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대기 효과 (Atmospheric Effects)

대기효과는 지표면에서의 태양 일조강도에 여러 가지 영향을 미친다. 태양광 측면에서 주요한 효과는 아래와 같다.

  • 대기에서의 흡수, 산란, 반사에 기인한 태양 복사 출력의 감소
  • 특정 파장의 흡수가 강하거나 산란이 강한 것에 기인한 태양복사 분광 분포의 변화
  • 태양복사에 분산(diffusion)이나 혹은 간접적인 요소의 도입
  • 수증기, 구름, 오염과 같은 대기에서의 국부적인 변화, 이는 입사 출력, 스펙트럼, 방향성에 추가적인 영향을 미침.

아래 그림은 이들 효과를 정량적으로 요약한 것이다.

입사되는 태양광의 청명일 흡수와 산란 1.

대기에서의 흡수 (Absorption in the Atmosphere)

태양 복사가 대기를 통과할 때 가스, 먼지, 에어로졸들이 입사되는 포톤을 흡수한다. 특히오존 (O3), 이산화탄소 (CO2), , 그리고 수증기(H2O)와 같은 특정 가스들은 이들 대기 가스들의결합에너지와 가까운 포톤들을 매우 잘 흡수한다. 이런 흡수로 인해 분광복사 곡선에 그릇모양의 깊은 고랑이 만들어지게 된다. 예를 들어 2 μm 이상의 많은 원적외선이 수증기와이산화탄소에 흡수된다. 마찬가지로 0.3 μm 이하의 대부분의 자외선은 오존에 의해 흡수된다(완전히 흡수되는 것이 아니므로 빛에 타는 것을 피할 수는 없음).

대기에서 특정 가스에 의한 흡수가 지상에서의 태양복사의 분광 분포를 변화시키지만 전체출력에 미치는 영향은 비교적 작다. 대신에 태양복사의 출력을 감소시키는 주요인은 공기분자와 먼지에 의한 흡수와 산란이다. 이 흡수 프로세스는 분광 일조강도에 깊은 자국을 남기지 않지만 대기를 통과하는 경로에 따라 출력을 감소시키는 요인이 된다. 태양이 머리 위에 있을 때, 이들 대기 요소들의 흡수로 인하여 가시광 스펙트럼에서의 출력 감소가 비교적균일하게 나타나는데, 그래서 입사되는 빛은 백색으로 보인다. 그러나 통과 경로가 길면 높은 에너지(짧은 파장)의 빛이 더 효과적으로 흡수되고 산란된다. 그래서 아침과 저녁에는태양이 더 붉은 색으로 보이고, 낮 시간 보다는 그 세기가 더 약하다.

Show Blackbody    Show AM0    Show AM1.5   
Show Visible Wavelengths    Show Notes   

지구에 도달하는 태양복사와 대기권 밖에서의 태양복사와의 비교. 인간의 눈으로 관찰할 수
있는 파장 범위에서의 세기가 가장 높다2.

위 그림의 표준 스펙트럼과 부록에 나와 있는 좀 더 상세한 설명은 태양광에 대한 전형적인
스펙트럼에 관한 것이다. 컴퓨터 모델링을 통하면 특정한 지역과 하루 중의 시간에 따른 보
다 상세한 태양광 스펙트럼을 얻을 수 있다. The Simple Model of the Atmospheric Radiative Transfer of Sunshine, or SMARTS]은 표준 태양광 스펙트럼을 만드는데 사용된
다. Solar spectrum calculator at PV lighthouse  역시 위치와 하루 중의 시간에 따른 태양
광 스펙트럼을 계산할 수 있는데, Bird가 만든 보다 간단한 알고리듬을 사용한다 3

입사되는 빛의 산란에 의한 직달(direct)과 분산(diffuse) 복사

대기를 통과하면서 빛은 흡수되고, 동시에 산란된다. 대기에서 빛 산란 메커니즘의 하나는대기 중의 분자들에 의해 발생하는 Rayleigh scattering으로 알려져 있다. Rayleigh 산란은λ-4 의존성을 가지고 있어, 특히 단파장 빛(청색 빛)에서 유효하다. Rayleigh 산란 외에 에어로졸, 먼지 입자들도 입사 빛의 산란에 기여하는데, 이를 Mie 산란이라 한다.
 

산란된 빛은 방향성이 없어 하늘 여기저기에서 오는 것처럼 보인다. 이 빛을 분산(diffuse)
광이라 한다. 분산광은 주로 청색 빛이므로 하늘에서 오는 빛은 태양이 다른 위치에 있을
때에 비해 파란색으로 보인다. 대기 중에서의 산란이 없으면 하늘은 검은 색으로 보일 것이
며, 태양은 디스크 모양의 광원으로 보이게 된다. 맑은 날 입사되는 태양복사의 전체의 약
10 %는 산란성이다.

대기에서 구름과 여타 국지적인 변화의 영향 (Effect of clouds and other local variations
in the Atmosphere)

입사되는 태양복사에 미치는 대기의 최종적인 영향은 대기에서의 국부적인 변화에 기인한다. 구름의 형태에 따라 입사되는 출력은 크게 감소한다. 하늘에 구름이 매우 낀 경우가 아래 그림에 나타나 있다.

호주 멜버른에서 맑은 날과 흐린 겨울 낮 시간 태양광어레이의 출력전류 비교,어레이 경사각 60°4.