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ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.41 No.5 pp.478-489
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2020.41.5.478

Estimates of Surface Explosion Energy Based on the Transmission Loss Correction for Infrasound Observations in Regional Distances

Il-Young Che*, Inho Kim
Earthquake Research Center, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Daejeon 34132, Korea
*Corresponding author: che10@kigam.re.kr Tel: +82-42-868-3268
July 8, 2020 August 14, 2020 August 21, 2020

Abstract


This study presents an analysis of infrasonic signals from two accidental explosions in Gwangyang city, Jeonnam Province, Korea, on December 24, 2019, recorded at 12 infrasound stations located 151-435 km away. Infrasound propagation refracted at an altitude of ~40 km owing to higher stratospheric wind in the NNW direction, resulting in favorable detection at stations in that direction. However, tropospheric phases were observed at stations located in the NE and E directions from the explosion site because of the strong west wind jet formed at ~10 km. The transmission losses on the propagation path were calculated using the effective sound velocity structure and parabolic equation modeling. Based on the losses, the observed signal amplitudes were corrected, and overpressures were estimated at the reference distance. From the overpressures, the source energy was evaluated through the overpressure–explosive charge relationship. The two explosions were found to have energies equivalent to 14 and 65 kg TNT, respectively. At the first explosion, a flying fragment forced by an explosive shock wave was observed in the air. The energy causing the flying fragment was estimated to be equivalent to 49 kg or less of TNT, obtained from the relationship between the fragment motion and overpressure. Our infrasound propagation modeling is available to constrain the source energy for remote explosions. To enhance the confidence in energy estimations, further studies are required to reflect the uncertainty of the atmospheric structure models on the estimations and to verify the relationships by various ground truth explosions.



인프라사운드 대기 전파 투과손실 보정을 통한 원거리 지표폭발 에너지 추정

제 일영*, 김 인호
한국지질자원연구원, 지진연구센터, 34132, 대전광역시 유성구 과학로 124

초록


대기 압력 변동을 측정하는 인프라사운드 관측 기술을 통하여 원거리 지표폭발 사고를 분석하였다. 2019년 12 월 24일 전남 광양시에서 발생한 2차례 폭발 사고에서 발생한 인프라사운드 신호가 151-435 km 거리에 위치하는 12개 음파 관측소에 기록되었다. 당시 인프라사운드는 북북서 방향의 성층권 바람에 의해 약 40 km 고도에서 굴절되어 같은 방향에 분포하는 관측소에 도달하였다. 반면, 약 10 km 고도에서는 강한 서풍의 영향으로 대류권 굴절 신호가 북동 및 동쪽 방향에 위치하는 관측소에 도달하는 등 방향에 따라 상이한 전파 경로를 보였다. 대기 유효음파속도구조와 포물선 방정식 모델링을 통해 전파 경로상의 투과손실을 계산하고 폭발 지점으로부터 기준거리에서의 초과압력을 추정하였다. 추정된 초과압력은 초과압력-폭발량 관계식에 적용함으로써, 두 차례의 폭발은 각각 14, 65 kg TNT 폭발 에너지에 상 응하는 것으로 계산되었다. 1차 폭발 당시에 폭발 충격으로 부속물이 대기 중으로 비산하는 현상이 관측되었고, 폭발 충격에 의한 파편 운동과 초과압력 간의 관계식으로 1차 폭발의 에너지는 약 49 kg 이하 TNT 폭발에 상응하는 것으로 계산되었다. 본 연구에서 제안한 폭발 에너지 추정 방법은 향후 다양한 원거리 폭발 에너지 계산에 활용이 가능하리라 본다. 향후 계산 결과의 신뢰도를 높이기 위해서는 대기 속도구조 불확실성에 대한 연구와 다양한 발파 자료를 통한 검증 연구가 필요하다.



    Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources
    GP2020-017

    서 론

    인프라사운드(infrasound, 공중음파)는 ~0.003-20 Hz 대역의 대기권을 전파하는 저주파수 음파로 정의 되며, 저주파수 특성에 따른 작은 감쇄로 수백-수천 km의 장거리 전파가 가능하기 때문에 대기 압력 변 동을 일으키는 다양한 자연 혹은 인위적 현상을 원 거리에서 관측하고 분석하는데 사용되고 있다(ReVelle et al., 2004). 인프라사운드는 과거 냉전시대 대기권 핵실험 탐지를 목적으로 활용되었으며, 1999년 UN 의 포괄적 핵실험 금지조약(CTBT, Comprehensive Nuclear Test Ban Treaty)이 채택된 후 전 지구적 비 밀 핵실험 감시를 위한 관측 기술(IMS, International Monitoring System)의 하나로 이용되고 있다. CTBTO/ IMS에서는 1 kiloton 이상의 대기권 핵실험을 언제든 지 탐지하고 발생 위치를 결정할 수 있도록 전 세계 에 60개 인프라사운드 관측소를 구축하고 있다(Christie and Campus, 2010). 2020년 5월 현재 52개 관측소가 설치되어 인증이 완료된 상태이다(www.ctbto.org). 지 각, 지표, 대기에서 인프라사운드를 발생시키는 음원 은 다양하며(Che et al., 2010), 핵실험 탐지와 같은 특수목적 이외에도 지진, 화산, 낙하 유성 등의 자연 현상을 연구하기 위한 지역 관측망이 구축되어 활발 히 이용되고 있다. 한국지질자원연구원 역시 동북아 지역에서 발생하는 대규모 발파, 지진, 화산폭발 등 의 연구를 목적으로 지진관측소와 함께 인프라사운드 관측망을 운영하고 있으며, 다양한 음원에 대한 연구 와 관측망의 실시간 관측 능력 평가 등에 활용하고 있다(Che et al., 2017).

    지표 혹은 대기권에서의 대규모 폭발(explosion)은 인프라사운드를 발생시키는 중요한 음원(sound source) 중의 하나이다. 폭발 크기에 따라 수백 km 이상의 거리에서도 폭발에 의한 유의미한 신호 관측이 가능 하기 때문에 원거리 폭발 현상을 확인하고 음원 위 치 등의 폭발원 요소를 결정하는데 인프라사운드가 활용된다. 또한 폭발원의 중요한 요소 중 하나는 폭 발 에너지이다. 현재 인프라사운드 관측을 통한 폭발 에너지 추정은 미국 로스알라모스 연구소에서 제시한 인프라사운드 신호 진폭-폭발량(Y, kilotons TNT) 관 계식이 주로 사용되고 있다(이하 LANL 관계식). 이 는 다양한 규모의 지표발파(24 tons-4.9 kilotons)와 원 거리(250-5,300 km)에서 측정한 인프라사운드 신호 진폭 간의 관계를 구한 경험식으로 다음과 같다 (Whitaker et al., 2003).

    Y = 8.1871 × 10 8 × P 1.4213 × R 2 × 10 0.0256 V S
    (1)

    여기서, P는 인프라사운드 신호 진폭(peak-to-peak, micro-bar), R은 폭발원과 관측지점 사이의 거리(km), 그리고 VS는 성층권 고도 50 km에서 관측소 방향으 로의 바람 속도(m s−1 )이다. 이 경험식은 지금까지 다 양한 폭발 현상을 대상으로 폭발 에너지를 추정하는 데 이용되고 있으며(Evers et al., 2007), 전파 과정의 기하학적 확장을 고려하여 음파 신호의 진폭, 전파 거리, 성층권 고도 바람 성분의 함수로 표현된다. 온 도 구배가 큰 성층권은 인프라사운드 굴절과 장거리 전파에 중요하나, 실제 굴절고도는 역동적인 대기 구 조에 의해 계절, 시간에 따라 변화한다. 또한, LANL 관계식은 대형 폭발을 대상으로 장거리에서 관측한 신호를 대상으로 개발된 경험식으로 100-200 km 내 외의 비교적 근거리 관측 신호에 대해서도 적용 가 능한지 지속적인 검증이 필요하다. 최근 인프라사운 드 대기 전파 모델링 기술의 발달과 대기 수치예보 모델의 정확도가 높아지는 상황에서 장거리 전파에 따른 음파 에너지 투과손실(transmission loss) 계산 결과의 신뢰도는 향상되고 있다(Walker et al., 2013). 따라서 기하학적 확장이외에도 전파 과정에서의 산란, 회절 등을 포함한 인프라사운드 에너지 감쇄를 정량 적으로 계산하고 이를 바탕으로 폭발량 추정 방법이 개발될 필요가 있다.

    2019년 12월 24일 전남 광양시에 위치한 포스코 광양제철소에서 발전설비 시험 중 폭발 사고가 발생 하였다(연합뉴스 등). 사고 시간은 오후 1시 13분경 이며, 수분 후 이차 폭발이 발생하였다. 사고 당시 영상과 목격자들에 의하면 폭발에 의한 강한 충격음 을 폭발 현장과 인접한 이순신대교를 지나던 차량 그리고 인근 주택가에서 느낄 수 있었다. 해당 폭발 로 발생한 대기 압력 변동은 국내 인프라사운드 관 측소에서 비교적 높은 신호-대-잡음 비(SNR, signalto- noise ratio)로 기록되었다. 이 연구에서는 대기 속 도구조모델을 바탕으로 전파 환경에 따른 인프라사운 드의 장거리 전파 특성을 살펴보고자 한다. 또한, 폭 발 당시의 대기 수치예보모델을 활용하여 폭발원으로 부터 관측소까지의 투과손실을 계산하여 폭발 지점에 서의 초과압력(overpressure)을 계산하고 폭발량-초과 압력 관계식(Kinney and Graham, 1985)으로 폭발량 (e.g., TNT)을 제시하고자 한다. 마지막으로, 1차 폭 발 당시에 목격된 일부 부속물의 비산(flying) 운동을 통해 폭발원의 크기를 독립적으로 계산하여 인프라사 운드 투과손실 보정을 통해 구한 결과와 비교해 보 고자 한다.

    인프라사운드 신호 관측과 전파 특성

    인프라사운드 관측소는 배경잡음수준 이상의 유의 미한 신호를 탐지하고 신호 정보(후방-방위각, 겉보기 속도, 진폭 등)를 결정하기 위해 다수의 센서를 지표 에 배치하는 배열식 관측소가 일반적이다. 인프라사 운드 신호 탐지 여부는 시간에 따라 변화하는 대기 속도구조에 영향을 받기 때문에 지역을 달리하여 여 러 관측소를 운영할 필요가 있다. 한국지질자원연구 원은 역동적인 대기 구조와 배경잡음 변화를 고려하 고 인프라사운드의 신호 탐지 능력을 향상시키기 위 해 백령도, 철원, 울릉도 등 10여개 지역에서 연구목적 의 배열식 관측소를 운영하고 있다. 각 지역에 설치된 관측소들은 하나의 네트워크(KIN, Korea Infrasound Network)로 구성되어 탐지된 신호 간 연계(association) 를 통해 음원의 위치를 결정할 수 있다. KIN 관측소 는 기본적으로 IMS 국제관측망의 원형을 따르고 있 으나, 설치장소에 따라 배열크기, 센서 수, 통신방식 등의 부가적인 관측소 구성장비는 현지 조건에 맞게 설계되었다. 배열식 관측소 이외에도, 한국지질자원연 구원은 대기 압력 변동에 따른 지진 관측자료의 품 질 평가를 목적으로 단일 인프라사운드 센서를 종합 지진관측소(문경, 홍성, 효동리 등) 내에 지진계와 함 께 운영하고 있다. 인프라사운드 센서는 0.1-200 Hz 주파수 대역에서 일정한 반응을 갖는 Chaparral Model 2가 사용되고 있다. 각 센서는 지표면에 방사 상으로 배열된 다공질 호스와 연결되어 관측소 주변 에서 발생하는 배경잡음의 영향을 최소화하고 있다 (Che and Jeon, 2006).

    음원(폭발 사고)의 위치와 발생시간(origin time) 정 보는 인프라사운드 신호 탐지와 분석 결과를 확인하 고 검증하는 지상검증정보(ground truth information) 로 유용하다. 연구대상인 광양제철소 폭발 사고 지점 은 잘 알려져 있기 때문에 위치정보는 정확하다고 할 수 있다. 구글어스에서 확인한 폭발 지점의 위치 는 34.91655 ° N, 127.70805 °E이다. 뉴스미디어와 위성 영상 포털에서 확인된 좌표이나, 장거리를 전파하는 인프라사운드의 특성을 고려했을 때 위치정보는 지상 검증자료로 충분하다. 두 차례의 폭발(이하 GYEX1, GYEX2) 시간을 확인하기 위해 인근에 위치한 광양 지진관측소(GWYB)의 지진자료를 확인하였다(Fig. 1a). GWYB 관측소는 폭발 현장으로부터 북서쪽 3.6 km에 위치하고 있으며, 약 145초 간격으로 2회의 미세한 지진동을 육안으로 확인할 수 있다. 지진파 규모(ML)는 각각 0.5, 0.6으로 두 번째 폭발이 첫 번 째에 비해 큰 것을 확인할 수 있다. 지진파 초동 도 달시간과 진앙거리로부터 계산한 폭발 시간은 대략 14시 13분 23초경과 145초 후인 15분 48초경이며, 이를 GYEX1과 GYEX2의 발생시간으로 간주하였다.

    지각속도구조를 따라 지진파가 전파하듯이, 인프라 사운드는 대기권에 형성된 유효음파속도구조(effective sound velocity structure)에 의해 반사, 굴절, 회절 등 의 현상을 일으키며 전파한다. 유효음파속도구조는 고도별 온도와 바람 성분의 합으로 음원에서 관측소 까지의 전파 경로를 결정한다. 유효음파속도비(effective sound velocity ratio, Ceff·ratio)는 고도별 유효음파속도 와 지표면 음파속도의 상대비로 정의되며, 1 이상이 면 음파 파선이 유효음파속도가 큰 고도에서 굴절되 어 지상으로 되돌아오게 된다. 이때 지표면과 굴절고 도 사이에는 전파 통로(wave-guide duct)가 형성되어, 굴절과 반사를 반복하며 작은 감쇄효과로 장거리를 전파하게 된다. 굴절고도에 따라 인프라사운드의 위 상은 대류권 위상(tropospheric phase, Iw), 성층권 위 상(stratospheric phase, Is), 열권 위상(thermo-spheric phase, It)으로 구분된다. 특히 계절에 따라 형성되는 성층권의 강한 바람은 인프라사운드 장거리 전파에 중요한 요소이다. 수평전파속도(celerity)는 음원과 관 측소 간 수평거리를 전파 시간으로 나눈 것으로 굴 절고도를 달리하는 위상들은 각각 특징적인 수평전파 속도를 보인다(Brown et al., 2002).

    Fig. 1b는 광양제철소 폭발 사고로 관측된 인프라 사운드 신호를 관측거리에 따라 도시한 것이다. 폭발 원점으로부터 북서 방향 약 151 km에 위치하는 YMDAR (군산) 관측소를 시작으로 약 435 km 떨어 진 BRDAR (백령도) 관측소까지 12개 관측소에서 폭발 신호가 관측되었다. KSGAR (간성) 관측소를 제외한 모든 관측소에서 일정한 시간 간격으로 2회 의 신호가 도달하고 있으며, YMDAR, TJIAR (대전) 등 비교적 가까운 거리의 관측소에서는 지속시간이 짧은 충격파 형태의 신호가 뚜렷하게 관측되었다 (Fig. 1c). 두 신호의 도달시간 차이는 약 144초로 지 진파 도달시간 차이와 거의 일치하기 때문에 이들 연속 신호가 폭발에 의해 발생한 것이라 판단할 수 있다. HDBI (효동리) 관측소를 제외하고는 인프라사 운드 신호의 수평전파속도는 약 265-314 m s−1로 전 형적인 성층권 위상에 해당한다. 반면, 동쪽에 위치 하는 HDBI 관측소에 도달하는 신호의 수평전파속도 는 333 m s−1로 하부 대기권에서 굴절되어 전파한 대 류권 위상으로 분류할 수 있다.

    폭발 당시의 대기 음파속도구조와 파선추적 방법 (ray-tracing method, Virieux et al., 2004)으로 이론적 인 인프라사운드 주시를 계산하여 관측 결과와 비교 하였다(Fig. 1b, Table 1). 모델링에 필요한 대기 유 효음파속도구조는 수치예보모델의 하나인 유럽중기예 보모델(ECMWF, European Centre for Medium- Range Weather Forecasts, www.ecmwf.int)을 사용하 였다. ECMWF는 한반도 전역을 포함하는 전 지구 대기 모델로서 지상으로부터 고도 약 80 km까지의 3 차원 온도, 풍향, 풍속 정보를 제공하고 있어 음원으 로부터 관측소까지 전파 방향에 따른 유효음파속도구 조를 추출할 수 있다. 열권 위상과 같이 80 km 이상 의 고도에서 전파하는 인프라사운드 모델링에는 제한 이 있으나 본 연구에서 다루고 있는 대류권, 성층권 위상에 대한 전파 모델링에는 충분한 유효음파속도구 조를 제공한다. 지상폭발 지점으로부터 각 관측소까 지 고유-파선(eigen-ray)을 계산한 후 이론적인 수평 전파속도, 편향각(deviation angle), 굴절고도를 계산 하였다(Table 1). 편향각은 대기 전파 과정 중 전파 경로에 직각으로 부는 바람에 의해 파선이 휘는 정 도를 의미하며, 관측소에서 측정한 후방-방위각을 보 정하는데 사용된다. Fig. 1b에서 ULDAR (울릉도), KSGAR 관측소를 제외한 관측소에서 파선추적 방법 으로 계산한 이론적 도달시간과 실제 관측 값과 잘 일치하고 있다. 파선추적 결과, 동쪽에 위치하는 HDBI 관측소에 도달한 파선의 굴절고도는 약 3.8 km, 북동 쪽에 위치하는 ULDAR 관측소에 도달하는 파선의 굴절고도는 약 8.1 km인 대류권 위상이 우세한 것으 로 계산되었다. 두 관측소를 제외한 나머지 관측소에 서는 굴절고도가 약 40 km 내외인 성층권 위상으로 계산되었다. ULDAR에 도달한 신호의 파선추적 결 과는 실제 관측결과와 다소 차이를 보이고 있다. 파 선추적에서는 수평전파속도가 328 m s−1인 대류권 위 상으로 계산되었으나, 실제 수평전파속도는 305 m s−1 의 성층권 위상에 가까운 것으로 관측되었다. 음원- 울릉도(ULDAR) 경로에서는 대기 모델이 설명하지 못하는 복잡한 대기 구조로 인해 모델링 결과와 차 이를 보이는 것으로 해석된다.

    Fig. 2는 폭발 사고 당시 성층권 고도 약 40 km (a)와 대류권 고도 약 10 km (b)에서의 유효음파속도 비(Ceff·ratio)와 바람 분포를 도시한 것이다. 성층권 고 도에서 북북서 방향의 바람의 영향으로 HDBI, ULDAR를 제외한 관측소에서 성층권 위상 관측이 용이함(Ceff·ratio>1)을 모델을 통해 확인할 수 있다. 반 면, 하부 대기층(b)에서는 서풍의 영향으로 HDBI 관 측소에서 대류권 위상의 관측이 용이하다는 것을 보 여주고 있다. 이러한 폭발 당시의 대기 구조는 Fig. 1의 관측 결과를 잘 설명하고 있다. Ceff·ratio~1 지역에 위치하고 있는 ULDAR 관측소의 경우, 대기 모델을 통해 전파 경로와 위상을 명확히 설명하는데 한계가 있다.

    배열식 관측소에 도달한 음파신호에 PMCC (Progressive Multi-Channel Correlation, Cansi, 1995) 방법을 적용 하여 관측소 기준 음원의 발생 방향인 후방-방위각을 구하고 도달시간 정보와 함께 음원의 위치와 발생시 간을 계산하였다. 음원 위치결정은 베이지안에 기초 한 BISL (Bayesian Infrasound Locator) 방법을 사용 하였다(Modrak et al., 2010). PMCC에서 계산한 후 방-방위각은 앞서 파선추적 방법으로 구한 편향각을 보정하여 위치결정의 정확도를 높였다. Fig. 2b에서 확인되듯이, 하부 대기층에서 동쪽으로 부는 바람이 강하기 때문에 북쪽으로 전파하는 파선은 우측으로 편향하게 된다(Table 1). Fig. 3은 GYEX1, GYEX2 의 음원 위치결정 결과로 두 신호의 발생 위치는 폭 발 지점으로부터 북동쪽 13.6, 16.9 km 떨어진 지점 으로 결정되었다(Fig. 3). 편향각을 보정하지 않고 계 산하면, 위치는 북동쪽으로 보다 이격되어 결정된다. 즉, 파선추적으로 계산한 편향각 보정치가 실제 대기 에서 발생한 편향에 비해 다소 과소평가된 것으로 보인다. 편향각 보정 정확도이외에도, 관측소 별 신 호-대-잡음 비에 따른 후방-방위각 계산 정확도 차이 에 의해 위치결정에 오차가 발생한 것으로 분석된다. 인프라사운드 신호로 결정한 GYEX1과 GYEX2의 발생시각은 14시 13분 48초과 16분 33초로 지진파 신호로 확인된 시간과는 약 25초, 45초의 차이가 있 는데 이는 계산 결과와 폭발 지점 사이의 거리 차이 에 기인한 오차로 분석된다.

    인프라사운드 전파 모델링과 폭발 에너지 추정

    인프라사운드 관측 및 파선추적 결과로부터, 전파 방향에 따른 유효음파속도구조의 차이에 의해 굴절고 도가 변하는 등 관측소별로 전파 경로가 상이함을 확인하였다. 따라서 관측소에 따라 폭발원의 에너지 감쇄가 다를 것으로 예상된다. 본 연구에서는 폭발원 의 에너지 추정을 위하여 다음의 방법을 이용하였다. 먼저, 폭발원으로부터 각 관측소까지의 대기 전파 모 델링을 수행하여 에너지 감쇄 즉 투과손실을 계산한 후 관측 신호로부터 이를 보정하여 폭발 지점으로부 터 일정한 거리(폭발 지점으로부터 100 m 거리)에서 의 기준거리(reference distance) 초과압력 진폭을 계 산하였다. 기준거리에서의 초과압력은 근거리 폭발에 적용 가능한 폭발량-초과압력 관계식에 적용하여 폭 발원의 에너지를 추정하였다.

    대기 속도구조모델과 포물선 방정식(PE, parabolic equation method)을 통해 음원으로부터 각 관측소까 지 인프라사운드의 투과손실을 계산하였다. PE 방법 은 대기층과 수층에서 음파(acoustic) 전파 모델링에 사용되는 방법으로, 인프라사운드 음영대(shadow zone) 경계부에서의 회절효과를 설명하고 작은 규모의 불균 질 대기 층상구조에서의 산란효과를 설명할 수 있어 기존의 고주파수 근사 파선추적 모델링의 한계를 보 완하는 방법이다(Le Pichon et al., 2012). 이 논문에 서는 PE 모델링을 위해 개발된 pape 코드(wide-angle Padé parabolic equation code)를 사용하였다 (Waxler et al., 2015). pape는 거리에 따라 변화하는 대기 구조에서 단일 주파수대역의 인프라사운드 전파 해를 구할 수 있어 장거리 전파에 따른 인프라사운 드 감쇄(투과손실)를 계산할 수 있다. PE 모델링을 위해서는 음원과 각 관측소까지의 대기 속도구조가 필요하며, 앞서 파선추적 모델링에 사용된 ECMWF 수치예보모델을 사용하였다.

    Fig. 4는 음원으로부터 각 관측소까지의 PE 모델링 결과를 도시한 것이다. 2차원 단면도(거리-고도)에서 색깔은 음원 진폭에 대한 상대적인 크기(dB)이며, 짙 을수록 투과손실이 낮은 것을 의미한다. 음원으로부 터 관측소까지 손실이 낮은 포물선 경로는 파선추적 의 전파 경로와 동일하다고 할 수 있다. YMDAR, TJIAR, HSBI (홍성), MGBI (문경) 관측소의 경우, 파선추적 결과와 마찬가지로 약 40 km 성층권 고도 에서 에너지가 굴절되어 관측소에 도달한다. HDBI, ULDAR 관측소는 10 km 이하의 낮은 고도에서 형성 된 빠른 바람의 영향으로 대부분의 에너지가 하부 대기권에 형성된 전파 통로를 따라 2-4회 굴절과 지 표반사를 통해 관측소에 도달하고 있음을 보여준다. KSRS (원주) 관측소는 인프라사운드 음영대에 위치 하고 있어 투과손실이 크다. YPDAR (연평도) 등 350 km 이상 떨어진 관측소에 도달하는 에너지는 성 층권 고도에서 굴절, 지표반사 후 이차 굴절을 통해 에너지가 전파하고 있다. PE 모델링에서도 인프라사 운드 에너지가 하부 대기권을 따라 ULDAR에 도달 하는 것으로 모델링 되어 실제 관측 결과와는 차이 가 있다. 앞서 파선추적 결과에서 설명되었듯이 대기 속도모델이 실제 대기 구조를 정확히 대표하고 있지 못하기 때문에 관측 결과와 차이가 발생한 것으로 보인다.

    PE 모델링 결과로부터 관측지점에서의 투과손실을 계산하였다. 투과손실로부터 관측된 신호의 진폭(Table 1)을 보정하여 음원으로부터 기준거리 100 m 지점에 서의 초과압력 값을 구하여 Fig. 5에 도시하였다. 하 부 대기권을 따라 다중 굴절/반사를 통해 전파한 HDBI, ULDAR 관측소 결과는 제외하였다. YMDAR 에서 KSRS 관측소까지는 대체로 유사한 초과압력 값을 보이고 있다. 반면, 거리 350 km 이상의 관측소 에서는 초과압력이 근거리 관측소에 비해 상대적으로 작게 계산되었다. 이에 대한 원인은 대기 모델이 갖 는 불확실성과 함께 다중반사 경로에 의해 투과손실 이 과소평가된 것으로 해석된다. 이들 원거리 관측소 에 도달한 에너지는 최소 1회 이상 지표면에서 반사 되어 전파한 경로이다(Fig. 4). 본 연구에 사용된 PE 모델링은 편평한 지표면과 전반사를 가정하고 있어 실제 복잡한 지형에 의한 에너지 산란효과가 모델링 에 반영되지 못한 것이 과소평가의 원인으로 판단된 다. 지형효과를 고려한 보다 현실적인 모델링은 본 연구에서 벗어난 주제이나 향후 중요하게 다루어야 할 분야라 할 수 있다. 상기 350 km 이상에 위치하 는 관측소 자료는 음원 크기 결정의 불확실성을 내 포하고 있다고 판단하여 폭발량 계산에서 제외하였다 . SNR이 높고 보다 일관된 진폭결과를 보이는 5개 관측소(YMDAR, TJIAR, MGBI, HSBI, KSRS) 자료 를 사용하여 폭발량을 추정하였다. 이들 관측소로부 터 구한 기준거리 100 m에서 GYEX1의 평균 초과압 력은 약 1,828 Pa이고, GYEX2는 약 3,066 Pa로 계산 되었다.

    폭발원에서 생성된 대기 폭발음(air blast)은 충격파 형태로 일정한 거리를 전파하며, 폭발음 파형(Nshape) 은 초과압력, 지속시간(duration), 펄스 면적 (impulse per unit area) 및 평균 충격파 속도(shock velocity)로 특성화된다. 근거리에서 폭발량에 따른 충 격파의 최대 초과압력(p0)은 다음과 같이 정의된다 (Kinney and Graham, 1985).

    p 0 / P a = 808 [ 1 + ( z 4.5 ) 2 ] 1 + ( z 0.048 ) 2 1 + ( z 0.32 ) 2 1 + ( z 1.35 ) 2
    (2)

    여기서, Pa는 대기압이며, Z = f d R W 1 / 3 는 전파 거리(R) 를 폭발량(W, 1 kg TNT)으로 나눈 스케일 거리 (scaled distance)이다. f d = ( P / P r e f ) 1 / 3 ( T / T r e f ) 1 / 3 는 거리에 따른 대기 전달 인자(atmospheric transmission factor)로 정의된다. 상기 식은 지표면 폭발(chemical explosion) 자료에 대한 해석적 관계식으로 0.053<Z <500 스케일 거리 범위에서 유효하다(Kinney and Graham, 1985).

    상기 식과 투과손실 보정으로 구한 기준거리에서의 초과압력(Fig. 5)으로부터 폭발 에너지를 추정하였다. 대기 전달 인자 fd는 기준 대기압(Pref=1.01325 bars) 과 온도(Tref=15 °C) 및 폭발 사고 당시 광양지역의 지표 대기압(P=1.025 bar)과 온도(T=8.8 °C)로 계산하 였다(기상청, data.kma.go.kr). 예를 들어, 151 km 거 리에 위치하는 YMDAR 관측소의 경우, 투과손실 보 정으로 계산한 기준거리에서 GYEX1, GYEX2의 초 과압력은 각각 2,308, 2,998 Pa이다. 따라서 상기 식 과 스케일 거리로 계산한 폭발 에너지는 각각 20.1, 42.8 kg TNT에 상응한다. 동일한 방법으로 5개 관측 소에서 추정한 GYEX1, GYEX2의 폭발량을 계산하 여 Table 1에 정리하였다. 전파 거리 300 km 이내 5 개 관측소에서 계산한 1차와 2차 폭발의 평균 폭발 량은 14, 65 kg TNT에 상응하는 것으로 계산되었다. 폭발량은 관측소에 따라 편차를 보이고 있는데 이는 대기 속도구조가 내포하는 불확실성에 따른 투과손실 차이 및 실제 관측환경에 따른 신호 진폭 측정의 오 차에 의한 영향으로 판단된다.

    폭발 파편 운동을 통한 폭발 에너지 추정

    인프라사운드 신호진폭을 LANL 관계식(식 (1))에 적용하여 GYEX1과 GYEX2의 폭발량을 계산하였다. 폭발 지점으로부터 관측소까지 성층권 고도 50 km에 서의 바람 속도(VS)를 ECMWF 수치예보모델에서 추 출하여 사용하였다. 성층권 위상이 관측된 10개 관측 소에서 계산한 GYEX1과 GYEX2의 평균 폭발량은 각각 8.7, 18.1 tons TNT로 앞서 구한 결과와 큰 차 이를 보이고 있다. 폭발 사고의 규모에 대한 정보가 없기 때문에 LANL 관계식 계산 결과의 검증은 어려 우나, 지진파 규모(0.5 ML, 0.6 ML)가 작고 폭발영상 이 보여주는 폭발 규모로 판단해 볼 때, LANL 관계 식으로 추정한 폭발량은 비현실적으로 큰 값이라 평 가된다. LANL 관계식은 굴절고도를 성층권 고도 50 km로 가정하여 구한 경험식이나, 실제 광양폭발의 경우 굴절고도는 약 40 km로(Fig. 4) LANL 관계식 이 대기 속도구조에 따른 전파 특성을 충분히 반영 하고 있지 못한다고 볼 수 있다. 또한 성층권 바람 정보(VS)는 폭발량 계산 결과에 많은 영향을 주는 반 면, 사용 가능한 풍속에 대한 제한이 없기 때문에 폭 발량 계산이 안정적이지 못하다는 한계도 있다.

    현장조사를 통해 폭발 사고 원인과 규모를 확인할 수 있으나 폭발과 화재에 의해 증거물이 대부분 훼 손됨으로써 폭발 크기를 정량화하기는 쉽지 않다. 사 고 전 화약 등 폭발물의 양이 구체적이라면 폭발 에 너지 추정치를 검증할 수 있다. 그러나 본 연구에서 다루고 있는 폭발은 압축설비 실험과정에서 발생한 가스 폭발로 알려져 있어, 폭발의 규모(e.g., TNT)를 정량적으로 정의하기 어렵다. 따라서 앞서 제시한 폭 발원 크기에 대한 계산 결과를 검증하는데 한계가 있다.

    1차 폭발(GYEX1) 과정에서 대형 파편이 포물선 운동하는 장면이 차량용 블랙박스 및 CCTV 등에서 목격되었다(Fig. 6). 확인된 파편의 운동을 통해 폭발 에너지를 간접적으로 추정해 보고자 한다. 사고 당시 기록된 영상에서 확인된 파편은 원판 모양의 부속물 로 폭발 충격에 의해 사고 지점으로부터 서쪽으로 약 290 m 비행하여 이순신대교 난간에 떨어졌다. 파 편의 비행시간은 약 15초이며, 무게는 100 kg으로 알 려졌다. 공기 중 마찰을 무시하고 단순한 포물선 운 동을 가정하면 폭발 충격에 의한 파편의 초속은 약 76 m s−1에 해당한다. 폭발로 야기되는 충격파는 폭발 원점과 근접하고 있는 다양한 부속품 혹은 시설물에 순간적으로 힘을 가하며, 부속물은 가해진 힘에 비례 하여 초속운동으로 일정 거리를 비산하게 된다. 파편 에는 폭발물과의(화약 등) 직접적인 접촉을 통해 운 동에너지를 가지는 일차 파편(primary fragments)과 폭발로 발생한 충격파(shock wave)로부터 힘을 받아 운동하는 이차 파편(secondary fragments)으로 구분된 다(Baker et al., 1983). 충격파와 고체 파편의 상호작 용으로 발생하는 초기 속도는 초과압력과 다음의 관 계가 성립한다.

    v i = A m I
    (3)

    여기서, A는 충격파가 닿는 파편의 표면적(m2), m은 파편 질량(kg), I = 1 2 p 0 t d 는 충격파의 펄스 면적(Pa· sec) 이다(Dostal et al., 2012). 펄스 면적은 폭발음의 지속시간

    t d / W 1 / 3 = 980 [ 1 + ( z 0.54 ) 10 ] [ 1 + ( z 0.02 ) 3 ] [ 1 + ( z 0.74 ) 6 ] 1 + ( z 6.9 ) 2
    (4)

    과 초과압력으로 계산할 수 있다(Kinney and Graham, 1985). 이 식에서 사용되는 스케일 거리(Z)는 폭발 지점과 파편 간의 거리로 정의되어야 한다. 폭발 원 점으로부터 파편까지의 거리가 0.5, 1.0, 2.0 m로 가 정할 경우, 식 (3)-(4)로부터 이차 파편에 가해진 에 너지는 각각 9, 49, 270 kg TNT로 스케일 거리가 증 가할수록 큰 에너지가 필요하다. 원점과 파편 간의 정확한 거리는 확인되지 못하였으나, 발견된 파편에 그을음이 끼어 있고 증기를 발산하며 비행하는 것으 로 판단해 볼 때 파편은 충격파 발생 원점과 매우 가까웠을 것으로 생각된다. 따라서 약 1 m 이내로 근 접한 것으로 가정한다면 폭발량(49 kg TNT 이하)은 앞서 인프라사운드 투과손실 보정으로 구한 GYEX1 의 폭발량(14 kg)과 어느 정도 일치한다고 할 수 있다.

    결론 및 토의

    지구관측 기술의 하나인 인프라사운드 관측을 통해 지표폭발 사고의 위치, 폭발량을 추정하고 대기 속도 구조에 따른 인프라사운드 장거리 전파 특성을 살펴 보았다. 지진파 및 인프라사운드 신호를 통해, 2019 년 12월 24일 발생한 광양제철소 폭발 사고는 약 145초 간격의 두 차례 폭발로 확인되었다. 또한, 지 진파 규모로 볼 때 두 번째 폭발이 첫 번째에 비해 컸던 것으로 확인되었다. 당시 대기 음파속도구조는 성층권 약 40 km 고도에서 북북서 방향으로 부는 바 람의 영향으로 내륙에 분포하는 인프라사운드 관측소 에서 성층권 위상의 관측이 용이하였다. 반면, 대류 권 약 10 km 고도에서는 동쪽으로 부는 바람의 영향 으로 폭발원으로부터 동쪽에 위치하는 HDBI 관측소 에서는 수평전파속도가 333 m s−1에 이르는 대류권 위상이 관측되는 특징을 보였다.

    근거리에서 유효한 초과압력-폭발 에너지 관계식을 이용하여 폭발량을 추정하였다. 관계식을 적용하기 위해 PE 전파 모델링을 수행하여 기준거리에서의 초 과압력을 계산하였다. 이로부터 구한 1차와 2차 폭발 규모는 14 kg과 65 kg TNT에 상응하는 폭발로 분석 되었다. 이와는 별도로, 폭발 충격으로 발생한 이차 파편을 통해 추정한 1차 폭발의 에너지는 약 49 kg 이하 TNT 폭발로 추정하였다. 상기 대기 전파 투과 손실 보정을 통한 원거리 지표폭발 에너지 추정 방 법은 인프라사운드 장거리 전파 모델링의 정확도, 대 기 속도구조의 시공간적 해상도에 영향을 받기 때문 에 결과에는 어느 정도 불확실성을 내포하고 있어 향후 이를 보완할 수 있는 추가 연구가 필요하다.

    국내 인프라사운드 관측 기술은 한반도 지역을 대 상으로 시공간적으로 발생하는 인공지진(대규모 지표 발파 등)을 감시하는데 사용되고 있다. 특히, 지진에 비해 상대적으로 인프라사운드를 충분히 발생시키는 지표발파에 대한 식별에 매우 유용한 기술이다. 지진 관측 분야에는 인공지진의 규모와 에너지를 추정하는 다양한 경험식과 이론식이 존재하나, 인프라사운드를 이용한 폭발량 계산식에 대해서는 아직 충분한 연구 가 진행되어 있지 못하다. 본 연구에서 제시한 방법 을 통해 일차적으로 다양한 원거리 지표폭발의 폭발 크기(폭발량)를 제시할 수 있으리라 본다. 지표폭발에 따른 지진관측 자료도 가용하다면, 두 관측 기술을 동시에 사용하여 지표폭발 에너지 추정 결과의 신뢰 도를 높일 수 있다. 지표폭발이외에도 낙하 유성 등 대기권 폭발에 대한 폭발량 추정에도 사용이 확대될 수 있으며, 향후 인프라사운드 규모식을 개발하는 데 에도 이용 가능하리라 본다. 다만, 인프라사운드 장 거리 전파가 역동적으로 변화하는 대기 구조에 많은 영향을 받기 때문에, 대기 속도구조가 내포하는 불확 실성에 대한 연구와 다양한 지상검증자료 획득을 통 해 본 연구에서 제시한 인프라사운드 규모(폭발량) 추정 방법에 대한 검증이 병행되어 신뢰도를 높일 필요가 있다.

    사 사

    유럽중기예보모델(ECMWF)을 제공한 CTBTO/PTS (Provisional Technical Secretariat)에 감사드립니다. 본 연구는 한국지질자원연구원 주요사업인 ‘지진활동 추적 및 관측자료 통합관리기술 개발(GP2020-017)’ 과제의 일환으로 수행되었습니다.

    Figure

    JKESS-41-5-478_F1.gif

    Seismic and infrasound signals observed from the accidental explosions at Gwangyang city on December 24, 2019. (a) Seismic signals recorded at GYWB borehole seismic station. (b) Infrasound records at 12 stations. Waveforms are aligned as a function of epicentral distances. Two explosion signals are highlighted with black. Red inverted triangles denote theoretical arrival times predicted from ray-tracing simulations. Green and red patches indicate the horizontal propagation velocity (celerity) range of 260-300m s−1 for the two sequential explosions, respectively. (c) Infrasound signals of the second explosion at the selected stations, YMDAR, TJIAR, MGBI, HSBI, and KSRS.

    JKESS-41-5-478_F2.gif

    Distributions of the effective sound velocity ratio (Ceff·ratio) and winds (arrows) at the altitude of ~40 km (a) and ~10 km (b). Dotted lines indicate Ceff·ratio=1, where the effective sound velocity at the altitude is same to that of ground level. Red star is the location of explosion site. Infrasound stations are marked with an inverted triangle.

    JKESS-41-5-478_F3.gif

    Infrasound source location results for the surface explosions at Gwangyang city. The lines are the wind-corrected backazimuths (blue: GYEX1, red: GYEX2) from infrasound stations (solid hexagons). The star denotes the location of the accidental explosion site. Blue and white dots indicate the infrasound location results for the first (GYEX1) and second (GYEX2) explosions, respectively. Also, the ellipses are the 95% confidence levels for the location results obtained by the Bayesian infrasound source location method (Modrak et al., 2010).

    JKESS-41-5-478_F4.gif

    PE propagation modeling results for the 12 stations (inverted triangle). Mean transmission loss is estimated within rectangles area covering the stations. Left panels show the effective sound velocity structure in the propagation path from the explosion site to each station.

    JKESS-41-5-478_F5.gif

    Estimates of source pressure (Pa) at the reference distance of 100 m from explosion site based on transmission loss correction for the observed amplitudes. The source pressures for the first and second explosions are denoted with squares and circles, respectively. Grey patch indicates the region where infrasound signals arrive at stations after experiencing at least one ground-bound (reflection).

    JKESS-41-5-478_F6.gif

    Snapshot of a blackbox record showing the trajectory of a flying fragment during the first explosion. (https:// www.youtube.com/watch?v=3rd333oXY8g)

    Table

    Infrasound wave and source parameters for GYEX1 and GYEX2 explosions

    Reference

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