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- 산은 낙석을 더 잘 예측할 수 있도록 센서 측정 네트워크로 오랫동안 면밀히 모니터링
- 해발 4,478m의 정상, 남북 방향으로 수 나노미터에서 마이크로미터까지 앞뒤로 흔들려
- 지하의 자연적인 미세 진동을 증폭시키는 공명 효과에 의해 발생
- 지반 진동이 증폭되는 지역은 산이 지진을 겪을 때 산사태와 낙석에 더 취약

마터호른이 흔들린다.
공명 효과로 알프스 정상이 일정한 간격으로 앞뒤로 진동한다.

거대하고 움직이지 않음:
측정 결과에서 알 수 있듯이 스위스 알프스의 마터호른은 끊임없이 움직인다.
해발 4,478m의 산 정상은 남북 방향으로 수 나노미터에서 마이크로미터까지 앞뒤로 흔들린다. 이러한 진동은 지하의 자연적인 미세 진동을 증폭시키는 공명 효과에 의해 발생한다. 연구원들이 설명하는 것처럼 산이 클수록 이러한 공명 진동은 정상에서 더 강하고 느리다. 

▲ 마터호른의 정상은 끊임없이 약간 앞뒤로 움직인다.

단단한 암석으로 만들어진 산, 암석 기둥 및 기타 구조물은 견고하고 내구성이 있어 보인다.
그러나 미국 연구원들이 2015년 유타의 암석 아치를 지진으로 "도청"했을 때 발견한 것처럼 거대한 암석층도 진동할 수 있다는 사실을 바꾸지는 않는다. 암석의 이러한 "윙윙거리는 소리"의 이유는 암석 아치의 암석으로부터의 공명으로 증폭되는 지하의 지진 진동 때문이다.

정상에서 센서로 "도청“

"우리는 그러한 진동이 마터호른과 같은 큰 산에서도 감지될 수 있는지 알고 싶었다"고 뮌헨 공과 대학의 Samuel Weber가 말했다. 4,478m 높이의 마터호른은 알프스에서 가장 높은 산 중 하나이며 인상적인 정상으로 유명하다. 동시에 산은 무엇보다도 낙석을 더 잘 예측할 수 있도록 센서 측정 네트워크에 의해 오랫동안 면밀히 모니터링됐다.

▲ 마테호른 정상에 센서 부착 @ Jan Beutel

 
Weber와 그의 팀은 이제 이러한 측정 네트워크와 함께 스위스 동료들의 경험을 활용해 마터호른 정상과 북동쪽 능선의 비상 대피소인 Solvay bivouac에 추가 센서를 설치했다. 산기슭에 있는 또 다른 측량대가 기준이 됐다. 지진계는 산의 모든 움직임을 고해상도로 기록했다.

마터호른이 움직인다

측정 데이터 평가 결과:
마터호른 정상은 수 나노미터에서 마이크로미터로 끊임없이 앞뒤로 흔들리고 있다.
이러한 진동은 0.42Hz의 주파수를 가지며 남북 방향으로 진행되며 두 번째 진동은 동서 방향으로 유사한 주파수로 진행된다. 이 진동을 약 80배 가속하면 윙윙거리는 소리까지 들을 수 있다.

▲ 그림 1. Matterhorn 연구 장소 및 센서 설치 개요. a) 정상 오른쪽 수평선에 Hörnli 능선이 있는 마테호른의 동쪽 측면을 보여주는 비스듬한 항공 사진. 지진 관측소는 정상(MH54)과 Solvay 오두막(MH48)에 설치되었으며 로컬 기준 관측소는 근위 빙하 포필드(MH52)에 있습니다. 삽입된 스위스 내 연구 지역 위치. b) 스테이션 위치가 표시된 연구 지역의 지형(지리 데이터 출처: 연방 지형 사무소). c-e) 지진 관측소의 사진. (출처: 관련논문 Spectral amplification of ground motion linked to resonance of large-scale mountain landforms)

우리 인간이 느낄 수 없는 이 산의 움직임은 유타의 암석 아치와 같은 공명 효과에 의해 발생한다. 지하에서는 먼바다의 조수, 바람, 가벼운 지진 및 인간 활동이 끊임없이 발생한다. 미세한 진동을 일으킨다. 이러한 미세 진동은 산의 암석에 의해 흡수돼 물질의 자연 진동에 해당하는 주파수로 증폭된다.

▲ 그림 3. FDD 모달 해석 및 편광 결과. a) 전력 스펙트럼 및 b) 해석된 모드 벨이 있는 특이값 플롯(모드 1 및 2에 대한 컬러 라인) 및 c) FDD 벡터(첫 번째 모드의 모양)를 보여주는 지도(지리 데이터 출처: Federal Office of Topography) 2019년 9월 20일의 Matterhorn 어레이 데이터의 경우, 모든 관측소에 대한 확률적 시각화에 표시된 모든 데이터에 대한 편광 결과: df) 편광도 및 gi) 편광 방위각(입사각은 주로 수평이므로 표시되지 않음, 그림 S9 참조). (그림의 색상에 대한 해석을 위해 독자는 이 기사의 웹 버전을 참조하십시오.)

산의 크기가 진동의 빈도를 결정

마터호른의 경우 크기, 암석의 특성 및 구조로 인해 산기슭에서 정상까지의 진동이 최대 14배까지 증가한다. 또한 산기슭이 고정된 상태에서 정상은 자유롭게 스윙할 수 있다. 시뮬레이션에서 연구원들은 지진파가 산에서 어떻게 확산되고 강화되는지 재구성했다. 공동 저자인 유타 대학의 Jeff Moore는 "우리의 시뮬레이션이 Matterhorn과 같은 큰 산에서도 작동하고 측정 결과가 이를 확인한다는 사실을 알게 되어 매우 기뻤다"고 말했다.

산의 크기가 하는 역할은 Großer Mythen에 대한 Swiss Seismological Service에서 수행한 비교 측정에 의해 입증되었다. 스위스 중부의 이 봉우리는 마터호른과 모양이 비슷하지만 훨씬 작다. 예상대로 이 산은 마터호른 주파수의 약 4배로 진동한다. 작은 물체가 큰 물체보다 더 빨리 진동하기 때문이다.

▲ 그림 5. 균일한 탄성 계수를 가정한 Matterhorn의 수치적 고유진동수 분석(그림 S12 참조): a) 모드 1, b) 모드 2. 색상 스케일과 화살표로 표시된 상대 모드 변위, 모델링된 고유진동수가 표시됩니다. 삽입된 극좌표 플롯은 FDD 및 수치 결과에 대한 정상 스테이션(MH54)에 대한 모드 벡터의 비교를 보여준다(원주축: 방위각, 방사축: 중심에서 0°에서 90°까지의 입사 - 수평 - 외부). Summit(원) 및 Solvay(사각형) 스테이션이 표시 (그림의 색상에 대한 해석을 위해 독자는 이 기사의 웹 버전을 참조하십시오.)

암석의 안정성 표시

이러한 진동의 측정은 기초 연구에 흥미로울 뿐만 아니라 산의 상태에 대해 많은 것을 밝혀줄 수 있다. Moore는 "지반 진동이 증폭되는 지역은 산이 지진을 겪을 때 산사태와 낙석에 더 취약할 수 있다고 생각한다"고 설명했다.

따라서 지진 지반 불안 및 지진 가진 분석은 지진 발생 시 거동과 관련하여 암석 및 사면 불안정성을 평가하는 데 사용된다.
(Earth and Planetary Science Letters, 2021; doi: 10.1016 / j.epsl.2021.117295)
출처: Technische Universität München

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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