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지구복사계(장파복사계, 적외선 센서)는 무엇을 측정하는 센서일까요? 2022-05-20 Read : 3439

태양복사와 지구복사

 

  지구복사계는 지표면이나 지구 대기에서 나오는 장파 복사량을 측정하는 센서입니다. 지구복사라는 이름 외에 장파복사라고 부르기도 합니다. 아래 그래프를 보시면 태양에서 지구로 오는 태양복사는 주로 300-3000nm 의 파장 대역에서 에너지가 집중됩니다. 반면, 지구복사는 주로 4000-50000nm 의 파장 대역에 에너지가 집중됩니다. 그 이유는 태양의 표면온도와 지구의 표면온도가 확연한 차이를 보이기 때문입니다. 이것은 흑체복사와 관련된 플랑크 법칙에 잘 설명되어 있습니다. 즉, 복사체가 방출하는 복사 에너지는 온도의 함수이고 표면온도가 높을 수록 최고 에너지를 방사하는 파장은 짧아진다는 것입니다. 

  이와 같이 태양복사는 지구복사에 비해서 상대적으로 짧은 파장 대역에 에너지가 집중되고 반대로 지구복사는 태양복사에 비해서 상대적으로 긴 파장 대역에 에너지가 집중됩니다. 그래서, 태양복사의 별명이 단파복사, 지구복사의 별명이 장파복사 입니다.   

 

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지구복사계(장파복사 센서)의 원리

 

  지구의 장파복사를 측정하는 센서는 Kipp & Zonen 사의 SGR3와 SGR4 가 있습니다.

 

 

그러면, 어떤 원리로 장파복사를 측정하는 것일까요? 아래 식을 보세요.(SGR 매뉴얼 참조)

 

 

 

Ld는 지구 대기에서 지표면으로 내려오는 장파복사 에너지량으로 우리가 측정하고자 하는 것입니다. (단위는 W/m^2​)

Uemf/S 는 SGR 센서의 감지부가 측정한 순장파복사량으로 지구 대기에서 아래 방향(하늘에서 지표방향)으로 방사하는 장파복사량과 SGR의 감지부에서 하늘 방향으로 방사하는 장파복사량의 차이입니다. 

Uemf 는 SGR 센서에서 출력되는 µV​(마이크로볼트)값이고 S는 센서의 감도로 단위는 µV/W/m^2 입니다. 

5.67*10-8 은 슈테판-볼츠만 상수이고 Tb는 SGR 센서의 감지부 온도로 단위는 절대온도(K) 입니다. 

슈테판-볼츠만 법칙은 흑체의 단위 면적당 복사 에너지는 절대온도의 4제곱에 비례한다는 법칙입니다.

 

  지구 대기의 온도(하늘의 온도)는 항상 지표면 온도보다 낮습니다. 그래서, SGR 센서의 감지부가 측정하는 순장파복사량은 항상 음의 값입니다. 즉, 지구 대기에서 지표면으로 내려오는 지구복사량은 지표면에서 하늘로 올라가는 지구복사량보다 항상 적다는 것입니다. 다만, 구름낀 날에는 구름이 지표면에서 하늘로 올라가는 지구복사량을 흡수하므로 차이가 훨신 적게됩니다. 반면, 맑은 날에는 그 차이가 훨신 커집니다. 

 

  장파복사 센서의 목적은 하늘에서 지표면으로 내려오는 지구복사에너지를 측정하는 것입니다. 따라서, 센서 감지부가 측정한 순장파복사량(음의 값)에 센서 감지부가 하늘로 방사하는 복사량을 더해주면 하향 지구복사량(하늘에서 지표면으로 내려오는 지구복사에너지)을 측정할 수 있습니다. 

 

지구복사계(장파복사 센서)의 성능 비교

  SGR4가 3보다 성능면에서 더 좋은 센서입니다. SGR4는 3에비해서 FOV(field of view)가 180도이고 태양복사에 의한 감지부 히팅효과가 3와트 이하로 매우 낮습니다. 태양복사에 의해서 지구복사계 감지부의 온도가 올라가면 지구복사 측정에 영향을 주게되므로 그런 현상이 없어야 합니다.​ 

  공통사항으로는 SGR3와 4 모두 태양복사에 섞인 적외선 영역의 복사에너지(4500nm 이하)를 차단시키는 기능을 가진 훌륭한 센서입니다. 이 기능이 없으면 지구 대기의 하향 장파 복사를 측정하는 과정에서 단파복사(태양복사)의 적외선영역 에너지가 측정에 영향을 주게 됩니다. 이것을 solar radiation leakage 라고 부릅니다. 

  WMO/TD-No.897에서는 태양복사에 의한 지구복사계 감지부의 히팅 효과와 solar radiation leakage 현상을 제거하는 보정식을 사용하도록 하고 있습니다. 하지만, SGR4는 히팅 효과와 leakage 현상을 차단시키므로 보정식을 다시 적용할 필요가 없습니다.  ​

 

홍경하 팀장 / 엔지니어링 사업부