일사량단위환산
태양복사는 특수한 파장분포를 가진 일종의 열복사이다. 만약, 모든 물질이 회체의
성질을 가지고 있다면 태양복사에 대해서는 따로 해석할 필요가 없을 것이다.
그러나 지상에서 일어나고 있는 복사의 대부분은 장파장에 관련되고 태양복사는
단파장에 집중되어 있기 때문에 어느 특정한 물질은 이들 두 형태의 복사에 대해서
완전히 다른 흡수 또는 다른 투과성질을 나타낸다. 온실은 이에 대한 좋은 예이다.
보통의 유리는 2,000 nm 이하의 파장을 가진 복사선을 매우 쉽게 투과시키기
때문에 태양복사열의 대부분이 통과하게 된다. 그러나 3,000~4,000 nm 이상의
장파장 복사선에 대해서는 본질적으로 부도성(不導性, opaque)을 나타낸다.
실제로 온실 내에서의 복사체는 저온이고 복사선은 장파장이기 때문에 유리를
통해서 온실 밖으로 빠져나가지 못한다. 이와 같이 유리는 밖으로 빠져나가는
에너지보다 더 많은 에너지를 온실내에 들어오게 하여 온도를 상승시킨다.
따라서 온실은 태양복사에 의하여 열을 흡수하고 온실 밖으로의 열손실은
대부분 대류에 의해서만 일어난다.
태양복사에너지의 파장범위는 대부분 단파복사 영역에 속하는 300 nm~3,000 nm
사이로 다음과 같은 3종류의 복사로 구성된다.
700 nm 이상의 적외선 영역은 열선이라고도 하는데, 일반적으로 온실에서
태양복사에 의한 열환경(온도)을 고려할 때 대상이 되는 장파장 영역을 포함한다.
400~700 nm 범위의 가시광선은 다시 그 파장에 따라 다섯 가지의 색으로 구분할 수 있다.
400~500 nm의 가시광은 청색을, 500~550 nm의 가시광은 녹색을, 550~600 nm의
가시광은 황색을, 600~650 nm의 가시광은 오렌지색을 그리고 650~700 nm의
가시광은 적색을 나타내는 광선으로 구분된다. 가시광선은 작물을 재배하기 위해
적극적으로 도입하고자 하는 영역의 파장이다.
400 nm 이하의 단파 영역은 자외선으로 구분되며, 일반적으로 작물의 생육이나
인체에 해로운 반응을 일으키므로 차단의 대상이 되는 파장영역이다.
참고로 작물과 인체의 활성화에 좋은 영향을 미치는 것으로 알려진 원적외선의
파장범위는 3,000~16,000 nm 이다.
태양복사에너지의 밀도 또는 강도는 단위시간당, 단위면적에서 복사하는 에너지로
정의하며 다음과 같은 단위를 사용한다.
태양복사에너지의 단위 : kcal/m2 hr, W/m2, J/m2 sec, ly/min
단위 상호간의 관계 :
1 W/m2 = 1 J/m2 sec = 1.43×10-3 ly/min = 0.8624 kcal/m2 hr
1 cal/cm2 min = ly/min (ly는 Langley라는 사람이름의 약자. 랭글리)
1 ly/min ≒ 600 kcal/m2 hr ≒ 700 W/m2
식물의 광합성 과정에서 광은 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)을 당(糖)으로 변환시키
기 위한 빛에너지로써 공급된다. 식물이 필요로 하는 광은 가시광 영역의 광선으로
그중에서도 적색광하에서 가장 많은 CO2를 흡수하고, 청색광하에서 가장 적은
CO2를 흡수한다. 따라서 광합성을 촉진하기 위해 보광을 실시한다면 적색광이
가장 적합하다. 참고로 고압나트륨램프의 경우에는 오렌지색의 빛을 발하는데,
적색광에 약간의 황, 청, 녹색의 광이 혼합된 것이다.
400~700 nm 파장범위의 가시광선 중 일부가 식물의 광합성에 이용되는데,
이것을 광합성유효복사(PAR)라고 부른다. 가시광선과 광합성유효복사, 그리고
총일사량을 계측하기 위해서는 각각 별도의 계측기를 사용하여야 한다.
가시광선의 측정은 조도계(lux meter)를, 광합성유효복사의 측정은 PAR계(PAR
meter)를, 일사량(태양복사에너지의 양 혹은 강도)은 일사계(복사계,
solar ometer)를 이용하여 측정한다.
조도계는 사람의 눈이 감지하는 빛(최고 감응도를 나타내는 파장은 555 nm)을
측정한다. 따라서 황색광과 녹색광이 주된 측정대상이고, 청색광과 적색광도
약간씩 측정된다. 이에 반해 PAR계는 식물의 상대적인 감응도를 측정하므로
적색광을 주로 측정하며, 황색, 녹색, 청색광도 약간씩 측정한다. 일사계는
가시광선의 특정 파장역을 위주로 계측하는 조도계나 PAR계와는 달리
태양복사의 전체 파장역(300~3,000 nm)에 걸친 총복사에너지를 측정한다.
조도계는 lx(lux) 단위로 광강도를 측정하고, PAR계와 일사계는 W/m2의 단위로
광합성유효복사량과 일사량을 측정한다. 일반적으로 우리나라에서 각각의
계측기에 의한 여름철의 최고 측정값은 조도가 100,000 lx, PAR는 450 W/m2,
그리고 일사량은 1,000 W/m2 정도 이며, 겨울철의 최고 측정값은 조도가 10,000
lx, PAR는 50 W/m2, 그리고 일사량은 100 W/m2 정도이다.
조도계와 PAR계, 그리고 일사계는 각각 서로 다른 원리로 광을 측정하고, 측정에
관계되는 파장의 영역이 서로 다르기 때문에 상호간의 단위환산이 물리적으로
불가능하다. 그러나 태양광의 경우는 거의 일정한 파장조성을 가지고 있으므로,
lux와 PAR 사이에는 다음 식에 의한 대략적인 변환이 가능하다. 4 W/m2 ≒ 1,000
lx 그러나 이 환산값은 개략치이므로 평균적인 조건하에서만 유효하다.
이 변환율은 계절, 시각, 기후조건에 따라 영향을 받으며, 태양광이 아닌 다른
인공광원하에서 측정된 값의 경우에는 상호변환이 불가능하다. 그 이유는
조도계는 주로 황색과 녹색광을 측정하는데 비하여 PAR계는 특정한 적색광만을
측정하기 때문이다. 예를 들어, 황색광이 대부분이고 약간의 적색광이 혼합된
백열등의 경우 조도계로 측정한 값이 3,000 lx일 때, PAR값을 변환하면 12 W/m2이
되지만, 실제로 PAR계로 측정을 하면 이보다 작은 값으로 나타나는데,
이것은 PAR계의 황색광에 대한 감도가 작기 때문인 것이다.
한편, PAR와 일사량은 같은 단위를 사용하고 있으나 측정 대상인 광의 파장영역이
서로 다르기 때문에 엄격히 말하면 같은 단위라고 볼 수 없다. 일반적으로 맑은
날 일사량의 45%가 광합성유효복사(PAR)에 해당한다.
겨울에는 일사량이 100 W/m2까지 감소되고, 여름에는 1,000 W/m2까지 증가한다.
일사계와 조도계의 측정치는 광원의 종류에 따라 다음과 같은 환산계수를
적용함으로써 상호변환이 가능하다.
표 1. 광원의 종류에 따른 일사량과 조도 사이의 환산계수
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광 원 1 klx = … W/m2
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매우 흐린 날의 태양광(25 W/m2) 24
약간 흐린 날의 태양광(300 W/m2) 14
맑은 날의 태양광(600 W/m2) 11
한여름 따가운 햇살이 비치는 날의 태양광(1,000 W/m2) 10
백열등(GLS) (150 W) 4.2
형광등(MCF) (36 W) 2.9
고압수은등(MBFR/U) (400 W) 2.8
고압나트륨등(SON-H, SON-T) (350~400 W) 2.8
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작물의 생육에 적합한 기상조건의 여부를 판단하기 위한 지표 중의 하나로
사용되는 적산일사량은 매초의 일사량(W/m2=J/m2 sec)을 매일의 일조시간에
해당되는 만큼 합하여 1일 적산일사량을 계산하고, 다시 이것을 1개월,
1년 동안의 일조시간에 대해 합하여 1개월 및 1년의 적산일사량을 계산한 것이다. |