광선의 본질

광질

광선, 즉 빛은 입자이면서 파동의 성질을 지닌 전자파(electromagnetic wave)이다.

자연에는 여러 가지 전자파가 존재하는데, 그들은 파장이 다르고 그에 따라 에너지수준이 다르다.

즉, 전자파의 에너지는 파장에 역비례하고 진동수에 비례하기 때문에, 파장이 길면 에너지가 작아지고 짧으면 에너지가 커진다.

예를 들어 파장이 긴 라디오파는 에너지량이 극히 작고, x선, r선, 우주선 등은 파장이 대단히 짧아 큰 에너지를 가지고 무서운 파괴력을 지니고 있다.

 

자연광은 태양을 광원으로 하며, 파장이 다른 여러가지 광선이 혼재되어 있는 혼합광이다.

태양으로부터 방사되는 광선 가운데 장파장은 수증기, 먼지, 이산화탄소 등에 흡수되거나 산란되고, 자외선 등 단파장은 오존층에서 흡수되며, 지구에 도달하는 것은 300~2,500㎚ 사이의 빛이다.

이들 광선 가운데 380㎚보다 짧은 파장을 자외선(ultraviolet rays), 780nm보다 긴 파장을 적외선(infrared rays) 또는 열선이라 하고, 그 사이의 380 ~ 780㎚의 파장을 사람이 볼 수 있기 때문에 가시광선(visible rays)이라고 한다.

 

광량

광량 또는 일사량은 에너지 단위, 광양자 단위 또는 조도(밝기)로 나타낼 수 있으며, 이들 단위 사이에서는 환산이 가능하다.

일사량은 단위시간당 단위면적이 받는 방사에너지 밀도로 나타낸다.

복사 방사에너지 단위로 W/㎡, cal/㎡/min, ly/min 등이 사용되며 이들 간에는 다음과 같은 관계가 성립한다.

식물의 광합성을 설명하는 데는 광양자 단위가 유용하다.

광합성에 이용하는 유효파장의 범위를 400~700㎚ 사이로 보고 필터를 사용하여 이 영역의 광합성 유효방사(PAR, Photosynthetic Active Radiation) 에너지만을 측정하여 W/㎡로 나타내는데, 실제로는 광양자 단위인 umol/㎡/s 또는 uE/㎡/s로 표시하는 경우가 많다.

 

광량은 조도로 표현되기도 하며 단위로는 럭스(lux, lx)가 사용된다.

이는 사람이 가시광선에 대하여 느끼는 휘도로 노란색은 밝게 느끼고, 청적색은 어둡게 느껴지므로 동일한 방사에너지라도 노란색에서 높은 조도로 나타난다.

조도와 광에너지의 단위는 상호 변환이 가능한데, 광원별 광양자 단위 환산계수는 아래 표와 같다.

30,000lux의 조도를 umol/㎡/s 로 환산하면

30,000lux / 54  ≒ 555.5 umol/㎡/s 로 계산되어진다. 

이것은 " (측정값, lux) X (태양광, 0.0185) = ( 변환값, umol/㎡/s1)" 식으로 계산하여도 근사값이 나오게 된다.

 

umol/㎡/s1 값을 lux 로 계산하면
"(필요값 umol/㎡/s1) X (태양광, 54) = (변환값, lux)" 식으로 계산하면 된다.

555.5 X 54 = 29.997 의 값으로 환산되어진다.

 

태양광에서 1,000umol/㎡/s 의 광량을 W/㎡ 로 환산하면

1,000umol/㎡/s / 4.57 = 219W/㎡ 으로 환산되어진다.