사진: Thirdman / Pexels
온도계는 ‘온도’를 직접 읽지 않습니다. 온도에 따라 변하는 다른 물리량 — 부피·휨·전기저항·전압·복사 — 을 읽어 온도로 되돌리죠. 이 글은 알코올 온도계부터 백금저항·열전대·적외선까지 센서별 원리와, 해양 CTD가 유난히 정밀한 비결, 그리고 기상관측의 ‘2m 기온’ 기준을 풀어줍니다.
센서는 ‘무엇을’ 읽어 온도로 바꾸나
· 액체봉입(알코올·수은): 온도에 따른 액체의 부피(열팽창)를 가는 모세관에서 길이로 환산합니다.
· 백금저항(Pt100): 백금의 전기저항이 온도에 따라 거의 선형으로 증가하는 성질을 이용해요(0도에서 100옴). 안정·정밀해 산업·기상 표준입니다.
· 서미스터: 반도체의 저항이 온도에 따라 비선형으로 ‘크게’ 변합니다. 백금보다 감도가 약 10배 높지만 측정 범위가 좁아요.
· 열전대: 두 금속을 접합하면 온도차에 비례하는 전압이 생기는 ‘제벡 효과’를 이용합니다. 약 1,800도(백금·로듐 B형), 특수형(텅스텐·레늄)은 2,300도대까지 넓고 견고해요.
· 적외선(비접촉): 물체가 내는 복사에너지로 온도를 역산합니다. 표면 ‘피부온도’만 보고, 방사율 보정이 필수예요.
해양 CTD는 왜 그렇게 정밀할까
바다 수온을 재는 CTD용 Sea-Bird SBE 3F는 초기 정확도(국가표준 소급)가 ±0.001도에 이릅니다. 비결은 한 가지 마법이 아니라 다섯 가지의 합이에요:
① 고감도 서미스터의 저항을 직접 읽지 않고 주파수로 변환해 재서 잡음에 강하고, ② 출고 시 국가표준(SPRT)에 맞춰 여러 점에서 개별 교정하며, ③ 응답이 빨라(약 0.07초) 빠른 하강에도 같은 물 덩어리를 정확히 짝짓고, ④ 압력·염분 환경을 보정하고, ⑤ 주기적으로 다시 교정해 추적성을 유지합니다.
일반 온도계가 ‘소자 하나’라면, CTD는 고감도 소자+주파수 변환+표준 추적 교정+환경 보정+재교정을 ‘하나의 체계’로 묶었다.
기상관측의 ‘2m 그늘 기온’ — 무엇으로, 어떤 기준으로
우리가 듣는 일기예보의 기온은 ‘지상 약 1.25~2m(대표적으로 1.5m 안팎), 그늘(차폐) 안’에서 잰 값입니다. 대표 소자는 거의 다 백금저항(PRT)이에요. 스티븐슨 스크린(백엽상)이나 강제통풍 차폐로 햇빛·복사 오차를 막고, 1.5m 안팎 높이로 지표의 급격한 온도층을 피합니다. 세계기상기구(WMO) 권고 불확도는 ±0.1도(설치 오차 포함 실현치 약 ±0.2도)예요.
한 관측소엔 온도센서가 여러 개 달립니다 — 기온·노점·지중온도·습도·풍속 보정용으로 쓰이고, 삼중화(예: 한 차폐 안에 센서 3개)로 서로 점검하죠.
그런데 ‘기준은 하나로’ 맞춥니다. 공식 기온은 2m·차폐·백금저항 한 센서를 대표로 삼고, 모든 센서를 ‘현장 기준기 → 국가표준(미 NIST, 한국 KRISS) → 국제온도눈금(ITS-90)’으로 소급 교정해 한 척도에 묶어요. 그래야 전 세계 관측소가 비교 가능하니까요.
자주 묻는 질문 (FAQ)
Q. 가장 정밀한 온도계는 왜 일상에서 안 쓰나요?
표준급(SPRT)이나 CTD는 비싸고 깨지기 쉬우며 교정이 까다롭습니다. 대부분의 현장은 0.1~1도면 충분해, 견고하고 저렴한 열전대·Pt100을 씁니다(‘검출 가능 ≠ 필요’).
Q. 기상관측 기온은 어떤 온도계를 쓰나요?
주로 백금저항(PRT)입니다. 지상 약 1.25~2m(대표 1.5m), 차폐(백엽상/강제통풍) 안에서 재며, 국가표준에 소급 교정해 국제적으로 비교 가능하게 합니다.
Q. 한 관측소에 센서가 왜 여러 개인가요?
기온·노점·지중·습도·풍속 보정 등 온도가 필요한 측정이 여럿이고, 고장·드리프트에 대비한 이중화(관측소에 따라 삼중화) 때문입니다. 단 공식 기준은 하나로 통일합니다.
결론 — 정밀의 비밀은 ‘체계’
좋은 측정은 좋은 센서 하나가 아니라, 교정·보정·표준 소급이라는 ‘체계’에서 나옵니다. 그렇다면 이 측정을 실제로 수행해 ‘지구 기온’을 발표하는 곳은 어디일까요? 다음 편에서 세계 6대 기관과 그들을 둘러싼 정치를 봅니다.
참고 자료
· BIPM — ITS-90 백금저항 온도계 가이드
· Sea-Bird — SBE 3 해양 온도센서
· WMO — 기상관측 지침(WMO-No.8)
· NOAA USCRN — Instruments(PRT 3개·redundancy)
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