2.1 국제해사기구의 배출규제해역

국제해사기구는 해양 환경 보호와 대기질 개선을 위해 선박에서 배출되는 대기오염 물질에 대한 국제 규제를 마련하였다. 이 규제는 국제해양오염방지협약(MARPOL) 부속서 VI에 따라 시행되며, 선박으로부터 배출되는 황산화물, 질소산화물, 미세먼지 등의 주요 대기오염 물질을 감소시키는 것을 목표로 한다.

2020년 1월부터 시행된 황산화물 배출규제는 전 세계 모든 선박을 대상으로 선박 연료유의 황 함유량을 기존 3.5%에서 0.5% 이하로 대폭 강화하였다. 황산화물 배출은 미세먼지 발생과 밀접한 연관이 있으므로, 이 규제를 통해 미세먼지 배출을 저감하는 효과도 기대할 수 있다. 질소산화물 배출규제는 단계적으로 강화된 기준을 가지고 있으며, 각 단계는 특정 연도 이후 건조된 선박에 적용된다. Tier I은 초기 규제로 1990년대 대비 약 15~20%의 질소산화물 배출 저감을 목표로 하며, Tier II는 2011년 1월 1일 이후 건조된 선박에 대해 Tier I 대비 약 20% 이상의 추가적인 질소산화물 배출 저감을 요구한다(IMO, 2022a).

국제해사기구의 배출규제는 전 세계 모든 해역에서 기본적으로 적용되는 일반 규제 외에도, 특정 해역에 대해 더 엄격한 기준을 적용하는 배출규제해역 제도를 운영함으로써 강화되고 있다. 배출규제해역으로 지정된 특정 해역에서는 선박 연료유의 황 함유량이 0.1% 이하로 제한되며, 질소산화물의 경우 Tier III 기준이 적용된다. Tier III는 Tier II 대비 약 80%의 배출 저감을 목표로 하며, 2016년 1월 1일 이후 건조된 선박에 대해 해당 해역에서 적용된다(IMO, 2022a).

현재 국제해사기구의 배출규제해역으로 지정되어 배출규제가 시행 중인 지역은 발트해(Baltic Sea area), 북해(North Sea area), 북미해역(North American ECA), 미국 카리브해역(United States Caribbean ECA)이며, 지중해(Mediterranean Sea ECA), 캐나다 북극해역(Canadian Arctic ECA), 노르웨이해(Norwegian Sea ECA)에 새로운 배출규제가 발효될 예정이다.

발트해와 북해는 각각 2006년과 2007년에 황산화물 배출규제를 도입하였으며, 초기에는 연료 내 황 함유량을 1.5%로 제한하였다. 이후, 2015년부터 0.1%로 규제가 강화되었으며, 2021년 이후 건조되는 신규 선박에 대해서는 질소산화물 배출규제의 Tier III 기준이 적용되고 있다(IMO, 2005; IMO, 2017). 한편, 북미해역과 미국 카리브해역은 각각 2012년과 2014년에 황산화물 배출규제를 시행하였으며, 2015년부터 연료 내 황 함유량 제한을 기존 1.0%에서 0.1%로 강화하였다. 또한, 두 해역 모두 2016년 이후 신규 선박에 대해 질소산화물 배출규제의 Tier III 기준을 적용하고 있다(IMO, 2010; IMO, 2011).

반면, 지중해는 2024년 5월 1일부터 배출규제해역으로 지정되었으며, 2025년 5월 1일부터 선박 내 황 함유량을 0.1%로 제한하는 황산화물 배출규제를 시행할 예정이다(IMO, 2022b). 또한, 캐나다 북극해역과 노르웨이해는 2026년 3월 1일부터 배출규제해역으로 추가 지정될 예정이며, 두 해역에서는 2027년 3월 1일부터 황산화물 배출규제가 시행되어 동일하게 시행된다. 질소산화물 배출규제의 Tier III 기준은 캐나다 북극해역의 경우 2025년 1월 1일 이후 건조되는 신규 선박에 적용되며, 노르웨이해의 경우 2026년 3월 1일 이후 건조되는 신규 선박에 적용될 예정이다(IMO, 2024). 표 1은 국제해사기구 배출규제해역에서 황산화물, 질소산화물, 미세먼지 규제의 발효 시점을 나타낸다.

Table 1.

Effective dates of regulations in IMO ECAs

이들 배출규제해역은 각 지역의 특성과 환경적 요구를 반영하여 설계되었으며, 대기오염 물질 배출 저감을 공통적인 목표로 한다. 이러한 제도의 도입은 해운업계가 친환경 연료와 배출 저감 기술을 채택하도록 유도하며, 국제적인 환경 보호 노력의 중요한 축으로 자리 잡고 있다. 또한, 국제해사기구의 온실가스 규제 강화 흐름과 관련하여, 배출규제해역의 중요성은 지속적으로 증대될 것으로 예상된다. 이러한 규제는 연안 지역의 대기질 개선과 해양 생태계 보호를 목표로 하며, 대기오염 물질 배출 저감을 통해 국제적으로 핵심적인 역할을 수행하고 있다.

2.2 한국의 황산화물 배출규제해역 현황과 한계

한국은 국제해사기구의 배출규제 정책에 부응하고 연안 지역의 대기질 개선을 위해 「항만지역 등 대기질 개선에 관한 특별법」에 따라 2020년 9월 1일부터 황산화물 배출규제해역을 지정하여 운영하고 있다(MOF, 2019). Fig. 1과 같이, 부산항, 울산항, 여수항, 광양항, 인천항 등 주요 항만과 그 주변 해역을 중심으로 규제가 시행되었으며, 규제의 범위와 적용 방식이 단계적으로 확대되었다.

Fig. 1.

Sulphur oxide emission control area in republic of Korea (Source : MOF, 2021)

2020년 9월 1일부터 2021년 12월 31일까지는 배출규제해역 내에서 선박이 투묘 또는 계류를 완료한 후 1시간 이내부터 양묘 또는 이안 작업 시작 1시간 전까지 연료 내 황 함유량을 0.1% 이하로 제한하는 규제가 적용되었다. 2022년 1월 1일부터는 규제 범위가 확대되어 선박이 배출규제해역에 진입한 때부터 나갈 때까지 동일한 규제가 적용되고 있다.

한국의 황산화물 배출규제해역은 국내법에 따라 국내외 모든 선박에 동일하게 적용되며, 규제 준수 여부는 항만 당국이 관리·감독한다. 배출규제해역 내에서 운항하는 선박은 연료유 전환 기록, 연료유의 종류 및 황 함유량, 연료유 교환 시점과 위치 등을 기관일지에 상세히 기록하고 이를 1년간 보관해야 한다. 또한, 황 함유량이 다른 연료유를 저장하는 경우에는 연료유 전환 절차서를 비치해야 한다. 이러한 규정을 통해 항만 당국은 선박의 규제 준수 여부를 확인하고, 이를 기반으로 배출규제해역의 실효성을 높이고 대기질 개선 효과를 극대화하고자 한다.

그러나 한국의 황산화물 배출규제해역은 국제해사기구가 지정한 정식 배출규제해역과 달리 국내법을 기반으로 운영되고 있어, 국제적 정당성이 부족할 경우 외국 선박의 규제 수용을 강제하기 어려워질 수 있으며, 이로 인한 국제적 마찰이 발생할 여지가 있다. 이러한 한계를 극복하고, 국제적으로 통용되는 배출규제해역을 지정하기 위해서는 국제해사기구의 승인을 확보하는 것이 필수적이다.

그러나 동북아시아 해역의 특성상 한국 단독으로 국제해사기구의 승인을 통한 배출규제해역 지정을 추진하는 데는 한계가 있다. 따라서 동북아 공동배출규제해역 지정을 위한 국가 간 협력의 필요성이 제기되고 있다(Lee et al., 2019). 이를 위해 주요 항로 및 항만의 대기환경을 모니터링할 수 있는 검증 수단을 도입하고, 과학적 데이터를 바탕으로 규제 효과를 입증할 근거를 마련하는 것이 필수적이다. 또한, 장기적인 자료 확보와 분석 체계를 구축하는 것이 요구된다.

3.1 항로표지를 활용한 배출규제해역 모니터링

항로표지는 해상 교통 안전과 항해 지원을 목적으로 설치된 구조물로, 주요 항로와 항만 주변 해역에 분포하여 선박의 안전한 이동을 돕는 역할을 한다. 선박의 위치 안내와 항해 위험 요소 경고 등 기본적인 항해 안전성을 확보하는 데 중요한 기능을 수행하며, 독립적인 전력 공급 체계를 갖추고 있어 외부 전력 인프라에 의존하지 않고 지속적으로 운영될 수 있다.

이러한 특성은 항로표지가 대기오염물질 데이터를 수집하는 데 적합한 인프라로 활용될 가능성을 보여준다. 항로표지에 대기오염물질의 농도를 실시간으로 측정할 수 있는 센서를 장착하면, 배출규제해역 내 선박 배출량을 모니터링하는 효과적인 도구로 활용될 수 있다. 광범위한 분포와 독립적인 운영 체계는 환경 모니터링을 위한 기초 인프라로 적합하며, 기존 설비를 활용함으로써 추가적인 비용 부담을 줄일 수 있다.

다만, 항로표지에 대기오염물질 측정 센서를 설치하여 배출규제해역을 모니터링하기 위해서는 해양 환경의 특수성을 고려한 기술적 과제를 해결해야 한다. 특히, 등부표와 같이 바다 위에 부유하는 항로표지는 해수와 직접 접촉하며 염분과 수분에 지속적으로 노출되기 때문에, 센서와 데이터 수집 장치에 대한 방수 및 방진 처리가 필수적이다. 공기를 흡입하여 대기 중 오염물질 농도를 분석하는 센서의 경우, 염분과 수분이 측정 기기의 성능과 수명에 부정적인 영향을 미칠 가능성이 있다.

그럼에도 불구하고, 항로표지는 주요 항로와 항만 주변 해역에 분포하여 선박에서 배출되는 대기오염물질을 측정하기에 지리적으로 유리한 위치에 있다. 특히, 육지나 섬에 고정 설치된 등대와 같은 항로표지는 부유식 구조물에 비해 환경적 요인의 영향을 덜 받을 수 있다. 이러한 고정식 항로표지에 센서를 설치하는 방안은 기술적 실현 가능성이 높다. 이를 통해 배출규제해역에서 대기오염물질 모니터링의 정확성과 효율성을 강화할 수 있다.

3.2 모니터링 해역 설정

본 연구에서는 부산 신항 통항로에 위치한 가덕도 등대 인근 해역을 대기오염물질 모니터링 해역으로 선정하였다. 이 해역은 부산 신항으로 입출항하는 선박이 통과하는 주요 항로에 위치하며, 부산항 황산화물 배출규제해역 내에 포함되어 있다. 또한, 선박 외의 주요 대기오염 배출원이 거의 없는 지역으로, 선박 배출가스가 대기질에 미치는 영향을 직접 관찰하고 정밀히 분석하기에 적합한 조건을 갖추고 있다.

가덕도 등대는 육지에 고정 설치된 구조물로, 부유식 구조물에 비해 해양 환경 요인의 영향을 적게 받기 때문에 안정적인 장비 운영이 가능하다. 또한, 육지에 위치해 있기 때문에 안정적인 전력 공급이 가능하여, 장기간 데이터 수집과 장비 운영을 효율적으로 지원할 수 있다. 이러한 특징은 대기오염물질 측정 장비의 설치와 유지에 적합하다.

대기오염물질 중 미세먼지를 주요 모니터링 대상으로 선정하였다. 이는 미세먼지가 선박 배출가스의 주요 구성 성분이며, 인체 건강에 미치는 영향이 매우 크기 때문이다. 미세먼지는 호흡기 및 심혈관계 질환을 유발할 가능성이 높아 대기질 악화의 대표적 지표로 활용되며, 한국에서는 미세먼지 주의보 및 경보 체계를 통해 그 위험성을 경고하고 있다.

또한, 미세먼지는 황산화물이나 질소산화물에 비해 상대적으로 측정이 용이하다. 황산화물과 질소산화물은 화학적 분석 장비를 사용해야 하므로 장비의 교정 및 유지관리가 필요하고 염분과 습도에 민감하여 해양 환경에서 적용이 까다로울 수 있다. 반면, 미세먼지는 광산란법, 베타선 흡수법 등 상용화된 기술을 통해 쉽게 측정할 수 있으며, 작동이 간단하고 유지보수가 용이하여 해양 환경에서도 안정적으로 운영될 수 있다.

이와 함께, 주변 통항 선박의 정보를 수집하기 위해 AIS(Automatic Identification System) 수신기를 설치하였으며, 측정된 미세먼지 데이터와 AIS 데이터를 실시간으로 데이터베이스에 저장하기 위해 LTE 라우터를 설치하여 데이터 전송 체계를 구축하였다. Fig. 2는 가덕도 등대에 설치된 미세먼지 측정기와 AIS 수신기를 보여준다.

Fig. 2.

Particulate matter measuring instrument (Left) and AIS receiver (Right) at gadeokdo lighthouse

4.1 일별 평균 미세먼지 농도 분석

2024년 8월 9일부터 8월 31일까지 약 1개월간 가덕도 등대에서 미세먼지(PM10), 초미세먼지(PM2.5), 그리고 극초미세먼지(PM1.0)의 농도를 1분 간격으로 측정하여 데이터를 수집하였다. 이를 바탕으로 각 항목의 일별 평균 농도를 계산하여 Fig. 3에 그래프로 나타낸다.

Fig. 3.

Daily average particulate matter concentrations

파란색 선은 미세먼지, 빨간색 선은 초미세먼지, 주황색 선은 극초미세먼지의 농도를 각각 나타낸다. 미세먼지 농도가 가장 높고, 초미세먼지와 극초미세먼지의 농도가 그 뒤를 따르는 경향을 보였다. 이는 입자의 크기가 클수록 공기 중 농도가 높은 일반적인 특성과 일치하는 결과이다.

특히 8월 24일부터 8월 26일 사이에는 세 가지 모든 농도의 값이 급격히 증가한 것이 관찰되었다. 해당 기간 동안 미세먼지, 초미세먼지, 극초미세먼지 모두에서 비슷한 패턴을 보이며, 이 시기의 농도 증가는 외부 환경적 요인에 의해 발생했을 가능성이 높다.

데이터의 신뢰성을 검증하기 위해 환경부 한국환경공단이 운영하는 대기환경정보실시간공개시스템(이하 에어코리아)에서 제공하는 데이터를 활용하였다. 에어코리아는 아황산가스(SO2), 일산화탄소(CO), 이산화질소(NO2), 오존(O3), 미세먼지, 초미세먼지 등 주요 대기오염물질의 시간별 데이터를 실시간으로 제공한다. 에어코리아 측정소 중 Fig. 4와 같이 가덕도 등대와 가장 인접한 녹산동, 명지동, 장림동 3곳의 미세먼지 및 초미세먼지 데이터를 비교 분석에 활용하였다.

Fig. 4.

Gadeokdo lighthouse and nearby air Korea monitoring stations (Source : Google Earth)

Fig. 5(a)와 Fig. 5(b)는 가덕도 등대와 3곳의 에어코리아 측정소에서 측정된 미세먼지와 초미세먼지 농도의 일별 변화를 비교한 그래프이다. 4개소 모두에서 유사한 변화 패턴이 관찰되었으며, 이는 가덕도 등대에서 측정된 데이터가 신뢰할 수 있는 결과임을 보여준다. 특히 8월 24일부터 26일 사이에 가덕도 등대에서 측정된 농도 증가세는 인접한 3곳의 에어코리아 측정소에서도 유사하게 나타나, 외부 환경적 요인에 따른 부산 지역 전체의 농도 증가를 뒷받침한다. 또한, 가덕도 등대의 농도가 다른 지역보다 대체로 낮은 경향은 대기오염 배출원이 거의 없다는 지역적 특성과 일치하는 결과로 해석된다.

Fig. 5.

Comparison of particulate matter concentrations across gadeokdo lighthouse, noksan, myeongji, and jangnim. (a) PM10, (b) PM2.5

4.2 미세먼지 농도 단기적 변동 분석

미세먼지 농도의 단기적 변동성을 분석하기 위해, 1분 간격으로 수집된 데이터를 바탕으로 수집 기간 동안의 일별 농도 변화를 분석하였다. Fig. 6은 분석 데이터 중 일부인 2024년 8월 15일과 23일의 미세먼지(PM10, PM2.5, PM1.0) 농도 변화를 나타낸다. 8월 15일의 데이터는 Fig. 6(a), 8월 23일의 데이터는 Fig. 6(b)에 해당한다.

Fig. 6.

Minute-interval daily particulate matter concentrations. (a) August 15, (b) August 23

8월 23일의 경우, 미세먼지 농도는 대체로 작은 범위 내에서 변동하며 안정적인 경향을 보였다. 이는 수집 기간 동안의 일반적인 미세먼지 농도 변화 패턴을 잘 나타내는 예시로 볼 수 있다. 특정 시간대에 급격히 증가하거나 감소하는 일시적인 변화는 없었으며, 농도의 변화가 발생하더라도 18시부터 24시 사이처럼 천천히 지속적으로 진행되는 양상을 보였다. 이러한 양상은 단기적이고 일시적인 요인보다는 지속적인 외부 요인의 영향을 받은 결과일 가능성이 높다.

반면, 8월 15일의 경우, 오전 5시 30분부터 45분 사이에 짧은 기간 동안 농도가 급격히 증가하였다가 다시 감소하는 현상이 관찰되었다. 이는 일반적인 변화 형태와는 다른 양상으로, 국지적 요인이나 일시적인 외부 요인의 영향을 받은 결과일 가능성이 높다. 특히, 가덕도 등대 인근에는 특별한 대기오염원이 존재하지 않기 때문에, 이러한 미세먼지 농도의 급격한 증가는 선박 통항에 의해 배출된 배기가스의 영향을 받았을 가능성이 고려된다.

가덕도 등대에 설치된 AIS 수신기를 통해 수집한 데이터를 분석하여, 미세먼지 농도의 급격한 변화가 발생한 시간대에 가덕도 인근 해역을 통항한 선박을 분석하였다. Fig. 7은 미세먼지 농도가 급격히 변화한 발생하였던 2024년 8월 9일, 15일, 20일 해당 시간대의 미세먼지 농도 변화 그래프 및 통항 선박의 항적과 가덕도 등대에서 관측된 풍향 및 풍속을 표시한 그림을 나타낸다. 여기서 파란색 선은 황산화물 배출규제해역의 경계를, 빨간색 선은 AIS 데이터를 기반으로 한 선박의 항적을 의미한다.

Fig. 7.

PM concentration changes and vessel traffic patterns during rapid PM changes in August 2024. (a) August 9, 05:50-06:50, (b) August 15, 04:30-05:30, (c) August 20, 03:30-04:30, (d) August 20, 07:30-08:30

Fig. 7(a)는 2024년 8월 9일의 미세먼지 농도 변화와 선박 항적을 나타낸다. 위쪽 그래프는 미세먼지(PM10, PM2.5, PM1.0) 농도 변화를 보여주며, 오전 6시 50분경 미세먼지 농도가 급격히 증가하는 현상이 관찰되었다. 이에 따라, 오전 5시 50분부터 6시 50분까지의 AIS 데이터를 기반으로 도출된 선박 항적을 아래쪽 그림에 나타내었다. 해당 시간대에 바람은 326° 방향에서 0.51m/s의 속도로 불어왔으며, 가덕도 등대 북서쪽 배출규제해역 근처에서 선박이 통항하는 모습이 확인되었다. 바람 방향과 선박 활동을 고려할 때, 이 지역의 선박 배출이 미세먼지 농도 증가에 영향을 미쳤을 가능성이 있다.

Fig. 7(b)는 2024년 8월 15일 미세먼지 농도 변화와 선박 항적을 나타낸다. 오전 5시 30분경 미세먼지 농도가 급격히 증가하는 현상이 관찰되었으며, 오전 4시 30분부터 5시 30분까지의 선박 항적을 아래쪽 그림에 표시하였다. 해당 시간대에 바람은 026° 방향에서 1.54m/s로 북동쪽에서 불어왔으며, 북동쪽 해역에는 AIS 데이터로 확인되는 선박이 존재하지 않았다. 이러한 점을 고려할 때, 작은 선박이나 어선, 낚시 어선 등 AIS 송신기를 장착하지 않은 선박에서 미세먼지가 배출되었거나, 국지적 오염원이 영향을 미쳤을 가능성이 있다.

Fig. 7(c)와 7(d)는 2024년 8월 20일 미세먼지 농도 변화와 선박 항적을 나타낸다. 각각 오전 4시 30분경, 오전 8시 30분경 미세먼지 농도가 급격히 증가하는 현상이 나타났으며, 이에 따라 시점 1시간 전부터 시점까지의 선박 항적을 나타내었다. 4시 30분경에는 바람이 084° 방향에서 1.03m/s로 불어왔으며, 북동쪽 해역에서 선박 통항이 관찰되었다. 8시 30분경에는 바람이 240° 방향에서 1.54m/s로 불어왔으며, 남서쪽 해역에서 선박 통항이 확인되었다. 각각의 선박 통항과 바람 방향을 고려할 때, 해당 지역의 선박 활동이 미세먼지 농도의 급격한 증가에 영향을 미쳤을 가능성을 검토할 수 있다.