학생들과 라디오존데로 대기 관측하기 (라디오존데를 이용한 고층 대기 관찰을 학생들이 해결해 나가기 프로젝트)

2019 대한민국과학교사큰모임 발표자료입니다. 다른 곳에 인용하실 때는 반드시 출처를 밝혀 주시기 바랍니다.

세종 세종과학고 방미정

1. 라디오존데(radiosande)란 무엇인가? 라디오존데는 기상 관측소에서 기압,기온,습도 등의 기상요소를 측성하는 센서를 탑재하고 측정한 정보를 송신하기 위한 무선송신기를 갖춘 기상관측계이다. 흔히들 기상풍선이라고 부르는 라텍스 풍선아래에 매달려 있는 센서박스인 것이다. 라디오존데를 사용하려면 라디오존데 상자와 라디오존데를 싣고 하늘로 올라갈 풍선, 라디오존데가 하늘에서 떨어질 때 속도를 줄여줄 낙하산이 필요하다.
2. 학생들과 라디오존데를 띄우면서 얻는 효과는?
   2. 대기의 연직 구조에 대한 실제적 이해
   3. 라디오존데 상자 설계에서 얻어지는 문제 해결능력 향상
   4. 우리나라의 계절별 바람에 대한 이해
   5. 아두이노 프로그래밍 능력 쌓기
   6. 자료 분석능력의 향상
3. 적용학년 초등학교 고학년, 중·고등학교 전학년

4. 라디오존데 날리기 활동의 실제

1. 1. 라디오존데 날리기 프로젝트 컨셉 잡기 회의 라디오존데를 날리는 것은 인터넷을 검색하면 도움을 얻을 수 있다. 누군가의 매뉴얼을 보고 단순히 따라해 보고 신기해하는 활동을 하고 싶다면 이 활동은 적합하지 않다. 이 라디오존데 탐구활동에서 가장 중요한 점은 프로젝트가 추구하는 방향을 정하는 것이다. 제작되어 있는 라디오존데상자는 업체를 통하면 구입할 수 있다. 학생들과 회의 끝에“라디오존데를 우리의 손으로 만들고, 고층대기의 자료와 성층권의 영상도 촬영해 보자”를 이번 프로젝트의 컨셉으로 잡았다.
   2. 라디오존데를 날리기 전 준비하기
      1. 문제해결활동 1 : 핵심부분인 기압,온도,습도 측정부분 만들기
         1. 아두이노 배우기 아직 정보시간에 아두이노를 배우지 않은 단계의 학생들이라 아두이노를 알지 못하는 상태로, 아두이노를 이용하면 기압,온도,습도를 만들 수 있다는 소리를 듣고 공부하기 위해 수소문 끝에 아두이노를 잘 다루는 학생들에게 찾아가 아두이노의 기본 원리를 배웠다.
         2. 아두이노용 기압, 온도, 습도 모듈로 관측 센서부 제작하기 아두이노의 전력은 외장베터리를 사용하면 해결 끝.
            
      2. 문제해결활동 2 : –50℃에서도 작동되도록 보온대책 세우기
         1. 대류권 –50℃ 이하의 기온에도 스마트폰과 아두이노 보드가 작동해야하므로 단열성이 좋은 상자로 라디오존데를 제작하여 온도가 낮은 곳에서 장시간 보온테스트를 실시한다. 본 실험에서는 –25℃의 냉동실을 이용했다. 유의할 점은 성층권 영상 촬영을 위해 상자에 구멍을 뚫고 온습도 센서를 상자 밖에 붙여야 하므로 반드시 최종단계에서 테스트를 실시해야한다.
            
      3. 문제해결활동 3 : 성층권까지의 영상은 무엇으로 촬영할 것인가? 저렴한 액션캠을 이용하기로 했다.
      4. 문제해결활동 4 : 낙하시 속도를 어떻게 줄일 것인가?
         
         상자에 낙하산을 달아 낙하시 속도를 줄인다. 그러나 이 과정은 쉽지 않다. 낙하산이 잘 펴지도록 줄의 위치를 잡아주는 실험을 여러 번 해야 한다.
      5. 문제해결활동 5 : 라디오존데가 낙하한 위치를 어떻게 알아낼 것인가?
         
         구형 스마트폰을 개통하고 어플을 깔면 라디오존데 상자가 떨어진 곳의 위치를 알 수 있다.
      6. 문제해결활동 6 : 상자가 길가에 떨어지면?
         
         회수할 곳의 연락처를 적어 놓았다.
      7. 문제해결활동 7 : 상자가 호수나 강에 떨어지면? 물이 스며들지 못하도록 대책을 세우며 방수테스트를 거친다.
      8. 기타 여러 가지 사전 대책을 세운다.
   3. 라디오존데 날리기 – 언제 어디서 날려야 하나? 최적의 기상상태가 어떤 상태일까를 토론하여 얻은 결론은 다음과 같다. 고기압으로 예상되는 가급적 바람이 불지 않는 맑은 날 날려야 한다. 기상청 날씨누리(http://www.weather.go.kr) → 날씨영상 → 일기도를 참고한다. 우리나라는 편서풍이 불기 때문에 가급적 우리나라의 서쪽에서 하늘에 전깃줄이나 높은 건물이 없는 넓은 공터에서 날린다. 계절적으로 상층의 바람이 약한 여름철에 날리면 가장 좋다.
      
      본 활동은 결국 11월 4일 편서풍이 남동쪽으로 강하게 부는 날 날려서 충남 서산에서 출발하여 경상북도 안동의 산속으로 낙하하였다.
   4. 라디오존데가 가져온 데이터
      
      기압, 온도, 습도 센서로 측정한 자료들로 연직 분포를 그려보고 기상청 날씨누리의 자료와 비교해보고 대류권의 기상 자료를 분석토론 해본다.