1  Atmosphere

1.1 Lab

Case: Studying Changes in NO 2and CO 2Concentrations in the Atmosphere of Ukraine

이산화질소(NO₂)와 이산화탄소(CO₂)는 대기 중에 존재하는 무기 화합물로, 인체 건강에 해로운 영향을 미칠 수 있다. 이러한 물질의 배출원으로는 내연기관(내연 엔진), 화력 발전소, 공장 등이 있다.

2020년 3월 말, ESA(the European Space Agency)은 2019년 평균 월별 농도와 비교했을 때 파리, 로마, 마드리드 등 유럽 주요 도시에서 이산화질소 배출이 크게 감소했다는 데이터를 발표했다. 1

중국에서는 COVID-19 대유행이 절정에 달했을 때, 대기 중 유해 배출물이 이전 3년 같은 기간과 비교하여 20~30% 감소한 것으로 나타났다.2

또한, 영국이 봉쇄 조치를 시행한 지 2주 후, 일부 도시에서 이산화질소 오염이 2019년 같은 기간 대비 60% 감소했다.3

그렇다면 팬데믹은 우크라이나 대기 중 이산화질소 농도에 어떤 영향을 미쳤을까?

Tasks to be performed in this lab:

  1. Giovanni 서비스에 가입 및 로그인.
  2. 2014년 6월 15일부터 2015년 6월 15일까지와 2019년 6월 15일부터 2020년 6월 15일까지의 우크라이나 대기 중 이산화질소(Nitrogen Dioxide) 평균 농도를 찾아 시각적으로 비교.
  3. Giovanni에서 제공하는 전체 기간 동안 우크라이나의 이산화탄소(Carbon Dioxide) 농도 변화를 그래프로 생성.

1. 회원가입 및 로그인.

2. 날짜 선택 (년/월/일): Select Date Range (UTC) 필드에서 프로그램이 평균 지도를 생성할 기간을 선택. (예: 2014년 6월 15일 – 2015년 6월 15일)

3. 표시 형식 선택: Select Plot 필드에서 표시 방법을 선택. (예: Time-Averaged Map(시간 평균 지도))

4. 연구할 위치 선택: Select Region (Bounding Box or Shape) 필드에서 연구할 지역을 선택.

Select Region은 다양한 형태의 연구 지역을 처리 가능.

  • 국가의 행정 경계 내에서 설정,
  • 사용자가 지정한 사각형 또는 직사각형 형태로 설정.

You can learn more about other ways of displaying information from the user guide.

특정 지역의 데이터를 표시해야 할 경우, 선택한 영역은 반드시 해당 지역을 포함하는 넓은 범위로 설정되어야 함. 지도는 마우스 휠 또는 “– +” 버튼을 사용해 확대/축소할 수 있으며, 아이콘 ()을 사용하여 지도를 이동할 수도 있음.

도구 () 를 사용해 우크라이나 북부 지역 중 수도 키이우(Kyiv)를 포함하는 영토를 선택하기.

선택 후, 눌러서 나오기.

5. 조사할 변수를 선택 – 이산화질소(Nitrogen Dioxide; NO₂):

  1. 좌측 Select Variables 패널에서 Atmospheric Chemistry(대기 화학) 를 선택.

  2. 화면에 새로 나타나는 목록에서 NO₂ Tropospheric Column (30% Cloud Screened)를 선택하여 대류권 층 내의 이산화질소 농도를 표시.

  3. 마지막으로 Plot Data 버튼을 클릭하여 데이터를 시각화.

NOTE: 이 데이터 세트에서 이산화질소(NO₂) 농도는 분자 수/cm²(molecules/cm²)로 표시됨. 위성 센서는 위성 기기에서 지표면까지의 수직 기둥 내에 존재하는 분자 수를 지구 표면의 단위 면적당 추정함. 따라서 값이 molecules/cm² 단위로 제공됨.

5. 결과적으로, 선택한 지역의 평균(연간) 이산화질소 농도를 나타내는 지도를 얻음.
그러나, 결과에서 알 수 있다시피, 지도에 표시된 값의 차이는 표준 이미지 분류(standard classification) 에서는 잘 드러나지 않음. 이유는 기호의 단계(gradation of symbols)가 자동으로 최대값을 2.00000005e+16 으로 설정하지만, 실제로 우리 지역의 데이터는 주로 0.50000005e+16 범위에 해당하기 때문.

즉, 최대 데이터 범위가 2.00000005e+16에서 0.50000005e+16 사이로 설정되어 있음.

이를 변경하기 위해, 다음과 같은 단계를 적용.

  1. 우측 상단 Options 메뉴에서 을 선택.

  2. 최대 데이터 범위(Maximum data range)를 0.50000005e+16으로 설정.

  3. Smoothing(부드럽게 처리) 기능을 켜고,

  4. Re-Plot(다시 그리기) 를 클릭.

이 결과를 가지고, 선택한 지역의 평균(연간) 이산화질소(NO₂) 농도 지도를 확인할 수 있음.

이 지도는 Giovanni에 자동으로 저장되므로 따로 저장할 필요가 없음.
다음 작업으로 진행하려면, 화면 오른쪽 하단에 있는 Back to Data Selection(데이터 선택으로 돌아가기) 버튼을 클릭.

6. 동일한 방법(알고리즘)을 사용하여, 2019년 6월 15일부터 2020년 6월 15일까지 같은 지역의 대류권 내 평균 이산화질소 농도를 확인하기. (결과는 아래와 같아야함)

결과 생각해보기.

  1. 2019-2020년의 이산화질소 농도는 2014-2015년 기간과 비교하여 왜, 그리고 어떻게 변화했을까?

  2. 대기 중 이산화질소(NO₂) 농도의 이러한 변화는 환경에 어떤 영향을 미쳤을까?

이제 지구 온난화에 기여하는 가스인 이산화탄소(Carbon dioxide; CO₂)의 농도를 같은 지역에서 2002년부터 2017년까지 분석해 보자.

이산화탄소는 지구 기후 변화를 유발하는 주요 화합물 중 하나.

Giovanni에서 제공되는 전체 기간 동안, 선택한 지역의 이산화탄소 농도가 어떻게 변화했는지 확인.

  1. 좌측 상단 Select Plot 필드에서 Time Series Area-Averaged(지역 평균 시계열) 표시 모드를 지정.
    이 그래프는 선택한 기간 동안 평균값의 변화를 보여주는 표준 시계열 그래프로, 선택한 지역 내 이산화탄소 농도의 변화를 시각적으로 확인할 수 있음.

  2. Atmospheric Chemistry(대기 화학) 패널에서 2002–2012년과 2010–2017년 동안의 이산화탄소 농도도 확인할 수 있음.

(2002/09/01 - 2012/02/29)

(2010/01/01 - 2017/02/28)

따라서 서로 다른 기간(2002–2012년과 2010–2017년)의 CO₂ 농도를 두 개의 다른 그래프로 표시할 수 있음.

NOTE: 2002 ~ 2017년까지의 이산화탄소 농도 변화를 한 번에 보고 싶지만, Giovanni에는 두 가지 다른 데이터셋으로 나뉨.

  • 2002년부터 2012년까지의 데이터는 IR-Only(적외선 관측 기반) 데이터 없이 결합 관측(Combined Retrieval) 방식으로만 제공.

  • 반면, 2010년부터 2017년까지의 데이터는 IR-Only 버전이 따로 제공.

이렇게 나뉘는 이유는,

  1. 위성 관측 기술과 자료 처리 방식이 시간이 지나면서 발전.

  2. 초기(2002–2012년)에는 IR과 다른 채널을 결합해 처리한 자료만 제공했지만,

  3. 이후(2010년 이후)에는 적외선(IR) 채널만으로 분석한 고유한 자료(IR-Only)도 제공 시작.

그래서 두 시기 데이터는 다른 형식으로 제공되며, 우리가 두 기간을 비교할 때는

  • 같은 지역에 대해 각각의 기간별로 별도로 그래프를 만들고

  • 데이터의 처리 방식이 달랐음을 인지하고 비교해 보는 것이 중요.

Results:

그래프는 Download 버튼을 클릭하여 개별적으로 다운로드해 그림 파일로 저장할 수 있고, 또는 서로 다른 기간의 데이터를 장치에 다운로드한 후, R Studio 에서 공통 그래프를 직접 만들 수 있음.

이를 위해,

  • 화면 좌측의 History 탭에서 Downloads 항목 아래에 있는 CSV를 선택.

  • 두 기간의 데이터를 생성했기 때문에, 두 개의 CSV 파일을 각각 다운 받아야 함.

결과 생각해보기.

  1. 2002년부터 2017년까지 CO₂ 농도는 얼마나 증가했나?

  2. 이 그래프는 어떤 추세를 보여주고 있나?

  3. 2032년까지 이 지역의 CO₂ 농도 변화 추세를 예측해 보자.

  4. Giovanni에서 조사할 수 있는 다른 화학 화합물에는 무엇이 있을까?

1.2 Practice

글로벌 모니터링 연구소(Global Monitoring Laboratory)4에 따르면, 1980년 이후 전 세계 이산화탄소 농도는 지속적으로 증가하고 있다. 그렇다면, 위성 관측 데이터를 이용하여 미국에서 이 오염물질 농도를 모니터링하는 것이 가능할까?

읽은 내용과 COVID-19 ’대응’에 근거하여, 실습을 다시 수행하고 미국 동부 해안 도시(보스턴, 뉴욕, 워싱턴 DC 등)의 대기 중 NO₂ 및 CO₂ 농도 변화를 조사해 보세요.

  1. 직접 생성한 그래프 화면 캡처와 주석(설명)을 포함하여 분석 과정을 별도의 문서로 작성.

  2. 여기에 본인의 해석을 포함.

  1. https://www.esa.int/Applications/Observing_the_Earth/Copernicus/Sentinel-5P/Coronavirus_lockdown_leading_to_drop_in_pollution_across_Europe↩︎

  2. https://www.esa.int/Applications/Observing_the_Earth/Copernicus/Sentinel-5P/COVID-19_nitrogen_dioxide_over_China↩︎

  3. https://www.bbc.com/news/uk-england-52202974↩︎

  4. https://gml.noaa.gov/ccgg/trends/global.html↩︎