빛 공해와 상향광 그리고 BUG의 함정

함정이라고 제목에 썼지만, 사실 그리 거창한 내용은 아니다. 

그냥 빛 공해와 상향광에 대해서 생각해보고 싶단 얘기다.

 

개인마다 단체마다 나라마다 빛 공해에 대한 정의와 기준이 다를수 있다. 

그럼 이 빛 공해에 대한 인식이 왜 어디서 생겼을까? 

그림1을 보고 생각해보자.

그림 1. 빛의 천체관측에 미치는 영향 (http://darksky.org/light-pollution)  

 

과도한 길거리의 조명은 단순히 미관상의 문제뿐만 아니라 별이 보이지 않는 문제를 야기하고 

이로인해 천문학자 또는 그 관계자들로부터 시작되었을 것이라고 추측해보자.

그럼 빛 공해에 대한 해결책 강구 역시 천문학자들로부터 시작된 걸까? 

아니면 조명학자들이 주도한 것일까?

 

일단 단순하게 생각해보면 두 전문가 단체의 협력으로 인해 발전된 것 같긴 하다. 

하지만 과연 그 과정이 순탄했을까?

 

‘정글북’으로 유명한 영국 소설가인 키플링의 저서중에 다음과 같은 문구가 있다. 

“Oh, East is East, and West is West, and never the twain shall meet.”

(The Ballad of East and West 중, 1892)

참고로 ‘twain’은 ‘둘’을 의미한다. 

인도출신 영국인인 키플링은 양국의 문화를 다 경험한 사람으로서 

영국과 당시 식민지인 인도사이에는 절대 융합할 수 없는 

문화적 차이가 있음을 표현한 것으로 보인다.

 

개인적으로 위 키플링의 문구는 학문에도 적용할 수 있다고 생각된다.

빛 공해, 특히 상향광의 케이스를 통해 살펴보자.

상향광은 조금 있다가 자세히 알아보겠지만 간단하게 길거리 조명기기가 

90도 이상의 부분으로 내뿜는 빛으로 이해하면 편하다.

먼저 천문학은 어떻게 빛 공해에 대해서 접근했을까?

 

1973년 천문학자 P.S Treanor는 인공조명 영향아래에서의 밤하늘 밝기 (Artificial night sky brightness)를 계산할 수 있는 수식을 제안했다. 이 수식은 “A simple Propagation Law for Artificial Night-Sky Illumination”란 페이퍼에 수록이 되어 있는데 대기중 에어로졸 입자, 흡광계수, 대기 농도등 기상학/천문학 관련 변수를 많이 

포함했지만, 조명에 대해서는 단순히 일정한 상수로 계산하는 한계를 보였다.

 

위의 수식은 1986년 또 다른 천문학자인 R.H. Garstang에 의해 조금 더 진화하게 되는데 이는 “Model for Artificial Night-Sky Illumination”에 수록되어 있다. 이 업그레이된 수식에서는 더 다양한 기체공기 분자 및 

에어로졸 입자를 포함한 것은 물론 흥미롭게도 당시 유행하던 도로조명기기의 

광도분포(luminous intensity distribution)를 실험을 통해 포함했다는 점이다.

그림 2. Garstang’s luminous intensity function (초록색 선).

(출처: Luginbuhl et al., 2009)

그림2가 가스트랑이 모델한 당시 가로등의 광도분포다.

 

한가지 아쉬운 점은

“이 조명기기가 이러한 광도분포를 가지고 이유는 순전히 임의적(우연)이였을것으로 보인다, 하지만 모종의 이유인지는 몰라도 대부분 길거리 조명은 위와 같은 분포를 가진 조명기기로 채워져 있다”  라고 서술한 점인데,

 

사실 조명학에서 광도분포를 계산한 후 이를 고려해서 조명기기를 선택한지 과장을 

약간 포함 거의 100여년이 다 되어가기 때문이다.

아무튼 이런 부분이 위에 언급한 키플링의 주장과 일맥상통함을 알수 있다.

아무튼 사소한(?) 오해에도 불구하고 그의 계산 모델이 

상당히 시대를 앞서 갔음은 부정할 수 없어보인다.

 

그의 접근 방식은 추후 조명학과의 협업 연구에도 큰 기반이 되는데, 

자세히 알아보기 전에 IDA란 단체를 알아보자.

 

빛공해의 심각성을 알리고 해결하기 위해 주도적으로 활동하는 단체 중 국제 다크스카이 협회(International Dark-Sky Association, IDA)란 곳이 있는데, 이 협회는 1988년부터 상향광을 과도하게 배출하는 외부 조명기기의 사용을 줄여야 한다고 캠페인을 펼치고 있다.

 

이 IDA란 단체는 환경학자, 관련 법률가, 천문학자 

그리고 (비교적 소수의) 조명학자들로 이뤄져 있는데 

최소한 조명학에서 주도적인 역할을 하는 단체는 아니라고 봐도 무난할 것 같다.

 

이 단체를 언급한 이유는 2011년 발표된 IDA/IES Model Lighting Ordinance(MLO) with User guide를 소개하기 위함이다. 

IES는 북미조명협회(Illuminating Engineering Society)의 약자고, 

위 MLO는 두 단체의 빛공해 문제를 향한 협업의 결과물이다.

 

이 MLO에 대해 조금 더 자세히 살펴보자.

 

MLO는 탄생하기까지 복잡한 역사가 있다.

 

사실 초기 MLO의 경우 IDA에 의해 주도적으로 작성되었으며 

조명학적인 부분은 많이 간과되었었다. 

그 증거로 초창기 드래프트 버젼에서는 외부 조명기기를 단순히 W로만 구별했는데 

최소한 루멘으로 표현되는 광속 정도는 포함시켜야 하는게 아닌가?

 

IES전문가들이 처음 이 서류를 보고 느꼈을 감정이 대충 상상이 된다. 

하지만 결과적으로 협업을 통해 더 좋은 결과를 도출하기 위해 

2005년 Joint IDA/IES Task Force가 처음으로 생기게 된다.

 

그 결과 2007년 Luminaire Classification System(LCS)이 IES TM-15-07에 처음 소개되고, 

2009년에는 BUG rating system이 추가되며, 

이는 IES TM-15-11, 즉 2011년에 또 한번 업데이트된다.

 

MLO문서의 경우 첫 외부 공개가 2009년, 2010년에 이뤄졌고, 

여러 검토/보완을 통해  2011년 6월 최종 Joint IDA/IES MLO with User’s Guide가 탄생한다. 

BUG시스템은 MLO에도 당연히 포함되어 있다.

 

또한 이 BUG rating system의 경우 지금은 LEED v4 Light Pollution Reduction credit의 

평가기준으로 활용되고 있어 더욱 중요하다고 할 수 있다.

 

BUG시스템이 대체 뭔지는 조금 있다 생각해보고 

결과만 보면 조명학과 천문학의 협업은 효율적이며 건설적이였다고 보인다.

 

과연 그럴까?

 

결론부터 얘기하면 현재 IDA에서는 위 BUG 평가 시스템을 

자체적인 가이드라인에서 삭제한 상황이다.

 

무슨 일이 일어난 걸까?

IDA에서는 Fixture Seal of Approval(FSA)란 프로그램을 운영하는데 

이는 IDA가 독자적으로 운영하는 

광침해(Light trespass) 그리고 눈부심을 최소한으로 규제한 야외 조명기기에 한해 

Dark-Sky friendly란 인증을 부여하는 시스템이다. (http://darksky.org/fsa/)

 

BUG평가기준이 삭제된 대신 훨씬 간단한 요구사항으로 변경했는데 

이는 full cut-off 조명기기를 사용하거나 

90도 이상으로는 빛을 전혀 방출하지 않는 조명기기를 추천하고 있다. 

Full cut-off가 뭔지, 90도의 기준은 어디인지 등등은 조금 있다 생각해보고, 

위의 내용만 봤을때 드는 생각은 어떤가?

 

지난 10년 또는 그 이상의 시간에 걸쳐 IES와 협업해왔던 IDA가 

더이상 IES의 BUG rating system을 높게 평가하지 않는다고 생각이 들면 조금 오버일까?

그럼 대체 이 BUG rating 시스템은 뭔가?

 

일단 영어로 Maximum allowed Backlight(후사광), 

Uplight(상향광) and Glare(눈부심)의 약자다.

 

한 마디로 상향광의 제한폭을 설정해서 빛공해를 방지하자는 목적에서 생긴 평가시스템인 것이다.

 

후사광, 상향광, 눈부심중에 상향광에 대해 좀 더 자세히 살펴보자. 

상향광은 그림3에 보이듯이, UH와 UL로 구분되어 있는데, 

단순하게 H는 High의 약자, 즉 L는 Low의 약자이다. 

단순히 수평면을 기준으로 100도의 경계로 UH와 UL이 나눈 것이다.

그림3. IES TM-15-11 BUG uplight zones

(출처: Chinnis et al., 2011)

그리고 IES와 IDA가 함께 연구한 상향광의 제한폭은 총 6단계이며, 

각 단계별로 허용된 최대 광속은 아래 표1을 참고하자.

표1. IES TM-15-11 Uplight ratings (maximum zonal lumens)

	U0	U1	U2	U3	U4	U5
UH	0	10	50	500	1000	>1000
UL	0	10	50	500	1000	>1000

이 표를 보자마자 나에게 가장 궁금한 것은 과연 이 루멘(lumen)은 

뭘 기준으로 만들고 누가 어떻게 연구한 것인가이다.

 

위 질문에 대한 답을 찾기 위해 여러 자료를 찾아 봤음에도 불구하고  

유일하게 찾은 문구는 다음과 같다.

 

“The values were established by the IDA/IES MLO Task Force based on professional experience and analysis efforts with a very wide variety of outdoor lighting applications, including variations in ambient brightness, site geometry and function.”

 

위의 볼드체와 이탤릭체를 한 이유를 알겠는가? 

앞서 살펴본 바에 의하면 천문학자들의 조명지식은 그리 높아 보이지 않았다. 

거기다가, 객관적인 데이터가 제공이 되지 않은채 

단순히 전문가의 경험에 의존한다는 문구는 그리 설득력있게 보이지 않는다. 

 

아무튼, 그냥 그런 조명 가이드라인 정도에서 멈추는 수준이라면 이 이상의 관심은 의미없겠지만, 

앞서 본바와 같이 BUG rating system은 LEED에도 사용이 되고 있지 않은가?

 

필연적으로  위 테이블1이 과연 적합한 기준을 제시하는 것인지 확인하고 싶어지게 만든다.

과연 적합할까?

 

결론부터 말하면 그렇지 않다. 이제 그 이유를 살펴보자.

 

IES TM-15-11이 발행되고 1년후에 조명학자 Ashdown은 북미조명학회지인 Leukos에 “Photometric imprecision can limit BUG rating utility”란 페이퍼를 발표하는데, 

이 페이퍼는 기본적으로 실험실에서 발생하는 광도측정의 

미세한 부정확성에 대해 지적하고 있다. 

예를 들어 위의 표1에서 보듯이 IES TM-15-11에서는 

U0 조명기기는 상향광이 전혀 없어야 하고 U1의 경우 

10루멘이상 상향광을 배출하면 안되게 규정하고 있다. 

문제는 현실적으로 ‘0’ 루멘을 어떻게 측정할 수 있는가이다. 

아니 다시 말하면 이게 가능한지부터 묻고 싶다.

 

정말 암실처리가 잘 된 광도측정 실험실도 최소 2%정도의 반사율은 있을 거라 생각이 되는데, 

기본적으로 천단위 이상의 루멘을 내뿜는 조명기기를 측정하면서 상향광 측정 결과가 0이다?

 

U1또한 최대 10루멘의 상향광 수치를 ‘이론적’으로 맞춰야 하는데 

실측에서는 불가능 또는 ‘매우매우’ 어려울 것으로 보인다. 그럼 위 수치는 어떻게 얻어진 걸까? 

 

이는 실험실 직원의 육안으로의 확인과 광도 측정 후 후처리 과정(과장해서 말하면 data manipulation)을 통해 얻어진 값일 가능성이 높다. 

언급한대로 ‘전문가의 경험’이 필요했을 것이라 생각된다.

 

문제는 현실적으로 정밀한 측정이 어려울 정도로 미세한 차이만 나는 

조명기기를 굳이 다른 등급으로 구분할 필요가 있을까? 

좀 더 직설적으로 말하면 정확히 측정이 어렵다면 구분법을 만들면 안 되는게 아닐까? 

정말 U0, U1, U2이렇게 세분화 할 정도로 10루멘, 50루멘정도의 상향광이 

빛 공해에 큰 영향을 미칠까?

 

예를 들어 현재 U0등급의 거리 조명이 설치된 지역을 U2등급의 거리 조명기기로 바꾼다면 

대략 어느정도 수치의 빛공해가 더 생길지 예측할 수 있는가?

먼저 천문학계를 살펴보니 Illumina라는 오픈소스 시뮬레이션 프로그램을 사용해서 빛 공해 모델을 예상/측정한 연구들이 있었다. 자세히 살펴보고 싶었지만, 대부분의 발표가 천문학계내에서 이뤄진 것이라 이해하기 어려웠고, 시뮬레이션 프로그램 역시 상당히 복잡해보였다.

 

이 부분에 대해서 AGI32 등의 빛 시뮬레이션 프로그램으로 유명한 Lighting analysts Inc. 

회사에서 IDA/IES Task Force에 조언을 하기 위해 

간단한 프로그램을 만들어 예상 결과를 나타낸 적이 있다. 

(논외로 AGI32는 가격만 낮았어도 좀 더 범용이 될텐데 아쉽다).

 

아무튼 SkyGlowCalc란 프로그램인데, 외부공개가 목적이 아닌 단순히 위에 있는 문제에 대한 

예상답안을 내기 위해 개발한 툴이라 소스는 공개가 되어 있지 않다. 

단 개발자의 설명을 보면 이 프로그램은 천문학과 조명학의 입장을 

모두 고려하기 위해 심혈을 기울였음을 알 수 있다.

첫째, Garstang의 빛 공해 모델을 그대로 인용했다. 

거기다 이 프로그램은 Garstang의 모델의 이론을 그대로 사용했지만, 

당시 사용된 광도분포곡선이 아닌 현재 실 조명기기의 광학데이터로 대체했으며, 

한 발 더 나아가 흔히 사용되는 조명의 SPDs(빛 파장)역시 선택할 수 있게 했다.

빛의 파장이 중요한 이유는 푸른 빛의 파장일수록 

레일리 산란등에 의해 영향을 크게 받기 떄문이지만, 

그 부분은 다음 언젠가 포스트에서 생각해보기로 하자.

 

개발자의 말대로 천문학과 조명학의 양쪽면을 다 고려한 방법이다. 

프로그램을 캡쳐해서 올리는 것은 개발자의 의도대로 불허 되어 있으니 결과만 정리했다.

 

먼저 결과를 보고 아 별로 차이 없네.. 

할 수도 있지만 어떤 데이터를 넣고 얻은 결과인지 알아보자.

 

먼저  가상의 도시를  세팅했다. 

이 도시의 반경은 5킬로미터, 즉 78.5km²의 크기의 가지며, 인구는 5000명, 즉 인구밀도는 대략 63명/km²이다.

이 크기를 한국과 영국의 실제도시와 비교해보면 서울의 인구밀도가 16,343명/km² 

(2014년 통계청 기준), 

그레이터런던의 경우 5223명/km² 반면에 가장 인구밀도가 낮은 강원도의 경우 89명/km² 

영국 노섬벌랜드 주가 63명/km²정도 된다. 

즉 강원도 중에서도 굉장히 사람이 적은 반경5km 정도의 가상 도시라고 생각하면 된다.

 

그리고 가장 중요한 가로등 갯수는 1000lm/인 으로 가정되었다. 

즉, 평균적인 가로등의 광속이 13,000lm이라고 가정하면 약 385개가 설치된 것이다. 

이는 얼추 1 km²당 5개의 가로등을 설치한 꼴인데, 굉장히 적어보일 수 있지만, 

이 가상의 도시는 인구밀도가 상당히 낮다는 걸 생각하면 납득이 간다.

 

표2는 위 가상의 도시에 LPS, HP1등 기존/현재 많이 사용되는 가로등과 백색 LED등을 

각각 U0부터 U2까지 설정해서 넣어본 결과이다.

표2. 사용된 가로등, UL rating 그리고 표면밝기 결과

UL rating	LPS	CIE HP1	White LED (3000K)	White LED (5000K)
U0	24.4	21.4	19.0	18.7
U1	24.4	21.4	19.0	18.7
U2	24.3	21.3	19.3	18.6

그럼 저 숫자는 뭘까? 표면밝기(Observed surface brightness)라고 한다. 

사실 천문학 지식이 일천한 관계로 정확하게 이해하진 못했지만 

이 표면밝기란 척도는 magnitude/sq arcsec이란 단위로 표현된다고 한다.

 

빛 공해에서 표면밝기는 ‘skyglow (산란광으로 인해 밝아진 밤하늘)’를 

나타내는 척도로 사용되는 것 같다.

표면 밝기 수치가 대략적으로 어떤 밝기를 나타내는지는 아래 표3을 참조하자. 

출처는 어느 서부 시드니 아마추어 천문학 그룹 홈페이지로 신뢰도는 높지 않지만, 

대략적으로 읽고 넘어가자.

표3. 표면밝기 수치와 하늘밝기 비교

The naked eye limiting magnitude (magnitude/sq. arcsec)	Description
17	Less, poor city skies
18	Better city skies
19	Fair suburban skies
20	Good suburban skies
21	Typical rural skies

다시 표2로 돌아가서 사실 얘기하고 싶은 부분은 LED를 쓰면 

LPS나 HP가로등보다 하늘이 더 밝아지네 등이 아니다. 

어차피 임의로 가정한 도시이고, 인구수, 가로등의 광속수치 등이 실제로는 달라질테니 말이다. 

가장 중요한 점은 'U0, U1, U2의 차이가 느껴지는가?' 이다. 

똑같은 조명기기를 다른 BUG레이팅에 맞춰 시뮬레이션을 해봐도 

실제로 밤하늘밝기는 (최소한 별을 관측하는 목적에서는) 차이가 

아주 미미하거나 없음을 알 수 있다. 

이는 무엇을 의미하는가?

아까 글에서, 실제로 BUG레이팅에서 U0,U1,U2에 해당하는 기준은 

정밀한 광학실험실에서 조차 정확하게 측정하기 어렵다고 언급한 바 있다. 

위 결과는 이 뿐만 아니라 실제BUG레이팅의 차이가 하늘밝아짐현상에 미치는 영향 

또한 구별할 수 없다는 점을 시사하지 않는가?

결국 위와 같은 결과가 IDA 타스크포스에 전해져서, 

최근 IDA에서 하는 FSA프로그램에서는 BUG레이팅 자체가 삭제된 것으로 보인다 (추측이다).

마지막으로 MLO에 사용된 BUG 평가기준을 나타낸 표인데, 어떤 생각이 드는가?

얼핏보면 다양한 존별로 U0부터 U5를 추천한 듯 보이지만, 

결정적으로 ‘street’ 와 ‘area’ 조명을 할 경우 

U0만 사용이 가능하다. 근데 위의 두 경우가 외부 조명의 90프로 이상을 차지 않나?

표3. BUG rating in the MLO document

	Lighting zone  0	Lighting zone 1	Lighting zone 2	Lighting zone 3	Lighting zone 4
Allowed uplight rating	U0	U1	U2	U3	U4
Allowed % light emission above 90 degree for street or area lighting	0%	0%	0%	0%	0%

요약

2007년 전에는 가로등은 Cutoff, Semi cutoff, Full cutoff로 구분되어 사용됐었다. 

이런 구분법을 조금 더 보완해서 빛 공해를 막기 위해 2011년 BUG시스템을 개발했고, 

이는 천문학과 조명학의 유래없는 협업의 결과로 보였다.  

하지만 BUG시스템에서 특히 U0, U1, U2, 그리고 G0의 경우 실측의 어려움뿐만 아니라 

그 차이가 밤하늘의 밝기에 미치는 영향또한 매우매우 미미함을 알리는 연구가 있다. 

그 결과 국제다크스카이협회는 더이상 BUG레이팅 시스템을 FSA프로그램내의 추천요소로 고려하고 있지 않고, 

그냥 모든 상향광을 내뿜지 않는 조명기기를 추천할 뿐이다. 

에필로그

이를 협업의 실패로 봐야 하는가? 내 생각은 조금 다르다.

 이런 과정은 모든 과학분야에서 쉽게 일어나는 발전 과정의 일부라고 생각해야 될 것 같다. 

때로는 이런 과정이 있어야 한 단계 더 진보된 스탠다드의 확립이 가능하지 않을까 싶다. 

오히려 천문학계의 빠른 결과 수용이 더 놀랍게 보인다. 

오늘 생각해본 내용이 모두 사실일 경우 LEED에서 현재 사용되고 있는 BUG시스템은 

유명무실(최소한 밤하늘의 별을 관측하기위한 목적이라면)하다고 할 수 있다. 

물론 빛 공해 방지란 단순히 밤하늘의 별을 더 보기 위함이 아니라, 

관련 생태계교란을 방지하고 상향광이 침입광이 되어 거주자의 불편을 야기함을 막기 위한 목적이 있음을 알고 있다. 

사실 그렇기에 위의 연구가 어렵고 또 한편으로는 이런 성장통을 겪으면서 발전되어야 한다고 생각한다. 

추신

왜 U0, U1 등급의 조명기기에서 큰 차이를 발견 못 했는지는 사실 너무 당연한 이유때문이다. 

예를 13000광속을 가진 조명기기로 들어보자. 이 기기를 길에 설치하면 약 15프로의 반사광이 지면으로부터 발생한다. (15프로의 수치는 일반적으로 가정되는 도로의 반사율이다)  

즉, 1950 루멘이 반사되고,  이중 약 20프로의 수치는 UL존까지 반사가 된다. 

즉, 390루멘정도가 항상 반사되서 올라오는 광속의 양이다. 이는 뭘 의미하는가? 

제 아무리 U0의 조명기기를 사용해도, 기본적으로 U2와U3에 상응하는 

상향광이 반사로 인해 생긴다는 말이다. 

즉, 390루멘에서 10루멘에서 50루멘 정도 더해봐야 큰 차이가 생길수가 없는 것이다. 

(최소한 밤하늘의 별관측에서는 말이다)

그럼 빛 공해는 어떻게 앞으로 더 줄일 수 있을까? 가장 뻔해보이지만 

확실해보이는 대답은 최근 대두되는 스마트조명기술의 접합으로 보인다. 

센서를 통해 자동으로 밝기를 조절 또는 꺼질 수 있게 

하는 것은 더이상 크게 어려운 일도 비싼 일도 아니다. 

단, 모든 스마트기술의 리스크인 정보보안은 항시 생각해봐야 할 문제일 것 같다.