돕슨 분광광도계는 자외선 영역에 포함된 파장쌍 (λ, λʹ)의 직달일사 세기를 이용해 오존 전량 (X)을 계산한다. 관측 파장은 4가지로 분류한다 (A: 305.5, 325.0 nm; B: 308.9, 329.1 nm; C: 311.5, 332.4 nm; D: 317.5, 339.9 nm). 오존층에 의한 흡수가 발생한 짧은 파장 λ와, 흡수가 발생하지 않은 긴 파장 λʹ의 빛은 각각 실틈 (Slit)을 통과한다. 이때 두 직달일사량의 빛 세기 비율 (N)을 알아야 한다. 이는 실틈 앞에 있는 광학 쇄기 (Optical wedge)를 조절하여 두 빛의 세기가 같도록 한 다음 계산 가능하다 (Kim et al., 2007).

오존 전량 계산에 필요한 값을 광학적으로 측정하기 위한 주요 부품들이 있다. 먼저, 2개의 파장은 돕슨 기기 전면에 위치한 Q-lever (Q1, Q2) 회전량에 의해 결정된다. 다음으로 광학 쇄기의 감쇄율은 돕슨 기기 상단의 R-dial 회전량으로 조절된다. 마지막으로 돕슨 기기 전면 아래쪽에 위치한 2개의 차단막대 (Shutter rod)를 누르거나 당겨 빛이 통과하는 실틈의 종류 (S2, S3, S4)를 변경한다. 왼쪽 차단막대는 눌렀을 때 S4 실틈을 열고, 이는 관측에 사용되는 실틈이므로 기기를 점검할 때를 제외하고 항시 눌려있어야 한다. 오른쪽 차단막대는 눌렀을 때 (S2, S3. SHORT Position), 당겼을 때 (S3, S4. LONG Position) 실틈이 열리고, 사용 가능한 파장의 종류가 변한다 (C → Cʹ). 파장쌍의 선택은 관측 목적에 따라 달라지는데, 일반적으로 오른쪽 차단막대를 SHORT Position에 두고 A, B, C, D 파장 조합을 이용한다 (Komhyr and Evans, 2008). 오존 전량과 빛 세기 비율을 계산하는 식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

수식에 나타난 기호의 의미는 아래와 같으며, 파장쌍에 대한 값은 일반 기호와 위첨자 (ʹ)가 더해진 기호 2가지로 표현했다.

X: 오존 전량 (DU, Dobson Unit. 1 DU=10^-5 m)
I₀, I₀ʹ: 대기 상한에서 입사한 태양 복사 세기
I, Iʹ: 지표에 직달한 태양 복사 세기
β, βʹ: 레일리 산란계수 (Rayleigh Scattering Coefficient)
m: 대기굴절과 지구의 곡률을 고려한, 대기를 통과하는 태양 복사의 실제 경로와 수직 경로의 비
P, P₀: 관측 기압 및 해발고도 기압
δ, δʹ: 대기 중 에어로졸 입자에 의한 산란계수
SZA: 태양 천정각
α, αʹ: 오존에 의한 흡수계수
μ: 오존층을 통과하는 태양 복사의 실제 경로와 수직 경로의 비
L₀: 대기 상한에 입사한 태양 복사 세기 (I₀, I₀ʹ) 비율의 로그값
L: 지표 직달 태양 복사 세기 (I, Iʹ) 비율의 로그값

수식으로부터 R-dial은 0.1도의 변화가 오존 전량을 최대 1 DU까지 변화시킬 수 있다고 알려져 있다. 또한, Q-lever는 기온에 따른 설정값 변화가 필요하다. 따라서 광학 관측 방식의 오차를 줄이려면 정교한 회전량 설정이 필수적이다. 연세대학교에서 운영 중인 돕슨 분광광도계 (No. 124)는 자동관측시스템화를 위해 측기 개조된 이력이 있다 (Kim et al., 2007). 구동 유닛 (Motor controller, MT01-01)은 관측 자동화의 핵심 하드웨어로, 관측 컴퓨터와 돕슨 분광광도계 사이의 인터페이스 역할을 하며 R-dial과 Q-lever를 작동시킨다.

돕슨 분광광도계 관측에는 광학관측시스템이 포함된 본체 자동화를 위한 구동 유닛, 관측 수행 및 기기 제어 컴퓨터 (PC), 직달일사를 측기에 입사시키는 Sun director, 직달일사 관측을 위한 Ground quartz plate, 산란 관측을 위한 Zenith sun cap, 운량을 측정하는 구름 센서 (Cloud sensor)가 필요하다 (그림 2). 또한 기기 보정에 사용되는 표준전구 (Standard lamp)와 전구기구 (Standard lamp holder), 표준전구 전원장치 (Standard lamp AC power), 수은전구 (Mercury lamp), 마이크로 전류계 (Microammeter)가 돕슨 기기 장비 구성에 포함되어 있다 (그림 3). 그 외에는 장비 전원 공급을 위한 110 V 멀티탭, 기기 내부 습도 유지를 위한 건조공기 송풍장치 (Dry air pump)가 있다 (그림 3).

Fig. 2. 
Dobson spectrophotometer and an operation system. (a) Dobson spectrophotometer, (b) Dobson PC, (c) Dry air pump, (d) Motor controller, (e) Zenith sun cap, (f ) Ground quartz plate, and (g) Sun director.

Fig. 3. 
Dobson calibration set. (a) Standard lamps, (b) Standard lamp holder, (c) Standard lamp AC power, (d) Mercury lamp, and (e) Microammeter.

돕슨 포장 상자 (그림 4)는 모서리 보강과 내부 스펀지 처리가 된 나무상자로, 상자와 덮개로 구성된다. 덮개를 포함한 전체 크기는 가로 1,600 mm, 세로 670 mm, 높이 520 mm이다. 실제 돕슨이 들어가는 상자 내부 공간 크기는 가로 1,515 mm, 세로 595 mm, 높이 390 mm이다. 상자에는 총 6개의 운반용 손잡이가 있다. 이 중 4개는 2개씩 각 가로면에, 나머지 2개는 1개씩 각 세로면에 있다. 손잡이는 운반 중 수평을 유지할 수 있도록 대칭 형태로 배치되어 있다. 덮개는 가로면 양쪽에 3개씩 잠금장치가 되어 있고, 상자와 완전히 분리되는 형태이다. 덮개의 가로, 세로면은 상자와 크기가 동일하여 결합 후에는 외부에 튀어나온 곳 없이 완전한 직육면체가 된다.

Fig. 4. 
(a) Outside, (b) Inside, and (c) Size of the Dobson packing box.

상자 내부 스펀지는 덮개 쪽을 제외한 상자 5개 면에 기본적으로 한 겹 (고경도 스펀지 1T 1장) 보강되어 있다. 돕슨 본체에 맞추어 짧은 세로면에는 양쪽 1개씩 총 2곳에 한 겹, 긴 가로면에는 돕슨 중앙에 있는 Q1, Q2 레버를 피해 약 460 mm 간격을 두고 양쪽 2개씩 총 4곳에 세 겹이 (고경도 스펀지 5T 2장, 3T 1장, 전체 130 mm) 추가되어 있다. 가로면의 스펀지는 돕슨 기기를 넣었을 때 약 80 mm의 높이 차이가 있다. 덮개는 상자와 마찬가지로 기본 1겹의 스펀지가 보강되어 있고, 돕슨 기기 위쪽과 닿는 넓은 면에는 고탄성 계란판 스펀지가 있다. 상자와는 별개로, 돕슨 기기를 넣은 후 흔들리지 않도록 빈 공간을 채우는 스펀지가 필요하다. 이에 대한 내용은 기기 포장 과정 이후 자세히 다룬다.

돕슨 분광광도계는 본체 외부에 관측 부품과 각종 센서가 부착되어 있고, 여러 케이블이 연결되어 있어 포장 전 분리 작업을 진행해야 한다. 분리 작업 후에는 장기간 야외 관측으로 인해 먼지로 오염된 본체를 깨끗이 닦아 수평을 맞추어 상자에 넣어야 한다. 이번 장에서는 실제 작업 내용과 순서에 따라 부품, 센서, 케이블을 포함한 각 부속품에 대한 설명과 해체 방법을 하나씩 소개하고, 상자에 넣을 때 주의할 점을 설명한다.

3. 2. 1 구동 유닛 케이블

구동 유닛에 연결되는 케이블은 전원 케이블 2개를 포함해 총 7개이다. 7개의 케이블은 (그림 5) 각각 (a) 구동 유닛 110 V 전원, (b) 돕슨으로 출력되는 110 V 전원, (c) R-dial/Encoder, (d) Q1/Q2 lever, (e) Origin/Limit 센서, (f) PCI/IF에 연결된다. 모든 케이블은 관측을 중단하고 전원을 차단한 후에 해제되어야 한다. R-dial/Encoder 케이블은 2개 선이 하나의 어댑터에 체결된 구조이다. Q1, Q2 lever 케이블은 동일한 형태로, 추후 재설치 시 Q-lever 숫자가 구동 유닛에 맞게 연결되도록 주의해야 한다. 센서 케이블은 Origin/Limit 센서에 연결되어 Q-lever의 움직임을 통제하는 데 사용된다 (그림 6). 센서 케이블은 4개 채널 커넥터와 1개의 항공 커넥터로 나뉘어 있으며, 별도 연결 케이블이 있다. Q-lever와 마찬가지로, 센서 케이블도 재설치 시 알맞게 연결하도록 주의한다. PCI/IF 케이블은 돕슨 관측 명령을 내리는 컴퓨터 본체 CPZ-7405M 모듈에 연결된다. 케이블 해제 작업 중 연결 소켓이 손상되지 않게 유의하고, 케이블 외피가 공구 등에 의해 손상되지 않도록 한다. 또한 케이블이 서로 엉키지 않고 명칭이 잘 나타나도록 개별로 보관하는 것을 권장한다.

Fig. 5. 
Cables. (a) Motor drive power, (b) Dobson power, (c) R-dial, (d) Q1/Q2 lever, (e) Origin & Limit sensor, and (f) PCI/IF.

Fig. 6. 
Procedures for detaching the origin & limit sensor from Dobson. ① Loosening two screws totally on the side of the origin and limit sensor panel. ② Detaching the panel to disconnect the sensor cable. ③ Attaching again the panel with the screws.

3. 2. 2 구름 센서 (Cloud sensor)

구름 센서는 전체적으로 긴 경통 형태이며 돕슨 본체 상단에 고정되어 있다. 구름 센서의 하부에는 수평계, 측면에는 구름 센서를 돕슨에 고정하기 위한 2개의 나사 연결부와 케이블 소켓이 있다 (그림 7). 구름 센서는 측면 2개 나사를 손으로 풀고, 센서로부터 케이블을 분리한 다음, 긴 경통 측면의 1개 나사를 손으로 풀어 2개 부분으로 분리함으로써 해제한다. 케이블은 2개 전선이 하나의 커넥터에서 나오는 구조이므로, 포장 시 선이 꼬이지 않도록 케이블 타이로 잘 정리해 둔다.

Fig. 7. 
(a) Cloud sensor cable, main sensor, and cylindrical shader, from left to right, (b) Cloud sensor screw, and (c) 3 holding screws for the cloud sensor.

3. 2. 3 R-dial

R-dial은 돕슨 본체 상단 중앙부에 부착된 회전 판 일체를 지칭한다. R-dial은 원형의 금속판 (R-dial plate), 회전 인코더 (Rotary encoder), 스텝 모터 (Step motor) 및 부속품으로 구성되어 있다. R-dial은 돕슨이 관측하는 오존량에 직접 영향을 미치는 중요한 부품으로, 정밀한 회전량 측정을 위해 부속품이 여러 개 있는 것이 특징이다. R-dial은 구름 센서보다 중요도가 높지만, R-dial 분리 전에 인코더 고정판넬에 연결되어 있는 구름 센서를 제거해야 작업이 용이하므로 나중 순서로 소개한다 (그림 8).

Fig. 8. 
Process of R-dial disassembly. (a) Encoder panel separation, (b) Step motor position adjustment, (c) Loosening the coupler, (d) Drive belt pulley fixing, (e) R-dial plate, (f ) A shaft and two pulleys from R-dial, and (g) Screws and small parts.

첫 번째로, 인코더 고정판넬 (Encoder panel)을 돕슨 본체와 분리한다. 판넬에는 인코더, 스텝 모터가 고정되어 있으며, 금속판을 회전시키도록 연결된 부분, 돕슨 본체와 고정된 부분을 해체해야 한다. 먼저 인코더 고정판넬을 돕슨 본체와 연결하는 3개의 나사를 맞는 크기의 육각렌치로 푼다. 다음으로 인코더 옆에 있는 스텝 모터를 고정한 4개의 볼트를 맞는 크기의 육각렌치를 이용해 느슨하게 한다. 스텝 모터가 인코더 고정판넬에 단단히 고정되어 있을 때는 하단의 주황색 드라이브 벨트 (Drive belt)가 스텝 모터의 도르래 (Pulley)와 R-dial의 도르래를 연결하고 있다. 스텝 모터가 살짝 움직일 수 있도록 볼트를 풀면 팽팽하게 연결되어 있던 드라이브 벨트가 2개의 도르래로부터 분리된다. 이때, 스텝 모터 쪽 도르래는 별도의 고정장치가 없어 축으로부터 분리되어 분실될 수 있으므로, 기기에 접착제가 남지 않는 마스킹 테이프나 필라멘트 테이프 등으로 축에 끼운 상태를 고정한다. 스텝 모터의 볼트는 드라이브 벨트 분리 후에는 다시 조여 스텝 모터가 움직이지 않도록 고정한다. 드라이브 벨트는 분리 과정과 그 이후에 늘어나지 않도록 유의하고, 별도 비닐포장하여 인코더 고정판넬에 붙여둔다. 마지막으로, 1/16인치 육각렌치로 인코더 아래에 있는 플렉시블 커플러 (Flexible coupler) 하단 측면 나사를 풀어, 금속판과 커플러를 잇는 샤프트 축 (Shaft)으로부터 인코더 고정판넬이 분리되도록 한다. 이때 커플러 측면 나사는 전부 풀지 않고 커플러가 회전이 가능한 정도로만 느슨하게 한다. 판넬을 본체로부터 완전히 분리시키고, 판넬 하단에 고정되어 있는 인코더 케이블 연결을 해제한다. 인코더 고정판넬의 3개 나사와 3개의 평와셔 (Washer)는 고정에 중요한 역할을 하므로 잃어버리지 않도록 주의한다.

두 번째로, 금속판을 축으로부터 분리한다. 앞 과정에서 언급된 금속판 쪽 도르래의 하단 측면에는 고정 볼트가 있다. 먼저, 2인치 육각렌치를 이용해 고정볼트를 느슨하게 하면 축으로부터 도르래가 쉽게 분리된다. 다음에는, 10 mm 스패너를 이용해 축을 살짝 풀어준다. 축은 금속판을 기준으로 상단은 일반 축, 하단은 나선 축 형태로, 스패너로 느슨하게 해준 후에는 손으로 돌려 빼낼 수 있다. 축을 완전히 뺀 후에, 금속판과 그 아래의 작은 원형판 1개, 평와셔 1개까지 돕슨 본체로부터 분리한다. R-dial의 부속품은 서로 긁히지 않도록 유의하여 같이 포장한다. 마지막으로, 모든 부품이 제거된 후에는 돕슨 본체 상단의 금속판 눈금을 읽는 부분 구멍에 들어간 먼지를 가볍게 털고, 큰 이물질은 핀셋 등으로 제거한다. R-dial 금속판이 있던 회전축은 운반 중 돌지 않도록 마스킹 테이프 혹은 필라멘트 테이프로 고정한다.

3. 2. 4 돕슨 본체

돕슨 본체에서 케이블과 부품을 분리한 후에는 몇 가지 간단한 작업만을 거치면 돕슨 포장 준비를 완료할 수 있다. 다음 소개하는 과정은 작업 순서에 서로 무관하며, 필요한 경우 R-dial 제거보다 선행되어도 무방하다 (그림 9).

Fig. 9. 
(a) Two shutter rods, (b) Dobson frame screw, (c) Humidity control screw, and (d) Air outlet from the inside of Dobson.

• 차단막대

돕슨 전면 중앙부 오른쪽 아래에 있는 2개의 금속 막대로, 정면에서 봤을 때 왼쪽 막대에는 ‘CLEAR’, 오른쪽 막대에는 ‘LONG’ 글자가 적혀 있다. 두 막대는 본체로 집어넣거나 뺄 수 있으며, 포장 시에는 각 글자가 적힌 깊이까지 누른 상태로 만든다.

• 본체 나사

돕슨 본체의 네 모서리에는 본체의 윗면과 아래를 결합하는 볼트가 있다. 돕슨 포장 전에 각 모서리의 볼트, 너트, 평와셔가 잘 체결되어 있는지 확인하고, 녹슬거나 누락되어 있는 경우 규격을 맞추어 교체한다.

• 기기 내부 습도 조절 나사

돕슨 상단에는 R-dial이 있는 자리 양옆으로 각각 10개의 검은색 나사가 직사각형 모양으로 배치해 있다. 이는 기기 내부 및 외부 공기가 교환되는 정도를 조절하기 위한 장치로, 나사를 조이면 내부 습도가 유지되고, 풀면 내부 습도가 외부와 동화된다. 돕슨 내부 습도는 기기 수명에 영향을 미치므로, 상황에 따라 적절히 조절하도록 한다.

• 건조공기 송풍장치

돕슨 상단에서 R-dial의 바로 왼쪽에는 실리콘 튜브가 기기 내부로부터 나와 있다. 실리콘 튜브관은 실리카겔이 담긴 용기와 공기 펌프에 연결되고, 돕슨 작동 시에는 공기 펌프가 항시 작동해 기기 내부가 건조하게 유지되도록 한다. 돕슨 포장 후 운반 시에는 펌프를 작동할 수 없으므로 실리카겔 용기와 펌프 모두 실리콘 튜브로부터 제거해 별도로 포장한다.

돕슨 기기 본체와 연결된 부품에 대한 작업이 완료되면, 기기 본체를 와이퍼와 정제수를 이용해 닦는다. 돕슨 분광광도계는 평소 장기간 야외에 노출된 상태로 관측을 수행하기 때문에 각종 오염물질이 남아있는 채 포장될 경우, 본체 내부나 외부 센서에 악영향이 갈 수 있다. 다음으로, Q-lever와 R-dial 위치를 버블랩으로 덮고 마스킹 혹은 필라멘트 테이프로 고정한다.

돕슨 분광광도계 상자는 돕슨 본체보다 큰 규격으로 제작되었다. 돕슨 본체를 상자에 넣은 후 남은 공간은 완충재로 포장된 부품들로 채워 효율적인 배송이 가능하다. 먼저, 돕슨 기기 본체의 Q1, Q2 lever가 위치한 앞면을 상자의 Front 면에 맞추어 넣는다. 돕슨 본체의 상판에 수평계를 놓고 전후, 좌우 방향 모두 상자에 대해 상대적인 수평이 맞는지 확인한다. 돕슨 기기 본체 하부에는 4개의 발이 있어 약간의 공간이 남아있기 때문에, 수평이 맞지 않는 경우 이 공간에 스펀지 혹은 완충재를 추가해서 수평을 맞춰주도록 한다 (그림 10).

Fig. 10. 
(a) An example of bubble-wrap packaging, (b) Adjusting the balance between the box (upper) and Dobson (lower), and (c) Final status of Dobson and parts package.

모든 물건은 파손되지 않도록 완충재로 포장된 상태여야 한다. 돕슨 기기 상자의 여분 공간에는 본체로부터 분리한 부품과 관측 부품 (Sun director)을 넣는다. 별도 상자를 하나 더 마련해서 자동화 부품인 컴퓨터과 구동 유닛, 보정을 위한 마이크로 전류계와 표준/수은 램프를 넣는다. 나사와 같이 작은 부속품은 지퍼백에 넣어 수량과 용도를 명시해 둔다. 이번 포장에 사용한 체크리스트를 참고하여, 물건의 위치와 포장 여부를 꼼꼼히 확인한다 (표 2).

본체와 부품을 모두 넣은 후에는 상자 내부에 습기가 차지 않도록 실리카겔 혹은 제습제를 배치한다. 실리카겔은 통기성이 있는 면 재질 혹은 거름망 등으로 감싸 포장한 다음 상자의 4개 모서리와 윗면에 넣는다. 실리카겔은 전체 부피 약 800 mL 분량을 나누어 사용했다.

돕슨 분광광도계 상자, 2개 부속품 상자는 수출용 나무상자 (Wooden box)로 한 번 더 포장되었다 (그림 11). 포장에 사용된 2개 나무상자의 크기는 각각 가로, 세로, 높이가 180×79×68 cm, 105×82×67 cm이고, 상자를 포함한 전체 무게는 163 kg, 52 kg이다. 돕슨 분광광도계는 제작 후 오랜 시간이 지났기 때문에 물품 가치를 산정하기 어렵고 제조 회사의 공식적인 설명이 남아있지 않다. 한편, 보정을 위해 수출되는 돕슨 기기는 관세법 제97조에 따른 재수출면세 대상 물품 중, 같은 법의 시행규칙 제50조 제1항 제11호에 따른 수리를 위한 물품에 해당하여 수출입 관세가 면제된다. 돕슨 기기의 중량과 크기가 상당한 편이므로 일반 배송보다는 전문 항운 회사에 의뢰하여 수출입 업무를 진행하도록 권장한다.

Fig. 11. 
Size and weight information of two boxes. (a) Dobson box and (b) PC, Motor controller, and Calibration set.

돕슨 분광광도계 검보정은 주로 표준 보정 기기가 있는 미국 콜로라도주 볼더 (Boulder) World Dobson Calibration Centre, 혹은 WMO의 지역 분류 기준에 따라 서울 관측소가 속한 Region II의 일본 츠쿠바 (Tsukuba) Asian Regional Dobson Calibration Centre에서 수행되었다. 검보정 시설에 대한 정보는 전 세계 돕슨 분광광도계 네트워크의 중심 역할을 담당하는 미국해양대기청 Global Monitoring Lab (NOAA GML) 웹사이트 (https://gml.noaa.gov/), 혹은 GAW report #183 (Operation Handbook - Ozone Observations with a Dobson Spectrophotometer, Revised 2008)으로부터 제공된다.

보정 작업이 끝난 돕슨 분광광도계를 설치한 후에는 3가지를 점검해야 한다. 먼저, R-dial 드라이브 벨트의 장력 변화에 유의해 보정 전후 R-dial 회전량에 차이가 없는지 확인해야 한다. 만약 차이가 있으면, 보정 작업 레포트에 따라 전문가에게 문의해서 설정값을 조절해야 한다. 다음으로 R-dial 금속판에 맞닿은 2개의 Limit sensor의 위치가 처음과 같은지 확인해야 한다. 금속판의 톱니는 Limit sensor에 의해 일정량 이하의 회전 범위를 가지므로, 돕슨 분광광도계 설치 중 센서 위치가 변하지 않도록 주의한다. 마지막으로 기기 본체 나사, 습도 조절 나사가 잘 고정되어 있는지 확인한다. 운송 중 충격이나 환경 변화에 의해 평소에 신경 쓰기 어려운 나사들이 느슨하게 풀릴 가능성이 있다. 부품을 분해할 때 확인한 것과 마찬가지로, 관측 재개 전 기기 상태를 잘 점검하도록 한다.