초미세먼지 문제 전반적인 연구

1. 서 론

초미세먼지 문제는 국민들의 큰 관심사이다. 초미세먼지와 관련하여 많은 정보들이 여러 곳에서 제공되고 있다. 5대 신문사의 미세먼지 관련 기사 건수가 2013년 4분기부터 예년에 비해 4.5배 정도로 폭발적으로 증가하였다 (Kim et al., 2015b).

그러나 언론에서는 중국의 영향이 미세먼지 농도의 주원인으로 강조하며 개인적 대응을 강조하였고, 미세먼지 문제를 해결하기 위한 제품 홍보도 계속되어 많은 국민들이 불안해하고 있다 (Kim et al., 2015a, b). 또한 Kim et al. (2016b)에 의하면 일반인은 미세먼지 위험에 대해 주관적이면서도 유해성에 대한 인식이 위해성을 과대 및 과소평가하는 양극화 정도가 전문가와 차이가 큰 것으로 나타나, 일반 국민들에 대한 미세먼지 정보 제공이 그다지 효과적이지 않았음을 보여주고 있다.

특히 2016년 봄에는 경유 가격, 경유자동차가 배출하는 오염물질의 종류와 양, 석탄 화력발전소의 영향, 고기구이나 생선구이 문제, 외부로부터의 이동 등 많은 정보가 산발적으로, 그리고 단편적으로 언론에서 제공되고 있다. 더구나 어떤 정보가 보도되면, 그에 대한 반대의 논리를 담고 있는 정보가 보도되는 경우도 있었다.

이들 정보 하나하나가 중요하기는 하지만, 국민들을 오히려 혼란에 빠뜨리고 있고, 국민들은 더 불안해하고 있다. 구체적으로는 어떤 정보가 믿을만한 것인지, 그 정보가 맞는다면 나와 내 가족은 어떻게 행동해야 초미세먼지 영향을 덜 받을 수 있는지, 지금까지 정부에서는 이런 오염물질 배출을 줄이기 위해 아무 대책도 시행하지 않았던 것인지 등에 대한 신뢰할 수 있는 정보를 원하고 있다.

정부에서는 2013년 12월에 미세먼지 종합대책을 수립하여 시행하고 있다 (KLRI, 2015). 이 대책은

(1) 미세먼지 예보제 확대 및 경보제 실시, (2) 한중일 국제협력 강화, (3) 친환경자동차 보급 확대, 제작차 배출허용기준 단계적 강화, 교통수요 관리 강화, (4) 사업장 배출허용기준 강화, 대기오염물질 총량관리 강화, NOx 저배출 보일러 등 교체 지원, (5) 오염측정망 확충 등의 내용을 담고 있다.

종합대책은 미세먼지 오염 저감을 위한 다양한 정책방향을 종합적으로 포괄하여 제시하고 있지만, 사업장 관리 외에는 대체로 구체성이 떨어지는 지원 강화, 협력 강화 등을 주요 내용으로 하고 있어 실질적인 미세먼지 오염 저감에 도움이 될 수 있을지 의문이라는 평가이다 (KLRI, 2015).

또한 종합대책의 세부적인 내용은 비슷한 시기에 발표된 2차 수도권 대기환경관리 기본계획과 대동소이한 것으로 보인다는 평가이다 (KLRI, 2015).수도권 대기환경관리 기본계획 (기본계획)은 우리나라 인구의 절반 정도가 살고 있는 수도권의 대기오염을 저감하기 위해 수립, 시행된 계획이다.

지난 2005년부터 10년간 3조원이 넘는 예산을 투입하여 수도권의 미세먼지와 이산화질소 농도를 줄이기 위한 정책 (1차 기본계획)을 시행하여왔고 (MOE, 2005), 2015년부터 10년간 2차 기본계획을 시행하여 4조5천억원이 넘는 예산을 투입해 미세먼지, 이산화질소와 함께 초미세먼지와 오존 농도를 줄이는 정책을 펴고 있다 (MOE, 2013). 기본계획은 미세먼지 종합대책과 비슷하게 천연가스 버스 도입, 경유자동차의 제어장치 부착, 사업장 대기오염물질 총량관리제 (배출권 거래제 포함), 노후 차량 조기폐차, 도로 청소 등 다양한 대책이 있다 (MOE, 2013).

그러나 1차 기본계획의 효과가 어느 정도인지는 아직 확실하지 않고 (Han et al., 2017), 목표와 시행 방법의 불일치성과 과학적 이해의 불확실성에 대해 지적을 받았다 (BAI, 2015, 2008).2016년 6월 정부에서는 국민의 불안을 해소하기 위해 범부처적으로 미세먼지 관리 특별대책을 발표하고, 이의 실효성을 확보하기 위해 국가전략프로젝트의 하나로 ‘과학기술기반 (초)미세먼지 솔루션 개발 사업’을 기획하고 있다 (MASC, 2016).

그러나 한 여론조사에 의하면 국민의 75%가 정부의 미세먼지 대책에 불만인 것으로 나타났다. 이는 정부가 (초)미세먼지와 관련하여 국민과의 소통에서 성공적이지 않았다는 것을 뜻한다. 환경문제는 환경오염을 최소화하는 것이 중요하지만, 이와 함께 중요시되는 것은 국민의 불안을 최소화하는 것이다.

초미세먼지를 포함한 대기환경 문제는 국민이 걱정하고 개인적으로 대처할 수 있는 부분은 작다. 이 문제는 정부가 종합적으로 문제를 파악하여, 대책을 세우고 개선하여야 할 문제이다.

1) 초미세먼지의 주요 배출

생성원초미세먼지 (PM2.5)와 미세먼지 (PM10)는 각각 공기역학적 지름이 2.5 μm, 10 μm 이하의 먼지를 의미한다. 대기오염물질은 발생원에서 직접 배출되는 1차 대기오염물질과 대기에서 반응하여 생성되는 2차 대기오염물질로 구분된다. 일반적으로 지름이 2.5 μm보다 큰 먼지는 마찰 등의 기계적인 기작에 의해 생긴다고 알려져 있다.

황사나 공사장에서 날리는 흙먼지, 자동차 브레이크 마모 먼지가 대표적인 예이다. 이들은 모두 1차 대기오염물질이다. 지름이 2.5 μm보다 작은 먼지는 이와는 다르게 일반적으로 화학반응에 의해 생긴다고 알려져 있다 (Seinfeld and Pandis, 2016). 경유자동차 엔진 연소에서 생기는 검댕 (1차 대기오염물질)이나 대기에서 기체상 황산화물이 반응해서 생기는 황산염 입자 (2차 대기오염물질)가 대표적인 예이다.

대기의 탄소 성분은 크게 원소상탄소 (Elemental Carbon, EC)와 유기탄소 (Organic Carbon, OC), 탄산염으로 나눌 수 있다. 원소상탄소의 대표적인 예가 검댕이며, 이는 1차 대기오염물질이다. 유기탄소는 직접 배출되는 성분 (Primary Organic Aerosol, POA)과 대기에서의 화학반응에 의해 생기는 성분 (Secondary Organic Aerosol, SOA)으로 구분된다.

대기에서의 반응에 의해 생기는 초미세먼지 주요 성분과 반응물질 (전구물질)은 다음과 같다.황산화물 (SO2) +산화제 → 황산염 (SO4-2)이산화질소 (NO2) +산화제 → 질산염 (NO3-) 질소산화물+휘발성유기화합물+산화제 → 2차 유기 에어로졸 (SOA, Secondary Organic Aerosol) 암모니아 (NH3) +산성 먼지 (황산염, 질산염 먼지 등) → 암모늄 (NH4+)미세먼지와 초미세먼지는 1차 대기오염물질과 2차 대기오염물질로 구성되어 있으며, 특히 고농도사례에서는 2차 대기오염물질의 비중이 높다 (Kim and Yeo, 2013). 따라서 대기의 초미세먼지 농도를 줄이기 위해서는 초미세먼지의 배출뿐만 아니라 이를 생성하는 전구물질의 배출도 같이 줄여야 한다.

예를 들어 2014년 2월 서울에서 스모그가 끼었던 기간과 그렇지 않은 기간의 초미세먼지 농도와 화학조성을 비교하면 그림 1과 같다 (원의 면적은 질량농도에 비례하여 그렸음). 고농도 사례 때 질량 농도도 크게 증가하지만, 전구물질의 화학반응에 의해 생성된 황산염, 질산염, 암모늄 무기이온 농도가 크게 증가했고 OC의 상당 부분도 SOA일 것으로 예상된다.

2)  초미세먼지 영향

초미세먼지는 주로 인체 위해성이 큰 것으로 알려져 있다. 초미세먼지 농도와 호흡기, 심혈관계 질병과 사망률에 대해서는 여러 연구가 진행되었다. Pope and Dockery (2006)는 미국에서 수행된 (초)미세먼지 농도와 여러 질병과 사망률 사이의 연구결과를 종합하여 분석, 검토하여 그 영향이 어느 정도인지를 보였다.

우리나라에서도 초미세먼지 농도와 인체 위해성의 상관관계에 대한 연구가 진행되고 있다 (MSIP, 2016).초미세먼지의 인체 위해성 연구에서 중요한 문제는 초미세먼지의 화학조성이 위해성에 영향을 주는 것인가 하는 것이다. 이는 초미세먼지 저감 정책의 우선순위 설정과 연관되는 문제이다.

예를 들어 어떤 배출원에서 초미세먼지 배출량은 많지만, 위해성이 상대적으로 낮은 성분의 초미세먼지인 경우 배출량은 적지만 위해성이 상대적으로 큰 배출원에 비해 저감 우선순위가 떨어질 수도 있는 것이다.대기 중 초미세먼지의 화학적 조성 및 발생원에 따른 인체 위해성 평가 연구 결과는 2000년대부터 발표되기 시작하였다.

Laden et al. (2000)은 초미세먼지의 화학적 성분에 따라 인체 위해의 정도가 다르다는 연구결과를 발표하였다. 이들은 1979년부터 1988년까지 미국 6대 도시에서 사망한 거주자를 대상으로 초미세먼지 발생원별 노출과 총 사망, 허혈성심질환 사망, 폐렴 사망 및 만성폐쇄성심질환으로 인한 사망과의 관련성을 분석하였다. 연구 결과 자동차로부터 배출된 초미세먼지 10 μg/m3 증가는 3.4%의 일별 사망 증가와 관련이 있고, 석탄 연소에서 배출된 경우 1.1%의 일별 사망 증가와 관련이 있으나, 흙먼지의 경우는 사망률 증가와 관련이 없음을 보여주었다.

이 연구 이후 대기 초미세먼지의 화학적 조성 및 발생원에 따른 건강영향에 대한 연구들이 다수의 지역에서 수행되기 시작하였다 (NIER, 2009). Ito et al. (2006)은 1988년부터 1997년까지 미국 워싱턴주 워싱턴 DC에서 사망한 거주자 약 2백 4십만 명을 대상으로 초미세먼지 발생원별 노출에 따른 총 사망 및 심혈관계 사망률을 분석하였다.

그 결과 초미세먼지의 황산염 성분과 석탄 연소에서 배출된 성분이 통계적으로 유의하게 사망률을 증가시키는 것으로 나타났다. 이 외에도 여러 연구 결과 황산염과 도로이동오염원에서의 배출 성분이 인체 위해성이 있는 것으로 나타났다 (Maynard et al., 2007; Mar et al., 2006).우리나라에서도 초미세먼지가 인체에 미치는 연구가 2000년대 중반부터 연구되고 있으나 (Heo, 2010), 최근에 들어서야 활발히 연구되고 있어 아직 선진국에 비해서는 연구 결과가 많지 않은 편이다.

한 예로 Bae (2014)는 서울시의 미세먼지와 초미세먼지 단기 노출로 인한 전체원인 및 심혈관계 사망영향을 통계적으로 조사하여 농도 증가가 초과사망발생위험을 통계적으로 유의하게 높인 것을 파악하였다 (농도 10 μg/m3 증가 시 미세먼지와 초미세먼지는 전체 원인을 각각 0.44%, 0.95% 증가시키고, 심혈관계 사망영향을 각각 0.76%, 1.63% 증가시키는 것으로 나타났다).최근 정부차원에서 장기적인 영향평가를 위한 연구를 본격적으로 수행하고 있다.

2012년부터 환경부와 식약처에서 학령전기 및 학령기 환경노출로 인한 건강영향을 평가하기 위해 수도권에서 700명 규모의 추적연구인 ‘환경과 어린이 발달 코호트 (EDC)’를 활용하여 역학조사 연구를 수행하고 있고, 2016년부터 환경부에서 전국적으로 5,000명 규모로 수행 중인 ‘어린이 환경보건 출생 코호트 (Ko-CHENS)’ 연구가 진행되고 있다 (MSIP, 2016).

우리나라의 대기환경 정책은 주로 연료 전환과 배출허용기준 강화를 통한 대기오염물질 배출 저감 정책을 활용하였다. 이 정책은 1차 대기오염물질을 효과적으로 저감하였다.

그러나 초미세먼지는 발생원에서 배출되기도 하지만 대기에서 생성되는 비율이 높아, 대기화학반응의 주요 생성기작을 이해하지 못하면 효과적인 저감 정책을 수립하기 힘들다.

미국이나 유럽은 일찍부터 자국의 환경을 반영한 대기에서 생성되는 초미세먼지의 유기성분 생성 수율 및 자국 내 전구물질의 물질별 기여도를 파악하여, 저감대책 수립에 활용하고 있다. 또한 집중관측소 (super-site) 연구를 통하여 얻어진 관측 자료를 활용하여, 수용모델 등을 활용하여 주요 오염원을 파악하고, 오염원별 저감 정책을 수립하고 있다.

이런 과학적인 이해에 바탕을 둔 정책 수립 및 시행으로 미국은 악명이 높았던 로스엔젤레스 지역의 스모그도 많이 개선시켰다.

최근에는 (1) 국지적인 화학반응에 의한 유해 유기 에어로졸 성분 분석 및 위해성 평가와,

(2) 아시아로부터 장거리이동된 초미세먼지와 오존의 생성, 이동 기작 규명에 중점을 두어 연구하고 있다. 유럽도 국지적인 유해성분 (주로 유기 에어로졸)과 전유럽 지역의 초미세먼지와 오존 이동 및 영향에 대한 연구에 중점을 두고 과학적인 이해를 증진하는 연구를 수행하고 있다.

중국은 스모그 현상을 줄이기 위한 지역별 대기오염 특성 규명 및 배출원 저감에 중점적으로 연구를 진행하고 있으며, 정책적 면에서 우리나라의 2000년대 초와 비슷한 정책과 연구를 수행하고 있다.외국 사례에서 보듯이 초미세먼지 문제를 해결하려면

(1) 초미세먼지의 생성과 사람에 대한 영향에 대한 과학적 이해 연구를 수행하여 불확실도를 줄이고,

(2) 이를 바탕으로 초미세먼지와 그 전구물질을 효율적으로 저감하는 정책을 수립하고 효과적으로 시행하는 체계를 구축하여야 할 것이다.

우리는 초미세먼지 문제에서 생성기작, 위해성 평가, 모델링 분야에서 과학적 이해가 부족하여 신뢰성 있는 초미세먼지 저감 정책 수립에 어려움을 갖고 있다. 위해성 평가 같은 분야는 우리나라 결과가 아직 많지 않아 외국 결과를 주로 활용하고 있다.

이런 경우, 오차와 함께 외국 결과를 우리나라에 적용 가능한지, 적용이 가능하더라도 외국 결과를 시용할 때의 얼마나 우리 사례에 맞는지 등의 불확실성도 발생한다. 또 우리는 아직 서울이나 우리나라에서 초미세먼지가 생성되는 대기에서의 화학반응에서 주요 반응물이나 반응 경로가 선진국에서 연구한 결과와 일치하는지 다르다면 어떻게 다른지 잘 이해하지 못하고 있다.

이러한 과학적 이해에 바탕을 둔 모델도 현재 우리가 사용하는 모델들은 미국의 대기를 잘 예측하도록 개발된 모델들이어서 우리나라 사례를 얼마나 잘 모사하는지 잘 모르고 있다.또한 국민의 불안을 해소하기 위해서는 초미세먼지의 발생부터 사람에게 미치는 영향까지를 과학적으로 이해하고 이를 저감하는 것을 대기환경 관리의 목표로 설정하는 것이 필수적이다. 이를 수행하기 위해서는 보다 효과적인 대기관리 및 소통 체계 구축이 필요하다.