지구자유진동
지구자유진동(地球自由振動, Free Oscillations of the Earth)은 규모 M8이 넘는 거대지진이 발생할 때 지진파가 지구를 여러 바퀴 돌면서 지구 전체에 관측되는 일종의 자유진동 현상을 의미한다.[1] 정상파의 일종으로, 크게 3가지 진동 모드(Normal mode)가 존재한다.[2]
지구자유진동을 처음으로 관측한 지진은 1960년 칠레 발디비아 지진(모멘트 규모 Mw 9.5)이다.[3][4][5] 그 외에도 2004년 인도양 지진해일[6](모멘트 규모 Mw 9.1~9.3)에서나 2011년 도호쿠 지방 태평양 해역 지진(모멘트 규모 Mw 9.0~9.1)에서도 지구자유진동을 관측했다.[7]
역사
1911년 어거스터스 에드워드 허그 러브는 이론적으로 지구만한 구형 철은 대략 1시간의 주기를 가지고 자유진동함을 알아냈다.[8] 1952년 세베로쿠릴스크 지진이 발생했을 당시 휴고 베니오프는 약 57분의 주기를 가지는 지구의 자유진동을 자신이 발명한 지진계로 발견하였으나 관측한 진동이 지구자유진동이 맞는지 논란이 이어졌다.[9][10] 하지만 1960년 칠레에서 발생한 지진으로 분명한 자유진동으로 보이는 지진파 자료가 관측되어 이후 지구자유진동이 실존함이 확인되었다.[2]
특성
지구자유진동은 일종의 정상파로, 서로 반대방향으로 이동하는 두 표면파가 만나며 서로 간섭해서 발생하는 결과이다. 레일리파의 간섭은 구형진동 S를, 러브파의 간섭은 환상형진동 T를 만들어낸다. 여기서 자유진동의 모드(mode)는 nSlm와 같이 3개 계수로 구분할 수 있는데, 여기서 l은 각차수(혹은 구면 조화 정도), m은 방위각차수이다. 이 값은 −l에서 +l까지 2l+1의 값을 가질 수 있다. n은 원심각차수이다. 이는 구 반경에 n개의 마디가 존재하는 파동이라는 의미이다. 구대칭인 지구의 경우에는 주어진 n과 l의 주기가 m과 관련이 있지 않다.[11]
종류
이론적으로 층상 구조를 가진 지구는 각각 서로 다른 주기를 갖는 무한한 형태의 자유진동이 가능하고, 이 다른 형태의 진동을 하나의 모드(mode)라고 부른다. 대표적인 지구자유진동의 3가지 모드는 아래와 같다. 모든 모드의 진폭은 커도 최대 수 mm를 넘지 않는다.[2]
- 풍선 모드(모드 S, 주기 20.5분): 지구 전체가 수축했다 팽창을 반복한다.
- 풋볼 모드(모드 P, 주기 53.9분): 지구가 고무공처럼 한쪽으로 늘어났다 다른 방향으로 늘어나길 반복한다.
- 트위스트 모드(모드 T, 주기 40.0분): 지구가 대원을 축으로 뒤틀리길 반복한다.
구형 자유진동의 대표적인 예로는 지구 전체가 팽창과 수축을 반복하며 주기가 약 20분인 호흡모드 혹은 풍선모드 0S0과, 두 방향을 번갈아가며 늘어났다 줄어들었다를 반복하는 주기 약 54분의 럭비모드 혹은 풋볼모드 0S2가 있다. 0S1 모드의 경우에는 지구 무게중심의 변화를 수반하는 외력이 필요하기 때문에 지진만으로는 발생하지 않는다.[11]
기본 환상형 자유진동 모드 중 0T1은 지구 자전속도의 변화를 말하지만 그 변화속도는 굉장히 느리기 때문에 일반적인 지진학에서는 큰 의미를 가지지 않는다. 트위스트모드 0T2 모드는 북반구와 남반구가 서로에 대해 비틀어지는 운동으로 주기는 약 44분이다.[11]
같이 보기
각주
참고 문헌
- 이기화 (2016년 10월 30일). 박상준, 편집. 《모든 사람을 위한 지진 이야기》 1판. 서울: 사이언스북스. ISBN 978-89-8371-730-6.
- Shearer, Peter M. (2009). 《Introduction to Seismology》. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-88210-1.
- Sarva Jit Singh; Sunita Rani (2019년 12월 20일). “Free Oscillations of the Earth”. 《Encyclopedia of Solid Earth Geophysics》: 1-10. doi:10.1007/978-3-030-10475-7_160-1. ISBN 978-3-030-10475-7. 2023년 1월 4일에 확인함.
외부 링크
- (일본어) 지구자유진동 - 도쿄 대학 지진연구소