아시아에서 발생하는 대기 오염은 수십 년 동안 증가해왔지만, 하와이는 봄철 바람에 따라 동쪽으로 표류하는 오존 오염을 피해가는 것처럼 보였다.

 

최근 미국 프린스턴 대학(Princeton University) AOS(Program in Atmospheric and Oceanic Sciences) 소속 연구 과학자인 Meiyun Lin이 주도하는 연구진과 미국 해양 대기청(National Oceanic and Atmospheric Administration) 산하 GFDL(Geophysical Fluid Dynamics Laboratory) 소속의 연구진으로 구성된 연구팀은 대기 순환(atmospheric circulation)에서의 변화가 하와이 오존 오염(Hawaiian ozone pollution)의 동향을 설명한다는 것을 새롭게 발견했다.

연구진은 1990년대 중반 이후 대기 순환에서 이러한 이동이 여름철에는 상대적으로 낮지만 가을철에 상당히 상승하여 하와이에 도달하는 아시아 오존 오염(Asian ozone pollution)을 유발한다는 사실을 발견했다. 관련 연구는 Nature Geoscience 저널에 발표됐다.

연구 결과는 미국 표면 오존(surface ozone)의 동향이 증가하는 아시아 배기가스에 기인한다고 평가될 때, 기후에서 10년에 걸친 가변성(decade variability)이 고려되어야만 한다는 점을 암시한다고 Lin은 밝혔다.

 

그녀는 GFDL 소속의 Larry Horowitz와 Songmiao Fan, 콜로라도 대학의 Samuel Oltmans, NOAA 산하 지구 시스템 연구실(Earth System Research Laboratory) 연구진 및 콜롬비아 대학 산하 LDEO(Lamont-Doherty Earth Observatory) 소속의 Arlene Fiore 등과 공동으로 연구를 수행했다.

비록 높은 고도에서 오존이 방어적인 역할을 한다고 하더라도, 지구 표면 근처의 오존(ozone)은 온실가스와 건강을 손상시키는 대기 오염물질이다. 미국에서 수행된 오존에 대한 측정 중 가장 오래된 기록은 하와이에서 1974년으로 거슬러 올라간다.

 

과거 수십 년에 걸쳐, 아시아에서 오존 전구체의 배출은 3배로 증가했지만, 40년 동안 하와이 기록은 봄철에는 오존 수준이 거의 변화가 없지만, 가을철에는 놀랄 정도로 상승한다는 것을 보여주었다.

잠재적인 온실가스와 생물학적 자극물질(biological irritant) 및 대류권 오존은 대기로부터 다수의 유해한 미량 기체(trace gases)를 제거하는 대기 중 수산화기(hydroxyl radical)의 주요 오염원이다. 대류권 오존 수준은 과거 수십 년에 걸쳐 북반구의 중위도 멀리 떨어진 지역에서 봄철에 증가해왔다.

 

이러한 증가는 아시아의 전구체 배출의 증가에 기인한다. 반대로 하와이 마우나 로아 관측소(Mauna Loa Observatory)에서 40년에 걸친 연속적인 측정은 봄철(3월~4월) 동안 대류권 오존의 수준이 거의 변화가 없지만, 가을철(9~10월)에 증가한다는 사실을 규명했다.

이 연구에서 연구진은 화학-기후 모델(chemistry climate model) 시뮬레이션 세트를 이용하여 마우나 로아에서 대류권 오존 수준에서 10년에 걸친 가변성에 대한 대기 순환 유형에서의 10년에 이르는 변화의 기여를 조사했다.

연구를 통하여 Lin과 그녀의 동료 연구진은 이와 관련된 퍼즐을 풀었다. 연구진이 변화하는 바람 유형이 봄철에 하와이에 도달하는 아시아 오염의 증가를 덮어 가렸지만, 가을에서는 변화를 증폭시킨다는 사실을 발견했다고 Lin은 밝혔다.

화학-기후 모델과 관측을 이용하여, Lin과 그녀의 동료 연구진은 대기 순환 유형에서 봄철과 가을철 변화를 추진하는 다른 메커니즘을 밝혀냈다. 연구 결과는 봄철 동안 유라시아에서 하와이로 오존이 풍부한 공기의 흐름이 적도 부근 태평양에서 라니냐(La-Nina) 같은 10년에 걸친 냉각의 결과로 2000년대에 약화됐다는 것을 암시하고 있다.

 

1990년대 중반 이후 PNA(Pacific-North American) 유형이라고 알려진 대기 순환 가변성의 양의 유형(positive pattern), 즉 증가 상태와 일치하기 때문에, 가을철 동안 아시아 오염이 하와이로 보다 더 강력하게 이동했다.

이 연구는 1974년 이후 하와이의 오존 변화의 미스터리를 풀 뿐 아니라, 전 세계적인 표면 오존 수준에서 동향을 해석하는 데 폭넓은 암시를 가진다고 Lin은 밝혔다. 대기 순환에서 특징적인 이동은 변화하는 기후와 오존 전구체의 전 세계 배출이 관여하는 표면 오존 수준의 반응을 이해하는 데 무엇보다 중요하다고 그녀는 밝혔다.

연구진은 대기 순환 유형에서 이러한 변화가 최근 몇 십 년 동안 북부 중위도와 마우나 로아(Mauna Loa)에서 대류권 오존 수준에서 관측된 동향을 조화시킬 수 있다고 제안했다. 연구진은 대기 순환 유형에서 10년에 걸친 가변성(decadal variability)이 전구체 배출에서 인간이 유발한 동향에 대한 대류권 오존 수준의 변화에 기인할 때 고려될 필요가 있다고 제안했다.

 

Air pollution from Asia has been rising for several decades but Hawaii had seemed to escape the ozone pollution that drifts east with the springtime winds. Now a team of researchers has found that shifts in atmospheric circulation explain the trends in Hawaiian ozone pollution.

 

The researchers found that since the mid-1990s, these shifts in atmospheric circulation have caused Asian ozone pollution reaching Hawaii to be relatively low in spring but rise significantly in autumn.

 

The study, led by Meiyun Lin, an associate research scholar in the Program in Atmospheric and Oceanic Sciences (NOAA) at Princeton University and a scientist at the National Oceanic and Atmospheric Administration's Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, was published in Nature Geoscience.

 

"The findings indicate that decade-long variability in climate must be taken into account when attributing U.S. surface ozone trends to rising Asian emissions," Lin said. She conducted the research with Larry Horowitz and Songmiao Fan of GFDL, Samuel Oltmans of the University of Colorado and the NOAA Earth System Research Laboratory in Boulder; and Arlene Fiore of the Lamont-Doherty Earth Observatory at Columbia University.

 

Although protective at high altitudes, ozone near the Earth's surface is a greenhouse gas and a health-damaging air pollutant. The longest record of ozone measurements in the U.S. dates back to 1974 in Hawaii.

 

Over the past few decades, emissions of ozone precursors in Asia has tripled, yet the 40-year Hawaiian record revealed little change in ozone levels during spring, but a surprising rise in autumn.

 

Through their research, Lin and her colleagues solved the puzzle. "We found that changing wind patterns 'hide' the increase in Asian pollution reaching Hawaii in the spring, but amplify the change in the autumn," Lin said.

 

Using chemistry-climate models and observations, Lin and her colleagues uncovered the different mechanisms driving spring versus autumn changes in atmospheric circulation patterns.

 

The findings indicate that the flow of ozone-rich air from Eurasia towards Hawaii during spring weakened in the 2000s as a result of La-Niña-like decadal cooling in the equatorial Pacific Ocean.

 

The stronger transport of Asian pollution to Hawaii during autumn since the mid-1990s corresponds to a positive pattern of atmospheric circulation variability known as the Pacific-North American pattern