KR20170116805A - 다중 각도에서 태양광 관측기반의 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법 - Google Patents

다중 각도에서 태양광 관측기반의 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법 Download PDF

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부경대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 대기 중에 존재하는 에어로솔(Aerosols)의 고도를 산출하기 위한 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, Lidar와 같은 능동형 관측장비를 사용함으로 인해 구성이 복잡하고 고가인 문제가 있었던 종래기술의 에어로솔 고도 산출방법들의 문제점을 해결하기 위해, 다수의 망원경이나 스태퍼 모터를 이용하여 다양한 고도각(elevation angle)에 따라 태양산란광을 측정하는 MAX-DOAS(Multi Axis Differential Optical Absorption Spectroscopy)를 이용하여 여러 고도각에서 측정된 태양산란광을 통하여 여러 가지 미량기체들의 수직분포를 얻고, 대기 중에 특정 비율로 존재하는 대기 분자들의 비탄성 산란인 라만 산란의 크기(Raman Scattering Probability ; RSP)를 이용하여, 에어로솔의 고도에 따라 특정 고도각에서 RSP가 감소하는 원리를 이용하여 에어로솔의 고도를 산출하도록 구성됨으로써, 종래에 비해 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 용이하고 또한 정확하게 에어로솔의 고도를 산출할 수 있도록 구성되는 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법이 제공된다.

Description

다중 각도에서 태양광 관측기반의 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법{Method for retrieving aerosol height using Raman scattering property of atmospheric molecules based on sunlight measurement in multi-angle}
본 발명은 대기 중에 존재하는 에어로솔(Aerosols)의 고도를 산출하기 위한 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, Lidar(Light Detection and Ranging)와 같은 능동형 관측장비를 사용함으로 인해 구성이 복잡하고 고가인 문제가 있었던 종래기술의 에어로솔 고도 산출방법들의 문제점을 해결하기 위해, 종래에 비해 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 에어로솔의 고도를 산출할 수 있도록 구성되는 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 구성이 복잡하고 고가인 문제가 있었던 종래기술의 에어로솔 고도 산출방법들의 문제점을 해결하기 위해, 다수의 망원경이나 스태퍼 모터를 이용하여 다양한 고도각(elevation angle)에 따라 태양산란광을 측정하는 MAX-DOAS(Multi Axis Differential Optical Absorption Spectroscopy)를 이용하여 여러 고도각에서 측정된 태양산란광을 통하여 여러 가지 미량기체들의 수직분포를 얻고, 대기 중에 특정 비율로 존재하는 대기 분자들의 비탄성 산란인 라만 산란의 크기(Raman Scattering Probability ; RSP)를 이용하여, 에어로솔의 고도에 따라 특정 고도각에서 RSP가 감소하는 원리를 이용하여 에어로솔의 고도를 산출하도록 구성됨으로써, 종래에 비해 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 용이하고 또한 정확하게 에어로솔의 고도를 산출할 수 있도록 구성되는 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법에 관한 것이다.
일반적으로, 에어로솔(Aerosols)은, 기후예측 모델링에 있어서 불확실성을 유발하는 인자로서, 빛의 산란, 흡수 등 지구 복사 수지에 영향을 미치고, 구름 응결핵(Cloud Condensation Nuclei ; CCN)으로 작용하여 알베도(Albedo)와 구름의 생성 및 수명에 상당한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.
또한, 전세계적으로 가장 많은 에어로솔을 발생시키는 지역은 중국을 포함한 동남아시아 지역이나, 에어로솔은 한곳에 머무르지 않고 편서풍 기류를 타고 다른 지역으로 이동하여 대기중에 다양한 변화를 일으키게 된다.
아울러, 최근에는, 중국의 산업화 및 사막화에 따라 다량의 황사와 에어로솔 및 미세먼지가 발생하고 있으며, 특히, 편서풍대의 풍하측에 위치한 한반도는 각지에서 장거리 수송되어 오는 다양한 특성의 에어로솔의 영향을 받게 되므로, 이와 같이 내몽고와 중국의 사막화 및 산업화에 따라 장거리 수송되어오는 다량의 황사 에어로솔과 미세먼지의 농도 및 고도정보에 대한 관심이 높아지고 있는 실정이다.
더 상세하게는, 상기한 바와 같은 에어로솔의 관측을 위한 장치 및 방법에 관한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 먼저, 한국 등록특허공보 제10-1396992호에 따르면, 입력 자료를 이용하여 고도에 따라 규칙적으로 농도가 변하는 제 1 물질의 적분 농도를 산출하는 제1 산출부; 및 상기 적분 농도로 상기 입력 자료를 변화시키는 제 2 물질의 고도를 산출하는 제 2 산출부를 포함하고, 상기 제 1 물질은 O2-O2일 수 있도록 구성됨으로써, 제 1 물질의 적분 농도를 산출하는 것에 의해 제 2 물질의 고도를 용이하게 산출할 수 있으며, 또한, 제 1 물질의 적분 농도를 태양광의 스펙트럼을 이용하여 산출하는 것에 의해 넓은 지역에서 제 2 물질의 고도를 산출할 수 있도록 구성되는 고도산출장치 및 방법에 관한 기술내용이 제시된 바 있다.
또한, 상기한 바와 같은 에어로솔의 관측을 위한 장치 및 방법에 관한 종래기술의 다른 예로는, 예를 들면, 한국등록특허공보 제10-1007304호에 따르면, 광범위 관측 지역의 복사 정보를 포함하는 데이터로부터 특정 지점의 에어로솔 종류를 분류하는 방법에 있어서, 특정 지점의 복사 정보로부터 미리 설정된 파라미터 산출 레퍼런스 파장에 대한 반사도를 산출하는 단계; 산출된 반사도를 이용하여 상기 특정 지점의 에어로솔을 특정할 수 있는 에어로솔 파라미터를 산출하는 단계; 흡수성 에어로솔 모델 및 비흡수성 에어로솔 모델을 모두 가정하여, 상기 특정 지점의 에어로솔의 흡수 특성을 판단하는 단계; 및 에어로솔 파라미터 및 에어로솔의 흡수 특성을 고려하여 상기 특정 지점의 에어로솔 종류를 분류하는 단계를 포함하여, 광학 장비를 통하여 수집된 데이터를 이용하여 에어로솔의 종류를 신속하고 정확하게 자동으로 분류할 수 있도록 구성되는 에어로솔 분류방법에 관한 기술내용이 제시된 바 있다.
아울러, 상기한 바와 같은 에어로솔의 관측을 위한 장치 및 방법에 관한 종래기술의 또 다른 예로는, 예를 들면, 한국등록특허공보 제10-0968473호에 따르면, (A)에어로졸 광학적 특성 산출 장치가 위성탑제장치(CERES)가 측정한 특정공간의 대기상한과 지표면에서의 각각의 단파복사량(shortwave flux), 에어로졸 광학두께(AOD)를 전송받아 대기상한과 지표면에서의 각각의 복사강제효율값을 구하는 단계; (B)에어로졸 광학적 특성 산출 장치가 SBDART 복사전달모델을 이용하여 단일산란알베도(SSA)인 ω와 비대칭성 인자(asymmetry factor)인 g를 0.0 내지 1.0로 변화시키고, 에어로졸 광학두께(AOD)를 0.0 내지 0.5로 변화시키면서 그 변화하는 ω와 g에 대한 대기상한의 복사강제효율값과 지표면의 복사강제효율값을 구하고, 그 변화하는 ω와 g에 대한 대기상한의 복사강제효율값을 나타내는 제1조견표(lookup table) 및 그 변화하는 ω와 g에 대한 지표면의 복사강제효율값을 나타내는 제2조견표를 생성하는 단계; (C)에어로졸 광학적 특성 산출 장치가 제1조견표에서 상기 (A)단계에 의해 구해진 대기상한의 복사강제효율값과 가장 근접한 제1복사강제효율값을 검출하고, 제2조견표에서 상기 (A)단계에 의해 구해진 지표면의 복사강제효율값과 가장 근접한 제2복사강제효율값을 검출하는 단계; (D)에어로졸 광학적 특성 산출 장치가 상기 (A)단계에 의해 구해진 대기상한의 복사강제효율값과 제1복사강제효율값과의 제1차이값을 구하고, (A)단계에 의해 구해진 지표면의 복사강제효율값과 제2복사강제효율값과의 제2차 이값을 구하는 단계; 및 (E)상기 (D)단계에서, 제1차이값이 제2차이값보다 작은 경우, 제1복사강제효율값에 대응되는 ω와 g를 특정공간의 에어로졸의 광학적 특성으로 판단하고, 상기 (D)단계에서, 제1차이값이 제2차이값보다 큰 경우, 제2복사강제 효율값에 대응되는 ω와 g를 특정공간의 에어로졸의 광학적 특성으로 판단하는 단계를 포함하여, 별도의 에어로졸 측정장비를 설치하지 않고 위성으로부터 측정한 지표면과 대기상한의 복사량, 에어로졸 광학두께(AOD) 정보를 제공받아 실시간으로 에어로졸의 광학적 특성을 판단함으로써, 공간에 제약을 받지 않고, 비용을 절감할 수 있으며, 정확한 에어로졸의 광학성 특성을 판단할 수 있도록 구성되는 에어로졸 광학적 특성 산출방법에 관한 기술내용이 제시된 바 있다.
더욱이, 상기한 바와 같은 에어로솔의 관측을 위한 장치 및 방법에 관한 종래기술의 또 다른 예로는, 예를 들면, 한국등록특허공보 제10-1156660호에 따르면, 라이다(Light Detection and Ranging ; Lidar)를 통해 대기중에 532nm 파장의 레이저 광과 1064nm 파장의 레이저를 연직으로 발사하여 그 라이다의 수신부(망원경)로 모여진 후방산란광의 강도 및 레이저 광 복귀시간을 측정하는 측정단계; 상기 후방산란광의 강도 및 레이저 광 복귀시간을 통해 편광소멸도 및 파장신호비를 산출하는 산출단계; 상기 편광소멸도 및 파장신호비를 통해 황사발생 여부와 황사의 분포고도 및 강도를 판독하는 판독단계를 포함하고, 상기 측정단계에서는, 532nm에서의 후방산란광 강도는 처음 발사된 레이저와 파장의 진동 방향이 평행인 성분과 수직인 성분으로 나누어 관측을 하고, 상기 산출단계에서는, 처음 발사된 레이저 파장의 진동 방향이 평행인 성분과, 수직인 성분의 비인 편광소멸도와, 파장신호비인 1064nm와 532nm에서의 후방산란광의 강도의 비를 산출하도록 구성됨으로써, 라이다를 통해 얻은 편광소멸도 및 파장신호비를 이용하여 황사 판독을 용이하게 하고, 구름이 있는 경우에도 황사 판독이 용이하게 이루어질 수 있도록 구성되는 라이다의 편광소멸도와 파장신호비를 이용한 황사판독 방법에 관한 기술내용이 제시된 바 있다.
상기한 바와 같이, 종래, 에어로솔의 관측을 위한 여러 가지 기술내용들이 제시된 바 있으나, 상기한 바와 같은 종래기술의 방법들은 다음과 같은 문제점이 있는 것이었다.
즉, 현재 에어로솔의 농도정보는 여러 가지 수동형 지상장비를 이용하여 산출 가능하나, 에어로솔의 고도정보는 Lidar(Light Detection and Ranging)와 같은 능동형 장비를 이용하여 주로 원격 측정된다.
그러나 상기한 Lidar와 같은 능동형 관측장비는 인공 광원을 광원으로 이용하므로 장비의 구성이 복잡하고 그만큼 비용이 많이 드는 단점이 있으며, 또한, 이와 같이 비용적 측면에서 능동형 장비가 가지는 단점으로 인해, 다수의 장비를 이용한 에어로솔의 고도측정이 활발히 이루어지기 어렵다는 문제도 있다.
이에, 보급력을 높일 수 있는 저가의 수동형 지상 관측장비로 에어로솔 고도정보를 산출할 수 있다면 장거리 수송되어 오는 황사 또는 미세먼지의 고도정보 측정이 보다 활발하게 이루어질 수 있을 것으로 기대된다.
따라서 상기한 바와 같이, Lidar와 같은 능동형 관측장비를 사용함으로 인해 구성이 복잡하고 비용이 많이 드는 데 더하여, 그로 인해 다수의 장비를 이용한 에어로솔의 고도측정이 활발히 이루어지기 어려운 문제가 있었던 종래기술의 에어로솔 고도 측정방법들의 문제점을 해결하기 위하여는, 저가의 수동형 지상 관측장비를 이용하여 에어로솔 고도를 산출할 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 에어로솔 고도 산출방법을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
[선행기술문헌]
1. 한국등록특허공보 제10-1396992호 (2014.05.13.)
2. 한국등록특허공보 제10-1007304호 (2011.01.04.)
3. 한국등록특허공보 제10-0968473호 (2010.06.30.)
4. 한국등록특허공보 제10-1156660호 (2012.06.08.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, Lidar와 같은 능동형 관측장비를 사용함으로 인해 구성이 복잡하고 비용이 많이 드는 데 더하여, 그로 인해 다수의 장비를 이용한 에어로솔의 고도측정이 활발히 이루어지기 어려운 문제가 있었던 종래기술의 에어로솔 고도 측정방법들의 문제점을 해결하기 위해, 보급력을 높일 수 있는 저가의 수동형 지상 관측장비로 에어로솔 고도정보를 산출할 수 있도록 구성됨으로써, 장거리 수송되어 오는 황사 또는 미세먼지의 고도정보 측정이 보다 활발하게 이루어질 수 있도록 구성되는 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 저가의 수동형 지상 관측장비로 에어로솔 고도정보를 산출할 수 있도록 하기 위해, 다수의 망원경이나 스태퍼 모터를 이용하여 다양한 고도각(elevation angle)에 따라 태양산란광을 측정하는 MAX-DOAS(Multi Axis Differential Optical Absorption Spectroscopy)를 이용하여 여러 고도각에서 측정된 태양산란광을 통하여 여러 가지 미량기체들의 수직분포를 얻고, 대기 중에 특정 비율로 존재하는 대기 분자들의 비탄성 산란인 라만 산란의 크기(Raman Scattering Probability ; RSP)를 이용하여, 에어로솔의 고도에 따라 특정 고도각에서 RSP가 감소하는 원리를 이용하여 에어로솔의 고도를 산출하도록 구성됨으로써, 종래에 비해 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 용이하고 또한 정확하게 에어로솔의 고도를 산출할 수 있도록 구성되는 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 에어로솔(Aerosols)의 고도를 산출하기 위한 처리를 컴퓨터나 전용의 하드웨어에 의해 수행시키도록 구성되는 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법에 있어서, 상기 처리는, MAX-DOAS(Multi Axis Differential Optical Absorption Spectroscopy) 및 DOAS 분석기술을 이용하여, 복수의 고도각에 대해 각 고도각별로 미리 정해진 특정 대기분자들의 비탄성 산란인 라만 산란의 크기(Raman Scattering Probability ; RSP)를 산출하는 실제 RSP 산출단계; RTM(Radiative Transfer Model)을 이용하여 각각의 상기 고도각에 대하여 모의된 상기 대기분자들의 RSP를 산출하는 모의 RSP 산출단계; 및 상기 실제 RSP 산출단계 및 상기 모의 RSP 산출단계에서 각각 산출된 상기 실제 RSP와 상기 모의 RSP에 근거하여 에어로졸의 고도를 산출하는 에어로졸 고도 결정단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법이 제공된다.
여기서, 상기 실제 RSP 산출단계는, 상기 MAX-DOAS를 이용하여, 2° ~ 90°의 고도각에 대하여 태양산란광의 스펙트럼을 측정하는 것에 의해 대기 중에 존재하는 복수의 미량기체들의 수직분포를 얻는 단계와, 상기 DOAS 분석기술을 기반으로, 각각의 상기 고도각에 대하여 상기 대기 중에 특정 비율로 존재하는 상기 대기분자로서 N2 및 O2 중 적어도 하나의 라만 산란의 크기(RSP)를 산출하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 실제 RSP 산출단계에서, 상기 라만 산란의 크기(RSP)를 산출하는 단계는, 이하의 수학식을 이용하여 정규화된 링 스펙트럼(fnorm(λ)을 산출하는 단계와,
Figure pat00001
Figure pat00002
(여기서, F(λ, λ')는 최초 파장이 λ'인 빛의 입자가 라만 산란을 겪은 후 파장 λ인 빛의 입자로 산란 될 확률, (I(λ))는 태양 스펙트럼, σRaman(λ, λ')는 라만 산란의 흡수단면적을 각각 을 의미함)
측정된 상기 태양산란광의 스펙트럼과, 상기 대기 중에 존재하는 미량기체들의 흡수단면적 및 상기 링 스펙트럼(fnorm(λ)을 산출하는 단계에서 산출된 상기 정규화된 링 스펙트럼(fnorm(λ)을 입력으로 하여 스펙트럼 피팅을 수행하는 것에 의해 얻어지는 피트계수(fit coefficient)에 근거하여 상기 실제 RSP를 산출하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 모의 RSP 산출단계는, RTM(Radiative Transfer Model)을 이용하여 입력값에 따른 흡수, 산란, 방출효과를 포함하는 복사의 물리적 과정을 모의하는 것에 의해, 각각의 상기 고도각의 경로길이(path length)에서 측정될 수 있는 라만 산란을 겪은 포톤의 개수와 라만 산란을 거치지 않은 포톤의 개수의 비를 계산하여 모의 RSP를 산출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 모의 RSP 산출단계는, 상기 RTM을 이용하여 상기 물리적 과정을 모의하기 위해, 태양천정각, 상대방위각을 포함하는 지오메트리(Geometry)와, 지표면 알베도 및 에어로솔 프로파일을 포함하는 입력자료를 상기 입력값으로 사용하여 상기 모의 RSP 산출하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 에어로졸 고도 결정단계는, 모든 상기 고도각에서 대하여 상기 실제 RSP와 상기 모의 RSP 값이 일치하는 경우, 해당 에어로솔의 고도정보를 최종적인 에어로솔 고도로 결정하고, 일치하지 않는 경우는 상기 RTM의 입력값으로 사용되는 변수들을 변경하여 가면서 상기 실제 RSP와 상기 모의 RSP 값이 일치할 때까지 각각의 단계들을 반복 수행하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법을 컴퓨터에 실행시키도록 구성되는 프로그램이 기록된 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체가 제공된다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 에어로솔 고도 산출시스템에 있어서, 에어로솔 고도를 산출하기 위한 입력자료를 입력하기 위한 입력부; 상기 입력부를 통해 입력된 상기 입력자료에 근거하여 상기 에어로솔의 고도를 산출하기 위한 연산처리부; 상기 연산처리부에 의해 산출된 결과를 표시하기 위한 출력부; 및 상기 시스템의 전체적인 동작을 제어하는 제어부를 포함하여 구성되고, 상기 연산처리부는, 상기에 기재된 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법을 이용하여 상기 에어로솔 고도를 산출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 에어로솔 고도 산출시스템이 제공된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 다수의 망원경이나 스태퍼 모터를 이용하여 다양한 고도각에 따라 태양산란광을 측정하는 MAX-DOAS를 이용하여 여러 고도각에서 측정된 태양산란광을 통하여 여러 가지 미량기체들의 수직분포를 얻고, 대기 중에 특정 비율로 존재하는 대기 분자들의 비탄성 산란인 라만 산란의 크기(RSP)를 이용하여, 에어로솔의 고도에 따라 특정 고도각에서 RSP가 감소하는 원리를 이용하여 에어로솔의 고도를 산출하도록 구성되는 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법이 제공됨으로써, 종래에 비해 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 용이하고 또한 정확하게 에어로솔의 고도를 산출할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 보급력을 높일 수 있는 저가의 수동형 지상 관측장비로 에어로솔 고도정보를 산출할 수 있도록 구성되는 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법이 제공됨으로써, Lidar와 같은 능동형 관측장비를 사용함으로 인해 구성이 복잡하고 비용이 많이 드는 데 더하여, 그로 인해 다수의 장비를 이용한 에어로솔의 고도측정이 활발히 이루어지기 어려운 문제가 있었던 종래기술의 에어로솔 고도 측정방법들의 문제점을 해결하는 동시에, 장거리 수송되어 오는 황사 또는 미세먼지의 고도정보 측정이 보다 활발하게 이루어질 수 있다.
도 1은 에어로솔이 존재하지 않는 대기와 에어로솔이 하층에 존재하는 대기의 MAX-DOAS 관측결과를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 에어로솔이 존재하지 않는 대기와 에어로솔이 상층에 존재하는 대기의 MAX-DOAS 관측결과를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 DOAS 분석기술을 이용하여 라만 산란의 크기(RSP)를 산출하는 과정을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, Lidar와 같은 능동형 관측장비를 사용함으로 인해 구성이 복잡하고 비용이 많이 드는 데 더하여, 그로 인해 다수의 장비를 이용한 에어로솔의 고도측정이 활발히 이루어지기 어려운 문제가 있었던 종래기술의 에어로솔 고도 측정방법들의 문제점을 해결하기 위해, 보급력을 높일 수 있는 저가의 수동형 지상 관측장비로 에어로솔 고도정보를 산출할 수 있도록 구성됨으로써, 장거리 수송되어 오는 황사 또는 미세먼지의 고도정보 측정이 보다 활발하게 이루어질 수 있도록 구성되는 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법에 관한 것이다.
아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 저가의 수동형 지상 관측장비로 에어로솔 고도정보를 산출할 수 있도록 하기 위해, 다수의 망원경이나 스태퍼 모터를 이용하여 다양한 고도각에 따라 태양산란광을 측정하는 MAX-DOAS를 이용하여 여러 고도각에서 측정된 태양산란광을 통하여 여러 가지 미량기체들의 수직분포를 얻고, 대기 중에 특정 비율로 존재하는 대기 분자들의 비탄성 산란인 라만 산란의 크기(RSP)를 이용하여, 에어로솔의 고도에 따라 특정 고도각에서 RSP가 감소하는 원리를 이용하여 에어로솔의 고도를 산출하도록 구성됨으로써, 종래에 비해 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 용이하고 또한 정확하게 에어로솔의 고도를 산출할 수 있도록 구성되는 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법에 관한 것이다.
계속해서, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 본 발명에 따른 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명하기 전에, 본 발명의 전체적인 개념 및 본 발명에 적용된 MAX-DOAS(Multi AXis Differential Optical Absorption Spectroscopy) 및 RSP(Raman Scattering Probability)에 대하여 설명한다.
먼저, MAX-DOAS(Multi AXis Differential Optical Absorption Spectroscopy)는, 여러 개의 망원경이나 스태퍼 모터를 이용하여 다양한 고도각(Elevation angle, 수평선과 망원경 방향이 이루는 각)에 따라 태양산란광을 측정하는 장비로서, 이러한 MAX-DOAS는, 자연 광원을 사용하기 때문에 상기한 Lidar와 같이 인공 광원을 사용하는 능동형 관측 장비에 비하여 비교적 간단한 기기구조로 이루어져 있으며, 여러 고도각에서 측정된 태양산란광을 통하여 여러 미량 기체들의 수직 분포를 얻을 수 있다.
또한, 라만 산란의 크기(Raman Scattering Probability; RSP)는 MAX-DOAS 관측을 통해 측정된 빛의 세기와 DOAS(Differential Optical Absorption Spectroscopy) 분석기술을 통해 산출할 수 있으며, 산출되는 RSP는 각각의 고도각에서 라만 산란을 거친 빛의 입자가 산란되어 들어오는 경로길이(path length)에 비례한다.
여기서, 이하에 설명하는 본 발명에 있어서, 상기한 MAX-DOAS 및 RSP의 구체적인 내용은 공지된 종래기술의 문헌 등을 참조하여 당업자가 쉽게 이해하고 실시할 수 있는 내용이므로, 설명을 간략히 하기 위해, 본 발명에서는, 상기한 MAX-DOAS 및 RSP와 같이 종래기술의 문헌 등으로부터 당업자에게 있어 자명한 내용에 대하여는 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
더 상세하게는, 대기 중 에어로솔 또는 구름이 존재하지 않아 순수한 레일라이 산란 또는 라만 산란(대기 분자에 의해서 발생하는 산란의 형태)만이 일어나 시정이 긴 깨끗한 대기의 경우, N2, O2 분자의 라만 산란을 겪은 빛의 입자 (photon)가 먼 거리에서도 산란되어 측정될 수 있다.
반면, 에어로솔이 대기 중에 존재하여 시정이 짧은 대기의 경우, 에어로솔에 의한 산란 등의 효과로 대기분자의 라만 산란을 겪은 빛의 입자가 깨끗한 상태의 대기보다 짧은 거리에서까지만 산란되어 측정된다.
즉, 에어로솔이 존재하지 않는 깨끗한 대기의 경우 경로길이(path length)가 가장 길게 나타나고, 에어로솔이 존재하는 대기의 경우 깨끗한 대기보다 경로길이(path length)가 낮게 나타나며, 에어로솔의 농도가 증가할수록 경로길이(path length)는 점점 감소하여 RSP가 낮게 산출된다.
상기한 바와 같이, MAX-DOAS는 다양한 고도각 (2°~ 90°)에 대하여 측정할 수 있으므로, 특정 고도각에서의 RSP의 감소를 이용하여 에어로솔의 고도를 추정 할 수 있다.
더 상세하게는, 도 1 및 도 2를 참조하면, 도 1은 에어로솔이 존재하지 않는 대기와 에어로솔이 하층에 존재하는 대기의 MAX-DOAS 관측결과를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 에어로솔이 존재하지 않는 대기와 에어로솔이 상층에 존재하는 대기의 MAX-DOAS 관측결과를 개략적으로 나타내는 도면이다.
여기서, 도 1 및 도 2에 있어서, 오른편에는 대기분자(N2, O2)의 농도 프로파일, 에어로솔의 농도 프로파일, 해당 고도각에서 측정시 가시선(line of sight)의 길이인 경로길이(path length)가 각각 나타나 있다.
또한, 도 1 및 도 2에 있어서, 검정색 파선은 망원경이 특정 고도각으로 보는 방향이며, 빨간 실선은 산란된 빛이 들어오는 길이를 의미하는 '경로길이(path length)'를 나타낸다.
즉, 도 1에 나타낸 바와 같이, 에어로솔이 낮은 고도에 존재하는 경우, 낮은 고도각에서 산란된 빛의 입자가 측정되는 경로길이(path length)가 에어로솔이 존재하지 않는 대기의 경로길이(path length) 보다 감소하게 되어 더 적은 양의 라만 산란을 거친 빛의 입자가 측정되어 RSP 또한 낮게 산출된다.
반면, 도 2에 나타낸 바와 같이, 에어로솔이 상층에 존재하는 경우, 높은 고도각의 경로길이(path length)가 감소하게 되어 에어로솔이 존재하지 않는 대기보다 RSP 또한 낮게 산출된다.
따라서 이와 같이 에어로솔의 고도가 달라짐에 따라서 특정 고도각에서의 RSP가 감소하는 원리를 이용하에 대기 중에 존재하는 에어로솔의 고도를 산출해 낼 수 있다.
즉, 본 발명은, MAX-DOAS 측정과 대기 분자의 라만 산란 특성을 이용하여 에어로솔 고도를 산출하는 방법으로서, N2, O2와 같이 전체 대기에서 특정한 비율로 존재하는 대기분자(N2 = 78%, O2 = 20.1%)들의 비탄성 산란인 라만 산란의 크기(RSP)를 MAX-DOAS 관측을 통해 측정하여 에어로솔의 고도를 산출하는 기술이다.
계속해서, 도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법의 구체적인 구성에 대하여 설명한다.
먼저, 도 3을 참조하면, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법은, 크게 나누어, MAX-DOAS 관측장비를 이용하여 각각의 고도각에서 측정한 스펙트럼을 이용하여 실제 RSP를 산출하는 과정과, 복사전달모델(Radiative Transfer Model; RTM)을 이용하여 각각의 고도각 대한 모의 RSP를 산출하는 부분 및 실제 RSP와 모의 RSP를 비교하여 일치하는 경우 최종 에어로졸 고도로서 결정하는 세 부분으로 나누어질 수 있다.
더 상세하게는, 실제 RSP를 산출하는 과정은, MAX-DOAS 관측장비를 이용하여 다양한 고도각(2° ~ 90°)에서 측정한 스펙트럼을 DOAS 분석기술을 기반으로 라만 산란의 크기를 나타내는 RSP의 실제 측정된 값을 산출한다.
여기서, DOAS 분석기술은, 관측기기를 이용하여 측정한 스펙트럼과 산출하고자 하는 미량기체를 포함하는 여러 미량기체들의 흡수단면적 등을 이용하여 원하는 미량기체의 농도를 산출할 수 있는 기술로서, 스펙트럼 피팅 후 산출되는 각각의 미량기체에 대한 광학 두께(Optical Density)를 의미하는 피트계수(fit coefficient)가 산출되는데, 이를 이용하여 결과적으로 미량기체의 농도를 산출할 수 있다.
이와 같이 스펙트럼 피팅 시 미량기체의 흡수단면적을 입력하는 과정에서 라만 산란의 흡수단면적(σRaman)과 태양 스펙트럼 (I(λ))을 통해 계산해 낼 수 있는 정규화된 링 스펙트럼(fnorm)을 함께 입력한다면, 이것의 피트계수(fit coefficient)가 라만 산란의 크기(RSP)를 나타낼 수 있다.
즉, 도 4를 참조하면, 도 4는 DOAS 분석기술을 이용하여 라만 산란의 크기(RSP)를 산출하는 과정을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 4에 있어서, F(λ, λ')은 최초 파장이 λ'인 빛의 입자가 라만 산란을 겪은 후 파장 λ인 빛의 입자로 산란 될 확률을 의미하며, 정규화된 링 스펙트럼(fnorm)은 링 스펙트럼 중 파장에 대하여 빠르게 변하는 포톤의 수를 나타낸다.
따라서 도 4에 나타낸 바와 같이, 태양 스펙트럼 (I(λ))과 라만 산란의 흡수단면적(σRaman(λ, λ'))을 이용하여, 이하의 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 이용하여 정규화된 링 스펙트럼(fnorm(λ)을 구하고, 측정된 스펙트럼 및 미량기체의 흡수단면적과 함께 스펙트럼 피팅을 통하여 RSP를 산출할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00003
[수학식 2]
Figure pat00004
또한, 모의 RSP를 산출하는 과정은, 도 3에 나타낸 바와 같이, RTM(Radiative Transfer Model)을 이용하여 입력값에 따른 다양한 복사의 물리적 과정(흡수, 산란, 방출효과)을 모의하여, 각각의 고도각의 경로길이(path length)에서 측정될 수 있는 라만 산란을 겪은 포톤의 개수와 라만 산란을 거치지 않은 포톤의 개수의 비를 계산하여 모의 RSP를 산출한다.
여기서, 이와 같이 RTM을 이용하여 상기한 물리적 과정을 모의하기 위해서는, 예를 들면, 태양천정각, 상대방위각 등을 포함하는 지오메트리(Geometry)와, 지표면 알베도, 에어로솔 프로파일 등이 입력자료로 사용될 수 있다.
계속해서, 상기한 바와 같이 하여 모든 고도각에서 측정된 실제 RSP와 산출된 모의 RSP 값이 일치하는 경우, RTM 모의의 입력자료로 사용되었던 에어로솔의 고도정보를 최종적으로 채택한다.
반면, 일치하지 않는 경우에는 RTM의 입력자료로 사용되는 변수들을 변경하여 가며 반복을 통해 일치하는 경우의 에어로솔 고도를 채택한다.
이상, 상기한 바와 같은 과정을 통하여, MAX-DOAS에 의해 여러 고도각에서 측정된 스펙트럼을 이용하여 DOAS 분석기술을 기반으로 대기 중에 특정 비율로 존재하는 대기 분자(N2, O2)들의 RSP를 산출하고, 또한, RTM을 이용하여 여러 가지 입력변수에 의해 모의된 RSP와 비교하여 일치하는 경우 최종 에어로솔의 고도로서 결정하는 것에 의해, Lidar와 같은 능동형 관측장비를 사용하지 않고 저가의 수동형 지상 관측장비를 이용하여 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 용이하고 정확하게 에어로솔의 고도정보를 산출할 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법을 구현할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법을 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 다수의 망원경이나 스태퍼 모터를 이용하여 다양한 고도각에 따라 태양산란광을 측정하는 MAX-DOAS를 이용하여 여러 고도각에서 측정된 태양산란광을 통하여 여러 가지 미량기체들의 수직분포를 얻고, 대기 중에 특정 비율로 존재하는 대기 분자들의 비탄성 산란인 라만 산란의 크기(RSP)를 이용하여, 에어로솔의 고도에 따라 특정 고도각에서 RSP가 감소하는 원리를 이용하여 에어로솔의 고도를 산출하도록 구성되는 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법이 제공됨으로써, 종래에 비해 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 용이하고 또한 정확하게 에어로솔의 고도를 산출할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 보급력을 높일 수 있는 저가의 수동형 지상 관측장비로 에어로솔 고도정보를 산출할 수 있도록 구성되는 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법이 제공됨으로써, Lidar와 같은 능동형 관측장비를 사용함으로 인해 구성이 복잡하고 비용이 많이 드는 데 더하여, 그로 인해 다수의 장비를 이용한 에어로솔의 고도측정이 활발히 이루어지기 어려운 문제가 있었던 종래기술의 에어로솔 고도 측정방법들의 문제점을 해결하는 동시에, 장거리 수송되어 오는 황사 또는 미세먼지의 고도정보 측정이 보다 활발하게 이루어질 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.

Claims (8)

  1. 에어로솔(Aerosols)의 고도를 산출하기 위한 처리를 컴퓨터나 전용의 하드웨어에 의해 수행시키도록 구성되는 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법에 있어서,
    상기 처리는,
    MAX-DOAS(Multi Axis Differential Optical Absorption Spectroscopy) 및 DOAS 분석기술을 이용하여, 복수의 고도각에 대해 각 고도각별로 미리 정해진 특정 대기분자들의 비탄성 산란인 라만 산란의 크기(Raman Scattering Probability ; RSP)를 산출하는 실제 RSP 산출단계;
    RTM(Radiative Transfer Model)을 이용하여 각각의 상기 고도각에 대하여 모의된 상기 대기분자들의 RSP를 산출하는 모의 RSP 산출단계; 및
    상기 실제 RSP 산출단계 및 상기 모의 RSP 산출단계에서 각각 산출된 상기 실제 RSP와 상기 모의 RSP에 근거하여 에어로졸의 고도를 산출하는 에어로졸 고도 결정단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 실제 RSP 산출단계는,
    상기 MAX-DOAS를 이용하여, 2° ~ 90°의 고도각에 대하여 태양산란광의 스펙트럼을 측정하는 것에 의해 대기 중에 존재하는 복수의 미량기체들의 수직분포를 얻는 단계와,
    상기 DOAS 분석기술을 기반으로, 각각의 상기 고도각에 대하여 상기 대기 중에 특정 비율로 존재하는 상기 대기분자로서 N2 및 O2 중 적어도 하나의 라만 산란의 크기(RSP)를 산출하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 실제 RSP 산출단계에서, 상기 라만 산란의 크기(RSP)를 산출하는 단계는,
    이하의 수학식을 이용하여 정규화된 링 스펙트럼(fnorm(λ)을 산출하는 단계와,

    Figure pat00005

    Figure pat00006


    (여기서, F(λ, λ')는 최초 파장이 λ'인 빛의 입자가 라만 산란을 겪은 후 파장 λ인 빛의 입자로 산란 될 확률, (I(λ))는 태양 스펙트럼, σRaman(λ, λ')는 라만 산란의 흡수단면적을 각각 을 의미함)

    측정된 상기 태양산란광의 스펙트럼과, 상기 대기 중에 존재하는 미량기체들의 흡수단면적 및 상기 링 스펙트럼(fnorm(λ)을 산출하는 단계에서 산출된 상기 정규화된 링 스펙트럼(fnorm(λ)을 입력으로 하여 스펙트럼 피팅을 수행하는 것에 의해 얻어지는 피트계수(fit coefficient)에 근거하여 상기 실제 RSP를 산출하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 모의 RSP 산출단계는,
    RTM(Radiative Transfer Model)을 이용하여 입력값에 따른 흡수, 산란, 방출효과를 포함하는 복사의 물리적 과정을 모의하는 것에 의해, 각각의 상기 고도각의 경로길이(path length)에서 측정될 수 있는 라만 산란을 겪은 포톤의 개수와 라만 산란을 거치지 않은 포톤의 개수의 비를 계산하여 모의 RSP를 산출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 모의 RSP 산출단계는,
    상기 RTM을 이용하여 상기 물리적 과정을 모의하기 위해, 태양천정각, 상대방위각을 포함하는 지오메트리(Geometry)와, 지표면 알베도 및 에어로솔 프로파일을 포함하는 입력자료를 상기 입력값으로 사용하여 상기 모의 RSP 산출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 에어로졸 고도 결정단계는,
    모든 상기 고도각에서 대하여 상기 실제 RSP와 상기 모의 RSP 값이 일치하는 경우, 해당 에어로솔의 고도정보를 최종적인 에어로솔 고도로 결정하고,
    일치하지 않는 경우는 상기 RTM의 입력값으로 사용되는 변수들을 변경하여 가면서 상기 실제 RSP와 상기 모의 RSP 값이 일치할 때까지 각각의 단계들을 반복 수행하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법.
  7. 청구항 1항 내지 청구항 6항 중 어느 한 항에 기재된 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법을 컴퓨터에 실행시키도록 구성되는 프로그램이 기록된 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체.
  8. 에어로솔 고도 산출시스템에 있어서,
    에어로솔 고도를 산출하기 위한 입력자료를 입력하기 위한 입력부;
    상기 입력부를 통해 입력된 상기 입력자료에 근거하여 상기 에어로솔의 고도를 산출하기 위한 연산처리부;
    상기 연산처리부에 의해 산출된 결과를 표시하기 위한 출력부; 및
    상기 시스템의 전체적인 동작을 제어하는 제어부를 포함하여 구성되고,
    상기 연산처리부는,
    청구항 1항 내지 청구항 6항 중 어느 한 항에 기재된 다중 각도에서 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법을 이용하여 상기 에어로솔 고도를 산출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 에어로솔 고도 산출시스템.
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