대기 중의 에어로졸은 태양광을 직접 산란하고 흡수함으로써 기후에 중요한 역할을 하고 있다. 에어로졸은 구름의 핵으로 기능하며 구름 입자의 특성을 변경해 간접적인 영향을 초래하고 에어로졸의 침착과 강우를 변화시켜 기후의 영향을 예측할 때의 불확실성에 큰 영향을 미친다. 인간의 건강 면에서도 호흡기 계통이나 눈 및 코 점막의 염증 등에 영향을 미치거나, PM2.5와 같은 인위적인 기원의 에어로졸에 의한 꽃가루 알레르기 촉진에 영향을 미치거나 한다는 보고도 있다. 이러한 영향의 정도는 에어로졸의 조성이나 입자지름에 크게 의존한다.

 

대기 에어로졸은 발생원이 국소적이며 공간․시간적으로 매우 변동이 크다. 더구나 에어로졸의 조성이나 입자지름도 발생원에 의존한다. 그렇기 때문에 대기 에어로졸의 영향을 정확하게 평가하기 위해서는 대기 에어로졸의 조성이나 미세 물리 특성(농도, 입자지름, 형상, 상태 등)에 관한 정보가 필요하다.

 

라이다는 대기 에어로졸의 연직 분포를 높은 시간․고도 분해능으로 계측할 수 있으며, 여러 지점에서 라이다를 통한 연속적으로 계측함으로써 공간적․시간적인 에어로졸의 확산을 입체적으로 파악할 수 있다. 인위적인 기원의 에어로졸이나 황사, 삼림 화재 에어로졸 등 대기 에어로졸 발생원의 대부분이 지상에 있으며, 지상에 설치한 라이다는 근거리에서 계측할 수 있기 때문에 위성 관측보다 측정 데이터의 정확도가 높아 필수적인 장치로 이용되고 있다.

 

현재 라이다를 이용한 여러 지점의 네트워크 관측이 세계 각 지역에서 추진되고 있다. WMO(세계기상기관)의 GAW(Global Atmosphere Watch : 지구 대기 감시) 하에서 지구 규모의 관측을 목적으로 하는 라이다 네트워크 ‘GALION(GAW Aerosol Lidar Observation Network)’에 지역에서 전개하고 있는 네트워크나 글로벌하게 전개하고 있는 라이다 네트워크가 contribute되어 있다. 이 글에서는 GALON의 주요한 라이다 네트워크에 대해 소개하고, 사용하고 있는 라이다 장치에 대해 소개하기로 한다.

 

지상 라이다 네트워크

 

대기 에어로졸을 관측하는 지상 라이다 관측의 대륙·지역별 주요 네트워크로는 동아시아 지역에서는 AD-NET(Asian dust and aerosol lidar observation network), 유럽 지역에서는 EARLINET(European Aerosol Research Lidar Network), 중앙아메리카나 남아메리카에서는 LALINE(Latin America Lidar Network) 등을 들 수 있다.

한편, 전 세계적으로 전개되고 있는 네트워크로는 NASA의 MPLNET(Micro-Pulse Lidar Network), NDACC(Network for the Detection of Atmosphereic Composition Change) 등이 있다. 지역적으로 전개되고 있는 라이다 네트워크는 지표 근처의 대류권 에어로졸을 주로 관측하고 있다. AD-NET이나 EARLINET 등에서 범용적으로 사용되고 있는 라이다 장치에 대해 소개한다.

 

네트워크 관측에서 사용되고 있는 라이다 장치

 

라이다 네트워크에서 범용적으로 사용되고 있는 장치에 대해 설명한다. 각각의 장치는 서로 다르지만, 기본적인 장치 구성은 거의 동일하다.

 

라이다로 측정해서 얻을 수 있는 에어로졸의 광학 파라미터는 측정에 이용하는 에어로졸의 산란 타입에 의존한다. 그렇기 때문에 라이다 장치 타입의 명칭은 수신하는 에어로졸의 산란광 타입으로, 탄성 산란 라이다, 라만 라이다, 다파장 라만 라이다 등으로 크게 나눌 수 있다.

 

모든 타입의 라이다에서 광원으로 플래시램프 여기 Q 스위치의 Nd:YAG 레이저를 사용한다. 송신 레이저광의 파장은 기본파(1064nm)와 제2고조파(532nm), 제3고조파(355nm) 중 하나를 사용하고 있다.

 

1. 탄성 산란 라이다의 측정 원리

탄성 산란 라이다는 에어로졸의 미 산란과 공기 분자의 레일리 산란을 합친 후방 산란광을 측정한다. 송신 레이저와 같은 파장의 후방 산란광을 계측한다. 측정된 신호는 에어로졸과 공기 분자의 후방산란계수와 산란체가 존재하는 고도까지의 광로 투과율에 의존한다. 탄성 산란 라이다는 후방산란계수와 소산계수의 비로 표현되는 라이다 비로 불리는 값을 가정함으로써 Fernald법을 이용해 에어로졸의 후방산란계수와 소산계수의 고도 분포를 도출할 수 있다. 라이다 비를 가정하지 않고, 도출하기 위해서는 선포토미터와 같은 측정기를 이용해 계측되는 에어로졸의 광학적 두께나 투과율에 관한 정보가 필요하다. 탄성 산란광의 계측에는 편광자를 이용한 편광 해소도의 계측도 종종 포함된다.

 

2. 라만 라이다, 다파장 라만 라이다의 측정 원리

라만 라이다에서는 질소 분자의 진동 라만 산란을 이용한다. 질소 분자의 진동 라만 산란광은 Stokes선의 경우, 레이저 파장보다 2331cm-1만큼 장파장 쪽으로 시프트해서 생긴 라만 후방 산란광을 측정한다. 보통 탄성 산란의 후방 산란광 측정도 동시에 실시한다. 라만 산란광과 탄성 산란광의 신호로부터 라이다 비를 가정하지 않고 에어로졸의 후방산란계수와 소산계수를 도출할 수 있다. 라만 계측의 광원으로는 355nm 또는 532nm가 이용된다. 다파장 라만 라이다는 355nm와 532nm의 2파장에서 생기는 공기 분자의 라만 산란광과 탄성 산란광을 계측해 2파장의 에어로졸 후방산란계수와 소산계수를 도출할 수 있다.

 

3. AD-NET에서 사용되고 있는 라이다 장치

예로서 AD-NET에서 사용하고 있는 라이다 장치에 대해, 그림 1에 라만 라이다(a)와 다파장 라만 라이다 시스템(b)의 블록도를 나타냈다. 장치에 대한 상세한 설명은 문헌 ‘Evolution of a Lidar Network for Tropospheric Aerosol Detection in East Asia’에 소개되어 있다.

 

 

AD-NET의 라만 라이다는 광원으로 Nd:YAG 레이저의 1064nm와 532nm를 사용, 532nm에서 생기는 질소 분자의 라만 산란광(607nm)에 더해 532nm와 1064nm의 탄성 산란광을 계측하고 532nm에서는 편광 빔 스플리터를 이용해 사출한 레이저광의 편광면에 대해 평행 성분과 수직 성분으로 나누어 측정해 편광 해소도를 계측하고 있다. AD-NET의 다파장 라만 라이다에서는 Nd:YAG 레이저의 1064nm, 532nm, 355nm의 3파장을 광원으로 이용해 532nm와 355nm에 대해 질소 분자의 라만 산란 성분(607nm, 386nm)을 계측하고, 3파장의 탄성 산란광 계측, 532nm와 355nm의 편광 해소도 계측을 하고 있다. 1064nm 이외의 수신광은 광전자 증배관(PMT)에 의해, 1064nm의 산란광은 아발란체 포토다이오드(APD)에 의해 각각 광신호를 전기신호로 변환한다. 탄성 산란 신호는 AD 컨버터로 계측하고, 라만산란 신호는 탄성 산란 신호에 비해 신호 강도가 3～5자리수 작기 때문에 포톤 카운터를 이용해 계측하고 있다. AD-NET에서는 탄성 산란 라이다를 이용한 계측도 하고 있다. 탄성 산란 라이다는 그림 1 (a)의 라만 라이다의 N2 라만 채널 607nm의 계측이 없는 타입의 장치이다.

 

지역에서 전개하고 있는 라이다 네트워크

 

AD-NET는 2001년부터 일본의 국립환경연구소가 주체가 되어 일본, 한국, 중국, 몽골을 포함한 동아시아 지역에 라이다 관측 기지를 전개하고 있다. 현재 관측 사이트는 20개 사이트가 있으며, 중국 내륙의 사막지대에서 발생하는 황사나 월경 대기오염 에어로졸(PM2.5 등) 등의 대류권 에어로졸 관측을 주목적으로 에어로졸 모니터링을 실시하고 있다. 탄성 산란 2파장 라이다가 16개 기지, 라만 라이다가 6개 기지, 다파장 라만 라이다가 2개 기지에서 관측을 하고 있다. 모든 기지에서 편광 해소도의 계측도 하고 있다.

 

각 기지에 배치되어 있는 탄성 산란 라이다, 라만 라이다, 다파장 라만 라이다의 각 사양은 동일한 것을 사용하고 있다. 배치되어 있는 라이다 장치의 대부분은 2파장의 탄성 산란+532nm 편광 해소의 조합으로 관측을 하고 있다. 레이저의 플래시 램프 소비를 줄이기 위해 5분 계측 10분 정지의 시간 간격으로 계측을 하고 있다. 고도 분해능 30m에서 지상으로부터 고도 9km까지의 에어로졸 광학 특성의 정보를 도출하고 있다.

 

EARLINET은 2000년에 European Commission의 제5회 프레임워크 프로그램 내의 펀드에 의해 발족했다. 주요 대학과 연구기관이 참여해 유럽 전역으로 전개하고 있는 라이다 네트워크이다. 현재 활동하고 있는 관측 사이트는 31개 사이트로, 유럽의 사하라 먼지나 화산성 에어로졸, 인위적인 기원의 에어로졸이나 산림 화재 에어로졸 등의 에어로졸 모니터링을 장기적으로 실시해 왔다. EARLINET에서 사용하고 있는 장치에 대해서는 문헌 ‘EARLINET: Towards an Advanced Sustainable European Aerosol Lidar Network‘에 자세히 소개되어 있다. 다파장 라만 라이다, 라만 라이다, 탄성 산란 라이다를 각각 25, 6, 3개의 기지에서 각각 배치하고 있다. 그러나 각각의 장소에 배치되어 있는 장치는 각 대학이나 연구소에서 준비한 장치로, 장치들의 규격이 통일되어 있지 않다. 그렇기 때문에 EARLINET 내의 The EARLINET quality assurance(QA) program에 의해 측정기기와 해석 알고리즘의 기준을 마련하고 기준을 충족하도록 검사를 실시해 운용하고 있다.

 

라틴 아메리카의 라이다 네트워크인 Latin American Lidar Network(Aline, 별명 LALINET)는 2008년에 발족해 2013년에 GALION/GAW 프로그램에 가입했다. 현재 중앙아메리카, 남아메리카에 16개의 라이다 기지를 운용하고 있다. 관측 장치의 대부분이 다파장형 라만 라이다이며, 몇몇 관측 사이트에서 탄성 산란 라이다, 라만 라이다를 통해 관측을 하고 있다.

 

글로벌하게 전개하고 있는 라이다 네트워크

 

MPLNET은 NASA가 마이크로 펄스 라이다(MPL)를 개발해 NASA Aerosol Robotic Network(AERONET)의 주요 사이트에서 전개하고 있는 라이다 네트워크이다. 대류권․성층권 에어로졸, 구름의 고도 분포를 관측하기 위해 2000년에 발족해 현재 배치하고 있는 기지는 79개가 있으며, 17개 기지에서 10년 이상의 장기적인 연속 관측을 하고 있다. MPL은 1파장의 탄성 산란 라이다이다. 광원으로 연속파(CW)의 아이세이프 LD 여기 YLF 레이저(파장 523nm)를 사용하고 있다. 송수신을 1개의 망원경으로 하고, 수신광을 가이거 모드의 아발란체 다이오드(GAPD)에 의해 전기신호로 변환해 포톤 카운트에 의해 계측하고 있다. 그림 2에 MPL 송수신 광학계의 블록도를 나타냈다. 플래시램프 여기 Q스위치형의 Nd:YAG 레이저에 비해 레이저 출력은 4～5자리수 작다.

 

 

AERONET에서는 태양 직달광과 대기 산란광을 계측하는 방사계를 이용해 에어로졸의 방사 특성을 평가하는데 필요한 에어로졸의 광학 특성(광학적 두께, 옹스트롬 지수, 단일 산란 알베도 등)을 계측하고 있다. MPL은 그 에어로졸의 방사 특성에 기여하는 에어로졸의 고도 분포를 조사하기 위해 배치하고 있다. 그 외에도 대류권 에어로졸의 고도 분포나 구름 고도, 혼합층 높이의 관측 연구에서도 널리 이용되고 있다.

 

NDACC(Network for the Detection of Atmosphere)는 1991년에 성층권 변화 검출 네트워크(NDSC)로서 네트워크 운용을 시작했다. 대기 조성의 변화와 경향을 검출하기 위한 장기 데이터베이스를 확립, 그들이 중간권, 성층권, 대류권에 미치는 영향을 이해하기 위해 70개가 넘는 세계적으로 분산된 지상 기반의 리모트 센싱 연구 스테이션으로 구성되어 있다. 그 중에 라이다 네트워크도 포함되어 있다.

 

앞에서 소개한 지역별 라이다 네트워크나 MPLNET는 대류권 에어로졸의 관측을 주된 목적으로 2000년경에 운용 가능한 네트워크 구축을 시작했다. NDACC는 이들 네트워크보다 앞선 것으로, 등록된 라이다 관측 장치의 대부분은 주로 성층권 에어로졸 관측용으로 개발된 라이다이다. 현재 24개의 관측 사이트가 있다. 그중에는 EARLINET의 일부 관측 기지도 들어 있다. 또한, MPLNET도 NDACC 네트워크에 들어 있다.

 

성층권 에어로졸의 농도는 대류권 에어로졸의 농도에 비해 매우 희석이다. 더구나 송신 레이저광은 성층권에 도달하기 전에 대류권 대기를 통과할 때에 감쇠된다. 지상의 망원경으로 후방 산란광을 수광할 확률도 거리의 제곱에 반비례한다. 성층권 에어로졸의 후방 산란광은 대류권 에어로졸로부터 계측되는 신호와 비교하면 매우 작다. 그렇기 때문에 플래시램프 여기의 고출력 레이저 이용이나 미약한 신호를 계측하기 위한 대형 망원경, 포톤 카운트 계측 등의 이용이 필요하다. NDACC의 관측기지 중 하나인 독일 가르미슈파르텐키르헨의 IMK-IFU 연구소에서 사용하고 있는 라이다 장치는 광원으로 Nd:YAG 레이저(레이저 파장 532nm, 출력 : 700mJ, 10Hz)를 사용하고, 구경 52cm의 망원경으로 집광해 포톤 카운트법에 의해 야간 청천시 성층권 에어로졸을 관측하고 있다. IMK-IFU 연구소에서는 1973년부터 현재에 이르기까지 관측을 하고 있다.

 

맺음말

 

지구 환경과 기후 변화, 대기 환경, 인간의 건강 영향을 평가하는 데 있어, 지상 라이다 네트워크에 의한 대기 에어로졸 계측은 크게 기여하고 있으며 필수적인 장치로 되어 있다. 앞으로 에어로졸의 영향 평가에 대해 더욱 검토하기 위해서는 라이다 계측 기술의 고도화가 요구된다. 현재 일본 국립환경연구소에서는 탄성 산란광을 에어로졸에 의해 미 산란과 공기 분자에 의한 레일리 산란으로 독립해서 계측할 수 있는 고 스펙트럼 분해 라이다(high-spectral-resolution lidar(HSRL))의 개발에 대응하고 있다. HSRL의 계측은 탄성 산란의 계측에 기초하고 있기 때문에 라만 라이다보다 높은 고도․시간 분해의 에어로졸 광학 특성 계측을 기대할 수 있다. 또한, 플래시램프보다 수명이 긴 LD 여기 고체(DPSS) 레이저 도입 등으로 메인티넌스 빈도나 후년도 부담의 경감화도 기대되고 있다.