미국 환경보호국(EPA; Environmental Protection Agency)에 따르면, 평균 성인은 일일 3,000 갤런의 공기를 들이마신다. 이러한 공기는 인간에게 해를 줄 수도, 신체에 연료를 제공할 수도 있다. 실제로, 흡입하는 특정 대기 오염 물질(air pollutant)은 천식과 같은 증상을 악화시킬 수 있으며, 많은 연구는 수천에 이르는 인구가 대기 오염(air pollution)으로 매년 조기 사망하고 있는 것으로 추정하고 있다.
미국 위스콘신 대학-매디슨 캠퍼스(University of Wisconsin-Madison) 산하 도시 환경 공학 및 대기 해양과학대학 소속의 교수인 Tracey Holloway는 그녀의 연구를 통하여 대기 오염의 매우 실제적인 문제를 솔직하게 다루고 있다.
Holloway는 인간이 호흡하는 공기가 무엇인지, 대기 오염이 전기 사용 및 교통과 같은 인간이 사용하는 에너지에 의해 어떻게 영향을 받는지를 규명하기를 원했다. 그녀는 대중 건강과 보건 정책 모두에 정보를 제공하기 위하여 대기 질(air quality)을 연구했다.
특히, Holloway는 공학에서 기원한 전산 모델(computer model)을 이용하여, 대기 중 건강을 손상시키는 화학물질(health-damaging chemicals)에 초점을 맞추었다. 전산 모델은 공기에서 오염물질을 표현하기 위하여 유체 역학 방정식을 사용했다. 이 모델은 에너지 선택이 공기에 어떻게 영향을 끼치는지를 추정하는 데 도움을 준다. 만약 더 적은 질소산화물(nitrogen oxides)이 자동차로부터 배출된다면, 이것은 특히 도시에서 스모그가 낀 날의 수와 관련이 있다.
그녀의 연구는 if-then 상관관계(일련의 사실들 간의 관계를 나타낸 문장)에 대한 이해를 중심으로 한다. 그녀는 전산 모델이 대기 오염에 대한 비용 효율적이며, 건강에 이득을 초래하는 해결 방안에 대한 정보를 제공할 것이라고 밝혔다.
많은 Holloway의 연구는 다른 에너지 자원이 어떻게 대기 오염에 영향을 끼치는지를 조사했다. 우리가 보다 더 우수한 엔진 또는 발전소를 구축하려고 노력하는 주요 이유는 화석 연료의 연소로부터 유래하는 대기 오염을 낮추는데 있다고 Holloway는 밝혔다.
또 Holloway는 지구 규모에 대하여 대기 오염 이동(air pollution transport)에 초점을 맞추었다. 대기 오염은 국가 또는 주 경계선에서 멈추지 않는다고 Holloway는 밝혔다. 대기 오염이 한 국가에서 다른 국가로 얼마나 많이 이동하는지를 추정하는 것은 전산 모델을 필요로 한다. 예를 들면, Holloway는 이러한 유형의 모델을 이용하여, 중국 또는 미국에서 대기 오염으로부터 벗어날 수 있는지, 지구를 가로질러 대기 오염에 어떻게 영향을 끼치는지를 확인할 수 있다.
Holloway 연구팀이 특히 관심을 가지는 한 분야는 대기 화학을 이해하는데 있어서 더 작은 그리드 박스를 이용하는 고분해능 모델의 가치에 있다. 이러한 모델은 일주일 또는 심지어 달(month) 단위로 컴퓨터를 더 길게 운영할 수 있지만, 미시간 호 연안(Lake Michigan coastline)과 같이 복잡한 지역 또는 도시 대 교외에서 어떤 현상이 일어나는지를 확인할 수 있다.
그리고 때때로, 실제적인 세부 사항을 확인하는 것은 큰 그림을 변화시킬 수 있다. 예를 들면, 유럽으로부터 아시아로의 배기가스 배출이 보다 더 그리드 박스가 큰 분해능이 낮은 모델에서 도시 스모그를 증가시킨다고 제안됐지만, 분해능이 더 높은 모델을 이용하여 계산했을 때, 실제로 도시 스모그가 감소했다는 것을 연구팀은 확인했다. 이러한 결과는 놀라운 것처럼 보이지만, 연구팀은 이러한 현상을 예측하고 있었다. 도시 밖에서, 질소산화물은 오존을 생성하지만, 오염된 도시에서 질소산화물은 오존과 반응할 수 있으며, 실제로 오존을 감소시킨다. 보다 더 분해능이 낮은 모델은 도시 대 비도시 화학에서 차이를 구분할 수 없으며, 따라서 이러한 상황은 연구진이 제안한 고분해능 모델링의 접근의 장점이 될 수 있다.
재판관이 2015년 CSAPR(Cross-State Air Pollution Rule)에 관한 규제를 고려했을 때, Holloway는 주에서 주(state-to-state)로 대기 오염 이동과 관련된 주제에 대하여 미국 연방 대법원에 세부적인 사항을 제출했다. 그녀의 목표는 의사 결정자에게 보다 더 우수한 과학적 정보를 제공하여, 일자리, 비용 및 건강 등의 관점에서 이러한 문제 등을 따져볼 수 있게 하는 데 있다고 Holloway는 밝혔다.
Holloway가 이러한 목표를 달성하는 한 가지 방법은 나사 AQAST(Air Quality Applied Sciences Team) 부회장의 역할을 역임하는 것이다. 연구팀은 대기 질 관리를 위하여 나사의 개선된 제품을 만드는 연구를 수행했다. 특히 나사의 인공위성은 대기에서 이산화질소와 같이 육안으로 볼 수 없는 특정 화학물질을 확인하는 위대한 방법이라고 Holloway는 밝혔다.
주로 에너지 공급원으로부터 유래하는 우리가 육안으로 볼 수 없는 이러한 오염물질에 대하여 짤막한 정보를 확보하는 것은 놀라운 자원이라고 Holloways는 밝혔다. 인공위성을 통하여 매일 전 세계를 관측할 수 있다고 Holloways는 덧붙였다.
공학자들은 대기 오염을 낮추는데 중요한 역할을 하고 있다. 공학은 문제를 해결하는 과학적 도구이며, 실생활에서 발생하는 문제를 생각 및 적용할 수 있게 해준다. 대기 질은 실생활 문제이며, 다학제간 공학의 넓은 범위와 연관을 가지는 문제로, 공학 분야의 학생들이 대기 질에 관심을 가짐으로써, 보다 더 청정한 엔진, 청정한 대기 및 더 건강한 지역 사회를 구현하는데 기여하는 방안에 대하여 논의를 할 수 있을 것이다.
그림1> 2005년과 2011년 뉴욕에서 이산화질소 수준의 감소를 보여주는 나사 인공위성 이미지
그림2> 2005년과 2011년 시카고에서 이산화질소 수준의 감소를 보여주는 나사 인공위성 이미지
According to the Environmental Protection Agency (EPA), the average adult breathes 3,000 gallons of air per day—yet the same air that fuels our bodies also can harm them. In fact, inhaling certain air pollutants can worsen conditions such as asthma, and studies estimate that thousands of people die prematurely each year due to air pollution.
Tracey Holloway, a University of Wisconsin-Madison professor with appointments in the Nelson Institute for Environmental Studies, civil and environmental engineering, and atmospheric and oceanic sciences, is tackling the very real problem of air pollution through her research and teaching at UW-Madison.
"I want to understand what is in the air we breathe and how is air pollution affected by energy uses, such as electricity use and transportation," Holloway says. "I study
air quality to inform both public health and public policy."
In particular, Holloway focuses on health-damaging chemicals in the air, using computer models that have roots in engineering. The models use fluid dynamics equations to represent pollutants in the air. "The models help us estimate how energy choices affect the air. Like, if fewer nitrogen oxides were being emitted from cars, what would that mean for the number of smoggy days in a particular city," Holloway says.
Her work revolves around understanding "if-then" relationships. She says computer models help inform cost-effective and health-beneficial solutions to air pollution.
Much of Holloway's work examines how different energy sources affect air pollution. "A major reason we are trying to build better engines or power plants is to reduce the air pollution that comes from burning fossil fuels," Holloway says. "It's a natural fit to have someone like me, who is studying what is in the air and how it got there, along with engineers who are trying to build a cleaner engine or build a more efficient power system."
Holloway also focuses on air pollution transport on a global scale. "Air pollution does not stop at national or state borders," Holloway says. "Estimating how much air pollution is going from one country to another requires computer models. A measurement of what is in the air doesn't tell us where the pollution came from or where it's going."
For instance, Holloway says that with these types of models, she could "turn off" air pollution in China or the United States and see how it affects air pollution across the globe.
One area of particular interest to Holloway's research team is the value of high-resolution models (with smaller grid-boxes) in understanding air chemistry. These models take longer to run on a computer—weeks or even month—but it can be worthwhile to see what is happening in cities versus suburbs, or in complex regions like the Lake Michigan coastline.
And sometimes, seeing the details really can change the big picture. For example, Holloway's team found that emissions from Europe to Asia increased urban smog in coarser resolution (bigger grid boxes) models, but actually decreased urban smog when calculated with a higher-resolution model. While it seems surprising, Holloway says this is just what her team expected. "Cities have a lot of pollution, so the air chemistry is different than in cleaner areas. Outside of cities, nitrogen oxide creates ozone, but in polluted cities, nitrogen oxide can react with the ozone and actually reduce it. Coarser models can't resolve the difference in urban versus non-urban chemistry, so this is a strength of our high-resolution modeling approach."
Holloway submitted an amicus curiae ("friend of the court") brief to the United States Supreme Court on the topic of state-to-state air pollution transport, when justices were considering rules about the Cross-State Air Pollution Rule in 2015. "My goal is to get better scientific information into the hands of decision makers so that they can be weighing these issues in terms of jobs, cost and health in light of the best information possible," Holloway says.
One way Holloway achieves this is through her role as deputy director for the NASA Air Quality Applied Sciences Team (AQAST). The team works to make NASA's advanced products relevant for air quality management. In particular, Holloway says NASA's satellites are a great way to see certain chemicals in the air, especially those not visible to the naked eye, such as nitrogen dioxide.
"It is an amazing resource to have a snapshot of this pollutant that we can't see with our eyes but comes from all these major energy sources. We can see it over the whole world every single day through these satellites," Holloways says.
For Holloway, engineers are major players in reducing air pollution. "Engineering is taking scientific tools and ways of thinking and applying them to real-world problems," Holloway says. "Air quality is a real-world problem. It is a problem that links across a wide range of engineering disciplines and pretty much any engineering student with an interest in air quality can leverage his or her background to contribute to the discussion on making cleaner engines, cleaner air and healthier communities."
Holloway also loves being part of a university that has so many strong programs.
"I think we are lucky that UW-Madison has such a great engineering program, but also that we have so many programs that are key to real-world problem-solving from communication to agricultural systems to science and weather," Holloway says. "I think we are at a place where we can make a tangible difference
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