미세플라스틱의 장거리 이동의 증거

플라스틱

대기 미세 플라스틱 오염의 새로운 위협으로 인해 연구자들은 이전에 플라스틱이 닿지 않는 영역을 연구하게 되었습니다. 대기 미세플라스틱 수송의 범위를 조사하는 것은 이 문제의 전 지구적 범위를 이해하는 데 중요합니다. 대기 중 미세 플라스틱은 행성 경계층에서 발견되었지만 자유 대류권에서 발생하는 것은 상대적으로 잘 알려지지 않았습니다. 자유 대류권에 존재하면 더 먼 거리로 이동할 수 있고 따라서 행성의 더 멀고 먼 부분에 도달할 가능성이 있기 때문에 이에 맞서는 것이 중요합니다. 여기에서 우리는 해발 2877미터의 Pic du Midi 천문대에서 여름 4개월 동안 0.09~0.66개의 미세 플라스틱 입자/m3의 증거를 보여줍니다. 이러한 결과는 미세플라스틱의 진정한 자유 대류권 이동과 50 µm(공기역학적 직경) 미만의 고도 미세플라스틱 입자를 보여줍니다. 공기입자 이력 모델링 분석은 전 지구적 에어로졸 미세플라스틱 수송의 가능성을 보여주는 미세플라스틱의 대륙간 및 해양 횡단을 보여줍니다.

자유대류권에 존재하는 미세플라스틱의 대륙 및 해양 횡단

Carpenter & Smith가 1972년 Sargasso 해에서 Neuston 그물 예인의 결과를 처음 발표한 이후 해양 플라스틱 파편에 대해 많은 글이 작성되었습니다. 반대로 공기 중 미세 플라스틱(MP)은 최근에야 고려되었습니다. 대기 미세플라스틱을 고려한 제한된 연구 중 많은 부분이 침전물의 정량화에 중점을 둡니다. 파리, 런던, 둥관(중국)에서 실시한 3개의 거대 도시 연구에서 MP의 낙진이 175~1008 MP 입자/m2/일의 순서로 나타났으며, 이는 더 많은 도시에서 미세 플라스틱에 대한 미기후 모니터링을 시작하도록 촉발했습니다. 함부르크 도시와 농촌 지역에서 완료된 모니터링은 유사한 대기 퇴적량을 각각 215 MP/m2/day 및 396 MP/m2/day5로 나타냈습니다. 그러나 미세 플라스틱 대기 수송을 분석하려는 연구는 거의 없습니다. 프랑스 피레네 산맥에서 미세 플라스틱이 발견된 결과 해발 1425 m의 고도에서 매일 365 MP/m2/day의 MP 침착이 확인되었습니다. 95 km이상의 대기 수송을 보여줍니다. 런던시 대기 MP의 분석은 최대 8700 km의 영향을 미치는 장거리 수송 영역과 함께 12~60 km 지역 MP 수송(입자 및 섬유)을 보여줍니다. 미국의 광야 지역에 대한 광범위한 공간 연구는 유사한 대기 MP 퇴적(48~435 MP/m2/day)을 확인했으며, 더 큰 MP 입자는 지역적으로(10~1000 km) 소싱되었을 가능성이 더 높으며 더 작은 입자는 비가 내리는 것으로 나타났습니다. 주로 건식 퇴적물로 기록되고 더 먼 거리로 운송됩니다. 중요한 것은 미국 연구에서 건식 퇴적, 지역적 먼지 퇴적, 그리고 대기 미세 플라스틱 수송에서 자유 대류권의 영향 가능성을 가리키는 광범위한 대기 패턴(특히 남쪽 제트 기류)을 나타내는 지수 사이의 상관 관계를 확인했습니다. 미국 현장 조사 결과를 바탕으로 Brahney et al은 잠재적인 미국 대기 MP 소스를 모델링하여 도로 지역, 농업 토양 및 바다를 모니터링되는 미국의 외딴 황야 지역에서 대기에 의해 퇴적된 MP의 주요 소스로 식별했습니다. 이를 보완하기 위해 상하이에서 마리아나 섬(해상 항해) 및 주강에서 인도양까지 샘플을 수집하는 해양 연구에서 최대 300해리 앞바다에서 펌핑된 해양 에어로졸 샘플에서 주목할만한 MP(최대 1.37 MP/m3)가 확인되었습니다. 피레네 산맥 및 북미 야생 연구에서 사용된 것과 유사한 HYSPLIT 역궤적 모델링은 남중국해 해양 에어로졸 MP 입자가 일본, 중국 본토, 한국 및 필리핀에서 왔을 가능성을 보여줍니다. 또한 프랑스 알프스에서 그린란드 빙산과 북극의 눈에 이르기까지 다양한 장소에서 수집된 눈에서 많은 양의 MP가 나타났습니다. Bergmann et al 연구에 따르면 MP는 수은을 북극으로 운반하는 것과 동일한 기류에서 바람에 의해 운반되었을 가능성이 있습니다. 또한 타이어 및 브레이크 마모 미세 플라스틱 운송에 대한 글로벌 분석은 이러한 차량 관련 MP가 장거리로 운송되는 것으로 나타났으며 타이어 브레이크 마모 MP의 30~34%가 대기 중으로 운송되어 전 세계 바다에 퇴적되었습니다. 증거에 따르면 MP는 최소한 테스트된 사이트에서 행성 경계층(PBL)에 존재하지만 이러한 입자가 이동할 수 있는 정도는 대기 환경 내에서 도달할 수 있는 고도에 적어도 부분적으로 의존합니다. 대기 중 MP 오염이 얼마나 도처에 있으며 자유 대류권에 도달했으며 자유 대류권 MP 오염의 범위는 얼마인지 알아볼 필요성이 있습니다. 자유 대류권(FT) 내의 공기 순환은 수은, 납 및 탄소 미립자를 포함한 많은 인위적 오염물질에 대한 전지구적 수송 벡터입니다. 표면 지형으로 인한 마찰의 부족으로 인해 풍속이 증가하고 입자 물질의 장거리 운송 가능성이 커집니다. FT로 들어오는 대륙 먼지는 지구를 순환하는 것으로 기록되어 FT에 포함된 미립자 물질의 광범위한 운송 거리를 보여줍니다. MP가 FT에서 발생하는 것으로 밝혀지면 대기 MP 오염이 FT 운송을 통해 지구의 가장 외딴 지역에 영향을 미칠 가능성이 있으며 지역 대기 MP 오염이 지역을 훨씬 넘어 공간적 범위에 영향을 미칠 수 있음을 시사합니다. FT MP 오염 및 FT 대기 MP 수송에 대한 지식을 통해 북극, 남극 및 원격 산악 지역의 MP 존재를 설명할 수 있으며 FT MP 입자의 역궤적 및 분산 모델링을 통해 가능한 원격 지역 MP 오염원을 식별할 수 있습니다. 이 연구는 프랑스 피레네 산맥의 고고도 장기 관측소인 Pic du Midi(PDM) 천문대에서 수집된 샘플을 제시합니다. PDM은 지역 기후 조건이나 환경에 의해 제한된 영향으로 인해 청정 스테이션으로 정의됩니다. PDM은 아나바틱(즉, 오르막 또는 계곡) 바람로부터 가끔 행성 경계 수준(PBL)의 영향을 받기 때문에 FT 모니터링 및 분석에 이상적인(그리고 확립된) 사이트가 됩니다. 이 작업에서 우리는 FT 기단과 그 수송 경로에서 이 높은 고도에서 MP의 발생양 및 특성을 입증합니다. PBL MP 오염에 대한 지식은 지역 대기 수송(도시, 농업 활동, 산업, 매립지와 같은 주요 MP 배출원에서 외딴 지역)을 보여주지만, FT에서 MP의 증거는 오랫동안 대륙 횡단 및 해양 횡단 MP 수송 지원입니다.

PDM에서 찾은 대기 MP

MP 샘플은 2017년 6월 23일과 2017년 10월 23일 사이에 수집되었습니다(15 ×  7일 기간). 여름과 가을 모니터링 기간 동안 분석된 모든 샘플에서 MP 조각 또는 섬유가 발견되었습니다. 능동 에어로졸 샘플링은 PDM 샘플링 플랫폼에서 0.09~0.66 MP/m3의 MP 수를 나타내었고 평균은 0.23 MP/m3(표준편차 ±0.15)입니다. 총 15개의 샘플 중 13개의 샘플이 >0.1 MP/m3의 MP 수를 나타내었고 4개의 샘플은 >0.33 MP/m3(상위 25번째 백분위수)를 나타냈습니다. 샘플은 MP <10 μm의 비율과 샘플의 단편 함량 사이의 잠정적 연관성을 보여줍니다. 섬유는 일반적으로 더 큰 MP 크기 분획에서 더 많은 양으로 발생하는 반면 작은 크기 분획은 더 많은 비율의 단편 모양 입자를 포함하는 것으로 나타났습니다(r = 0.65, P < 0.05). 평균적으로 MP 입자의 51%가 더 작은 입자 비율에 속했으며 거의 ​​모든 MP 입자는 ≤20 μm(공기역학적 직경)으로 특성화되었습니다( 96%, 표준 편차 ±0.1). 작은 크기(주로 ≤20 μm)로 인해 입자는 주로 조각 또는 섬유(각각 70%, 30%)로 식별되었으며 섬유는 길이 대 너비 비율이 3:1인 것으로 정의되었습니다. 확인된 더 큰 MP 입자(MP <30 µm)는 섬유로 최대 공기역학적 직경이 53 µm입니다. 이 연구에서 가장 작은 스펙트럼 특성을 지닌 입자는 3.5 µm입니다. MP 입자는 폴리에틸렌(LD/HDPE), 폴리스티렌(PS), 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 및 폴리프로필렌(PP)으로 구성되었습니다(44%, 18%, 15%, 14%,10 %). 폴리머 유형은 샘플의 섬유 또는 조각 양 또는 상대적인 입자 크기 분포와 유의한 상관 관계가 없었으며 모든 샘플은 연구에서 분석된 5가지 폴리머 유형의 혼합을 나타냅니다. 이는 폴리머 유형 또는 밀도가 이 연구 기간 동안 PDM에서 MP 발생에 영향을 미치는 주요 변수가 아닐 수 있음을 시사합니다. 풍속범위는 1.4–22.6 m/s(평균 7.9 m/s ± 3.6 m/s)이며 더 강한 바람(≥10 m/s)은 주로 W에서 발생합니다. 총 MP 수에 비해 명확한 국지적 풍속 경향을 나타내지 않는 풍속의 현저한 샘플 내 변동이 있습니다. 모든 샘플 기간은 10 m/s 이상의 짧은 기간 동안의 최고 풍속과 더 잔잔한 바람 기간(<5 m/s)을 나타냅니다. 더 큰 MP 입자와 섬유(MP > 10 µm)는 북쪽 전망에서 기록된 최대 풍속(rs = 0.79, P < 0.05)과 함께 경향을 보여줍니다. 일반적으로 더 강한 풍속(모든 방향에서)은 더 높은 MP >10 µm 개수(더 큰 MP)(rs = 0.61, P < 0.05)에서 잠정적으로 발생하는 것으로 보입니다. 이것은 지역 풍속이 PDM에서 더 큰 MP에 대한 전송 벡터가 될 수 있지만 이러한 잠재적 연관성을 설명하기 위해 더 장기적인 모니터링과 더 짧은 샘플링 시간 단계가 필요할 수 있음을 시사할 수 있습니다. 모니터링되는 지역 기상 대기 조건(대기 온도, 상대 습도, 강수 또는 풍향)과 해당 모니터링 기간 동안 발견된 총 MP 입자 수(모든 데이터 세트에 대해 P ≥ 0.05) 간에 제한된 상관 관계 또는 유사한 경향이 있는 것으로 보입니다. 높은 고도에서 수집된 PDM 샘플에서 발견된 MP는 명확하거나 특정한 지역적 영향에 쉽게 기인할 수 없습니다. 따라서 PDM에서 MP, 특히 더 작은 MP(<10 μm)의 발생은 더 복잡한 대기 수송, 혼합 및 원위 소스 영향의 결과일 수 있습니다.

PDM에 도달하는 MP의 기단과 입자이력 및 장거리 수송

대기 수송 및 입자 분산 모델을 사용하여 대기 질량 및 미립자의 가능한 궤적 및 분산을 고려할 수 있습니다. 이 모델은 혼합(지상 충돌/영향) 및 국지적 기상 영향을 경로로 추정하는 데 높은 신뢰도를 허용하는 기상 데이터의 재분석을 사용합니다. 그러나 미세플라스틱은 현장 검증 데이터가 제한적이기 때문에 입자 수송 특성(밀도, 건식 침착 속도, 습식 제거 및 소거 등)에 대한 가정이 이루어져야 합니다. 기단 역궤적 및 입자 분산 분석은 가능한 원위 소스 및 궤적 고도 감소(장거리 분석을 위한 역방향 모델링에서 일반적으로 사용되는 기간)를 고려하기에 충분히 긴 7일(168 h) 동안 실행되었습니다. 모니터링 기간 동안 매시간 후진 궤적을 생성하여 시간당 위도, 경도 및 고도 데이터 포인트를 사용하여 1713개의 모델을 실행했습니다. 전체 24시간 동안의 이러한 시간별 릴리스(후방 궤적)는 궤적 고도(PBL/FT 고도 및 관련 대류 활동의 변화 포함)에 대한 주간(주야간) 영향의 포함을 제공합니다. 이것은 같은 기간에 대한 분산 모델링으로 보완되었습니다. 역궤적 및 분산 모델링은 ASL(표면 수준 위의 역사적 기단/입자 고도)을 설명하기 위해 해당 표면 수준에 오버레이되었습니다. 평균적으로 기단/입자 분산 역방향 궤적은 2000 m ASL 이상의 고도를 유지했으며 168시간의 모니터링 기간 동안 PDM 샘플 사이트에서 최소 275 km를 이동했습니다. 일반적으로 MP 양이 증가한 샘플 기간(MP > 0.33 MP/m3, 상위 75번째 백분위수)은 MP 입자 수가 낮은 샘플(MP > 0.33 MP/m3 평균 역궤적 고도 =  2747 3± 3)보다 낮은 고도에서 대기 이동을 나타냅니다. 이에 상응하여, FT/PBL 혼합(궤도 또는 입자가 표면 수준 위의 PBL 고도 내에 속하는 지점)을 나타내는 후방 모델링된 궤적 및 분산의 백분율은 MP 수(MP   >   0.33  MP/m3 평균 백분율)를 나타내는 샘플에서 현저하게 더 큽니다. PDM에 도달하기 전 최소 FT 대기 수송 기간 및 거리(PBL 영향 없음)는 상위 75번째 백분위수와 비교하여 하위 25번째 백분위수 샘플(MP < 0.13 MP/m3, 887 km)에서 현저하게 컸습니다. 이것은 잠정적으로 장거리 FT 수송 MP가 MP <  0.13 MP/m3 샘플 및 더 가까운 MP(PBL/FT 혼합 PDM에 더 가깝게 ) MP > 0.33 MP/m3 샘플의 상대적으로 더 큰 비율을 형성합니다. MP > 0.33 MP/m3 샘플 역방향 공기/입자 모델링은 일반적으로 더 큰 PBL/TF 혼합 빈도를 보여주지만 최대 PBL/ 어느 한 시점에서 FT 믹싱 빈도는 <30%였고 모든 궤적의 평균 33%(범위   =   15–57%)는 PDM에 도달하기 전 특정 시점에서 PBL/FT 믹싱을 포함했습니다. MP < 0.33 MP/m3 샘플 기단/입자 수송 이력에 대해 계산된 2가, 궤적의 평균 <8%(범위 = 0–18%)는 한 시점에서 PBL/FT 혼합을 보여주었으며 <12% 모든 궤적은 모든 PBL/FT 혼합을 보여줍니다. 이것은 PDM 대기 MP 농도(MP/m3) 상승의 잠재적인 영향 요인인 PBL/FT 혼합 빈도 이론을 강화합니다. 개별 샘플을 고려할 때, 샘플 기간 중 3개만 모델링된 168 h 기간(최소 114, 122 및 96 h) 내에서 표면 수준을 충족하는 모델링된 역방향 궤적을 보여줍니다. PDM에서). 이 중 샘플 A2와 A8은 전체 데이터 세트에서 가장 높은 두 대기 MP 농도를 나타내는 반면 A9는 더 낮은 MP 농도 중 하나입니다. 5개의 샘플 기간은 전체 168시간 역방향 모델링 기간 동안 50μm ASL 이상으로 상승한 공기/입자 기록을 보여줍니다. 이것은 지표면에 근접하는 것이 대기 MP 소스를 식별하는 데 중요한 고려 사항이지만 PBL 비말동반 및 PBL/FT 혼합이 복잡하고 상승된(FT) 관측 및 샘플링 사이트에 대한 중요한 대기 MP 고려 사항임을 시사합니다.