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지진의강도는 어떻게 측정하는건가요?

안녕하세요. 설효훈 과학전문가입니다. 지진 관측장비는 지반의 진동을 측정하는 관측장비로, 1970년대 말까지는 센서와 기록계가 하나의 몸체로 구성되어 있었다. 그 후 지진관측의 범위가 확장되고 전자기술의 발달과 더불어 기록방식이 디지털로 전환되면서 진동을 감지하는 센서와 이를 기록하는 자료수집처리장치(기록계)가 분리되었다. 지진관측 센서는 지반의 진동 속도를 측정하기 위한 속도지진계(또는 속도계)와 진동의 힘을 측정하기 위한 가속도지진계(또는 가속도계)로 나뉜다.1.1 지진계지진계는 지반의 진동을 전기적 신호로 변화하여 주는 센서를 의미한다. 외부의 힘에 의해 구조물이나 지반이 진동할 경우, 탄성범위(부서지거나 땅이 갈라지지 않고 본래의 상태로 환원하는 한계) 내에서는 직류성분(DC component)을 제외한 주파수(주기의 역수)를 가지게 되며, 진동에 따른 물리적인 단위로는 변위(particle displacement), 속도(particle velocity) 및 가속도(particle acceleration)가 있다. 물리적으로 변위는 속도의 시간적 적분 값이며, 가속도는 속도의 미분 값이므로 속도를 측정할 경우 변위와 가속도를 구할 수 있다.지진관측 시 가장 문제가 되면서 피할 수 없는 잡음은 조수 변화에 의한 잡음(tidal noise)으로 0.2～0.4Hz 사이이다. 또한, 관측소 주변의 환경 잡음(사람활동, 바람 등)은 보통 0.1～1Hz 사이이다. 따라서 0.1～1Hz 사이의 잡음대역(noise-band)을 중심으로 1Hz 이상을 단주기(short-period)라 하고, 0.1Hz 이하를 장주기 (long-period)라고 정의한다. 단주기와 장주기를 모두 포함한 경우, 이를 광대역(broadband)이라고 한다. 단주기 방식은 근거리 지진관측을 목적으로 설계되는 센서로서 1Hz 이상에서 평탄영역을 가진다. 고주파수의 신호를 목적으로 설계되었으므로 원거리 지진의 경우는 정확히 감지하지 못한다. 장주기 방식은 저주파수 대역에서 평탄한 응답을 보이므로 원거리 지진 감지에 적합하나 인근에서 발생하는 미소 지역 지진 감지는 어렵다. 광대역 센서는 기계식의 단주기 센서를 피드백 회로를 이용해 대역을 저주파수(대개 0.0083Hz, 120s 주기)까지 확장한 방식으로 미소지역 지진과 원거리 지진을 동시에 기록할 수 있다.1.2 자료수집처리장치(기록계)자료수집처리장치(기록계)란 센서로부터 입력되는 전기적 신호를 화면에 보여주거나 보관할 수 있는 다른 형태의 자료로 전환하는 장비로서 디지털 오실로스코프(digital oscilloscope)는 기록계의 전형적인 형태이다.센서의 감지범위(sensor dynamic range)가 기록계의 기록범위(recorder dynamic range)와 다를 경우 증폭장치 등이 필요하게 된다. 디지털 변환기(A/D convertor)의 상용화로 디지털 지진 기록계가 이미 보편화되어 있다. 디지털 기록계의 동적범위(dynamic range)는 내재된 변환기의 최대입력전압(maximum input voltage) 및 비트(bit) 수와 관계된다. 센서의 전기신호를 아날로그회로(analog circuit)를 이용하여 임의의 배수로 증폭하거나 반대로 감쇠시키는 것은 쉽다. 따라서 변환기의 최대 입력 전압은 변환기의 동적범위(dynamic range)와 무관하며, 변환기의 비트 수에 의해 결정된다. 비트 수를 n이라고 하면 동적범위(dynamic range)는 식으로 계산되는데, 16비트의 경우 96dB, 18비트의 경우 108dB이고, 24비트의 경우 144dB이다.기록계의 입력단자를 직접 연결할 경우(short 상태) 이론적으로 A/D 변환기에 걸린 전압은 영(0)이므로 디지털 값도 역시 영(0)이어야 하나 실제로는 다소의 값을 가지며 변화한다. 이는 A/D 변환기의 전단에 있는 증폭장치나 변환기 자체의 전기적 noise에 의한 것으로 보통 마지막의 3～4개 비트 값이 불안정하기 때문이다. 이를 측정하여 실제 관측범위를 나타내는 것을 ‘유효 동적범위’라 한다. 즉 변환기의 최종 2～4 비트는 신뢰할 수 없으므로 실제적인 ‘유효 동적범위’는 이보다 20dB 정도 작다. 기록된 지진파형으로부터 진앙 등을 정확히 결정하기 위해서는 모든 관측소 간의 시각 동시성(synchronization)을 유지하는 것이 필수적이다. 각종 관측장비에 내장된 시계는 온도와 위상을 보정하도록 되어있어 시각오차가 매우 적으나 문제는 오차가 지속적으로 누적되어 주기적으로 외부에서 보정을 해주어야 한다. 이런 문제점을 없애기 위해 현재 상용화되어 있는 지진계의 대부분은 GPS로 시각보정을 수행하고 있다. 이에 비해 지반과 구조물의 응답특성을 규명하기 위해서 설치되는 가속도 지진계는 정확한 시각보정이 불필요하다.일반적으로 규모 4.0까지는 피해가 발생하지 않으나 지진피해를 일으키는 지진의 규모는 정해져 있지 않다. 지진 발생 위치로부터의 거리, 발생 깊이, 구조물의 내구성이나 시설 조건 등의 차이로 인해 피해 발생 정도가 달라진다. 출처 : 기상청 - 온라인 지진 과학관

학문 / 지구과학·천문우주

24.01.19

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