국가농림기상센터

농업기상학

제목: 복사

작성일: 2019-11-05
조회수: 4489

제2장 복사

태양의 내부에서는 연쇄적인 핵반응에 의해 많은 에너지가 발생하므로 태양의 표면은 초고온을 유지한 채 많은 복사 에너지를 우주로 방출하고 있다. 그 중에 극히 적은 부분이 지구에 도달하여 생태계의 에너지 순환을 시작하게 한다.
식물에 의해 흡수된 복사에너지는 광합성 과정을 거쳐 화학적 에너지로 변환되고, 궁극적으로 탄수화물 형태로 식물체 내에 저장된다.
다음에는 초식동물이 이 저장 에너지를 이용하여 몸을 불리고, 육식동물은 초식동물을 섭취함으로써 간접적으로 이 에너지를 이용한다. 사람을 포함한 잡식동물은 직간접적인 방법에 의해 이 에너지를 나누어 쓰고 있다.
즉, 지구상의 모든 생물은 태양으로부터 복사에너지가 끊어지는 순간부터 에너지의 평형 상태로 전이되어 결국 생명의 최후를 맞게 되는 것이다. 따라서 농업기상학의 출발은 복사에 대한 충분한 이해를 바탕으로 시작된다.

1. 복사 이론

1666년에 뉴턴이 프리즘을 이용하여 햇빛이 여러 성분으로 구성되었음을 처음으로 시사한 이후, 호이겐스, 영, 푸코 등에 의해 빛의 파동성이 증명되었다. 한편, 1887년 헤르츠가 광전효과를 실험한 이후 플랑크와 아인슈타인 등은 빛의 입자성을 증명해 보이고, 나아가 오늘날 우리가 알고 있는 빛의 본질, 즉 파동-입자 이중성을 극복하는 양자이론으로까지 발전시켰다.
태양광이나 라디오파 등의 전자파(electromagnetic wave)를 방출하는 것, 혹은 방출된 전자파를 총칭하여 복사(radiation)라고 한다. <빛과 어둠>에서 빛은 인간의 눈으로 볼 수 있는 부분, 즉 가시광선에 해당된다. 따라서 엄밀히 얘기하면 빛과 복사는 다르지만 이 책에서는 인간과 식물 및 동물의 생리와 밀접한 관련이 있는 보다 넓은 파장대의 복사를 빛이라는 용어로 표현하겠다.
빛은 그림 2-1과 같이 파장에 의해 구별된다. 파장의 단위로서는 μm(micrometer, 1μm=10^-6m), nm(nanometer, 1nm=10^-9m), Å(angstrom, 1Å=10^-10m) 등이 사용되고 있다. 파장뿐 아니라 진동수와 진행속도 역시 빛의 특성을 나타내는 데 유용하게 쓰인다. 이들 간의 관계는 λ를 파장, υ를 진동수라 할 때 로서 빛의 속도를 나타낸다. 진공 속에서의 빛의 속도는 초속 2.998×10⁸ms^-1 이며 대개 상수 c로 표시된다. 그러나 진공 이외의 매질에서는 그 속도가 줄어드는데, 이 때 진동수는 변함이 없고 파장만이 속도 감소에 비례하여 줄어든다.
파동성에 덧붙여 빛의 입자성을 설명하기 위해서는 빛을 일정 에너지를 가진 최소단위로 나누어야만 하며, 이렇게 나뉜 빛의 단위를 광자(photon)라고 부른다.
어떤 파장의 광자 한 개가 운반하는 에너지(광자에 실려 있는 에너지는 quantum 이라 함)는 로 표현된다. 여기서 h는 1900년대 초 플랑크에 의해 제시된 물리학의 기본량인 플랑크 상수이다. 한 개의 광자가 운반하는 에너지의 양은 매우 작을 뿐 아니라, 생물학적 반응에서 주로 쓰는 아보가드로 수(1몰, 즉 6.022×10²³)와의 호환을 위해 1mol의 광자가 운반하는 에너지를 단위로 삼고 있다. 1mol의 광자를 한 묶음으로 해서 이라고 부르기도 하나 국제단위계에서는 mol을 선호한다. 예를 들어 파장이 460nm(청색)인 빛의 광자 1mol이 가진 에너지는 (6.022×10²³mol^-1)(6.626×10^-34Js)(6.52×10¹⁴s^-1)=260kJ mol^-1이 된다(표 2-1).
온도가 있는 물체는 모두 그 표면으로부터 복사 에너지를 방출한다. 우리가 가장 관심을 갖는 것은 태양으로부터 지구에 도달하는 복사와 대기 혹은 상온인 물체로부터 방출되는 복사이다. 전자는 태양복사(solar radiation) 혹은 단파복사(shortwave radiation)로 불리며, 후자는 지구복사(terrestrial radiation) 혹은 장파복사(longwave radiation)라고 불린다. 지상에서 받는 일사의 파장범위는 거의 0.3∼3μm이고, 장파복사의 파장범위는 3∼100μm이다.
어떠한 물체라도 절대온도가 0K(=-273.2℃)가 아닌 한, 표면에서의 복사가 있고, 동시에 주위의 물체로부터 복사를 받고 있다. 난방 라디에이터 앞에 서면 따스하게 느끼는 것은 주위의 기온이 높기도 하지만 자기 신체로부터 방출되는 복사량보다는 라디에이터로부터 받아들이는 복사량이 더 많기 때문이다.

표 2-1 파장대별로 본 빛의 특성

색	파장범위(nm)	기준파장(nm)	주파수(Hz)	에너지(k.J mol^-1)
Ultraviolet	〈400	254	11.80×10¹⁴	471
Violet	400∼425	410	7.31×10¹⁴	292
Blue	425∼490	460	6.52×10¹⁴	260
Green	490∼560	520	5.77×10¹⁴	230
Yellow	560∼585	570	5.26×10¹⁴	210
Orange	585∼640	620	4.84×10¹⁴	193
Red	640∼740	680	4.41×10¹⁴	176
Infrared	〉740	1400	2.14×10¹⁴	85

입사하는 복사를 모두 흡수하는 이상적인 물체를 흑체(혹은 완전 복사체)라 하고, 그러한 물체에서의 각 파장에 대한 복사량 Bλ(W·m^-2·μm^-1)은 Planck의 법칙으로 주어진다.

(2.1)

여기서 λ는 파장(μm), T는 물체의 온도(K), c₁과 c₂는 상수 (각각 3.74×10⁸W·m^-2·μm⁴, 1.44×10⁴μm·K)이다. 식 (2.1)을 λ로 미분하여 0으로 두면

가 최대로 되는 파장

가 구해진다.

(2.2)

이것을 Wien의 변위법칙이라 부른다.
흑체에 대한 어떤 물체의 복사량의 비를 복사율 혹은 방출률이라고 한다. 즉, 흑체의 경우 ε=1, 다른 물체에서 ε<1 이다. ε<1 이면서 ε 이 파장에 의존하지 않는 물체를 회색체라고 하고, 그렇지 않은 다른 물체를 선택 복사체라 부른다. 파장역을 한정하면 많은 물체는 흑체 또는 회색체로 분류된다.
식(2.1)을 파장에 따라 적분하면, 모든 파장을 포함하는 에너지가 절대온도의 4제곱에 비례한다고 하는 Stefan-Boltzmann의 법칙이 유도된다. 즉, 흑체나 회색체에서의 복사량은 다음 식에 의해 표시된다.

(2.3)

여기서 B는 복사량(W·m^-2), σ는 Stefan-Boltzmann 상수(5.67×10^-8 W·m^-2·K^-4)이다. 물체에서의 복사량은 물체의 단위면적 평면을 생각해서 그것을 둘러싼 가상적인 반구가 받는 복사의 총량으로서도 정의된다. 표 2-2에 보이는 것처럼 많은 물질은 장파 영역에서 0.95 전후의 복사율을 갖는다.

표 2-2 자연물질의 복사 특성(알베도 및 복사율)

그런데 물체가 복사를 받는 경우 복사의 일부는 물체표면에서 반사되고 일부는 흡수되며, 그리고 남은 것이 투과된다. 입사하는 복사량에 대한 각각의 비율을 반사율, 흡수율, 투과율이라고 하고, 각각 γ,α,τ로 나타내면 다음과 같다.

γ+α+τ=1

(2.4)

엄밀하게 말하면 이것들도 파장에 의존한다. 한편, 열평형 상태에서 어떤 파장에서의 복사율은 그 파장에서의 흡수율과 같다는 Kirchhoff의 법칙은 매우 중요한 의미를 갖는다.

ε=α

(2.5)

예를 들면 새로 쌓인 눈은 단파복사인 일사에 대해서는 흡수율이 0.05∼0.30이나, 장파 영역의 복사율은 0.95∼0.97로서 흑체에 가깝다. 따라서 낮시간 동안에는 대부분의 일사를 반사해 버리고 야간에는 많은 에너지를 장파복사 형태로 잃게 되므로 다음날 아침에 기온이 크게 떨어지게 된다. 물체의 색은 태양복사 중 가시 영역의 반사 정도에 따라 결정되므로 일사의 흡수율은 표면의 색과 관계가 깊지만, 장파복사에 대한 복사율이나 흡수율은 물체의 색과 무관한 것에 주의하여야 한다.

2. 지표면의 일사 수광

그림 2-2에 표시되는 것처럼 대기권 외에서의 일사 스펙트럼 분포는 온도 6,000K의 흑체복사 스펙트럼 분포와 거의 같아 복사 에너지는 파장 0.48μm에서 최대이다. 대기권 외에서의 일사량은 태양상수(solar constant)라 하며, 약 1,367Wm^-2 이다. 지구의 공전궤도가 원에 가까운 타원이기 때문에 태양상수는 계절에 따라 변화하나, 그 변동은 0.3% 이하라고 추정되고 있다. 또, 태양상수가 0.1% 변화하면 지구의 평균 온도가 0.1℃ 변화한다고 알려져 있다.
태양표면을 출발한 복사는 지구 대기를 통과해서 지표에 도달하는 과정에서 일부가 대기에 의해 흡수되거나 산란된다. 그 결과 지표면에서의 일사 수광량(solar irradiance)은 대기권 외의 약 43%이고 파장역은 0.3∼3μm이다. 자외선은 생물에 미치는 영향에 따라 UV-A(320∼400nm), UV-B(280∼320nm), UV-C(280nm 이하)로 나누며, 이중 UV-A는 오존에 의해 거의 흡수되지 않으므로 지상에 도달한다.
UV-C는 오존층에서 완전히 흡수되어 지상에 도달하지 않는다(그림 2-3). UV-B는 오존층의 변화에 따라 지상에 도달하는 강도가 달라지며, 증가하면 지구 생태계에 영향을 ********다(조, 1992). 또 수증기가 탄산가스에 의해서도 일사의 흡수가 일어난다.
산란은 공기 분자나 대기 중 에어로졸·운립에 의해 생기는데, 공기분자에 의한 산란을 Rayleigh 산란, 입경이 큰 에어로졸·운립에 의한 산란을 Mie 산란이라 부른다. Rayleigh 산란에서 산란광의 강도는 파장의 4승에 반비례하므로 파장이 짧을수록 잘 산란된다.
낮에 천공이 푸른 것은 파장이 짧은 청색광 쪽이 산란되기 쉬운 때문이며, 일출몰 때 붉은 색 하늘을 볼 수 있는 것은 태양고도가 낮아 산란된 청색광이 우리 눈에 도달하지 못하고 오히려 남은 적색광 쪽이 감지되기 때문이다. Rayleigh 산란과 비교하면 Mie 산란의 경우 파장에 대한 의존도가 적고, 어느 파장의 광도 똑같이 산란한다. 구름이 희게 보이며 오염된 대기를 통해 바라본 하늘이 희뿌연 것도 이 때문이다. 태양에서 직접 지표상에 도달하는 일사를 직달일사(direct solar radiation), 산란된 천공으로부터 지표에 이르는 일사를 산란일사(diffuse sky radiation)라 부른다.
대기를 통과한 일사 중 일부는 지표에서 반사되고 나머지는 지표에 흡수된다. 일사에 대한 반사의 비율을 알베도(albedo)라 하며, 여러 가지 지표면의 알베도를 표 2-2에 표시하였다. 지구 전체로서의 평균은 약 0.31이다.
대기의 간섭에 의한 변동분을 무시한다면 일년 중 임의의 시각에 지구상의 한 지점에 도달하는 일사 수광량은 결국 태양의 위치에 의해 결정된다. 그림 2-4와 같이 태양의 위치는 태양고도와 방위각으로 결정할 수 있다. 태양고도는 지평면은 기준으로 -90∼90°의 범위로 하며, 방위각은 태양의 남중시를 0°로 하여 서쪽이 +, 동쪽이 -가 될 수 있도록 그 범위는 0∼360°, 또는 -180∼180°로 한다. 태양고도 h는 다음 식에서 구해진다.

sinh=sinΦsinδ+cosΦcosδ cost

(2.6)

여기서 Φ는 구하는 지점의 위도, δ는 태양적위, t는 시간각이다. 태양적위는 하지와 동지에 각각 최대치와 최소치가 되고 연간을 통해서 sine위로 나타낸 것으로서 태양의 남중시를 0°, 1시간을 15°로 오전을 -, 오후를 +로 취한다. 여기서 시각은 지방표준시가 아니며 해당 지점에 있어서 태양의 움직임을 기준으로 한 시각, 소위 진태양시이다. 시간각 t(deg)와 진태양시 t_r(hr)의 관계는 다음과 같다.

t=15(t_r-12)

(2.7)

진태양시는 각 지점의 경도에 의해 결정되며 통상 사용되는 표준시와는 다른 점에 주의할 필요가 있다. 표준시에서 진태양시를 구할 때 다음식을 사용한다.

(2.8)

여기서 t_c는 표준시(hr), L은 목적지점의 경도, L_c는 표준시의 기준경도(우리나라는 동경 135°), e는 균시차(hr)이다. 균시차의 연변화를 그림 2-6에 표시하였다. 균시차가 생기는 것은 지구의 공전궤도가 타원이며, 공전 궤도면과 적도가 일치하지 않기 때문이다.

태양의 방위각 A는 다음 식의 어느 것으로부터도 구해진다.

sinA=cosδsint/cosh

(2.9)

cosA=(sinh sinΦ- sinδ)/(cosh cosΦ)

(2.10)

단, A의 범위는 sinA와 cosA값의 부호에 의해 정의된다(단순하게 계산하면 각각 두 개의 방위각이 정해지기 때문에 주의할 필요가 있다).

의 범위에서는 다음과 같다.

sinA<0 또는 cosA<0의 경우, A<-90
sinA<0 또는 cosA 0의 경우,
sinA 0 또는 cosA 0의 경우,

sinA 0 또는 cosA<0의 경우, A>90°

직달일사량과 산란일사량을 합쳐서 전천일사량이라고 한다. 맑은 하늘로부터의 법선면 직달일사량 I_DN은 다음 식으로 주어진다.

I_DN=I_OP^1/sinh

(2.11)

여기서 I_O는 태양상수, P는 대기투과율, h는 태양고도이다. 대기투과율은 태양고도가 90°일 때의 직달일사량과 대기권 외 일사량의 비로서 정의되고, 대기 중의 수증기량이나 운립·에어로졸에 의해 달라진다. 따라서 지점이나 계절에 따라 변화하는데, 우리나라에서는 0.80(1월)∼0.66(6월)의 범위에 있다고 한다. 수평면 직달일사량 I_DH는 다음 식으로 구해진다.

I_DH=I_DN sinh

(2.12)

맑은 날 수평면이 받는 산란일사량 I_SH는 다음 식으로 구해진다.

(2.13)

수평면의 전천일사량 I_TH는 이들의 합으로서 다음과 같이 된다.

I_TH = I_DN + I_SH

(2.14)

경사각 θ, 사면 방위각 β인 경사면이 받는 직달일사량 I_Dθ, 산란일사량 I_Sθ는 각각 다음과 같이 주어진다.

I_Dθ=I_DH[sinh cosθ + cosh sinθcos(A-β)]

(2.15)

I_Sθ={I_SH cos²θ}/2

(2.16)

여기서 사면 방위각은 태양의 방위각과 동일하게 정남을 0℃로 하여 서향을 정으로 취한다. 위 식에서 밝혀진 것과 같이 수직면이 받는 산란 일사량은 수평면의 1/2이다(그림 2-7).
구름이 있는 경우(기상청의 정의로는 운량 8 이상의 경우를 말함)의 일사량은 구름에의한 일사의 흡수나 반사가 구름의 종류, 두께, 천공에 있어서 분포 등에 관계하기 때문에 계산에 의해 구하는 것은 곤란하다. 통계 해석에서 몇 개의 경험식이 제안되어 있으나, 여기서는 구름이 있는 경우의 전천일사량과 없는 경우의 비를 운량의 2차함수로 둔 경험식을 소개한다.

I_THC = I_TH(1+0.015C-0.009C²)

(2.17)

여기서 C는 운량(

, 단, 권운, 권적운, 권층운의 경우는 운량을 반감한다)이다.

3. 장파복사

지표의 자연물(토양, 물, 식물 등)은 Stefan-Boltzmann 법칙에 따라서 대기로 향하여 장파복사 에너지를 방출하고 있으며, 천공 역시 주로 대기 성분의 분자 온도에 따라 에너지를 아래로 방출한다. 많은 물체는 상온에서 복사율이 0.93∼0.99로 거의 흑체로 볼 수 있다.
그림 2-8은 지표면과 대기에 해당하는 288K와 263K의 흑체에 있어서 복사 스펙트럼을 보인 것이다. 대기로 향한 복사 중 일부는 대기 중의 수증기, 이산화탄소, 오존 등에의해 선택적으로 흡수되고, 나머지는 대기권 외에 방출된다.
대기에 흡수된 복사 에너지는 지표를 향해 재복사된다(대기에서의 복사를 대기복사라 부름). 일정 온도에서 대기의 복사율 스펙트럼은 흡수율의 스펙트럼과 같고(Kirchhoff의 법칙), 대기는 특정 파장을 선택적으로 복사한다(그림 2-8에 있어서 사선 부분). 결국 그늘로 표시된 부분이 지상에서의 상향 복사와 하향 복사의 차이고, 야간의 냉각 원인이다. 장파복사의 대부분이 투과하는 파장역 8.5∼12㎛을 대기의 창이라 한다.
지상에서 측정한 기온값으로부터 대기 복사량을 추정할 수 있다면 매우 편리하다. Brunt(1932)는 대기의 복사량이 대기 중 수증기 함유량과 관련이 깊다는데 착안하여 쾌청시의 경험식을 제안했다.

(2.18)

여기서 L↓는 대기 복사량, T_α와 e는 백엽상 내에서의 기온(K)과 수증기압(mbar, 1,000mbar=750mmHg)이다. 괄호 안은 기온과 같은 온도를 가진 흑체 복사량에 대한 대기 복사량의 비이고, 대기의 겉보기 복사율에 상당한다. 식 (2.18)은 대기 중의 수증기 함유량이 클수록 대기 복사량은 크고, 따라서 대기권 외로의 복사가 작아지는 것을 나타낸다.
식 (2.18)에서, 대기를 흑체로 간주하여 대기의 유효 복사 온도(혹은 천공 온도) T_b(K)를 다음과 같이 구할 수 있다.

(2.19)

백엽상 내에서의 기온이 273∼293K(0∼20℃)의 경우 대기의 유효 복사 온도는 지상의 기온보다 15∼20℃ 낮은 것을 알 수 있다.
구름이 있는 경우에도 여러 가지 경험식이 제안되고 있는데 다음 식은 겉보기 복사율을 운량이나 운저 고도에 의해 수정하는 것이다(Monteith and Unsworth, 1990).

(2.20)

여기서 n은 구름의 고도가 높아지면 온도는 감소하는 것을 고려하기 위한 정수이며, 구름 고도의 증가에 따라 작아진다. 구름의 고도가 낮은 경우(층운, 적운 등) 0.2, 고도가 높은 경우(권운, 권층운 등) 0.04이다. C는 운량()이다. 식 (2.20)에 있어서 운량이 증가하면 겉보기의 복사율(제1괄호와 제2괄호의 적)은 1에 가까워진다. 즉, 상하의 복사량이 같아지므로 열적 평형 상태로 된다.
이상의 각 식은 특정지점에서 장기간에 걸친 기상관측 자료를 통계처리하여 얻은 경험식이다. 따라서 식 중의 정수는 관측지점에 다라 약간씩 달라진다. 또 각 식은 순간값의 예측이나 일변화를 해석하는 경우에는 적당하다고 할 수 없다.
지표물로부터 대기로의 상향 복사량과 하향의 대기복사량 간 차를 유효 복사량(effective radiation)이라고 부른다. 여기서는 상향을 정으로 표시한다. 즉, 유효 복사량 L_n은 지표물이 잃어버리는 에너지량을 나타내고 있고, 지표물에서의 복사량을 L↑라 하면 이것들의 관계는 다음과 같이 된다.

L_n = L↑- L↓

(2.21)

L↑은 Stefan-Boltzmann의 법칙에서 지표물 온도와 복사율에서 구해진다. 지표를 흑체로 간주, 지표의 온도가 지표 부근의 기온과 같다고 하면, 식 (2.19)에서 쾌청시의 유효 복사량은 다음과 같이 나타낼 수가 있다.

(2.22)

이 식에서 유효 복사량은 100Wm^-2 정도인 것을 알 수가 있다. 엄밀하게는 수증기압이 7mb의 경우, T_a가 0∼30℃에 대해 L_n은 90∼140Wm^-2이나 , 수증기압이 10mb 증가하면 유효 복사량은 약 34Wm^-2 감소한다.

4. 복사수지

지표면상에 있어서 하향과 상향의 전복사량(일사와 장파복사)의 차를 순복사량(net radiation)이라고 하고, 하향의 복사를 정으로 나타낸다. 순복사량은 지표면의 복사 에너지 수지를 의미하고 있다. 순복사량 Rn은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(2.23)

여기서 ρ_s는 지표의 반사율(알베도라고도 함, 표 2-2 참조), I_D는 직달일사량, I_S는 산란일사량, L↓는 대기 장파 복사량, L↑는 지표 장파 복사량이다. 지표의 자연물은 파장 0.3∼3㎛의 일사에 대하여 반사나 투과가 있으나, 파장 3㎛이상의 장파는 거의 흡수한다.
그림 2-9는 쾌청시에 있어서 순복사량의 일변화를 보여준다. 유효 복사량의 일변화는 비교적 적으므로 일사량과 순복사량을 나타내는 곡선은 거의 평행이 된다.
또 순복사량은 야간에서 일출 수 약 1.5시간 및 일몰 전 약 1.5시간에서 부의 값으로서 지표는 복사에 의해 에너지를 빼앗기게 된다. 이와 같이 장파복사에 의해 지표면 온도가 저하하여 접지층의 기온이 내려가는 것을 복사냉각이라 한다. 흐린 하늘의 경우 유효 복사량은 거의 0이 되며, 야간의 순복사량도 0, 낮시간에는 가 된다(I_T는 전천일사량).
순복사량의 연변화는 지점이나 기후(구름의 영향)와 깊은 관련이 있다. 그러나 지구 전체의 복사수지는 거의 평형이 잡혀있고, 연평균기온은 증가도 감소도 하지 않는다.
그림 2-10은 지구 전체의 복사수지를 모식적으로 나타낸 것이다. 대기권 외에서 일사량의 평균치는 338Wm^-2이고, 그림에서는 그것을 100으로 한 백분율로 나타내고 있다. 일사의 약 19%는 구름에 의해 반사되고, 약 6%는 대기에 의해 산란·반사되므로 합계 25%는 지상에 이르지 않고 우주공간에 방출된다.
또한 구름은 약 5%를 흡수하고 대기는 약 20%를 흡수한다. 따라서 지표에 이르는 것은 50%이다. 이 중 지표면에서의 반사가 약 3%이기 때문에 결국 지표면이 흡수하는 일사 에너지는 약 47%이다. 한편, 지표면에서 대기를 향한 일사량(약 114%, 지표면을 온도 15℃의 흑체로 가정한 계산)에서 대기복사(약 96%)를 빼면, 지표면이 잃는 에너지는 약 18%가 된다.
더욱이 지표면은 대류와 증산에 의해 약 29%의 에너지를 잃는다. 이것들의 합(47%)은 지표면이 흡수하는 일사량과 같으므로 지표면에서 열적 평형이 유지되는 것이다.
대기를 포함한 지구 전체와 우주공간과의 복사수지를 보면, 지표면에서 대기를 향해서 방출되는 약 114%의 복사량 중 약 109%는 대기에 흡수되고, 나머지 5%가 우주공간으로 방출된다. 대기로부터 우주공간을 향한 복사량은 약 67%이고, 지구는 합 72%의 에너지를 장파복사에 의해 잃게 된다. 이 에너지는 지구가 흡수하는 일사량(100-구름에 의한 반사량-대기에 의한 산란·반사량-지표면에서의 반사량)과 같다.

5. 복사의 계측

일사계는 측정하는 일사의 종류에 따라 전천일사계(직달일사량+산란일사량), 직달일사계(직달일사량), 산란일사계(산란일사량), 파장별일사계(목적으로 하는 파장역의 에너지)로 나누어진다.
전천일사계의 원리는 흡수율이 서로 다른 수감부에 일사가 도달하면(이 때 복사와 대류에 의해 잃는 열량은 각 수감부에서 동일하다고 가정), 수감부의 온도차가 일사량에 비례하는 점에 기초하고 있다. 통상 백색과 흑색 수감부의 온도차를 증폭시키기 위해 열전대를 복수 접속하여 측정한다. 수감부는 유리제 돔으로 덮여 있는데, 이 유리는 파장 3㎛이상의 장파복사에 대해서는 불투명하다. 전천일사계는 주로 백색과 흑색 수감부의 배치 방식에 의해 몇 개 형태로 나눈다.
직달일사계로서는, 그림 2-11에 나타낸 것처럼 공동 복사계가 정도(精度)가 높은데, 세계기상기구에서 그 규격을 정하고 있다. 일사가 흑색 도포된 공동 밑부분에 있는 원추형의 수광부에 도달하면 그 안에 갇히게 되며, 이 때 수광부와 동괴 간 온도차를 측정하면 일사량이 구해진다. 제2공동 외계의 온도 변동을 보정하기 위한 것이다. 직달일사계는 태양을 향하기 위해 적도의에 탑재되나, 최근에는 태양 자동 추적장치가 붙어 제법 복잡하고 고가이다. 직달일사량은 전천일사량과 산란일사량의 차로써 구하는 것도 가능하다.
산란일사계로서는 전천일사계에 직달일사를 가로막는 것 같은 밴드나 디스크를 부착한 것이 쓰인다. 태양고도는 날마다 변화하기 때문에 밴드의 위치는 최소한 며칠마다 수정해야 한다. 또 밴드는 산란일사의 일부도 차폐하기 때문에 보정이 필요하다.
파장별일사계는 전천일사계나 직달일사계에 필터를 응용한 것이 일반적이다. 필터는 흡수필터와 간섭필터로 나누어진다. 흡수필터는 어떤 파장보다도 짧은 파장역을 상대적으로 예민하게 흡수한다. 두 종류의 필터를 쓰면 목적으로 하는 파장역의 일사량을 측정할 수 있다. 간섭필터로는 유리 위에 은을 증착시킨 것이 일반적이나, 주투과대 외에 부투과대도 생기기 때문에 흡수필터와 병용된다. 광합성 유효 복사계는 이러한 필터를 써서 파장 0.4∼0.7㎛에만 감응토록 한 것이다. 순복사계의 원리는 상향과 하향의 복사를 받는 수감부의 온도차에서 순복사량을 측정한다는 것이다. 수감부는 흑색으로 도장되고 일사계와 마찬가지로 복수의 열전대에 의해서 온도차가 측정된다. 순복사계는 수감부의 보호 돔 유무에 따라서 개방형과 풍방형으로 나누어진다. 개방형은 2개 수감부의 대류열 전달량을 고르게 하기 위해 양 수감부에 10ms^-1 정도의 송풍을 하고 있으나, 풍속이나 풍향의 영향을 완전히 제거하지는 못한다. 풍방형은 2개의 수감부가 돔 모양의 폴리에틸렌 필름으로 피복되며 이슬 생성을 막기 위해 건조 공기가 연속적으로 보내어진다(수막은 장파복사의 99%를 흡수한다고 생각해도 좋다). 폴리에틸렌은 장파복사에 대하여 투과성이기는 하나 장파복사와 일사에 대한 투과율은 약간 틀려, 낮시간의 측정 정도는 개방형보다 다소 처진다고 한다. 이점을 개선하기 위해 폴리에틸렌 돔의 양면에 송풍하는 타입도 있다. 어떻든지 순복사계의 정도는 일사계처럼 높지 않고 ±5% 오차가 보통이라 할 수 있다.
지표면과 같은 천공 이외의 면으로부터 방출되는 복사를 측정하는 경우(알베도나 순복사의 측정 등), 면의 어느 정도 영역이 측정대상이 되어 있는가를 복사계의 설치 높이와의 관계에서 알아둘 필요가 있다. 복사계에서 보이는 영역 전체에 대하여 복사계 직하를 중심으로 한 반경 r 영역의 보이는 비율(형태계수라고 함)은, 복사계의 높이를 h로 하면 로 주어진다. 이 값은 0.9∼0.95 정도로 보존할 필요가 있다. 따라서 h=1m 라 하면 r=3∼4.2m, h=0.5m 라 하면 r=1.5∼2.2m 로 된다.
일사계의 보수면에서 유리 돔의 청소, 건조재의 교환(돔 내면에 수적이 부착될 때가 있다)들이 정기적으로 필요하다. 베크만형 순복사계에서는 수감부에의 먼지 부착이나 수감부의 열화가 문제된다. 또 장기 사용시 2∼3년에 한 번은 정밀검정을 받고 물이나 먼지의 침입을 방지하기 위한 방수처리를 완벽하게 하는 것이 바람직하다. 특히 연결부분은 접촉불량 등의 문제를 일으키기 쉽다. 요즘 전천일사 측정시 값싼 실리콘 전지형 일사계를 많이 사용하고 있는데, 이것은 자연 상태의 일사스펙트럼에서만 정확한 반응을 보이며 온실이나 생장상 등 인공 광원하에서는 신뢰도가 떨어짐을 주의해야 한다.

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1. 복사 이론