 위하여 가열하여 입자를 세심하게 조작했으며, 이후 광학적 특성에서의 변화를 모니터링했다. 분석은 다루기 힘든 블랙 카본과 유사하게 전 세계로 수송되는 최소의 휘발성 부분이 휘발성 부분보다 훨씬 더 많은 일광을 흡수한다는 것을 밝혀냈다.
이러한 연구 결과는 미국 에너지부(DOE; Department of Energy)의 대기 시스템 연구(ASR; Atmospheric System Research)에 의해 우선적으로 처리되어야 할 연구 분야로 브라운 카본 에어로졸의 전체적 중요성을 수립했다. 연구팀의 발견은 이러한 유실된 온난화 시약인 브라운 카본이 에너지부의 기후 모델에서 얼마나 효과적으로 처리될 수 있는지를 보여주었다고 Dubey는 밝혔다.
세 개 기관 연구팀은 실험가, 각각 다른 언어를 이해하는 모델 구축자 등이 포함됐다. 실험가는 모델 구축자가 무엇을 필요로 하는지 알고 있으며, 실험적 디자인을 염두에 두고 있다고 카네기 멜론 대학 박사 후 연구원이며, 이 연구를 주도하는 사람 중 한 사람인 Rawad Saleh는 지적했다.
미국 에너지부의 대기 시스템 연구 프로그램이 로스앨러모스 연구를 후원했다.
Scientists uncover combustion mechanism to better predict warming by wildfires
Scientists have uncovered key attributes of so-called “brown carbon” from wildfires, airborne atmospheric particles that may have influenced current climate models that failed to take the material’s warming effects into account. The work was described by a collaborative team of researchers from Los Alamos National Laboratory, Carnegie Mellon University and the University of Montana in the journal Nature Geosciences this week.
“Biomass burning and wildfires emit fine particulates that are toxic to humans and can warm or cool climate. While their toxicity is certain, their specific climatic effects remain unclear and are a hot research topic,” said Manvendra Dubey, a senior Los Alamos climate scientist. “Smoke from wildfires accounts for one-third of the Earth’s ‘black’ carbon — the familiar charred particles that are associated with fires with large flames. While black carbon is relatively simple — solely consisting of carbon — brown carbon contains a complex soup of organic material, making it difficult to identify, characterize and model.”
Black carbon or soot that absorbs sunlight at all wavelengths is a well-known, potent warmer. Its twin, organic carbon co-emitted by fires, reflects sunlight and so can cool the climate. These two opposing effects cancel each other out, causing current climate models to predict that wildfires have a small net effect on climate. However, there is a third form of emission, called brown carbon, that absorbs sunlight at short blue wavelengths that is also in the soup of fire emissions.
The study discovered that brown carbon shares a common production mechanism with black carbon. Brown carbon’s optical properties and volatility are highly variable and complex and no systematic treatment has been feasible in current models. In fact “what makes matters worse is many models treat brown carbon as organic carbon, a double whammy since they are computing a cooling effect for what is actually a warming particle,” said Dubey. Clearly, he said, models could be significantly under-estimating warming effect of fires both now and in the future.
“You might call brown carbon frustrated black carbon that is made when the wood isn’t fully cooked all the way,” said Dubey. Brown carbon warms the atmosphere similarly to black carbon, but the actual prevalence of brown carbon in wildfire smoke has been a large question mark. This study should answer this by providing a simple treatment of all absorbing fire particles in models and improve climate predictions.
The Los Alamos team of Dubey, Allison Aiken and Shang Liu performed controlled laboratory experiments of the optical properties of particles emitted by globally important fuels. They carefully manipulated the particles by heating to remove the volatile components and then monitored changes in optical properties. Analysis revealed that the least volatile fraction, that is most likely to be transported globally similar to refractory black carbon, is much more light absorbing than the volatile fraction.
This finding clearly establishes the “global significance of brown carbon aerosol, a research area prioritized by DOE’s Atmospheric System Research (ASR) program, and our discovery shows how this missing warming agent can be effectively treated in DOE’s climate models” said Dubey.
The three-institution research team included both experimentalists and modelers who understand each other’s languages and the experimentalists, know what the modelers need, and had this in mind for the experimental design, noted Rawad Saleh, a postdoctoral researcher at Carnegie Mellon and one of the leads on the study.
The U.S. Department of Energy’s Atmospheric System Research Program funded the Los Alamos research.
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