2026년 9월 30일 · 용티IYPT 1996 · 문제 1 · 광학

3 mm짜리 방패에 구멍이 뚫렸다 — 오존구멍

V2 공개자료 교차확인 — 둘 이상의 독립된 자료로 확인

탐구 주제

IYPT 1996 문제 1 ‘Invent yourself’에 관한 원리 해설과 탐구 설계입니다.

IYPT 1996 공식 문제 보기

교육과정 연결

중학교 과학 「빛과 파동」·「기권과 날씨」 / 고등학교 통합과학1 「과학의 기초」·과학탐구실험1 「과학 탐구의 과정과 절차」 / 진로선택 「지구시스템과학」·「전자기와 양자」 (2022 개정 교육과정, 단원 코드는 NCIC에서 최종 확인).

핵심 개념

오존층, 오존 전량, 돕슨 단위(DU), 채프먼 순환, 오존구멍, 극 성층권 구름, 염화플루오린화탄소(CFC), 자외선 A·B·C, 비어–람베르트 법칙, 경사 오존량(slant column), 태양 천정각·고도각, 홍반 자외선, 자외선 증폭 계수(RAF)

원리 살펴보기

지구의 오존을 모두 끌어내려 지표 조건으로 눌러 담으면 두께가 겨우 3 mm, 동전 두 개 정도다. 그런데 이 얇은 껍질이 태양 자외선 가운데 가장 독한 부분을 삼킨다. 오존 분자는 자외선을 흡수해 쪼개졌다가 다시 만들어지기를 되풀이하는데(채프먼 순환), 그 되풀이 속에서 자외선 C는 아예 지표에 닿지 못하고 자외선 B도 대부분 걸러진다. 1996년의 이 문제는 답 대신 과제를 준다 — 스스로 문제를 세우고 풀라는 것. 그래서 이 원고는 이렇게 좁혔다. “오존이 얇아지면 지표의 자외선은 얼마나 세지는가?”

통과한 자외선의 세기는 빛이 지나온 오존의 양에 따라 지수함수로 줄어든다(비어–람베르트 법칙). 정작 중요한 것은 머리 위에 쌓인 오존의 양이 아니라 햇빛이 실제로 뚫고 온 오존의 양, 곧 경사 오존량이다. 해가 낮으면 햇빛이 대기를 비스듬히 가로지른다. 천정각 θ에서 경로는 대략 1/cos θ배로 늘어나므로 경사 오존량은 (오존 전량) × (1/cos θ)로 어림된다. 게다가 오존의 흡수는 파장이 조금만 길어져도 자릿수가 달라질 만큼 약해져, 홍반 자외선은 같은 태양 고도에서 오존 전량의 거듭제곱 꼴로 줄어든다. 그 지수의 크기를 자외선 증폭 계수(RAF)라 하며, 오존이 1 % 얇아지면 홍반 자외선은 약 1.1 % 세진다. 남극의 오존구멍은 이 관계의 극단이다. 겨울 남극 성층권의 극 성층권 구름 표면에서 염소가 반응성 형태로 풀려나고, 봄볕이 들자마자 오존이 무너져 220 DU 아래로 떨어진다.

이 측정 기술은 하늘 감시에만 쓰이지 않는다. 위성 원격 탐사(자외선 흡수량 차이로 지구 전체의 오존 전량을 날마다 지도로 그린다), 보건 기상 서비스(자외선 지수 예보와 차단제 권고의 계산 근거), 자외선 살균·정수 산업(254 nm 투과율로 실제 살균 선량을 관리한다), 반도체 노광·자외선 경화 공정(광다이오드로 조사량을 감시해 공정을 재현한다)에 쓴다.

실험 설계

준비물

자외선 B 센서(290~320 nm를 읽는 학교용 UVB 센서와 데이터 수집기), 삼각대와 수평계, 곧은 막대(그노몬)와 줄자·모눈종이, 시계, 하늘 상태를 적을 기록장, 컴퓨터. 자외선 A만 읽는 센서는 쓸 수 없다 — 그 이유가 곧 이 탐구의 핵심이다.

변인

독립변인은 둘이다 — 하루 안에서는 태양 천정각 θ(경사 오존량 = 오존 전량 ÷ cos θ), 날짜 사이에서는 그날의 오존 전량이며, 어느 쪽도 손으로 돌릴 수 없다. 종속변인은 수평으로 놓은 센서의 자외선 B 조도(mW/m²)다. 통제변인은 센서의 위치·높이·수평, 주변 반사면과 그늘, 하늘 상태(맑은 시각만 채택)이다.

실험 순서

  1. 트인 곳에 삼각대를 세우고 자외선 B 센서를 수평계로 맞춰 고정한다. 불투명 뚜껑을 덮어 영점을 읽고, 그늘과 반사면이 없는지 확인한다.

  2. 같은 자리에 곧은 막대를 수직으로 세워 그림자 길이를 잰다. tan(고도각) = (막대 길이) ÷ (그림자 길이)로 고도각 h를 구하고 θ = 90° − h로 천정각을 얻는다(한국천문연구원 자료로 교차 확인).

  3. 맑은 날 오전~오후 30분 간격으로 자외선 B 조도와 그림자 길이를 짝지어 기록한다 — 구름이 해를 가린 시각과 태양 고도 30° 미만은 뺀다.

  4. NOAA GML의 「OMI/OMPS Ozone Time Series」에 학교의 위도·경도를 넣어 그날의 일평균 오존 전량(DU)을 내려받는다(결측일 제외).

  5. ③④를 맑은 날마다 되풀이해 3~4주치를 모은다 — 하루 안의 변화는 θ가 만들고, 날 사이의 변화에는 오존 전량에 그날의 연무·에어로졸이 섞이니 하늘 상태 기록이 이를 가르는 단서다.

  6. 태양 고도 50 ± 2°처럼 같은 고도 구간만 골라 날짜 간 ln(오존 전량)·ln(자외선 B 조도) 기울기를 구한다 — 이 기울기가 이 센서 응답에 대한 겉보기 증폭 계수다. 하루 안 고도 변화의 회귀는 천정각 응답을 재는 별개 결과로 둔다.

안전 안내

⚠ 안전

절대 태양을 직접 쳐다보지 않는다 — 센서를 겨눌 때도 센서가 만드는 그림자를 보고 맞춘다. 야외에 오래 있으므로 모자·긴소매·자외선 차단제로 자신의 노출부터 관리하고, 정오 전후에는 교대로 짧게 나간다. 옥상이나 난간에서 잴 때는 교사와 함께 하고 삼각대를 바람에 넘어지지 않게 고정한다. 살균등 같은 인공 자외선으로 센서를 시험하지 않는다 — 자외선 C는 눈과 피부에 매우 위험하다.

예상과 해석

먼저 예상해 보기

해가 낮아져 햇빛이 오존층을 더 길게 지나오면 지표의 자외선 B는 어떻게 될까? 태양 고도가 같을 때 오존 전량이 10 % 얇은 날의 자외선 B는 10 %보다 더 셀까?

자료 정리

측정마다 시각·태양 고도·자외선 B 조도·그날의 오존 전량(DU)·하늘 상태를 한 줄로 모은다. 먼저 하루치만으로 가로축 1/cos θ, 세로축 자외선 B 조도를 찍는다 — 이것이 천정각 응답이다. 이어 같은 고도 구간만 날짜별로 추려 가로축 ln(오존 전량), 세로축 ln(자외선 B 조도)로 찍는다 — 이 층화 회귀의 기울기 크기가 곧 센서 기준의 겉보기 증폭 계수이며, 연무 교란이 섞인 어림값으로 읽는다. (그래프는 축과 개형만 잡는다.)

결과의 의미

같은 고도 조건의 날짜 간 비교에서는 뚜렷한 음의 기울기가, 하루치를 합친 회귀는 그보다 두 배 가까이 가파르게 나올 것으로 예상된다. 이 어긋남이 오존 응답과 천정각 응답의 차이를 드러낸다 — 오존이 만드는 증폭은 앞의 기울기뿐이고, 뒤의 가파름에는 길어진 레일리 산란 경로와 cos θ배로 줄어드는 수평면 투사가 섞여 있다. 두 회귀를 갈라 놓는 일이 이 탐구의 핵심이다. 널리 쓰이는 증폭 계수 1.1은 피부의 홍반 작용 스펙트럼으로 가중한 값이라, 오존을 거의 흡수하지 않는 315~320 nm까지 읽는 학교 센서의 기울기는 그보다 작게 나올 수 있다. 그래도 오존이 얇아질 때 홍반 자외선이 더 크게 늘어난다는 사실은 그대로이며, 오존구멍이 위험한 까닭이 바로 이 1보다 큰 증폭에 있다. 오존은 자외선 A를 거의 흡수하지 않아 자외선 A용 센서로는 신호조차 잡히지 않는다.

더 탐구하기

  1. 자외선 B와 자외선 A를 동시에 재어 두 값의 비를 그려 보자. 오존은 자외선 B만 골라 흡수하므로 이 비가 곧 오존의 지문이다.

  2. 남반구 봄(9~10월)의 NASA Ozone Watch 자료로 남극 오존 전량이 220 DU 아래로 무너지는 과정을 우리 값과 견줘 보자.

  3. 자외선에 색이 변하는 비드나 감광지로 반정량 측정을 덧붙여, 전용 센서 없이도 같은 경향이 드러나는지 보자.

연결 주제

같은 1996년 문제 7 「태양」 — 태양 복사를 다루는 짝 탐구다. 그쪽은 태양의 에너지 방출이 달라질 때 관측되는 변화를, 이쪽은 그 복사가 대기에서 어떤 파장만 걸러지는지를 묻는다. 고도각을 그림자로 재는 방법도 공유한다.

참고문헌

[학생] NASA Ozone Watch(ozonewatch.gsfc.nasa.gov) (돕슨 단위 정의와 남극 오존구멍 지도) · NOAA GML 「OMI/OMPS Ozone Time Series」(gml.noaa.gov/grad/neubrew) (위경도별 일평균 오존 전량 CSV) · 기상청 기상자료개방포털 「기후변화감시 — 성층권오존 오존전량」(data.kma.go.kr) (안면도·제주 고산의 브루어 관측값) · Vernier 「UVB Sensor」 사용 설명서(vernier.com) (학교용 UVB 센서 규격과 응답 대역) · P. Schouten, A. Parisi, N. Downs, “Measuring Ultraviolet Radiation Underwater,” Teaching Science 55(4), 50–54 (2009) (휴대형 자외선 계측기를 쓰는 비어–람베르트 법칙 수업) / [심화] E. S. Hall, “Comparison of Five Modeling Approaches to Quantify and Estimate the Effect of Clouds on the Radiation Amplification Factor (RAF) for Solar Ultraviolet Radiation,” Atmosphere 8(8), 153 (2017) (같은 천정각에서 UV ∝ (오존 전량)^RAF, |RAF| ≈ 1.1의 근거; DOI 10.3390/atmos8080153) · J. C. Farman, B. G. Gardiner, J. D. Shanklin, “Large losses of total ozone in Antarctica reveal seasonal ClOx/NOx interaction,” Nature 315, 207–210 (1985) (남극 오존구멍의 발견; DOI 10.1038/315207a0) · S. Solomon, “Stratospheric ozone depletion: A review of concepts and history,” Reviews of Geophysics 37(3), 275–316 (1999) (CFC 염소 화학·극 성층권 구름 메커니즘 리뷰; DOI 10.1029/1999RG900008). ※ 이 관계식은 위성·표준 관측기 자료로 검증된 것이다. 학교용 센서만으로 같은 지수를 되찾을 수 있는지, 하루 안의 급한 감소를 오존 흡수·산란·기하 효과로 갈라낼 수 있는지가 개방 지점이다. 남극 오존구멍 자체는 학교에서 재현할 수 없다.

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