December 10,2019

길 알려주는 GPS, 자연재해도 안내

지진 및 화산 관측하고 돌발 홍수 예측

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GPS는 위성에서 보내는 신호를 받아 사용자의 현재 위치를 계산하는 위성항법시스템이다. 때문에 GPS라고 하면 자동차나 항공기, 선박 등의 내비게이션 장치만 생각하기 십상이다. 그런데 최근 들어 GPS로 할 수 있는 과학적 연구가 점차 다양해지고 있어 주목을 끌고 있다.

미국 비영리 출판사들이 발행하는 과학지식 매체 ‘노우블 매거진(Knowable Magazine)’에 의하면, 그 첫 번째 용도는 지진이 발생할 때 지각판의 이동 속도 추적 및 지진 규모에 대한 예보다.

GPS 위성이 전송하는 신호는 코드라고 알려진 1과 0의 독특한 신호와 그보다 더 짧은 파장을 지닌 캐리어 신호의 두 가지가 있다. 캐리어 신호는 파장이 약 20㎝에 불과하므로 고해상도로 지구 표면의 한 지점을 정확히 찾아낼 수 있다.

GPS 신호를 이용해 지진, 화산 폭발, 돌발 홍수, 쓰나미 등의 자연재해를 예보할 수 있는 기술이 발전하고 있다. © U.S. Air Force graphic

GPS 신호를 이용해 지진, 화산 폭발, 돌발 홍수, 쓰나미 등의 자연재해를 예보할 수 있는 기술이 발전하고 있다. © U.S. Air Force graphic

이 같은 신호를 이용할 경우 지구의 거대한 지각판이 이동하는 것과 같이 매우 느린 속도로 일어나는 지질학적 과정을 추적할 수 있다. 예를 들면 샌안드레아스단층의 반대쪽이 서로 조금씩 이동하는 속도를 알게 되면, 지진이 발생했을 때 보다 더 정확하게 그 규모를 파악할 수 있다.

오리건대학 등의 연구진은 12개의 큰 지진을 연구한 결과, 지진 발생지 근처의 GPS 정보를 이용하면 10초 이내에 지진의 규모를 판단할 수 있다고 밝혔다.

위치를 업데이트하는 GPS 수신기의 속도가 날로 향상되고 있다는 점도 지진 연구에 매우 유용하다. 최근 들어 1초당 20회 이상 업데이트가 가능한데, 미국 볼더-콜로라도대학 연구진은 이를 이용해 2011년 일본을 초토화시킨 진도 9.1의 지진이 일어나는 동안 해저가 60m나 움직였다는 사실을 알아냈다.

화산 폭발 전에 주민 대피 경로 알 수 있어

언제 폭발할지 모르는 화산 주위에 GPS 관측소를 배치하면 화산이 폭발하기 전에 주민들을 어디로 대피시켜야 하는지에 대한 정보를 얻을 수도 있다. 마그마가 지하로 이동하기 시작하면 지표면도 종종 함께 움직이게 되기 때문이다.

실제로 지난해 하와이의 킬라우에아 화산이 폭발하기 전에 과학자들은 GPS를 이용해 화산의 어느 부분이 가장 빠르게 움직이고 있는지를 파악했다. 그 결과 당국은 어느 지역의 주민들을 대피시킬지를 결정할 수 있었다.

GPS 신호는 인공위성에서 지상으로 이동하므로 화산 폭발 시 공중으로 분출되는 모든 물질들을 통과해야 한다. 이때 신호의 왜곡을 분석하면 얼마나 많은 화산재가 분출되어 어디로 이동하는지 추정할 수 있다. 특히 화산재 분출은 비행기에 가장 큰 위협이 되는데, GPS 네트워크를 이용할 경우 해당 지역을 비행하는 비행기에 바로 경보를 내릴 수 있다.

한편, 스마트폰에 장착된 것과 같은 일반적인 GPS 수신기는 GPS 위성으로부터 직접 오는 신호뿐만 아니라 지상에 반사된 신호까지 포착한다. 이처럼 반사되는 신호는 데이터를 혼란스럽게 하는 일종의 소음이 된다.

그러나 이처럼 반사되는 신호를 잘 이용하면 GPS 수신기 아래의 토양이 얼마나 많은 수분을 함유하고 있으며, 얼마나 많은 눈이 쌓였는지를 알 수 있다. 미국 콜로라도 광업대학의 연구진이 2007년부터 2017년까지 남극의 23개 GPS 수신기를 이용한 결과, 변화하는 강설량을 직접 측정할 수 있는 것으로 밝혀졌다.

이 기술은 수위 및 조수의 변화를 감시하는 데도 유용하게 사용될 수 있다. 미국의 GPS 연구 대학연합인 UNAVCO 소속의 과학자들은 방글라데시 맹그로브 숲 가장자리에 있는 소나탈라라고 불리는 농업 지역에서 반사되는 GPS 신호를 측정해 장마철에 논의 수위가 어떻게 변화하는지를 정확히 측정하는 데 성공했다.

GPS로 쓰나미 발생 시의 전리층 변화 추적

또한 볼더-콜로라도대학 연구진은 알래스카 카체막 만의 수면에서 반사되는 GPS 신호를 이용해 인근 항구의 실제 조수 측정기만큼이나 정확하게 조수의 변화를 추적할 수 있었다고 밝혔다.

GPS는 과학자들이 불과 몇 년 전까지만 해도 불가능하다고 생각했던 방법으로 상공에 대한 정보도 알아낼 수 있다. 대기 중의 수증기, 대전입자, 기타 요소들은 GPS 신호를 지연시키는데, 바로 이것을 이용하면 되기 때문이다.

예를 들면 GPS를 이용해 대기 중 수증기 양의 변화를 추적할 경우 하늘에서 얼마나 많은 비가 내릴지 알 수 있어 돌발 홍수 등을 예측할 수 있다. 실제로 2013년 7월에 기상학자들은 GPS 데이터를 이용해 해안에서 이동 중인 몬순 습기를 추적했는데, 덕분에 돌발 홍수가 발생하기 17분 전에 경보를 발령할 수 있었다.

또한 GPS 신호는 전리층으로 알려진 대기 상층부의 자유전자가 밀집된 곳을 통과할 때 영향을 받는다. 과학자들은 GPS 데이터를 이용해 쓰나미가 바다를 이동할 때의 전리층 변화를 추적하고 있다.

쓰나미의 위력은 전리층까지 파급되는 대기의 변화를 만들어내기 때문이다. 관련 과학자들은 이 기술이 바다 위에 점점이 떠있는 부표를 이용해 이동 파도의 높이를 측정하는 기존의 쓰나미 경보 기술을 언젠가는 보완할 수 있을 것으로 예상하고 있다.

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