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겨울철 미세먼지 농도 좌우하는 '대기 혼합고'란

최근 10년간 한국과 중국의 관련 연구들에서 고농도 미세먼지 현상이 지속될 때, 대기 혼합고가 낮았다는 결과를 발표했다. 그렇다면 대기 혼합고는 대기오염물질 농도와 어떤 관련이 있을까?2021년 11월 20일 오전 일부 지역에서 초미세먼지(PM2.5) 농도가 100㎍/㎥ 가까이 치솟으면서 ‘매우 나쁨’ 수준을 보였다. 국립환경과학원은 이번 고농도 미세먼지 현상이 18일 밤부터 중국으로부터 북서풍을 타고 유입되고, 대기 정체현상이 겹치면서 발생했다고 설명했다. 여기서 우리가 주목해야 할 부분은 대기 정체현상뿐만 아니라 대기가 연직으로 혼합될 수 있는 높이인 ‘대기 혼합고(Atmospheric Mixing Layer Height)’다. 대기 혼합고에 따른 오염물질 농도 변화같은 넓이에 천장 높이만 다른 각각의 공간에서 사람들이 추위를 이겨내기 위해 모닥불을 피웠고, 이 모닥불에서 배출되는 총 초미세먼지의 양은 같다고 가정해보자. 참고로, 초미세먼지의 대기 중 농도는 단위 부피(㎥)당 질량(㎍)농도로 나타낸다(㎍/㎥). 이 가정에서 여러분은 천장이 높을수록 공간이 넓어져 초미세먼지 농도가 낮아지고, 반대로 천장이 낮을수록 공간이 좁아져 초미세먼지 농도가 높아진다는 사실을 이해할 수 있을 것이다. 눈에 보이지 않지만, 대기 혼합고가 이런 천장 역할을 한다.대기오염물질은 대기 혼합고 아래의 공간에서 섞일 수 있으며, 대기 혼합고는 지표면의 가열과 냉각 등에 의해 계속해서 변화한다. 수평적인 공기의 이동·확산이 없다고 가정하면, 국내에서 배출되는 대기오염물질의 총량이 같더라도 대기 혼합고가 2~4배 낮아진다면 대기 중 오염물질의 농도를 2~4배 증가시키는 결과를 가져온다.겨울
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500여종 미생물과 '바른 공생'…건강을 부탁해

사람의 몸에는 다양한 미생물이 서식하고 있으며, 그 수는 우리 몸을 구성하고 있는 세포 수보다 많다. 70㎏의 성인을 기준으로 할 때, 몸에 서식하는 미생물 개체 수는 약 38조 개, 몸을 구성하는 세포 수는 그보다 20% 적은 30조 개 정도라고 한다. 이렇게 사람의 몸속에서 살아가는 미생물을 마이크로바이옴(microbiome, 공생미생물총)이라고 부른다.지금으로부터 약 반세기 전, 미국의 과학자 린 마굴리스(Lynn Margulis)는 우리 몸을 구성하는 세포 내 소기관인 미토콘드리아가 오래전에는 독립적인 세균이었다가 다른 미생물과의 공생관계를 통해 현재 존재하는 다세포생물의 근원이 되는 진핵세포로 진화했다는 가설을 펼쳤다. 세포내공생설(endosymbiosis)이라는 이 학설은 지금은 학계에서 정설로 널리 받아들여져 교과서에도 등장하고 있지만 당시로서는 매우 획기적인 가설로, 마굴리스는 이 가설을 펼친 논문을 세상에 알리기까지 무려 10개가 넘는 학술지로부터 게재 거절 결정을 받았다고 한다. 이 이론에 따르면 우리 인간의 모든 세포 내에는 고대 미생물이 함께 거주하고 있다. 특히 미토콘드리아의 역할이 세포호흡을 통한 에너지 생산임을 생각해 보면 미생물이 우리 몸에서 얼마나 중요한 부분을 담당하고 있는지 가늠할 수 있을 것이다. 미생물의 끊임없는 유출입 진행 중우리 몸에서는 끊임없는 미생물의 유입과 유출이 진행된다. 식사를 하거나 음료를 마실 때, 호흡을 할 때마다 수많은 미생물이 우리 몸 안으로 들어오고 대변을 통해 다수의 장내 미생물이 몸 밖으로 배출된다. (대변 무게의 절반 정도가 미생물이라는 보고가 있다. ) 피부에 존재하는 미생물도 다양하기 때문에 내가 어디에 거주
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물 속에는 물 분자 H2O와 ○○도 있다

물은 다양한 지구 시스템(지권, 수권, 기권, 생물권, 외권)을 거치면서 액체, 기체, 고체와 같은 상의 변화를 겪으며 순환한다. 이 과정에서 물 속에는 다양한 물질이 포함될 수 있다. 물과 함께 물 속 물질 순환이 연관되어 있는 점을 이해할 필요가 있다. 물 속에 포함될 수 있는 물질지구에 존재하는 물 속에는 물 분자(H2O)뿐만 아니라 다양한 다른 물질이 포함되어 있다. 물 속에 있는 물질을 크게 입자성 물질과 용존성 물질로 구분할 수 있다. 입자성 물질은 가만히 두면 중력에 의해 가라앉는 일정 크기 이상(0.45㎛)의 물질들을 의미하며, 눈에 보이는 대부분의 큰 물질들(나뭇조각, 흙 등)이 포함된다. 용존성 물질은 가만히 둬도 가라앉지 않는 물질이며, 그 물질들은 다시 유기성 물질과 무기성 물질로 구분이 된다. 여기서 유기성 물질이란 탄소를 포함하고 있는 물질로 단백질, 다당류, 휴민산(부식산) 등이 포함된다. 그리고 무기성 물질이란 염소(Cl-), 질산염(NO32-), 황산염(SO42-), 칼슘(Ca2+), 마그네슘(Mg2+)처럼 탄소가 포함되지 않은 각종 원자 또는 분자들이다. 바이러스나 미생물과 같은 것들도 물 속에 포함될 수 있다. 1900년대 초반까지만 해도 바이러스나 미생물에 의해 발생하는 수인성 질병으로 인해 인류의 수명이 짧았다. 물의 순환 과정에서의 물질 순환그러면 우리 주변의 물의 순환을 따라가면서 어떤 것들이 포함될 수 있는지 확인해 보자. 바닷물은 전 지구의 대부분을 덮고 있는 액체로, 특히 소금(NaCl)이 다량(약 38g/㎏) 포함되어 있다. 바닷물이 태양에너지에 의해 가열되면 증발하게 되는데, 바닷물이 증발하게 되어 기권에서 수증기로 존재할 때는 이온이 거의 존재하지 않은 증류수
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미래를 바꿀 양자컴퓨터…'포논'에 달렸다

"열이 소리라고? 말이 돼?"최근 기후변화로 한국에서 가을 날씨를 찾아보기 어렵다는 보도가 있다. 다른 나라에선 이상기후가 나타났다는 뉴스가 연일 보도되고 있다. 반대로 다른 한쪽에서는 반도체 성능과 효율을 높이기 위해 총칼 없는 5㎚(1㎚=10억분의 1m) 이하 선폭 경쟁이 벌어지고 있다는 뉴스가 나온다. 기후변화와 반도체는 연관성이 없어 보이지만 따지고 보면 모두 열과 온도에 의해 생기는 문제로 귀결된다.일상생활에서 우리는 자연스럽게 열과 온도에 관해 이야기하지만, 막상 사람들에게 열과 온도를 정의하거나 설명해보라고 하면 많은 이들이 당황하며 대답하지 못한다. 물리학적으로 온도에 대한 정의는 ‘입자의 운동 에너지’를 엔트로피 통계치로 미분해 얻는 값이다. 그럼 소리의 정의는 어떤가. 소리는 음원으로부터 방사되는 압력파가 매질 내에서 전달되는 것으로 정의한다. 매질의 ‘입자들이 진동하는 과정’에서 주변 밀도보다 높아졌다가 낮아지는 과정을 반복하면서 전달된다. 그럼 아래와 같은 식이 성립한다.온도 = 입자의 운동 에너지 = 입자의 진동 에너지 = 소리어? 그럼 열이 소리와 같아지네. 말이 되나? 열과 소리의 최소 단위 포논‘포논(phonon)’을 알려면 양자역학을 이해해야 한다. 양자역학의 태동은 빛을 이해하면서 생겼으며, 고전역학에서 현대역학으로의 패러다임 변화에 지대한 영향을 미쳤다. 양자역학은 빛의 가장 작은 단위인 ‘포톤(photon)’을 설명하기 위해 태동했는데, 이와 상보적인 개념으로 자연스럽게 ‘포논’의 개념이 생겼다. 1905년 아인슈타인에 의해 광전 효과(photoelectric effect)의 실험으로 최소의 ‘빛

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환경위기 앞두고 '수소 사회'로의 대전환 도전중

지난 10월 18일 '2050 탄소중립위원회' 회의가 열렸다. 우리나라가 2050년까지 탄소중립을 달성하기 위해 해야 하는 것에 대해 논의하는 자리였다. 여기에는 화석연료 사용을 줄이고, 필요한 에너지원 중 청정에너지원으로 수전해 수소 활용을 확대하는 것이 포함되어 있다. 화석연료는 수백만 년 전 땅에 묻힌 생물의 사체가 오랜 기간 열과 압력을 받아 생성되어 높은 에너지 밀도(석유:44MJ/kg, 석탄:25MJ/kg)를 가지고 있다. 18세기 시작된 인류의 산업혁명은 이와 같은 화석연료 없이는 이루어질 수 없었을 것이다. 산업혁명은 화석연료 사용을 통해 기존에는 상상하지 못하던 사회·경제적 변화를 일으키고 인류의 삶을 크게 향상시켰다. 화석연료와 기후위기그러나 화석연료의 발견과 활용은 인류에게 예상하지 못한 어려움도 주었다. 1952년 영국 런던에서 발생한 그레이트스모그(great smog)는 화석연료를 과도하게 사용하여 생긴 공기 오염이었다. 이때 1만 명 이상의 사망자가 발생한 것으로 추산된다. 21세기에 들어서도 화석연료 사용에 따른 대기오염은 그 심각성을 더하여, 최근에도 중국의 대기오염이 심각하게 여겨지고 있다.독일 막스플랑크연구소 클라우스 하셀만은 온실가스 증가에 따른 지구 온난화를 예측한 공로로 노벨상을 받았다.그는 온실가스 증가가 지구의 기후 변화에 어떻게 영향을 주는지에 대해 복잡한 시스템을 이해하고 그 영향을 예측할 수 있는 모델을 개발했다. 올해의 노벨 물리학상은 인류의 화석연료 사용에 따른 지구 온난화와 기후위기에 대해 다시 생각하게 한다. 올해 유엔 IPCC(기후변화에 관한 정부 협의체)는 화석연료의 사용과 기후위기가 가혹한 기상 이벤트를
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신약개발 과정에서 독성·안전성을 검증하기 위한 동물 대상 실험, 빅데이터 구축해 동물실험 최소화…인공장기로 대체도

우리는 살아가면서 몸이 아프면 병원이나 약국에 가서 증상에 맞는 약을 처방받는다. 이렇게 쉽게 접할 수 있는 약이 세상에 나오기까지는 많은 시간적 노력과 천문학적 금액의 비용이 투입된다. 신약의 파이프라인(개발 후보물질) 단계에서 비임상시험을 거쳐 임상시험을 통해 세상에 나오기까지 평균 10년 정도의 시간이 소요되며, 대략 하나의 신약이 성공하기까지 1조원 정도의 돈이 투자된다.많은 시간과 비용이 투자되는 만큼 신약 개발의 주요 단계에서 후보물질의 고-스톱(진행-중단) 여부를 결정짓기 위해 다양한 분야의 시험을 수행하게 된다. 특히 파이프라인 단계에서 효능을 입증받은 후보물질의 안전성이나 효능을 검증받기 위해 수행하는 비임상 단계는 사람에게 직접적으로 투여하기 전에 설치류, 비설치류 및 영장류를 이용해 일반독성, 발암성, 생식발생독성, 유전독성, 면역독성, 안전성 약리 등 다양한 시험을 필수적으로 진행해야 한다. 사람에게서 나타날 수 있는 부작용을 최소화하기 위해 수행하는 반복적이고 다양한 비임상시험으로 인해 많은 실험동물의 희생이 따르는 부분은 그동안 필수불가결한 부분으로 여겨져 왔다. 실험동물 사용을 금지하는 세계적 추세그러나 2010년대 초반에 들어오면서 유럽에서는 실험동물의 윤리적 문제로 인해 동물실험 화장품 원료 등에 대한 동물실험을 금지했고, 동물실험을 수행한 화장품 원료 및 제품은 판매를 금지하도록 결정했다. 한국도 2017년부터 동물실험을 거쳐 만든 화장품을 유통하거나 판매할 수 없게 됐다. 2013년 미국에서 열린 FDA(Food and Drug Administration: 미국 식품의약국) 주최 워크숍의 주제는 ‘실험동물을 사용하지 않는 독
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말랑해지며 상처를 스스로 메운 뒤 단단해지는 '자가치유 물질'…'구길 수 있는' 자동차와 TV의 소재로 사용 기대

공상과학(SF) 영화 '엑스맨'과 '터미네이터'는 국내에서 큰 사랑을 받은 SF 영화들입니다. 두 영화에서 각각 등장하는 울버린과 T-1000은 지금까지 발표된 수많은 캐릭터 중에서 사람들의 기억에 남은 몇 안 되는 인기 캐릭터입니다. 두 캐릭터의 매력은 외부의 도움 없이 스스로 상처를 복원하는 자가치유(self-healing) 능력을 갖고 있다는 것입니다.그들은 총이나 칼에 맞아도 즉시 회복돼 불사신에 가깝습니다. 아프지 않고 다치지도 않고 더 나아가 죽지 않는 것은 인간이 가지고 싶은 가장 원초적인 욕구입니다. 이런 이유 때문에 이들이 크게 매력적으로 다가오는 게 아닐까 합니다.아쉽게도 인간이 영화와 같은 극적인 자기-치유 능력을 갖는 것은 현재 과학기술로는 어렵습니다. 자가치유 능력은 영화 속 능력만큼 극적이지는 않지만 생물이 무생물과 대비돼 갖는 주요 특징입니다. 자동차 접촉 사고를 내거나 휴대폰을 떨어뜨려 액정이 깨졌을 때 ‘생물처럼 이것들이 스스로 치유되면 어떨까?’ 하는 상상을 해봤을 겁니다. 이 기술은 앞서 언급한 우리의 소망보다 훨씬 우리 가까이에 왔습니다. 실제로 과학자들이 자가치유 물질을 개발하고 있습니다. 액체와 고체의 장점을 동시에 지닌 자가치유 물질자가치유 소재 개발 원리는 액체와 고체의 장점을 동시에 지닌 물질을 만드는 것입니다. ‘부부싸움은 칼로 물 베기다’라는 속담은 ‘부부는 싸워도 쉽게 화해한다’는 뜻입니다. 현대사회에 맞지 않는 이 속담을 꺼낸 이유는 “물을 아무리 칼로 베어도 흉터가 남지 않는다”는 물리적 현상을 독자들에게 오래 기억하게 하기 위함입니다. 칼로 베어낸 공간을 물
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물질이 인체에 닿아 독성을 유발하는 과정을 추적하는 '독성발현경로'…수없이 만들어지는 화합물을 시작단계에서 걸러낼 수 있어

우리는 화학물질과 함께 살아간다. 단 며칠도 화학제품 없이 살아가기 어려울 것이다. 화학물질은 전 세계적으로 8800만 종이 개발됐고, 지금도 12만 종이 상업적으로 유통되고 있다. 우리나라에서도 약 4만 종이 사용되며, 연 1t 이상 사용되는 물질은 1만6000여 종, 총 사용량은 5억t이나 된다. 놀랍겠지만 어느 보고에 따르면 우리가 사는 지구에서는 1년에 100만 종, 환산하면 1시간에 약 1000종의 화학물질이 지금도 새롭게 합성되고 있다고 한다.우리를 둘러싸고 있는 화학물질 중 일부는 그 독성 영향으로 인해 인간과 생태계에 큰 피해를 불러오기도 했다. 국내로만 한정해도 임산부와 영유아에서 폐질환을 유발한 가습기 살균제, 구미 불산 유출사고, 휘발성 유기화합물이 포함된 생리대, 다이옥신 계란 등이 최근 사례다. 화학물질 노출과 인체 건강 관계에 대한 과학적 근거가 축적되고, 우리가 화학물질 노출의 위해성을 점차 이해하게 되면서, 전 세계적으로 화학물질의 독성 평가와 규제에 대한 요구가 높아지고 있다. 그러나 현 상황은 이 요구를 충족하지 못하고 있다. 고비용, 장시간이 소요되는 동물실험 기반의 기존 독성 평가 방법으로는 매일같이 쏟아지는 화학물질을 모두 평가하기에 역부족이기 때문이다. 우리는 화학물질의 독성을 효율적으로 평가할 수 있는 새로운 방법론을 찾아야 하는 상황에 직면해 있다. 분자적 시작점에서 핵심 현상 거쳐 독성이 나타나는 과정 추적최근 그 대안적 방법론으로 AOP 기술이 주목받고 있다. AOP는 Adverse Outcome Pathway의 약어다. 우리 말로는 ‘독성발현경로’라 부른다. 즉, 화학물질의 노출에서부터 개인 또는 집단 수준에까지 발생하는 독성 영향을

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