최근 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)에 발표된 연구에 따르면 늦은 봄과 라니냐(La Niña) 기간에 높은 오존농도는 강한 관련이 있다고 한다. 이같은 결과는 미국 해양대기국(NOAA) 지구물리학 유체역학 연구소(Geophysical Fluid Dynamics Laboratory)에 활동하는 메이윤 린(Meiyun Lin)과 협력연구소인 프린스턴 대학교(Princeton University) 연구소가 수행한 연구를 통해 밝혀졌다.
이 관련성을 인식함으로써 몇 달 앞서 오존농도를 예보할 수 있으며 공공 교육을 개선해 보건위험이 저감될 것이다. 또한 오존 이벤트를 추적하는 미국 서부 대기질 관리자에게도 도움을 주기 때문에 국가 오존대기기준을 달성하는 것과도 관련이 있다. 오존에 노출되는 것은 보건에 유해하기 때문에 호흡, 기침, 인후염, 천식 문제를 일으키고 민감한 식물에 손상을 줄 수 있다.
린은“ 성층권 오존은 지표면으로부터 10~48킬로미터 상공에 있으며 대개 성층권에 머무른다”고 말하면서 “그러나 라니냐 겨울이 지난 어느 늦은 봄날에는 오존이 뒤따르는데, 이 현상은 극지 제트기류가 미국 서부로 굽이쳐 흘러 사람이 살고 있는 지면으로 성층권 오존 침입을 용이하게 할 때 발생한다”고 전했다.
지난 20년 동안 3번의 라니냐 이벤트가 1998~1999년, 2007~2008년과 2010~2011년에 있었다. 연구자들은 이 이벤트가 있은 후 늦은 봄 미국 서부의 고지대에서 2~3일 정도 지표면 오존 농도가 급격히 높아지는 것을 관찰했다.
대개 높은 농도의 오존이 무더운 여름날 발생하는 동안, 미국 서부 지역 고지대에는 높은 수준의 다른 오존 원천이 늦은 봄에 발생하는데 그 시기는 자동차와 발전소에서 배출되는 오염물질이 지역적인 오존 오염을 형성할 때이다. 요즘에는 성층권 오존의 하부 전달과 관련된 차고 강한 건조공기 돌풍이 이 지역 공동체에 위험을 주고 있다.
린과 그녀의 동료들은 이러한 성층권 오존이 깊게 침투하면 지표면 오존 농도에 20~40ppb까지 첨가할 수 있는데, 이 수치는 미국 환경보호국(Environmental Protection Agency)이 설정한 기준을 초과하며 필요한 오존의 절반 이상이 될 수 있다. 환경보호국은 오존을 엄격하게 제안해 현재 기준은 75ppb이며 8시간 평균은 65~70ppb이다
청정대기법(Clean Air Act) 하에서 성층권 오존이 침투하는 현상은 미국 환경보호국의 달성 기준에 포함되지 않는 예외적인 이벤트로 분류된다. 미국의 국가 기준이 더욱 엄격해지면서 상대적으로 성층권 침투의 중요성이 상대적으로 높아지며, 인위적인 배출오염물질이 오존오염에 기여하는 정도는 상대적으로 낮아질 수 있다.
논문의 공동저자인 콜롬비아 대학교(Columbia University) 대기과학자 알린 피요레(Arlene Fiore)는 “오존 이벤트를 겪은 이 지역이 미국환경보호국 표준을 달성하는지 여부와 관계없이 사람들은 그곳에서 살고 있으며, 높은 오존농도를 예측하면 유해한 보건 영향을 최소화하는 공공 교육이 시행될지도 모른다”고 말했다.
또한 성층권 오존의 침투가 언제, 어느 곳에서 발생하는지를 예측하면 대기 센서를 배치하는 시간을 알 수 있는데, 그로 인해 지표면의 오존이 자연적으로 발생하는 침투에 얼마나 기여하고 인위적인 배출물은 얼마나 기여하는지를 보여주는 증거를 얻을 수 있다.
이번 연구에는 해양대기국 연구소와 콜로라도대학교 볼더 캠퍼스(University of Colorado Boulder), 프린스턴에 소재한 협력 연구소, 미국과 캐나다, 호주 학회의 협동 학회 과학자들이 참가했다. 미국 미국 항공대기국 대기질 응용과학팀(NASA Air Quality Applied Sciences Team)의 지원도 받았는데, 이들은 대기질 관리 요구를 만족시키는데 도움이 되는 지구과학데이터를 응용하는 역할을 하고 있다.
해양대기국 지구시스템 연구소(Earth System Research Laboratory)의 대기과학자인 앤드류 랑포드(Andrew Langford)는 “이번 연구는 관측과 화학-기후 모델링을 통합해 봄에 발생하는 미국 서부의 고농도 오존 이벤트에 기여하는 프로세스를 이해하는 데 도움을 줄 것”이라고 말했다. 이어 “우리는 성층권에서 유해자외선으로부터 지구를 보호하는 좋은 오존에 대한 이야기도 듣고 지표면에 있는 나쁜 오존에 대해서도 이야기를 듣고 있다”면서 “이번 연구는 좋은 오존을 나쁘게 만드는 인자를 보여준다”고 말했다.
<참조> Meiyun Lin, Arlene M. Fiore, Larry W. Horowitz, Andrew O. Langford, Samuel J. Oltmans, David Tarasick, Harald E. Rieder. Climate variability modulates western US ozone air quality in spring via deep stratospheric intrusions. Nature Communications, 2015; 6: 7105 DOI: 10.1038/ncomms8105
New research will help forecast bad ozone days over the Western US
New research published in Nature Communications led by Meiyun Lin of NOAA's Geophysical Fluid Dynamics Laboratory and NOAA's cooperative institute at Princeton University, reveals a strong connection between high ozone days in the western U.S. during late spring and La Niña, an ocean-atmosphere phenomena that affects global weather patterns.
Recognizing this link offers an opportunity to forecast ozone several months in advance, which could improve public education to reduce health effects. It would also help western U.S. air quality managers prepare to track these events, which can have implications for attaining the national ozone standard.
Exposure to ozone is harmful to human health, can cause breathing difficulty, coughing, scratchy and sore throats, and asthma attacks, and can damage sensitive plants.
"Ozone in the stratosphere, located 6 to 30 miles (10 to 48 kilometers) above the ground, typically stays in the stratosphere," said Lin. "But not on some days in late spring following a strong La Niña winter. That's when the polar jet stream meanders southward over the western U.S. and facilitates intrusions of stratospheric ozone to ground level where people live."
Over the last two decades, there have been three La Niña events -- 1998-1999, 2007-2008 and 2010-2011. After these events, scientists saw spikes in ground level ozone for periods of two to three days at a time during late spring in high altitude locations of the U.S. West.
While high ozone typically occurs on muggy summer days when pollution from cars and power plants fuels the formation of regional ozone pollution, high-altitude regions of the U.S. West sometimes have a different source of high ozone levels in late spring. On these days, strong gusts of cold dry air associated with downward transport of ozone from the stratosphere pose a risk to these communities.
Lin and her colleagues found that these deep intrusions of stratospheric ozone could add 20 to 40 parts per billion of ozone to the ground-level ozone concentration, which can provide over half the ozone needed to exceed the standard set by the U.S. Environmental Protection Agency. The EPA has proposed tightening that standard currently set at 75 parts per billion for an eight-hour average to between 65 and 70 parts per billion.
Under the Clean Air Act, these deep stratospheric ozone intrusions can be classified as "exceptional events" that are not counted towards EPA attainment determinations. As our national ozone standard becomes more stringent, the relative importance of these stratospheric intrusions grows, leaving less room for human-caused emissions to contribute to ozone pollution prior to exceeding the level set by the U.S. EPA.
"Regardless of whether these events count towards non-attainment, people are living in these regions and the possibility of predicting a high-ozone season might allow for public education to minimize adverse health effects," said Arlene Fiore, an atmospheric scientist at Columbia University and a co-author of the research.
Predicting where and when stratospheric ozone intrusions may occur would also provide time to deploy air sensors to obtain evidence as to how much of ground-level ozone can be attributed to these naturally occurring intrusions and how much is due to human-caused emissions.
The study involved collaboration across two NOAA laboratories, NOAA's cooperative institutes at Princeton and the University of Colorado Boulder, and scientists at partner institutions in the U.S., Canada and Austria. It was also supported in part by the NASA Air Quality Applied Sciences Team whose mission is to apply earth science data to help address air quality management needs.
"This study brings together observations and chemistry-climate modeling to help understand the processes that contribute to springtime high-ozone events in the western U.S.," said Andrew Langford, an atmospheric scientist at NOAA's Earth System Research Laboratory in Boulder, Colorado, whose teams measure ozone concentrations using lidar and balloon-borne sensors.
"You've heard about good ozone, the kind found high in the stratosphere that protects Earth from harmful ultraviolet radiation," said Langford. "And you've heard about bad ozone at ground level. This study looks at the factors that cause good ozone to go bad."
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