광공해는 별빛에 어떤 영향을 미칠까? : 등급 판독기

목적

측정과 계산을 통해 광공해가 별의 가시성에 어떤 영향을 미치는지 학습한다.

학습 목표

• 원하는 정보를 모으고 익숙해지기 위해서 간단한 장비와 도구를 사용한다.
• 광공해에 대한 합리적인 근거를 제시하기 위해서 정보를 이용한다.
• 광공해가 별의 가시성에 영향을 미치는 정도를 묘사한다.
• 과학에 대한 과학적 탐구 기술, 능력과 태도를 적용한다.
• 특정 지역에서 광공해의 영향을 측정한다.

평가

학생들이 측정을 수행한 곳에서의 한계 등급과 그로 인해 성도에서 찾지 못했던 별의 개수를 정리해 보자. 학생들과 함께 결과를 분석하고 다음 질문에 대해 논의해 보자.

• 만약 도시에서 좀 더 가까운 곳이나 가장 가까운 마을에서 측정하여 나온 결과에 대해 어떻게 생각하는가?(예: 얼마나 많은 별들이 관측되지 않는가?)
• 멀리서 관측하면 어떤 결과일까?
• 야외의 빛들은 밝은가 희미한가?
• 보름달처럼 밝은가?
• 빛은 얼마나 많은가?
• 빛은 관측지로부터 얼마나 먼가?
• 개별 별빛은 여러 가지 다른 상황(예: 다른 장소에서 관측하기)에서 수집된 여러 학생들의 자료와 비교할 수 있는가?
• 같은 별은 밝은 불빛에서 더 어둡게 보이는가 아니면 더 밝게 보이는가?
• 이 정보는 얼마나 정확한가?
• 광공해의 영향은 무엇인가? 우리는 어떻게 하면 광공해의 영향을 줄일 수 있는가?

준비물

• 숫자가 인쇄된 투명한 필름 (등급 판독기 3개 당 투명필름 1장)
• 가위(학생 1명당 1개 혹은 나눠서 사용)
• 색인 카드(학생 1명당 1개)
• 동전(선택사항)(학생 1명당 1개)
• 슬라이드 견본(1개의 견본품은 3개의 견본을 만든다.)
• 테이프 1개

배경지식

광공해

광공해는 전등 설비를 잘못 설계하여 미광이 새어나오는 현상이다. 이것은 주로 도심지에서 발생하는데 도심의 불빛들은 우리가 천체를 보는 것을 방해한다. 인공위성에서 지구를 관측하면 밤의 도심 및 주변은 빛나는 지역으로 보인다.

등급

천문학에서 등급은 천체의 밝기 정도를 특정 파장이나 대역-주로 가시광선이나 근적외선 영역–에서 측정되는 대수적인 값이다. 태양의 겉보기 등급은 –27등급이며, 보름달은 –13등급, 가장 밝은 행성인 금성은 –5등급이다. 인간이 만든 가장 밝은 물질인 이리듐 플레어는 –9등급이고 국제 우주 정거장은 –6등급이다.

전체 활동 설명

사전 준비

등급 판독기를 만들기에 앞서 견본품에 투명필름을 겹친다. 견본품은 1부터 5까지 표시되어있는 직사각형 모양이 세 번 반복한다는 것에 주의한다. 견본품과 투명필름을 3등분으로 잘라서 직사각형 모양을 유지한다. 학생들이 가지고 있는 모든 견본품도 동일하게 만든다.

이 활동에서 볼 예정인 별자리를 골라서 해당 별자리의 사진을 찾는다(첨부된 자료에 있는 오리온자리와 같이). 학생 1명 당 하나의 별자리 사진을 인쇄한다(오리온자리는 북반구에서는 겨울철에, 남반구에서는 여름철 이른 저녁에 쉽게 눈에 띄는 별자리이다.).

학생들이 선택한 별의 등급을 평가하기 이전에 학생들에게 별자리 찾는 법과 등급 판독기를 사용하는 방법에 대해서 가르치는 관측회를 여는 것도 선택한 별자리에서 별의 등급을 측정하기 위해 도움이 될 수 있다.

등급 판독기 만들기

단계 1 :

학생들은 각 견본품 위에 겹쳐있는 투명필름과 함께 1에서 5로 표시되어 있는 다섯 개의 직사각형을 자른다(첨부1). 지금부터 학생들은 다음 순서로 활동을 진행한다.

단계 2 :

색인 카드 위에 다섯 개의 동그라미 모양의 구멍을 낸다. 위치를 맞추기 위해 동전을 사용할 수 있다. 혹은 색인 카드를 세로로 약간 구부리고 종이로 다섯 개의 다이아몬드 모양을 만들기 위해서 V모양을 다섯 번 자른다. 자른 구멍들은 색인 카드의 가장 넓은 곳에 가로 방향으로 약간의 공간이 있도록 하여야 한다.

단계 3 :

해당 색인 카드를 가로 질러서 다섯 개의 구멍에 왼쪽부터 #1에서 #5로 표시한다. 투명필름 조각이 그 구멍을 가리는지 확인하면서 구멍 #1에 투명필름 #1을 붙인다. 계속해서 투명필름 조각을 색인 카드에 붙이는데 이때 테이프가 구멍을 가리지 않도록 한다. 투명필름의 거친 면은 위든 아래든 상관없다.

단계 4 :

투명필름 조각이 구멍을 가리도록 투명필름 조각 #2를 구멍 #1 ~ #2에 가로질러 붙인다.

단계 5 :

투명필름 조각이 구멍을 가리도록 투명필름 조각 #3을 구멍 #1 ~ #3에 가로질러 붙인다.

단계 6 :

투명필름 조각이 구멍을 가리도록 투명필름 조각 #4를 구멍 #1 ~ #4에 가로질러 붙인다.

단계 7 :

투명필름 조각이 구멍을 가리도록 투명필름 조각 #5를 구멍 #1 ~ #5에 가로질러 붙인다.

단계 8 :

첫 번째 구멍은 다섯 개의 투명필름층이 있을 것이고 다섯 번째 구멍은 한 개의 투명필름층이 있다.

별의 등급 측정하기:

오리온자리는 북반구에서는 겨울철에, 남반구에서는 여름철에 저녁 시간의 초반 반 정도 잘 보일 것이다. 오리온자리 그림(첨부1)을 사용하거나 연 중 저녁에 뜨는 아무 별자리의 그림을 이용해도 된다. 학생들은 달이 없고 구름이 없는 저녁에 마당으로 가서 직접 연필을 가지고 별자리를 그리는 시간을 가진다. 그리고 학생들에게 저녁에 별자리를 찾는 법에 대해서 질문한다. 마당의 불빛은 반드시 꺼야 한다. 학생들은 눈이 어둠에 익숙해지기 위해서 적어도 5분 정도는 밖에 있어야 한다.

학생들은 등급 판독기를 통해서 별자리에 있는 별들을 본다. 구멍을 통해서 볼 수 있는 가장 작은 숫자의 구멍 번호를 별자리 그림에 있는 별에 쓴다. 이 방법은 별의 등급이나 밝기를 측정하는 방법이다. 예를 들어 3등급의 별은 구멍 #3, #4, #5를 통해서 볼 수 있다. 하지만 학생들은 구멍 #3만 기록하면 된다.

학생들은 광공해 때문에 그림에 있는 별들 중 일부를 관측할 수 없을 것이다. 일단 학생들이 오리온자리 그림에 그려진 모든 별의 등급을 기록하고 나면 가장 높은 등급(학생들이 기록한 가장 큰 숫자)은 오리온자리에서 관측할 수 있는 한계 등급이 될 것이다(가장 희미한 별). 또한 자신들이 자료를 기록한 장소의 빛에 의한 환경 정보도 기록해야 한다. 학급 친구들과 그 결과를 비교한다. 더 낮은 등급의 별일수록 더 밝은 별이고 더 높은 등급의 별일수록 더 희미하거나 어두운 별이라는 것을 기억한다. 학생들은 자신들이 살고 있는 곳의 전체 하늘에서 얼마나 많은 별들을 광공해 때문에 보지 못하게 되었는지(예: 자신들이 관측할 수 없는지) 예측할 수 있다.

확장 : 얼마나 많은 별을 잃어버렸는지 추정하기

(‘Calculating Stars Lost’ by Fred Schaaf in Seeing the Sky, John Wiley & Sons, 1990에 따라) 이 활동을 완료하기 위해서는 ‘별의 등급 측정하기’ 활동을 통해 얻은 결과를 바탕으로 각자 거주하고 있는 지역의 한계 등급을 결정할 필요가 있다.

이제 관측 가능한 별의 개수는 밤하늘의 상태에 영향을 받는다는 것을 안다. 달, 대기의 상태, 광공해는 어두운 별을 관측하는 것을 어렵게 하거나 불가능하게 만든다. 천문학자들이 별의 밝기를 측정하기 위해서 등급 규모를 사용한다는 것을 알게 되었을 것이다. 1등급의 별은 2등급의 별보다 밝고, 2등급의 별은 3등급 별 보다 밝다는 것을 기억해라.

‘별의 등급 측정하기’ 활동을 통해서 밤하늘에서 한계 등급을 측정하는 방법에 대해서 학습했고 한계 등급의 별이란 우리가 관측할 수 있는 가장 희미한 별을 의미한다. 달이 없고 깨끗한 밤하늘과 빛에 대한 방해가 전혀 없는 완벽한 조건에서 인간의 눈은 6 혹은 7등급의 별까지 관측 가능하다. 한계 등급 7등급의 별은 약 14,000개 있다! 현재 우리가 살고 있는 지역에서 얼마나 많은 별들을 보지 못하고 있는지 계산할 수 있다. 보통 우리가 사는 곳에서 관측할 수 있는 별의 개수는 14,000개보다 적다. 예를 들어 한계 등급 3등급을 측정한다면 우리는 육안으로 약 150개의 별을 관측할 수 있지만 우리는 13,850개의 별을 보지 못하는 것이다(14,000-150=13,850)!

커리큘럼

추가 정보

• 광공해란 무엇인가 : http://www.globeatnight.org/learn_light.html
• 광공해 상호작용 게임 : http://www.globeatnight.org/learn_orionsky.html
• 태양계 등급체계 : http://www.skyandtelescope.com/howto/basics/Stellar_Magnitude_System.html
• 천문 등급 규모 : http://www.icq.eps.harvard.edu/MagScale.html

결론

이 활동의 결과로부터 학생들은 평가 영역에 해당하는 질문들을 논의해야 한다. 광공해의 영향과 광공해를 완화시키는 방법도 논의되어야 한다.

감사의 글

이 활동의 번역을 검토해주신 심현진 교수님과 이정애 박사님에게 감사의 인사를 전합니다.