KR101400749B1

KR101400749B1 - 기후변화재현장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR101400749B1
Application number: KR1020120001634A
Authority: KR
Inventors: 오재호; 진현근; 양신일
Original assignee: 부경대학교 산학협력단
Priority date: 2012-01-05
Filing date: 2012-01-05
Publication date: 2014-05-29
Also published as: KR20130080684A

Abstract

본 발명에 따른 기후변화재현장치는, 하단저장조; 상기 하단저장조와 수송관을 통해 연결되며, 상기 수송관을 통해 상기 하단저장조에 저장된 액체를 펌프를 이용하여 회수하는 상단저장조; 상기 상단저장조와 하단저장조 사이에 설치되는 제1저장조, 제2저장조, 제3저장조; 상기 상단저장조와 상기 제1저장조, 상기 상단저장조와 상기 제2저장조, 상기 상단저장조와 상기 제3저장조 사이에 각각 설치되며, 상기 상단저장조에 저장된 액체를 상기 제1저장조, 제2저장조, 제3저장조로 유입시키는 상부연결관; 상기 제1저장조와 상기 하단저장조, 제2저장조와 상기 하단저장조, 제3저장조와 상기 하단저장조 사이에 각각 설치되며, 상기 제1저장조, 제2저장조, 제3저장조에 유입된 액체를 상기 하단저장조로 배출시키는 하부연결관; 및 상기 제1저장조에 유입된 액체를 상기 제2저장조로 이동시키고, 상기 제2저장조에 유입된 액체를 상기 제3저장조로 이동시키는 수평연결관을 구비한다.

Description

기후변화재현장치 및 그 방법{Apparatus for simulating climate change andmethod therefor}

본 발명은 기후변화재현장치 및 그 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 태양에너지의 변화와 지구방출 에너지를 물의 양으로 환산, 지구 에너지 변화를 눈으로 확인 가능하도록 하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

이론적으로 지구에 입사하는 태양에너지의 총복사와 지구가 방출하는 지구 총 복사 에너지는 동량으로 지구는 에너지 균형 상태를 유지한다. 하지만, 최근 지구는 평균 기온이 점차 증가하는 온난화 추세에 있다. 다시 말해 태양 복사 에너지와 방출 에너지 사이의 불균형으로 지구 대기권 내부의 에너지가 증가한 결과이다. 온실 가스의 증가는 지구복사 에너지를 흡수하여 대기권 외부로 에너지 방출을 방해하는 주요 원인으로 지적되고 있다.

한편, 실제로 지구 대기권 내부의 에너지 수지는 태양 에너지의 입사각 차이로 인하여 위도에 따른 불균형 상태에 있다. 도 1을 참고하면, 대기와 지표면을 합한 연평균순복사량, 약 38°S~38°N에서는 일년동안 받는 복사에너지가 내보내는 복사에너지 보다 많고, 그 이상의 위도에서는 반대가 된다. 이러한 열대, 온대, 극지방의 에너지 불균형을 해소하기 위해 대기와 해양은 대순환 운동을 비롯한 일기현상과 해수운동을 통한 복잡한 과정의 에너지 교환을 수행한다.

지구 온난화를 실험으로 재현하기 위해서는 복사에너지의 총량의 변화와 함께 지구 내부의 열순환을 간략히 표현하여 계절의 변화 및 각 위도대의 특징을 함께 살펴볼 필요가 있다.

본 발명은 기후변화와 계절변화, 그리고 온실가스의 영향 등을 알기 쉽게 설명하여 비전문인과 학생들에게 지구온난화에 대한 올바른 이해의 도구를 제공하는 것을 목적으로 한다.

보다 상세하게는, 지구의 열용량에 따른 열대지방, 온대지방, 극지방을 수도로 재현하여, 태양에너지의 변화와 지구방출 에너지를 물의 양으로 환산, 지구 에너지 변화를 눈으로 확인 가능하도록 하는 기후변화재현장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 기후변화재현장치는, 하단저장조; 상기 하단저장조와 수송관을 통해 연결되며, 상기 수송관을 통해 상기 하단저장조에 저장된 액체를 펌프를 이용하여 회수하는 상단저장조; 상기 상단저장조와 하단저장조 사이에 설치되는 제1저장조, 제2저장조, 제3저장조; 상기 상단저장조와 상기 제1저장조, 상기 상단저장조와 상기 제2저장조, 상기 상단저장조와 상기 제3저장조 사이에 각각 설치되며, 상기 상단저장조에 저장된 액체를 상기 제1저장조, 제2저장조, 제3저장조로 유입시키는 상부연결관; 상기 제1 저장조와 상기 하단저장조, 제2 저장조와 상기 하단저장조, 제3저장조와 상기 하단저장조 사이에 각각 설치되며, 상기 제1저장조, 제2저장조, 제3저장조에 유입된 액체를 상기 하단저장조로 배출시키는 하부연결관; 및 상기 제1저장조에 유입된 액체를 상기 제2저장조로 이동시키고, 상기 제2저장조에 유입된 액체를 상기 제3저장조로 이동시키는 수평연결관을 포함한다.

특히, 상기 제1저장조, 제2저장조, 제3저장조의 높이는 서로 동일하고, 상기 제1저장조, 제2저장조, 제3저장조의 밑면적 비율은 열대지방, 온대지방, 극지방의 표면적 비율과 동일한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 상부연결관, 하부연결과, 수평연결관에는 각각 액체의 유량을 조절하기 위한 유량조절밸브가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 기후변화재현장치.

또한, 상기 유량조절밸브의 개도량은 위도별 태양입사에너지, 위도별 지구복사에너지, 및 에너지교환수지에 따른 비 중 어느 하나에 따라 결정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1저장조와 제2저장조 및 제2저장조에 유입되는 액체의 양은 제1저장조와 제2저장조 및 제3저장조의 순서로 많으며, 상기 수평연결관은 수평연결관에 설치된 유량조절밸브의 개폐에 의해, 상기 제1저장조에 유입된 액체를 상기 제2저장조로 강제로 이동시키고, 상기 제2저장조에 유입된 액체를 상기 제3저장조로 강제로 이동시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1저장조, 제2저장조, 제3저장조는 투명 재질로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1저장조, 제2저장조, 제3저장조는 지구 북반구의 열대지방(위도 0°~30°), 온대지방(위도 30°~60°), 극지방(위도 60°~90°)에 대응되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.

기후변화와 계절변화, 그리고 온실가스의 영향 등을 알기 쉽게 설명하여 비전문인과 학생들에게 지구온난화에 대한 올바른 이해의 도구를 제공할 수 있다.

또한, 태양에너지의 변화와 지구방출 에너지를 물의 양으로 환산, 지구 에너지 변화를 한눈에 확인할 수 있다.

도 1은 지구의 대기와 지표면을 합한 연평균순복사량을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 위도에 따른 지구 표면적의 비율을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 기후변화재현장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 정면도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명을 설명하기에 앞서, 본 발명에 따른 기후변화재현장치에서는 지구 온도 증가의 결과를 지구 열용량의 증가로 모식화하여 수조 실험으로 재현하고자 열대지방, 온대지방, 극지방을 의미하는 3개의 저장조를 고안하고 각기 태양에너지의 유입과 지구에너지를 방출을 조절하는 연결관과 열대지방-온대지방, 온대지방-극지방 간의 에너지 교환을 조절하는 연결관을 설치한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 후술할 도 3을 통해 설명할 본 발명에 따른 기후변화재현장치의 제1저장조(11), 제2저장조(13), 제3저장조(15)는 지구 북반구의 열대지방(위도 0°~30°), 온대지방(위도 30°~60°), 극지방(위도 60°~90°)을 의미하며, 각각의 저장조에 저장된 물의 양은 에너지의 양을 나타낸다. 즉, 태양에너지를 받는 입사면적의 비에 따라 각 저장조의 밑면적이 결정되며, 그 밑면적의 비율(제1저장조 밑면적:제2저장조 밑면적:제3저장조 밑면적)은 열대지방, 온대지방, 극지방의 표면적 비율과 동일하다.

도 2는 위도에 따른 지구 표면적의 비율을 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참고하여 상기한 열대지방 표면적(A), 온대지방 표면적(B), 극지방 표면적(C)에 대해 자세하게 설명하면, 지구의 반지름이 r일 때, 지구의 표면적인 4πr²에서 반구의 표면적 2πr²으로부터 열대지방의 표면적은 수학식 1과 같다.

그리고, 온대지방 표면적(B)과 극지방의 표면적(C)는 각각 수학식 2와 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.

따라서, 열대지방 표면적(A), 온대지방 표면적(B), 극지방 표면적(C)의 비율은 1:

:

(1:0.723:0.268)이 된다. 이는 전술한 바와 같이, 도 3에 도시된 제1저장조(11), 제2저장조(13), 제3저장조(15)의 밑바닥 면적의 비율과 동일하다.

도 3은 본 발명에 따른 기후변화재현장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 그리고, 도 4는 도의 정면도이다.

도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 기후변화재현장치는, 하단저장조(60); 하단저장조(60)와 수송관(75)을 통해 연결되며, 수송관(75)을 통해 하단저장조(60)에 저장된 액체를 펌프(90)를 이용하여 회수하는 상단저장조(50); 상단저장조(50)와 하단저장조(60) 사이에 설치되는 제1저장조(11), 제2저장조(13), 제3저장조(15); 상단저장조(50)와 제1저장조(11), 상단저장조(50)와 제2저장조(13), 상단저장조(50)와 제3저장조(15) 사이에 각각 설치되며, 상단저장조(50)에 저장된 액체를 제1저장조(11), 제2저장조(13), 제3저장조(15)로 유입시키는 상부연결관(21,23,25), 제1저장조(11)와 하단저장조(60), 제2저장조(13)와 하단저장조(60), 제3저장조(15)와 하단저장조(60) 사이에 각각 설치되며, 제1저장조(11), 제2저장조(13), 제3저장조(15)에 유입된 액체를 하단저장조(60)로 배출시키는 하부연결관(31,33,35); 및 제1저장조(11)에 유입된 액체를 제2저장조(13)로 이동시키고, 제2저장조(13)에 유입된 액체를 제3저장조(15)로 이동시키는 수평연결관(37,39)을 구비한다.

상단저장조(50)는 하단저장조(60)와 수송관(75)을 통해 연결되며, 수송관(75)을 통해 하단저장조(60)에 저장된 액체(예컨대, 물)를 펌프(90)를 이용하여 회수한다. 상단저장조(50)는 수위감지센서(도시생략)를 포함할 수 있으며, 상단저장조(50)의 수위를 감지하여 상황에 따라 펌프를 자동으로 가동시킬 수도 있다. 본 발명에 실시예에 따른 상단저장조(50)와 하단저장조(60)의 크기는 95*45*20cm와 95*45*20~30cm이고, 상단저장조(50)와 하단저장조(60)는 투명 재질(예, 아크릴)로 형성될 수 있다. 그리고, 수송관(75)는 80cm의 높이로 설치될 수 있다.

제1저장조(11), 제2저장조(13), 제3저장조(15)는 상단저장조(50)와 하단저장조(60) 사이에 설치된다. 본 발명에서는 도 3를 통해 구한 각 위도별 지역(열대지방, 온대지방, 극지방)의 표면적 비율에 따라 각 저장조의 밑면적 비율을 결정하였다. 즉, 제1저장조(11)에 유입된 물의 양은 열대지방으로 유입된 태양입사에너지에 대응되고 , 제2저장조(13)에 유입된 물의 양은 온대지방으로 유입된 태양입사에너지에 대응되고, 제3저장조(15)에 유입된 물의 양은 극지방으로 유입된 태양입사에너지에 대응된다. 도 2를 참조하면, 태양입사에너지는 열대지방이 가장 크며, 온대지방과 극지방순이다. 따라서, 유입되는 물의 양, 즉, 수위 역시 제1저장조(11)와 제2저장조(13) 및 제3저장조(15)순이다.

한편, 본 발명에 실시예에 따른 제1저장조(11)의 크기는 25.9*25.9*60.8cm, 제2저장조(13)의 크기는 22.1*22.1*60.8cm, 제3저장조(15)의 크기는 13.7*13.7*60.8cm이다. 그리고, 각 저장조는 투명 재질(예, 아크릴)로 형성되어 있으며, 각 저장조에는 눈금이 표시되어 있어 에너지의 입출입(즉, 물의 입출입)에 따른 지구 열총량의 변화를 한눈에 확인할 수가 있다.

상부연결관(21,23,25)은 상단저장조(50)와 제1저장조(11), 상단저장조(50)와 제2저장조(13), 상단저장조(50)와 제3저장조(15) 사이에 각각 설치되며, 상단저장조(50)에 저장된 액체를 제1저장조(11), 제2저장조(13), 제3저장조(15)로 유입시킨다. 그리고, 상부연결관(21,23,25)에는 물의 유량을 조절하기 위한 유량조절밸브(21a,23a,25a)가 각각 설치되고, 각 유량조절밸브의 개도량은 위도별 태양에너지 입사량에 따라 결정된다. 즉, 도 1을 통해 설명한 바와 같이, 위도에 따라 입사되는 태양에너지의 양이 다르므로, 상부연결관(21,23,25)에 설치된 유량조절밸브(21a,23a,25a)를 이용하여 해당 저장조로 유입되는 물의 양의 비를 제어한다. 이때, 계절에 따른 입사 에너지의 변화까지 고려하여 해당 저장조로 유입되는 물의 양의 비를 제어할 수 있다. 보다 상세하게는, 상단저장조(50)와 제1저장조(11) 사이에 설치된 유량조절밸브(21a)는 제1저장조(13)로 유입되는 물의 양을 조절하고, 상단저장조(50)와 제2저장조(13) 사이에 설치된 유량조절밸브(23a)는 제2저장조(13)로 유입되는 물의 양을 조절하고, 상단저장조(50)와 제3저장조(15) 사이에 설치된 유량조절밸브(25a)는 제3저장조(15)로 유입되는 물의 양을 조절한다.

하부연결관(31,33,35)은 제1저장조(11)와 하단저장조(60), 제2저장조(13)와 하단저장조(60), 제3저장조(15)와 하단저장조(60) 사이에 각각 설치되며, 제1저장조(11), 제2저장조(13), 제3저장조(15)에 유입된 액체를 하단저장조(60)로 배출시킨다. 하부연결관(31,33,35)은 또한 상부연결관(21,23,25)과 마찬가지로, 물의 유량을 조절하기 위한 유량조절밸브(31a,33a,35a)가 각각 설치되고, 각 유량조절밸브의 개도량은 위도별 지구복사에너지에 따라 결정된다.

수평연결관(37,39)은 제1저장조(11)에 유입된 액체를 제2저장조(13)로 이동시키고, 제2저장조(13)에 유입된 액체를 제3저장조(15)로 이동시킨다. 즉, 열대지방(저위도)과 온대지방(중위도), 온대지방(중위도)과 극지방(고위도) 사이에서 에너지 교환이 일어날 수 있도록 하는 역할을 수행한다. 수평연결관(37,39) 또한 상부연결관(21,23,25)과 마찬가지로, 물의 유량을 조절하기 위한 유량조절밸브(37a,39a)가 각각 설치되고, 각 유량조절밸브의 개도량은 에너지교환수지에 따른 비에 따라 결정된다. 그리고, 수평연결관(37,39)은 제1저장조(11)에 유입된 액체를 제2저장조(13)로 강제로 이동시키고, 제2저장조(13)에 유입된 액체를 제3저장조(15)로 강제로 이동시킨다. 이는 유량조절밸브(37a, 39a)의 개방에 의해 수행되며, 전술된 바와 같이, 유입되는 액체의 수위는 제1저장조(11), 제2저장조(13) 및 제3저장조(15)의 순서이므로, 유량조절밸브(37a, 39a)를 개방하면 유입된 액체는 제1저장조(11)보다 수위가 낮은 제2저장조(13)로 이동하고, 제2저장조(13)에 유입된 액체는 제2저장조(13)보다 수위가 낮은 제3저장조(15)로 이동한다.

이론적으로 지구의 복사 평형이 완전하게 이루어진다면, 입사하는 에너지와 방출하는 에너지는 같으므로 상부연결관(21,23,25)과 하부연결관(31,33,35)을 통하여 출입하는 물의 양은 같고, 저장조(11,13,15)의 수위는 각 위도의 열용량에 따라 일정하게 유지된다. 그러나, 온실기체의 영향으로 지구복사에너지의 방출이 감소할 경우 저장조(11,13,15) 아래의 유량조절밸브(31a,33a,35a)를 통하여 물의 방출량을 조절하면, 저장조(11,13,15)의 수위는 높아지고, 이는 지구의 열용량이 증가함을 의마한다.

전술한 본 개시의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 개시가 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 개시의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 개시의 보호 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

하단저장조;
상기 하단저장조와 수송관을 통해 연결되며, 상기 수송관을 통해 상기 하단저장조에 저장된 액체를 펌프를 이용하여 회수하는 상단저장조;
상기 상단저장조와 하단저장조 사이에 설치되는 제1저장조, 제2저장조, 제3저장조;
상기 상단저장조와 상기 제1저장조, 상기 상단저장조와 상기 제2저장조, 상기 상단저장조와 상기 제3저장조 사이에 각각 설치되며, 상기 상단저장조에 저장된 액체를 상기 제1저장조, 제2저장조, 제3저장조로 유입시키는 상부연결관;
상기 제1 저장조와 상기 하단저장조, 제2 저장조와 상기 하단저장조, 제3저장조와 상기 하단저장조 사이에 각각 설치되며, 상기 제1저장조, 제2저장조, 제3저장조에 유입된 액체를 상기 하단저장조로 배출시키는 하부연결관; 및
상기 제1저장조에 유입된 액체를 상기 제2저장조로 이동시키고, 상기 제2저장조에 유입된 액체를 상기 제3저장조로 이동시키는 수평연결관을 포함하는 기후변화재현장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1저장조, 제2저장조, 제3저장조의 높이는 서로 동일하고, 상기 제1저장조, 제2저장조, 제3저장조의 밑면적 비율은 열대지방, 온대지방, 극지방의 표면적 비율과 동일한 것을 특징으로 하는 기후변화재현장치.
청구항 1에 있어서,
상기 상부연결관, 하부연결관, 수평연결관에는 각각 액체의 유량을 조절하기 위한 유량조절밸브가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 기후변화재현장치.
청구항 3에 있어서,
상기 유량조절밸브의 개도량은 위도별 태양입사에너지, 위도별 지구복사에너지, 및 에너지교환수지에 따른 비 중 어느 하나에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 기후변화재현장치.
청구항 3에 있어서,
상기 제1저장조와 제2저장조 및 제2저장조에 유입되는 액체의 수위는 제1저장조와 제2저장조 및 제3저장조의 순서로 높으며,
상기 수평연결관은 상기 유량조절밸브의 개폐에 의해,
상기 제1저장조에 유입된 액체를 상기 제2저장조로 강제로 이동시키고, 상기 제2저장조에 유입된 액체를 상기 제3저장조로 강제로 이동시키는 것을 특징으로 하는 기후변화재현장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1저장조, 제2저장조, 제3저장조는 투명 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 기후변화재현장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1저장조, 제2저장조, 제3저장조는 지구 북반구의 열대지방(위도 0°~30°), 온대지방(위도 30°~60°), 극지방(위도 60°~90°)에 대응되는 것을 특징으로 하는 기후변화재현장치.
상단저장조가 수송관을 통해 하단저장조에 저장된 액체를 펌프를 이용하여 회수하는 단계;
상단저장조가 저장된 액체를 제1저장조, 제2저장조, 제3저장조로 유입시키는 단계;
상기 제1 저장조, 제2 저장조, 제3저장조에 각각 설치된 하부연결관이 상기 제1저장조, 제2저장조, 제3저장조에 유입된 액체를 하단저장조로 배출시키는 단계; 및
수평연결관이 상기 제1저장조에 유입된 액체를 상기 제2저장조로 이동시키고, 상기 제2저장조에 유입된 액체를 상기 제3저장조로 이동시키는 단계를 포함하고,
상기 제1저장조, 제2저장조, 제3저장조의 높이는 서로 동일하고,
상기 제1저장조, 제2저장조, 제3저장조의 밑면적 비율은 열대지방, 온대지방, 극지방의 표면적 비율과 동일한 것을 특징으로 하는 기후변화재현방법.
청구항 8에 있어서,
상기 제1저장조, 제2저장조, 제3저장조는 투명 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 기후변화재현방법.
청구항 8에 있어서,
상기 제1저장조와 제2저장조 및 제2저장조에 유입되는 액체의 수위는 제1저장조와 제2저장조 및 제3저장조의 순서로 높으며,
상기 수평연결관은 수평연결관에 설치된 유량조절밸브의 개폐에 의해,
상기 제1저장조에 유입된 액체를 상기 제2저장조로 강제로 이동시키고, 상기 제2저장조에 유입된 액체를 상기 제3저장조로 강제로 이동시키는 것을 특징으로 하는 기후변화재현방법.