Role of ice in Hg cycling in the polar regions: Atomistic perspective offered by quantum chemical calculations

Abstract

극지방에서 일반적으로 일어나는 대기로부터 빙상으로의 단방향 물질이동과 달리, 수은(Hg)의 경우 대기와 빙상 표면 경계에서 활발한 양방향 교환이 현장 관측과 실험을 통하여 관찰되고 있다. 이와 같은 양방향 Hg 교환은 자외선(~280-400 nm)에 의한 Hg의 광화학적 산화-환원 반응에 의하여 일어나는 것으로 알려져 있다. Hg 산화에 의한 반응성 Hg 화합물(reactive Hg2+ compounds; HgII) 형성은 빙상 표면으로의 Hg 침적에, 그리고 침적된 HgII의 환원은 빙상으로부터의 Hg0 재방출에 기여하고 있다. 이 과정에서 HgII가 대기중 해염과 광물성 먼지 입자 표면에 흡착되어 형성된 미립질 수은(particle bound Hg; PHg)은 대기중에 존재하는 Hg의 침적과 함께 침적된 Hg의 빙상 내부의 반영구적 잔류에 중요한 역할을 하고 있을 것으로 추측되고 있다. 하지만, 일련의 과정이 일어나는 동안 원자단위에서 어떤 반응이 일어나는지 아직까지 밝혀지지 않았다.이 뿐만 아니라, 극지방 대기와 빙상 표면에 가장 많이 존재하고 있는 눈과 얼음이 극지방 Hg의 순환에 어떤 역할을 하고 있는지 아직까지 체계적으로 논의되지 않은 상황이다. 본 연구에서는 양자화학계산을 이용하여 Hg0과 HgII의(Hg2+, HgO, HgBr2, HgCl2, HgClBr)의 극지방 대기중에 존재하는 얼음 및 에어로졸 입자(암염과 일라이트) 표면에 대한 원자단위의 흡착 과정을 조사하였다. 이 때, 얼음의 표면 구조는 명확하지 않기 때문에 표면에 존재할 것으로 예상되는 몇 가지의 표면 구조(불포화 결합된 H와 O원자들 및 H 결함; dangling H and O atoms and proton defects)들을 준비하여 계산을 수행하였다. 얻어진 계산 결과를 통하여 얼음과 에어로졸 표면에 Hg0와 HgII의 흡착이 가능한지, 흡착이 가능하다면 그 결합 에너지는 얼마나 되는지 확인하여 극지방 빙상 표면에서의 양방향 Hg 교환 과정을 원자단위에서 확인하였다. 특히, 얼음 표면의 Hg0와 HgII의 흡착 경향성으로부터 얼음이 극지방 Hg의 침적과 재방출에 어떠한 역할을 하고 있는지 확인하였다.