[연구개발] 일사계 지침서 1장 : 태양 및 적외복사 관측의 역사적 주요 사건 (개요, 초기 태양 관측과 빛의 특성, 19세기 복사계)

 정보

• 업무명     : 일사계 지침서 1장 : 태양 및 적외복사 관측의 역사적 주요 사건 (개요, 초기 태양 관측과 빛의 특성, 19세기 복사계)
• 작성자     : 이상호
• 작성일     : 2023.01.04
• 설   명      :
• 수정이력 :

 

 

 용어

• absorptivity : 흡수율
• actinograph : 자기일사계
• air mass : 기단
• antireflection coating : 반사방지막
• artificial horizon : 인공수평기
• body : 중심
• calibration : 교정
• calibration : 보정
• calibration ratio : 보정비
• caustic : 부식제
• cavity radiometer : 공동 복사계
• chopper wheel : 초퍼 휠
• compensating circuit : 보상 회로
• concentric alignment : 동심 정렬
• critical combination : 임계 조합
• dark current : 암전류
• detector : 감지기
• direct normal irradiance : 직달일사
• dome : 돔
• global horizontal solar irradiance : 수평면 전일사량
• global irradiance : 전천일사량
• higher current : 높은 전류
• incidence : 입사
• inset : 그림
• instrument : 기기
• IR : 적외선
• irradiance : 복사조도
• level : 수준
• leveling : 수평 조절
• measurement : 측정
• negative : 음의
• net : 순
• nonlinearity : 비선형성
• output : 산출량
• photocurrent : 광전류
• photodiode pyranometer : 포토다이오드 전천일사계
• protective glazing : 보호유리
• pyranometer : 전천 일사계 (수평면일사계)
• pyranometer : 전천일사계, 일사량
• pyrgeometer : 야간복사계
• pyrheliometer : 일사계
• quantum efficiency : 양자효율
• reading : 측정값
• reference value : 기준값
• responsivity : 반응도
• screen : 가리개
• shield : 보호장치
• short-circuit current : 단락전류
• silver-disk pyrheliometer : 은반일사계
• site : 지역
• solar panel : 태양전지판
• source : 근원
• spectral sensitivity : 분광 광도
• spirit level : 기포관 수평기
• spot : 점
• temperature dependence : 온도 의존도
• thermal offset : 열 오프셋
• thermopile : 서모파일
• ventilator : 통풍기
• water-flow pyrheliometer : 수류 일사계

 

 내용

[개요]

• 태양 및 적외복사 관측 기술은 과학적 사실의 발견과 공학 응용 프로그램의 발전으로 인해 수세기동안 발전되었다. 역사적으로 관측은 물리 법칙의 발전에 중요한 역할을 해왔다. 오늘날 태양 및 적외복사 관측은 대기물리학의 발전, 신재생 에너지 기술개발, 그리고 기후변화에 대한 이해에 있어 특히 중요하다. 자료의 정확성을 향상시키려는 목적은 일반적으로 태양 및 적외복사 측정 장비를 개발하기 위함이다.

 

[초기 태양 관측과 빛의 특성]

• 태양흑점과 태양의 순환 작용은 오랫동안 과학적 관찰의 관심이 되고 있다. 17세기 초 망원경의 발명은 일찍이 기원전 4세기에 발견된 태양 표면에 검은 점이 태양 자체와 관련되어 있음을 확인했다(Eddy, 1976). 초기 망원경은 태양의 흑점수를 관측할 수 있을 뿐만 아니라 흰 반점(일반적으로 태양 흑점 이전에 발생하는 태양 표면에 밝은 영역) 크기, 모양, 위치, 그리고 오늘날 기록 된 대부분의 세부 관측사항들의 관측 개선에 일조했다. 1848년, 수많은 유럽 관측소들은 Rudolf Wolf에 의해 개발된 표준 방식을 사용하여 정기적으로 관측을 시작했다(Waldmeier, 1961). 관측 방법을 표준화하기 위한 노력으로 Wolf에 의해 시작된 작업은 19세기에 가장 신뢰할만한 태양 흑점 수의 역사적 기록을 생산하였다.
• 1666년 아이작 뉴턴은 암실에서 가시영역 스펙트럼을 나타내는 유리 프리즘을 사용하여 태양광의 분광 분포를 발견했다. 그는 또한 빛의 직선으로의 전파와 거울과 같은 표면에서 정반사의 특징을 설명하는 수단으로서 빛의 미립자 이론을 발표했다. 17세기의 다른 발견은 Francesco Grimaldi와 Robert Hooke에 의해 각각 발견된 Willebord Snell의 굴절의 법칙과 빛의 회절에 대한 내용이다 (Coulson, 1975). 가시광선의 전자기적 특징은 다음 2세기동안 발견되지 않았다.
• 태양 방향 “beam” 복사량인 직달 태양복사의 측정은 총 태양 복사조도(TSI) 산출을 이해하는데 필수적이다. 평균 TSI값과 이 값의 변동을 결정짓는 것으로 알려진 태양상수는 천문학, 대기물리학, 기후변화, 신재생 에너지 기술개발 및 기타 응용의 대상이 되고 있다. 1837년, Claude Servais Mathias Pouillet은 TSI 관측에 대한 최초의 성공적인 연구를 했고 그리스어 ‘불’, ‘태양’, 그리고 ‘측정’과 관련된 ‘pyrheliometer’ 용어를 소개했다(Crova, 1876).
• 1913년 스미소니언 연구소의 Charles Greeley Abbot와 Loyal Blaine Aldrich은 수평면 전천일사량 측정을 위해 설계된 최초의 복사계를 개발했다(대기에서 아랫방향의 총 반구 복사량). ‘불’, ‘위’, ‘측정’의 그리스 단어를 사용하여 Abbot과 연구원들은 태양열을 측정하는 능력에 대하여 pyrheliometer(이하 일사계)라고 이름 붙였다. 이들은 이것을 일사량 측정을 위한 표준장비로서 기능하게 하였으며 세부 사항은 Abbot과 Aldrich(1916)에 의해 설계되었다.
• 광학적 복사의 관측과 이해에 관한 다른 주목할 만한 발전은 표 3.1에 나타나있다.

 

[19세기 복사계]

Pouillet의 일사계 (1837)

• 이 장비는 최초로 일사계라 불렸고 태양에너지를 측정하는 열량계로써 설계되었다. 복사 수신기는 그림 3.1에 나타낸 바와 같이 태양에 대해 수직방향으로 흡수하는 표면이 검은색인 실린더형 용기 안에 물이 채워졌다. 실린더형 용기의 나머지 표면은 수신기와 대기 사이 열 교환을 줄이기 위하여 은으로 도금되었다. 수신기 유체온도는 직접 접촉 온도계로 측정하였다. 일조강도(DNI)의 측정값은 태양과 수직 방향인 검은색 수신기 표면 5분 동안 값을 기준으로 한다. 열량계에서 온도가 상승하거나 하강함에 따라서 단위면적당 받는 총 열을 의미하는 단위시간당 열용량이 계산 될 수 있다. Pouillet은 청천관측으로부터 TSI가 1227 $Wm^{-2}$ (1.76 $calcm^{-2}min^{-1}$가 되거나 현재 알고 있는 1366 $Wm^{-2}$ 값 보다 10% 낮을 것이라고 추정했다(Coulson, 1975).

 

표 3.1. 광학 복사 관측의 주요사건
(출처 : After coulson, K. L.,solar and terrestrial radiation, Methods and measurements, Academic Press New York, 1975)

연도	사건
1611-1612	David, Johannes Fabricius, Christoph Scheiner, 그리고 Galileo Galilei는 각각 태양 흑점의 존재와 태양이 축에 대해 회전하는 것을 발견한다.
1666	Isaac Newton은 유리 프리즘을 사용하여 가시 영역의 태양 스펙트럼 특성을 발견한다.
1800	William Herschel은 가시영역 밖에 복사조도를 측정하기 위하여 프리즘과 온도계를 사용하여 적외선을 발견한다.
1825	Herschel은 태양 복사 관측에 냉각률을 도입한 최초의 도구인 노출계를 개발한다.
1837	용어 pyrheliometer(일사계)를 처음으로 사용. Claude Pouillet은 일사계를 발명하고 현재 허용되는 값 의 10% 이내 정확성으로 태양상수를 로 측정한다.
1879	Campbell-Stokes는 자기 일조 시간계를 개발한다. 이 장비는 가조(可照)의 백분율을 하루 단위로 기록하기 위하여 사용된다. 이러한 자료는 주로 관측 지역 전천복사조도 값을 추정하기 위해 사용된다.
1884	Boltzmann은 물체의 온도(T)와 그것의 복사에너지(W)사이의 관계를 설명하는 Stefan-Boltzmann 법칙을 도출한다. :
1893	Knut ÅngstrÖm은 전기 보정 일사계를 개발한다.
1898	H. S. Calendar은 전기 저항 온도계를 만들기 위해 광물조각 위에 감긴 네 개의 플라티늄 철사 격자를 이용하여 Calendar 일사계를 개발한다. 두 개의 정사각형 격자는 검은색으로 칠해지고 나머지 두 개는 빛을 반사하는 천연 플라티늄이다.
1900	워싱턴 D. C에 위치한 스미소니언박물관은 수평면 전천일사량을 관측하기 시작한다.
1901	미국 기상청은 일조강도를 측정하기 위하여 워싱턴D. C, Baltimore, Maryland, Providence, 그리고 Rhode Islands에 세 개의 옹스트롬 전기보정일사계를 배치하여 최초의 일사량 관측을 시작한다.
1904	Samuel P. Langley은 날씨와 일사량과의 상관성을 연구하기 시작한다.
1905	Knut ÅngstrÖm의 전기보정일사계는 기상학회, 인스부르크에서 관측 표준으로 채택 되고, 태양 물리학 연합, 옥스퍼드에 의하여 채택된다.
1909	미국 기상청은 Callendar 전천일사계를 이용하여 수평면 전천일사량의 일상적인 관측을 시작하고, 후에 Callendar 전천일사계는 Madison, Wisconsin (1911), Lincoln, 그리고 Nebraska (1915)에 설치된다.
1910	스미소니언 수류 일사계가 기본 표준으로 완성된다. Abbot은 보조 은반일사계를 개발한다. Marvin 일사계가 발명된다. 후지 산, 일본, 매디슨, 위스콘신, 링컨, 네브래스카, 산타페, 멕시코에서 일조강도 관측이 시작된다.
1911	미국 기상청은 메디슨, 링컨, 산타페에 Marbin 일사계를 설치하여 직달 일사량의 관측을 시작한다.
1912	알제리에서의 관측은 알레스카에 카트마이 화산 폭발에 의한 화산재로 인한 태양빛의 20% 감소를 보여준다.
1913	수류일사계에 기반을 둔 스미소니언의 첫 번째 개정이 있다. Abbot은 태양상수측정을 위하여 45,000피트까지 오르는 풍선매개일사계를 개발한다. 현재 허용되는 값 의 약 1%이내 인 태양상수의 평균값을 도출한다.
1915	4월, 미국 기상청 월간 기상지가 관측된 태양복사조도에 관해 정기간행을 시작한다.
1916	스미소니언 연구소 C. G. Abbot와 L. B. Aldrich은 수평면 전천일사량을 측정하는 일사계를 개발한다.
1919	A. K.Ångstrőm은 적외복사량를 측정하는 전기보정일사계를 개발한다.
1923	Kimball-Hobbs 전천일사계(후에 Eppley에 의하여 “전구”일사계에 적용)가 개발된다.
1924	후에 Kipp & Zonen 일사계로 알려지는 초기 Moll-Gorczynski 일사계가 개발된다.
1927	Shulgin은 관측 정확도를 향상시키기 위해 이중 수류일사계를 개발한다.
1930	Eppley 연구소는 후에 “Eppley 전구일사계”라고 이름 붙여진 Kimball-Hobbs 180˚ 일사계를 상업화한다.
1932	스미소니언 일사계는 이중 수류 일사계(스미소니언 연구소에 표준으로 지정)로 보정된다. Robitzsch 바이메탈 일사계(자기일사계)는 자립 기록 메커니즘을 제공하나 하루 누적 복사량을 제외한 어떠한 관측에 대해서도 기상 국제 교류 협회 복사 위원회에 의해 추천되지 않는다.
1950-51	미국 기상청은 Eppley 180˚ 일사계를 사용하는 일사 관측소를 78개로 증가시킨다.
1952	복사량 측정에 있어 세계기상기기 소위원회는 일조강도 관측에 은반일사계를 권장한다.
1954	미국 기상청은 내부 적분구와 인공광원에 대하여 야외에서 Eppley 일사계 보정 방법을 변경한다.
1956	스위스 국제 복사 회의는 새로운 관측 척도로 “국제 일사척도(IPS)”를 추천한다. 소련에서 전천·산란 복사조도 및 지표면 알베도를 측정하기 위한 Yanishevsky 일사계가 개발된다.
1957	국제 일사척도 1956이 확립된다. 옹스트롬 척도가 1.5% 증가되고 1913 스미소니언 척도가 2.0%감소한다. Eppley Laboratory 연구소는 모델 정밀 분광 일사계(PSP)와 모델 수직 입사 일사계(NIP)를 도입한다.
1968	대기 외 일사량(총 태양 복사조도)의 최초 관측은 Eppley 연구소와 제트 추진 연구소의 USAF/NASA X-15의 비행으로부터 보고된다(TSI = 1360 ).
1969	제트 추진 연구소에서 주 절대 공동 복사계(primary absolute cavity radiometer)가 J. M. Kendall에 의하여 보고된다. 설계는 공간 수용기의 복사 가열과 동등한 전기 가열 교체에 기초한다.
1970	세계 복사 센터는 제 1 전기·자기-보정 절대 공동 복사계가 포함된 세 번째 국제 일사계 비교를 수행한다.
1971	Lambda 주식회사(현재 LI-COR)는 포토다이오드 검출기와 함께 전천일사계를 개발했다.
1975	DIAL 복사계는 저가의 자동 대기 혼탁도 관측을 위해 개발됐다. 이 설계는 회전하는 그림자 전천일사계, 회전하는 그림자 복사계, 열전그림자 복사계, 그리고 회전하는 그림자 복사계의 다층 여과기로 알려진 상업적 시스템을 기반으로 형성되었다.
1977	PACRAD III는 국제적인 전천일사계 비교를 위한 복사계의 기준이 되었다. Eugene에 oregon대학교는 일반 일조강도 측정과 미국에서 태양복사를 가장 오래 기록할 수 있는 곳을 설립하기 위해서 태양 복사조도 요소 관측을 시작했다.
1978	NIMBUS 위성 복사계는 Hickey-Frieden에 완벽한 공동 복사계를 사용함으로써 총 복사 조도의 관측을 시작했다.
1979	직달 복사조도(700 Wm 이상)의 기준 관측을 알기 위해서 국제적으로 세계복사센터에 의해서 세계 복사 연구소가 설립 되었다. 미국 국립 기상대는 남반구에 있는 Carolina 농업 지역 3곳을 관측함으로써 1~3일 앞날의 태양 복사량 예측을 개발하고 시험했다(Jensenius and Carter, 1979). 미국립해양대기청(NOAA)은 일일 태양복사량을 제공하기 위해서 미국 태양 복사관측을 실행 하고 있는 34개 지역의 자료를 기초로 1~2일 앞날을 예보하는 새로운 시스템을 제안했다.
1994	그림자 복사계의 다층 여과기가 상업화 되었다.
2003	Davos 세계 복사 센터에 의해 야간 복사계의 세계 적외 기준 그룹(WISG)이 설립되었다. 총 복사조도 모니터링(TIM)은 장기간에 걸쳐서 태양복사와 기후실험 시스템을 관찰하여 일부 지역의 총 복사조도를 측정하기 시작했다. 350 ppm(0.035%)의 절대적 정확도를 추정하면서 TIM은 복사 조도에 따른 상대적인 변화를 10 ppm/yr(0.001%/yr)보다 작게 나타낸다.
2010	다양한 일사계 비교는 국가 재생 가능 에너지 연구소(Michalsky, Dutton, Nelson, Wendell, Wilcox, Andreaset al. 2011)에서 완성되었다.

 

CAMPBELL-STOKES 일조계 (1853, 1879)

• 이 장비는 일사계는 아니지만, 이 장비와 몇 다른 장비는 오늘날 일조시간을 측정하는데 사용되고 있다. 이 장비들은 일 복사량을 측정하기 위해서 사용할 수 있다 (Iqbal,1983). J. F. Campbell은 유리 공에 물을 채워 사용함으로써 1853년에 일조시간 기록계를 발명했다.

 

그림 3.1. Pouillet's 일조계-1837년, 직달 복사 조도의 측정은 태양에 5분 간격으로 노출한 검게 칠해진 원통 안 물의 온도 변화를 기초로 측정한다.

 

 

• 이 구면 렌즈는 기름과 니스로 칠해지고 표면의 입경은 4 inch로서 오목한 흰 돌 (후에 마오가니 나무)의 안에 위치했다. 구름이 없고 연무가 짙은 기간 동안 집중된 태양복사는 기름과 니스로 칠해진 부분을 녹인다 (불탄 마오가니). 일조시간동안 불에 탄 길이는 일조시간을 계산하기위해 이용되었다. 고체 구면 유리는 어는점에서 작동이 가능하도록 만들기 위해 물로 채워진 볼로 교체되었다. 1879년에 Sir G. G. Stokes는 그림 2에 나타나 있는 Campbell 일조계로 변경했다. 단단한 구면 유리는 정확하게 1시간 또는 1시간보다 적은 시간간격으로 찍어내는 종이 스트립이 고정된 금속 주조에 의해 지지된다. 종이는 여름, 겨울, 봄/가을 기간 동안 3가지 다른 길이로 이용할 수 있다. 종이는 일반적으로 직달 복사조도가 210 $Wm^{-2}$가 초과할 때 타들어가고 비가 올 때를 포함하여 습도가 일정 범위 이상일 때는 안정한 상태를 유지한다. 1962년, 세계 기상 단체(WMO)의 장비관측방법조직위원회(CIMO)은 기준기로서 Campbell-stokes 일조계를 채택했다. 1966년, 233관측지점으로부터 관측된 일조량과 668관측지점으로부터 태양복사량의 분석은 매달 전 세계적 수평면 일평균 총 복사량을 생산하기 위해 사용되었다.
• 현재 Campbell-Stokes를 사용한 일조시간의 측정은 계속해서 이루어지고 있다. 이 자료는 세계복사자료센터에 의해 유지 및 기록된다(http://wrdc.mgo.rssi.ru).

 

그림 3.2. Campbell-Stokes 일조계는 전 세계적으로 일조량을 관측하였다

 

옹스트롬 일사계 (Ångström Electrical Compensation Pyrheliometer)

• 열량 측정법에 기초한 기존의 설계와는 달리 이 장비는 처음으로 태양 복사조도와 전력을 동일시하였다. 19세기 kunt 옹스트롬에 의해 개발된 이 일사계는 정확하고 신뢰받는 장비로 인식되었다(Ångström, 1893, 1899). 주로 전기 관측 장치를 기반으로 한 장비와 함께 옹스트롬 일사계는 오늘날 많은 복사 관측 실험실에서 주된 기준 관측 장비로서 사용되고 있다. 이 일사계는 Parson의 한쪽이 검은 광택제로 칠해진 2개의 망간 포장지를 사용했다. 스트립은 분광기 관과 나란하게 고정시키거나 장비 앞 2개의 직사각형 렌즈구경을 일직선으로 맞춘다. 전기 줄과 열전접점은 제어장치로 연결되었다. 조작자는 90초 간격으로 각 그늘이 교대로 분광기 앞에 올 수 있게 셔터를 제어한다. 가동 중일 때 그늘진 스트립은 전기 전류에 의해 노출된 스트립과 같은 온도로 가열된다. 노출된 스트립에 의한 에너지 흡수의 비율은 그늘진 스트립에 전기적으로 공급된 에너지의 비율에 따라 열전기적으로 보정된다.

 

그림 3.3. 옹스트롬 전기 보정 일사계는 몇 세기 동안 기준 장비로서 계속 사용되었다. 옹스트롬 전기 보정 일사계는 2010년 Davos에 있는 물리기상전망대에서 11번째 국제적인 일사계로서 운영되었다.

 

 

• 각 스트립 뒤에 붙이는 열전접점은 검류계 또는 디지털 영점 감지를 사용하여 이들의 온도가 동일한지 점검하기 위해 사용한다. 일사량 관측은 각각 스트립이 교대로 노출되어 그늘진 부분과 그렇지 않은 부분을 측정하는 것으로 설계되어있다. 일반적인 직달 일사량은 전력과 일사량이 동일하도록 결정된다.

 

• 조건
  • $DNI$ = 일반 직달 일사량 ($Wm^{-2})
  •  $\alpha$ = 단위 길이 당 수신 스트립의 흡수율
  • $b$ = 수신 스트립의 폭 [cm]
  • $C$ = 측정 단위에 기초한 상수 (9,995.175)
  • $r$ = 단위 길이 당 수신 스트립의 저항 (ohms/cm)
  • $I$ = 그늘진 스트립을 통한 전류 (amperes)

 

• 요약하면, 장비 제작자는 복사조도를 간단하게 정의하기 위해 상수 $K$를 언급했다.

 

 

• 이 장비는 1905년부터 1956년까지 유럽의 절대 기준기로 기능하였다.

 

 

CALLENDAR 일사계 (1898)

• 1898년 H. L. Callendar에 의해 발명된 전천일사계의 한 예로서 방사 태양 수신기라고 불렸다. 1905년에 향상된 버전으로 이용할 수 있었다(Callendar and Fowler, 1906). 이 장비는 전기 저항 온도계의 형태로, 운모 종이로 감겨진 4개의 백금 철사 격자 판을 이용했다. 그림 3.4에 나타난 것처럼, 격자 판 한 쌍은 태양복사의 흡수를 향상시키기 위해 검은색으로 칠해졌다. 그리고 다른 쌍은 백금으로 남겨두었다. 격자 수신판은 약 33.6 cm² 면적으로 바깥 입경이 약 9.1 cm로서 보호 진공 유리전구 안에서 올라가있다. 태양에 노출된 격자 판 한 쌍 사이의 온도차는 입사하는 태양 복사에 비례한다. 전천 일사계는 통합 자료 기록 방식을 사용함으로써 인기가 많았다.
• 기록하는 원통과 펜이 있는 자기 조정 휘트스톤 브리지는 수신 쌍에서 시간에 따른 온도 차이의 잉크 흔적을 만들었다. 보정상수는 기록된 자료를 국제적인 복사조도로 바꾸기 위해서 각 장비에 공급 되었다. Callendar 전천일사계는 20세기 초반 20년 동안 상당한 인기를 누렸다. 이 일사계의 한 사용 예는 캠브리지 대학교 식물학과에서 50년 이상 사용했고 영국 기상청 일사계와 비교해 보았을 때 1% 이내로 동일했다 (구체적으로 상관계수가 0.99) (Beaubien, Bisberg, and Beaubien, 1998). 미국 기상청은 1908년부터 1941년 서비스가 마지막으로 중지될 때까지 이 장비를 사용했다 (Hand,1941).

 

그림 3.4. Callendar 전천일사계는 백금 저항 온도계를 기초로 한 성공적인 전천후의 설계였다. 검은 수신기의 한 부분은 탐지기 표면으로부터 올라와 있다.

 

옹스트롬 야간 복사계 (1899)

• Kunt 옹스트롬에 의해서 설계된 2개 복사계에 의해 야간복사, 적외선(장파), 하강 복사조도의 최초 관측이 수행되었다. 옹스트롬 야간복사계와 Tulipan의 비교 분석은 1920년 11월부터 1921년 10월까지 스코틀랜드에 있는 Davos 물리 기상대에서 보고되었다. Tulipan은 “에테르의 과증류”를 기초로 설계되었다(Dorno, 1923). 후에 야간복사계로 명명된 다른 옹스트롬 설계는 4개의 망간 스트립을 유지하면서 두 개는 검게 칠해지고 두 개는 광택이 나도록 했다. 검게 칠해진 스트립은 대기 복사를 받을 수 있게 하는 반면 광택이 나는 스트립은 복사를 반사한다. 전력은 장파 복사가 같다고 가정될 때 4개 스트립의 온도가 같을 것을 요구한다. 16일의 야간을 실험하였을 때, Tulipan 야간복사계는 옹스트롬 야간복사계와 비교하여 40% 높은 편차를 가졌다.

 

 참고 문헌

[논문]

• 없음

[보고서]

• 없음

[URL]

• 없음

 

 문의사항

[기상학/프로그래밍 언어]

• sangho.lee.1990@gmail.com

[해양학/천문학/빅데이터]

• saimang0804@gmail.com