이번에는 과연 그럼 지진의 크기와 규모는 어떻게 산정이 되는지에 대한 이야기를 해볼까 합니다.
지진의 크기를 나타내는 척도로서 일반적으로 진도와 규모라는 말이 사용된답니다.
많은 사람들이 진도와 규모의 정확한 개념을 알지 못하여 신문이나 언론에서조차 이 용어를 잘못 사용하고 있는 실정입니다. 이번에 확실한 개념 파악을 하시면 지진이 일어났을 때 또는 신문에 난 지진관련 기사들을 볼 때 여러분들은 친구들에게 잘난체(?) 할 수 있을 것으로 판단됩니다.(원호생각!!!)
규모(Magnitude)의 정의
규모란 발생한 지진에너지의 크기를 나타내는 척도로서 지진계에 기록된 진폭(지진의 크기)을 진원의 깊이와 진앙까지의 거리 등을 고려하여 지수로 나타낸 것입니다. 장소에 관계없는 절대적 개념의 크기이지요!
지금부터 하는 이야기는 크게 중요한 사항은 아닙니다. 이런내용이 있었구나라고 읽어만 보시고, 끝부분에 반드시 기억해야 할 사항에서 정리한 내용만 기억을 해두시면 좋겠습니다.
(1) 리히터 지역 규모(Richter Local Magnitude, ML)
지진의 규모를 나타내는 규모 중에서 가장 일반적으로 적용되고 있는 것입니다. 자! 그러면 리히터 규모에 대해서 설명을 드리지요! 1930년대로 거슬러 올라갑니다.
당시에 지진계를 만드는 회사중에 Wood Anderson 이라는 회사가 있었답니다. 지진계측기의 이름도 Wood Anderson 이지요!
1935년에 Bero Gutenberg라는 사람과 California Technology Institute(우리가 소위 칼텍이라고 부르는 곳, 이곳에 있는 Pasadena라는 도시는 바로 미국 우주항공 산업에 관한 연구가 가장 활발하게 진행되는 곳이지요! 이곳에서 계측된 지진데이타를 지진공학에서는 거의 standard form으로 인정하고 있음)의 교수로 재직중이던 Charles. F. Richter가 천문학자들로부터 수행된 연구에서 아이디어를 얻어 '규모(Magnitude)'라는 개념을 처음으로 도입하여 Richter Scale이라는 것을 제안하였답니다. 이때의 규모의 의미는 리히터가 남부 캘리포니아에서 Wood Anderson 지진계를 사용하여 진앙지로부터 100km까지 추적하여 측정된 지반운동의 최대진폭을 마이크로미터(micrometer)로 표시하고 상용대수(logarithm of base 10)를 취하여 얻은 값을 지진의 규모라고 제안하였습니다.
만약 이 개념을 오늘날 적용 할려면 두가지 치명적인 문제점이 있습니다.
첫 번째는 과연 요즘 같은 시대에 이 구닥다리 Wood Anderson 지진계를 구할 수 있느냐의 문제입니다. 박물관에 가야 간신히 볼 수 있는 물건이지요!
두 번째는 만약 지반운동 기록이 100km에서 측정이 안되면 어떻게 해야 하느냐의 문제이지요! 실제 이 경우에는 특정한 그래프를 사용하여 100km에서 측정된 것으로 번역을 할 수 있습니다. 이 그래프를 유식한 말로는 Attenuation Form 이라고 하지요! 정확한 값이라고는 할 수 없습니다.
그래서 1956년에 바로 수정된 규모의 개념을 리히터가 발표하였습니다. 에너지의 개념을 도입하였지요! 그래서 나온식이 그 유명한 지진규모 산정식인 바로 다음식입니다.
Log E = 11.8 + 1.5 Ms ----------(1)
여기서 에너지 E의 단위는 erg이며, Ms는 표면파 규모(surface wave magnitude)이지만, 1983년 Kanamori 라는 사람이 모멘트규모(Mw)의 사용도 가능하다고 발표하였습니다.
여기서 잠깐! 잠시 짚고 넘어가야겠군요! 리히터 지역규모(ML) 외에 규모를 나타내는 몇가지가 있습니다.
① 표면파 규모(surface wave magnitude : Ms)
② 실체파 규모(body wave : Mb)
③ 모멘트 규모(moment magnitude : Mw)
이 세가지에 대한 구분은 생략하겠습니다. 이해하기 쉽게 설명을 할려면 복잡한 단어가 나오게 됩니다. 대충만 설명을 드리면, 표면파와 실체파는 지진파의 특성 자체를 고려하여 규모를 산정하는 것이고, 모멘트 규모라는 것은 지진에 의하여 지각이 파괴되었을 경우에 깨어진 지각의 깊이와 넓이 등을 고려하여 지진의 규모가 어느정도 되는지 판단하는 것입니다. 자세한 설명을 원하시는 관심있으신 분은 개인적으로 연락 바랍니다. 여기서 중요한 사실은 앞서 말한 ML은 지진계 부근에서 발생하는 조그만 규모의 지진을 평가하는데는 적정하지만, 규모가 큰 지진의 경우에는 가까운 곳에서 Wood Anderson 지진계로는 계측이 불가능하고 평가하기가 힘듭니다. 그래서 어느 정도 거리가 있는 멀리서 계측을 해야 하는 것이 더욱 적절하기 때문에 규모 산정식에서 바로 Ms 항이 포함된 것이지요!
(2)국내에서의 규모 산정식
일본과 한국의 기상청에서는 사용하는 지진규모 산정식은 깊이 60km 이하의 천발지진의 규모결정에 사용되는 1954년의 Tsuboi 공식을 사용하여 규모를 결정합니다.
M=1.73 logA + logB - 0.83 ----------(2)
여기서, A : 진앙거리(단위:km)
B = sqrt(MN^2 + ME^2) ×1000 / 배율 : 수평2진동 진폭의 합성값
MN : 남북방향 지진, ME : 동서방향 지진
즉, 지진동의 수평최대진폭으로서 기록지의 수평 그 성분합성치를 그 주기에 해당하는 바로 나눈 값입니다. 이해를 돕기위하여 예제를 하나 보겠습니다.
예) 진앙거리 180km 인 지진파 기록에서 S파 최대 진폭 MN(남북방향)=6mm ME(동서방향)=8mm이며 그 주기가 0.25초 일경우에 규모 M을 계산하면?
(단 지진계 배열은 3∼5 Hz의 진동에 대하여 15,000배임)
답) B = sqrt(6^2 + 8^2)×1000/1500, A = 180km 이므로
M = 1.73 log180 + log0.67 - 0.83 = 2.9
위의 식들에 대한 과학적인 근거는 지진학자들에 의하여 지진의 규모는 지진으로 방출된 파동에너지에 비례한다는 사실이 밝혀져 적용이 되었습니다.
그러니까.... 식(1)에서 보시면 규모 6.0의 지진파 에너지는 규모 5.0의 지진파 에너지의 약 32배이고 규모 4.0 과는 지진파 에너지의 차이가 거의 1,000 배에 이릅니다. 이것은 여러분의 집이 1,000 배정도 더 심하게 흔들린다는 말은 아니라 더 큰 에너지는 더 오랫동안 지속되고 더 넓은 지역까지 에너지가 방출되는 거죠. 지진에너지가 주로 원자폭탄이랑 비유가 되는데 참고로 히로시마 원폭(20 Kton)의 경우 8.4×10^2의 에너지를 가지고 있으며 지진의 규모 M=6.1에 해당합니다.
그럼 이제부터 재미있는 산수를 한번 해보겠습니다.
예)우리나라 홍성에서 1978년에 리히터 규모5.0 인 지진이 있었습니다. 그리고 1964년에 미국 알래스카에서는 리히터 규모 8.4의 지진이 있었습니다. 이 두 지진의 에너지 방출량의 차이는 얼마가 되겠습니까?
답) 식을 이용하여 구할 수도 있지만은 제가 한가지 간단한 방법을 제시하겠습니다. (이것은 제가 제시한 것이 아니라 저의 지도교수님이신 이동근 교수님께서 말씀해 주신 방법임)
먼저 규모 2.0의 차이는 지진의 방출에너지 1000배의 차이고, 0.2의 차이는 방출에너지 2배의 차이지요! 그러므로 두 지진은 규모가 3.4가 차이이므로
3.4 = 2 + 0.2×7 로 표현을 할 수 있습니다. 앞의 2는 1000단위로 계산하기 위해서 사용하였고 뒤의 0.2는 2의 승수로 계산하기 위해서 사용하였습니다. 그러므로 지진 방출에너지 차이는 1000×2^7=128000배입니다. 간단하지요!
다음 그림은 지진의 규모를 방출에너지 그리고 원자폭판의 위력과 비교한 표입니다.
마지막으로 명심하셔야 할 사항은 규모의 표시는 반드시 아라비아 숫자로 소수점 첫째자리까지 표시하여야 합니다. (예 : 규모5.6)
진도(Intensity)의 정의
진도는 다음의 몇가지 사항으로 정의할 수 있습니다.
① 지진의 크기를 나타내는 가장 오래된 척도
② 어떤 장소에서 지반진동의 크기를 사람이 느끼는 감각, 주위의 물체, 구조물 및 자연계에 대한 영향을 계급별로 분류시킨 상대적 개념의 지진크기
③ 정성적으로 표현된 지진의 피해는 역사적인 기록에서도 찾아낼 수 있으므로 역사적인 크기를 나타낼 때도 사용
④ 지진 발생시 지반의 운동정도를 평가하는데 사용되며 정밀하지는 않지만 지형적으로 다른 지역의 지진효과의 비교, 지진피해 평가 등에도 응용될 수 있음
(1) 진도의 종류
진도의 종류에는 규모라는 말이 통요되기 전부터 각 지역마다 여러 가지 다른 진도계급이 이용되어 왔습니다.
① 1880년대에 개발되어 수십년간 사용된 로씨-포렐(Rossi-Forel, RF)진도는 Ⅰ∼Ⅹ 등급을 사용
② RF 진도 이후 각 나라에서는 각국의 실정에 맞게 수정하여
- 미국에서는 12등급의 수정머켈리(Modified Mercalli, MM)진도
- 중동부 유럽에서는 MSK(Medvedev Spoonheuer-Karnik)진도
- 일본에서는 8등급의 기상청(J메무 Meteorological Agency, JMA)진도를 사용, 최근 에는 각 등급간의 중간등급을 설정하고 있음(예, 1.5등급)
(2) 진도의 특징
① 진도표시는 모두 로마숫자의 정수로 표기가 된다. (예 : JMA진도 Ⅵ)
② 진도는 보통 지진이 발생한 후에 지진을 경험한 사람들과의 인터뷰를 통해 정해짐
③ 미국의 경우 우편조사를 통하여 진도결정에 필요한 인터뷰가 시행되며 지진이 자주 발생하는 지역에서는 지진경험이 많은 시민들이 주축이 되어 감정이 개입되지 않고 객관적으로 진도를 결정할 수 있도록 훈련을 하고 있음
④ 진도는 지진측정계기보다 사람이나 건물들이 더 넓게 분포하고 있으므로 특정지역의 땅의 진동분포를 더 합리적으로 표시한다고 할 수 있음
⑤ 진도는 일반적으로 진앙에 가까울수록 커지며 때때로 진앙진도(epicentral intensity)라는 용어가 지진의 크기를 대략적으로 설명할 때 쓰여지기도 한다.
다음은 현재 가장 많이 사용되고 있는 미국의 수정머켈리진도의 각 등급에 대한 내용입니다. 여러분들이 만약 지진을 경험하여 다음에 제시하는 내용 중에서 한가지를 경험하였다면 그것이 바로 진동 등급이 되는 것입니다.
(3)12등급의 수정머켈리(Modified Mercalli, MM)진도
I. 사람은 전혀 느낄 수 없다.
II. 휴식을 취하고 있거나 높은 빌딩의 높은 층에 있는 사람들 같이 소수의 사람만이 느낀수 있다.
III.실내에 있는 많은 사람들이 느낀다. 매달린 물체가 흔들린다. 실외에 있는 사람들은 느끼지 못할 수 있다.
IV. 실내에 있는 대부분의 사람들이 느낀다.밤에는 잠을 깨운다. 그릇, 창문, 문등이 소란하며 벽이 갈라지는 소리를 낸다. 대형 트럭이 벽을 받는 느낌을 준다. 정지하고 있는 자동차가 뚜렷하게 움직인다.
V. 거의 모든 사람들에 의해 느낀다. 많은 사람들이 잠을 깬다. 약간의 그릇과 창문등이 깨지고 불안정한 물체는 넘어짐. 나무, 전선주, 다른 높은 물체의 교란이 심하다.추시계가 멈춤.
VI. 모든 사람들이 느낀다. 걷기가 어려움. 선반에 있는 물체가 떨어진다.벽에 걸려있는 액자가 떨어진다. 가구가 움직인다.나무가 흔들린다. 튼튼하지 않은 건물에 약간의 피해가 있다.
VII. 사람들은 서있는데 어려움을 느끼고 운전자는 차가 흔들리는 것을 느낀다. 아주 잘 설계되었거나 건축된 건물에서는 피해가 무시될 수 있고, 보통 건축물에는 약간 피해가 있으며, 열등한 건축물에는 아주 크게 피해를 입는다. 굴뚝이 무너지고 운전하고 있는 사람들이 느낄 수 있다.
VIII. 특별히 설계된 구조물에는 약간 피해가 있고, 보통 건축물에는 부분적 붕괴와 더불어 상당한 피해를 일으키며, 열등한 건측물에는 아주 심하게 피해를 준다. 창틀로부터 무너진 창벽, 굴뚝,공장 재고품,기둥,기년비,벽들이 무너진다. 무거운 가구가 뒤집어진다. 모래와 진흙이 나온다. 우물물의 변화가 있고 운전자가 방해를 받는다.
IX. 특별히 설계된 구조물에 상당한 피해를 준다. 잘 설계된 구조물은 기울어짐. 실제 구조물에는 큰 피해를 주며, 부분적으로 붕괴를 한다. 건물은 기초에서 벗어난다. 당에는 금이 명백하게 간다. 지하 파이프도 부러진다.
X. 잘지어진 목조구조물이 파괴된다. 대개의 석조건물과 그 구조물이 기초와 함께 무너진다. 땅에 심한 금이간다. 철도가 휘어지다. 산사태가 강뚝이나 경사면에서 생기며 모래와 진흙이 이동된다. 물이 튀어 나오며, 뚝을 넘어 쏟아진다.
XI. 남아있는 석조 구조물은 거의 없다. 다리가 부서지고 땅에 넓은 균열이 간다. 지하 파이프가 완전히 파괴된다. 연약한 땅이 푹꺼지고 지층이 어긋나간다. 기차선로가 심하게 휘어진다.
XII. 전면적 피해 지표면에 파동이 보인다. 시야와 수평선이 뒤틀린다. 물체가 하늘로 던져진다.
다음은 일본에서 적용되는 8등급의 기상청(Japan Meteorological Agency, JMA)진도를 나타낸 것입니다.
(4) JMA 진도
반드시 기억해야 할 사항
국제적으로 지진의 규모(magnitude)는 소수 첫째자리까지 아라비아 숫자로 표기하고 진도는 정수단위의 로마숫자(Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ 등)로 표기하는 것이 관례입니다.
(1) 규모에 대한 표기
- 틀린 표기법 -
『리히터 지진계로 진도 5.6의 지진』
- 옳은 표기법 -
『리히터 스케일 5.6의 지진』 혹은『리히터 규모 5.6의 지진』아니면 단순히 『규모 5.6의 지진』이라고 표현해야 합니다.
(2) 진도에 대한 표기
- 틀린 표기법 -
『진도 5.6』
- 옳은 표기법 -
『규모 5.6』으로 변경하던지, 『진도 Ⅴ』라고 표현하는 것이 옳은 표기법입니다.
(3) 기타 틀린 표기법
『강도』라는 표현은 결국 『진도』에 해당하는 뜻으로 해석할 수 있으나 사용하지 않는 용어입니다. 그리고 신문이나 잡지 기사에서 보면 리히터 지진계라는 용어가 있는데, 이러한 기계는 존재하지 않습니다.
(4) 진도에 대한 정확한 표현
앞서 살펴보았듯이 진도에 대한 표현도 각국의 규준마다 다르기 때문에 만약 더욱 더 정확한 표현을 한다면 어떠한 진도 등급을 적용하였는지도 밝혀야 됩니다.
왜냐하면 그냥 진도Ⅶ이라고 하면 일본 기준인 JMA 진도에서는 지진의 피해 중에서 최악의 상황을 나타내지만, 수정머켈리진도(MM)을 비롯한 다른 대부분의 나라에서는 같은 정도의 지진피해를 진도XII 정도로 정하기 때문에 매우 혼란을 초래할 수 있습니다. 더욱이 우리나라의 경우는 국내지진의 경우 규모 및 진도 표기는 일본 기준에 따라가는 것이 일반적이지만 외국의 지진기사를 다루는 경우에는 리히터 규모, MM진도 등을 사용하는 등 매우 갈팡질팡 하고 있는데 사실입니다.
언론이나 신문사의 과학부에 종사하는 기자 여러분들의 정확한 용어 사용을 촉구하는 바입니다.
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