빛으로 읽어낸 지구환경 데이터,
생태환경과 인공환경 관리의 기초로 활용

인간이 물질을 본다는 건 전자기복사와 물질 간의 상호작용에 의해 사람의 눈으로 반사되어 들어온 빛의 양을 보는 것이다. 그런데 전자기복사와 물질 간의 상호작용으로 반사된 빛에는 인간의 눈으로 볼 수 있는 시각 정보만 있는 것은 아니다. 이 상호작용의 정도를 수치로 나타낼 수 있다면 물질의 특성까지 밝힐 수 있다. ‘환경광학’은 이 상호작용인 에너지의 흐름을 측정하고 그 원리를 규명하는 학문이다.
『세계환경광학노트』는 ‘환경광학’ 분야의 기본 개념과 개념 간의 관계를 설명하고 광학 데이터를 측정하여 계산하는 관련 식으로 직접 우리 일상의 환경에 대입하도록 하여 활용을 도왔다. 광범위한 지역의 다양한 광학정보를 측정하고 분석하여 생태환경과 인공환경의 관리 기술은 물론 환경광학 개념들이 연관된 지도학, 원격 탐사, 기후학, 자연지리학, 도시지리학 등 여러 학문의 이해를 돕는다.

기본 개념 정리한 ‘광학’의 기초

기초적인 전자기복사, 전자기파. 전자기스펙트럼 개념과 전기파의 진행 형태인 파장, 주파수, 진폭 등은 물론 전자기복사와 사물과의 작용에 관련되는 굴절, 간섭 등의 전자기복사의 일반 개념들을 설명했다. ‘광학’ 정보의 측정에 기준이 되는 강력한 전자기 복사체인 태양의 위치와 관련된 개념과 정의도 설명했는데 매시간, 매일, 연중으로 변하는 태양의 위치를 구하는 방법도 실었다. 복사속, 복사속밀도, 입체각, 복사강도, 복사휘도, 분광복사휘도 등 전자기 복사에너지 개념과 표기, 단위도 설명했다.

환경광학의 측정과 분석의 실제

전자기복사량의 측정에 필요한 ‘환경광학’ 이론의 개념들도 다루었다. 전자기 복사와 물질 사이의 상호작용을 분석하는 데 필요한 람베르트 코사인법칙과 람베르트면, 방출, 방출률, 키르히호프 법칙, 반사율, 양방향반사도분포함수, 태양복사스펙트럼, 흡수작용, 전자기파 흡수 정도, 편광, 프레넬 방정식, 위상과 간섭, 회절 등을 설명했다. 그리고 전자기파와 상호작용을 하는 대기와 여러 현상과 개념, 관련 식도 설명했다. 또한, 지표면 에너지수지에 관련된 순복사속밀도, 토양열속밀도, 현열속밀도, 잠열속밀도, 보웬비, 지표면별 에너지수지 등을 다루었으며 책에서 다룬 개념들의 이해와 정리를 위한 문제도 수록했다.

책 속에서

태양과 같은 물질에서 에너지(전자기)가 나와 주위로 바큇살처럼 퍼져 나가는 현상을 복사(輻射, radiation, 방사放射)라 한다. 전자기를 방사하는 물체를 복사체(輻射體, 방사체放射體)라 한다. 절대영도(絶對零度 , 0 K, 혹은 -273℃) 이상의 온도에서, 물체의 원자 혹은 분자는 진동하거나 운동을 하며, 전자기를 복사한다. 사람을 포함한 지구상의 모든 사물이 복사체인 것이다.
전자(電子, electron)가 고에너지 상태에서 저에너지 상태가 될 때, 여분의 에너지가 전자기복사로 방출된다. 물체의 온도가 낮을 때도 눈에 보이지 않는 전자기복사가 일어나는데 열로써 느낄 수 있다. 이를 열복사(熱輻射)라 한다. 온도가 높은 것은 전자 등이 진동하는 속도가 큰 것을 의미한다(고토 나오히사, 2018). 어떤 물질이 가진 전기의 양을 전하(電荷, electric charge)라고 하며, 전하를 띠는 입자를 하전입자(荷電粒 子, charged particle)라 하는데, 양성자(陽性子)와 전자가 있다. 이들이 가속될 때 전자기복사가 발생한다.
--- pp.15~16

사물 간의 상호작용에서 전자기복사의 입자적 특성은 방사(放射, emission, 방출放出, 복사輻射)와 흡수(吸收, absorption)를 기술하는 데 사용된다. 방출은 물체로부터 전자기파가 사방으로 바큇살처럼 나가는 현상이다. 흡수는 전자기파가 물질을 통과할 때 물질 속으로 빨려 들어가서 사라지는 현상을 말한다. 대표적인 예가 흑체(黑體, black body)의 흡수이며, 흑체는 파장에 상관없이 모든 전자기복사를 흡수하며, 흑체의 온도에 따라 전자기파를 방출한다. 전자기복사의 파동적 특성은 반사(反射, reflection), 산란(散亂, scattering)을 설명할 때에도 쓰인다. 반사(反射)는 전자기파가 물체의 표면에 부딪혀서 되돌아가는 현상이며, 산란은 전자기파가 물체에 부딪혀 여러 방향으로 불규칙하게 흩어지는 현상을 말한다. 반사의 형태에는 거울반사(정반사, 경면반사)와 확산반사(난반사)가 있다.
--- p.32

광학원격탐사(optical remote sensing, 광학계원격탐사)는 가시광선 혹은 단파장 적외선 센서를 이용하여 지상에서 반사된 태양의 복사에너지와 지표면에서 방출되는 복사에너지를 측정하여 지표의 환경상태를 측정하는 과학분과다. 주로 지표물에서 반사되는 태양 복사에너지를 측정하므로 태양의 위치를 고려하게 된다. 지평선을 기준으로 해가 떠서 질 때까지의 시간 길이, 즉 일출과 일몰 사이의 시간 길이를 그 날의 가조시간(可照時間)이라 하며, 태양의 직사 광이 지표면에 비친 시간을 일조시간(日照時間)이라 한다. 가조시간은 하루의 낮을 규정하며, 일조시간과 낮 동안의 태양의 위치는 지구의 생명 활동에 막대한 영향을 끼친다. 하늘에서의 태양의 위치는 매시간, 매일 혹은 연중으로 변하기에 지표면에 도달하는 태양의 복사에너지양은 시시각각 차이가 난다.
--- p.38

방출(放出, emission, 방사放射)은 절대영도 이상의 모든 물질이 전자기파를 밖으로 내보내는 현상을 일컫는다. 즉 지구상 및 우주의 모든 사물이 전자기파를 방사하고 있다는 것이다. 물질은 에너지이고 에너지는 열이기도 하다. 열을 재는 단위가 온도이기에 온도는 에너지의 척도라고 할 수 있다(히로세 타치시게·호소다 마사타카, 2019). 전자기파를 측정하는 것은 에너지 및 온도를 측정하는 것이라 할 수 있다. 체온을 알기 위해 일반온도계를 사용할 수 있지만, 용광로 속의 온도 측정과 같은 고온의 측정은 일반온도계로는 불가능하다. 이때는 가열된 물체에서 전자기파가 방사되는 현상인 열복사(熱輻射)를 측정해 그 물체의 온도를 알게 된다. 물체의 온도에 따라 복사되는 전자기파의 스펙트럼이 변하기 때문이다.
--- pp.101~102

비어법칙, 흡수계수와 침투깊이의 관계를 고려하여 나뭇잎이나 식생천개(天蓋, canopy)의 수분 함량을 측정할 수 있다. 예를 들면, Nieves Pasqualotto et al.(2018), E. Raymond Hunt Jr et al.(2015), Matthias Wocher et al.(2018) 연구를 들 수 있다. 하상(河床)으로부터 투과되고 반사된 전자기파를 분석하여 하천수심을 측정하는 연구도 있다. 예를 들면, Carl J. Legleiter et al.(2004), Carl J. Legleiter and Ryan L.Fosness(2019)의 연구가 있다. 또한 빙하표퇴(氷河漂堆, supraglacial: 빙하 표면에 녹은 물)인 빙하표면 호수 혹은 하천 연구에 적용되기도 했다(예, C. J. Legleiter et al., 2014).
--- pp.179~180

먼저 파의 결맞음(coherence, 결맞음성, 간섭성, 가간섭성)에 대해 알아보자(그림 162 상단). 결맞음은 파들의 위상이 일치하거나 균일한 정도를 뜻한다. 위상차(phase difference)가 나는 두 개의 전자기파가 시간의 경과에도 계속 일정하게 그 위상차를 유지하면, 결 맞는다(coherent) 라고 한다. 결이 맞는다는 뜻은 파장(주파수)이 동일하다는 것이다. 파장이 동일할수록 간섭 현상이 어떻게 일어날지 예상할 수 있게 된다. 지금까지 설명된 간섭 현상은 모두 결 맞는 전자기파를 가정한 것이다. 지표면 거칠기는 지표면 높이의 표준편차(h)로 나타낼 수 있으며, 이 h와 전자기파들의 위상차 간의 관계로 거칠기 정도를 나타낼 수 있다.
--- p.204

태양광도계와 관련하여 세부적인 측정기를 보면, 태양상향 및 하향 복사, 산란일사 측정을 위한 전천일사계(pyranometer, 일사량계)가 있으며, 직달일사 측정을 위한 직달일사계(pyrheliometer), 지구상향 및 하향복사 측정을 위한 지구복사계(pyrgeometer), 순복사 측정을 위한 순복사계(net pyrradiometer)가 있다(이상삼 등, 2017). 이들 측정기의 이름을 검색하면 이미지를 금방 확인할 수 있다. 오존층에 의해 흡수되는 전자기파 분광대(575nm, 603nm)인 Chappuis흡수분광대(Chappuis absorption band)는 다른 가시광선대에 비해 광학적 깊이 차가 크게 나며 최대 흡수를 하는데, 지상에서 태양광도계를 사용하여 오존의 분포를 측정하여 알아내는 것이다. 오존층의 두께 단위를 ‘Dobson unit‘이라 한다.
--- p.240

1장 전자기복사 개관
1) 전자기복사\t
2) 전자기파의 진행 형태
3) 전자기스펙트럼
4) 전자기복사와 사물과의 작용

2장 태양의 위치
1) 지구 공전 및 자전
2) 태양경도
3) 태양천정각과 태양방위각

3장 복사에너지 표기
1) 복사에너지
2) 복사속\t
3) 복사속밀도
4) 입체각
5) 복사강도
6) 복사휘도
7) 분광복사휘도

4장 전자기복사와 물질
1) 람베르트 코사인법칙과 람베르트면
2) 방출
3) 물체의 온도
4) 방출률
5) 키르히호프 법칙\t
6) 반사율
7) 양방향반사도분포함수
8) 태양복사스펙트럼
9) 흡수작용
10) 굴절
11) 전자기파 흡수 정도
12) 편광
13) 프레넬 방정식
14) 위상과 간섭
15) 회절

5장 전자기파와 대기
1) 대기 입자와 산란
2) 높이척도
3) 광학적 깊이
4) 랭글리 도표
5) 복사전달
6) 양자화

6장 에너지수지
1) 순복사속밀도
2) 토양열속밀도
3) 현열속밀도
4) 잠열속밀도
5) 보웬비
6) 지표면별 에너지수지

7장 혼합화소

8장 정리하기 위한 문제 풀기

참고문헌 및 읽을 거리들