2020년 6월부터 8월까지 일본 도쿄 남쪽 940 km 해상에 위치한 니시노시마 화산이 분화하였다. 2020년 7월 말 발생한 분화로 인한 화산재와 화산가스 일부가 우리나라에 영향을 주었을 가능성이 있는 것으로 보도되었다. 본 연구에 서는 화산재 확산 수치모의 프로그램인 Ash3D를 이용하여 현지시각 2 02 0년 7월 2 8일 0시에 화산폭발지수 3의 분화가 발생한 것으로 설정하고 수치모의를 실시하였다. 수치모의 결과, 화산재가 니시노시마 인근에서 동풍을 타고 7월 30일 새벽 오키나와에 도달한 이후 남풍을 타고 북상하여 8월 1일 제주도에 상륙하고 시계방향으로 회전하듯이 이동하면서 8월 2일에는 남부지방에 영향을 주는 것으로 나타났다. 실제 측정된 PM10 미세먼지농도는 제주도 고산기상관측소에서 8월 1일부터, 부산 구덕산기상관측소에서는 8월 2일부터 상승한 것으로 나타나 니시노시마 화산 분화가 제주도 및 남 부지방의 미세먼지 수치에 영향을 준 것으로 보인다.

지구 상에서 최초로 화산 분화와 화산재해에 대한 역사기록인 ‘플리니 편지’를 고찰하여 베수비오 화산의 서기 79년 분화에서는 어떠한 분화 양상을 보였는지 분석하였다. 8월 24일 오전 1시에 시작된 분화는 이틀동안 지속되었고 다량의 화산재와 부석이 분출되었으며, 바람에 따라 이동하여 인근 도시들에 떨어졌다. 그 외에도 화산 측면을 따라 빠 른 속도로 화성쇄설류(또는 화쇄난류)가 흘렸으며, 분화와 동반된 여러 차례의 지진과 쓰나미 등의 여러 현상들도 발생 하였다. 이로 인해 베수비오 화산 인근에 위치한 도시들은 화산재와 화성쇄설류에 의해 묻혀 매몰되었다. 이에 대한 피 해 범위를 폼페이, 헤르쿨라네움, 스타비아에, 오플론티스를 대상으로 선정하여 선행연구를 수집·분석하여 조사하였다. 각 지역별로 베수비오 화산과의 거리와 위치에 따라 차이가 나는 퇴적 층서와 층후를 보이고 있으며, 퇴적층 안에서는 당시 분화에 의해 사망한 주민들의 유골도 발견되었다. 현재까지 발견된 유골은 폼페이에서 1,150구, 헤르쿨라네움 306구, 스타비아에 111구, 오플론티스 54구이며, 분화로 인해 사망한 사람의 수가 정확하게 알려지지 않았다. 플리니의 편 지의 상세한 분화 현상 기술로 인해 서기 79년 베수비오 화산 분화 양상을 보이는 분화를 플리니의 이름에서 착안하여 플리니안 분화라고 명명되어 새로운 분화유형으로 정의되었다.

이 논문은 울릉도, 독도를 포함하는 동해 울릉분지 해저 화산그룹(가칭: 울릉도-독도 화산그룹)의 분화사를 복원 하고 미래 분화 가능성을 평가하기 위해 진행중인 육상-해양 복합 다중스케일 화산연구의 개념과 지금까지의 결과를 소개하는데 목적을 둔다. 다중채널 탄성파반사자료 해석을 통해 유추되는 울릉도-독도 화산그룹의 주 활동 시기는 대략 5-2.5 Ma로, 동쪽 끝의 이사부평정해산에서 처음 시작되어 서쪽의 울릉도로 전파된 것으로 해석된다. 울릉도의 육상부 는 5단계에 걸쳐 생성되었으며 최종 단계에 접어들어 폭발성 분화를 통해 폭 약 3 km의 칼데라 지형과 그 내부에 화 산돔을 형성하였다. 울릉도의 마지막 분화 산물인 알봉 화산돔과 그 하부의 수증기마그마성 분화로부터 기원된 층단위 N-1 화산쇄설층은 기존 포놀라이트질 마그마방으로 유입된 보다 염기성의 새로운 마그마의 분화로부터 생성되었다. 층 단위 N-1과 알봉 분석이 갖는 조면안산암질 전암조성은 기존 포놀라이트질 마그마방 하부에 존재한 고철질 집적암이 새로 주입된 마그마를 오염시킨 결과로, 그 자체가 마그마의 조성을 지시하지는 않는다. 층단위 N-1과 알봉 화산돔에서 확인되는 새로운 마그마 주입의 증거들은 최근 밝혀진 울릉도의 높은 지온구배 및 분화주기와 더불어 울릉도가 여전히 작동중인 마그마 배관체계를 갖는 활화산임을 암시한다.

백두산 분화의 전조현상 및 일본 화산의 지속적인 활동으로 인하여 화산재 확산으로 인하여 발생할 수 있는 재난에 대한 위협이 지속적으로 제기되고 있다. 이에 대한 대응을 위하여 국내에서도 화산재해대응시스템을 개발하여 활용하고 있는 실정이며 이에 대응하기 위한 연구의 일환으로 화산재 확산에 대한 확률적 공간 분포 분석이 연구된 바가 있다. 본 논문의 part1이라 할 수 있는 ‘백두산과 아소산 화산재 대기 확산의 확률적 공간 분포 분석’에서는 백두산과 아소산 두 개의 화산에 대하여 FALL3D 수치해석을 수행 하고 그 결과를 이용하여 대기 중 화산재 농도 및 퇴적 두께에 대한 분석을 수행한 바 있다. 본 논문에서는 백두산과 아소산 외에도 국내에 영향을 미칠 수 있는 총 5개의 화산에 대하여 해석기간 및 분석 범위를 확장하여 추가 연구를 진행하였다.

본 연구에서는 한반도 주변 화산분화 시나리오를 고려한 국내 농업시설물의 화산재 취약도를 구축하였다. 이를 구축하기 위하여 화산재 하중 통계치(평균, 표준편차)와 농업시설물 저항성능의 통계치를 통해 신뢰도 지수를 산정하는 FOSM(first-order secondmoment) 기법이 이용되었다. 화산재 하중 통계치는 화산재 확산 시뮬레이션인 FALL3D를 이용하여 백두산, 울릉도, 아소산에 대한 분화 시나리오를 고려하여 산정하였으며, 농업시설물의 저항성능 통계치는 농촌진흥청에서 제공하는 내재해형 비닐하우스의 설계 적설심을 통해 공칭 파괴강도에 기초하여 산정하였다. FOSM 기법으로 평가된 화산재 취약도는 연속적인 화산재 퇴적두께로 인한 파괴확률을 평가하기 위하여 GEV 누적분포함수의 모수 형태로 데이터베이스화하였다. 본 연구에서 구축된 농업시설물의 화산재 취약도는 분화 화산별(백두산, 울릉도, 아소산), 지역별(서울, 부산, 대구, 대전), 농업시설물별(07-자동화-01, 08-자동화-01, 10-자동화-01), 화산재 수분함유 상태별(습윤, 건조)로 각기 상이한 파괴확률을 평가하였으며, 추가적으로 구축된 농업시설물의 화산재 취약도를 비교·분석하여 최대/최소의 파괴확률 범위를 확인하였다.

한반도 인근 화산분화에 의한 대기질 Worst-case 시나리오 선정을 위해 HYSPLIT을 이용하여 공기괴 이동을 분석하였다. 백두산, 아소산 및 다루마에산에서의 분화를 가정하여 3시간 간격으로 91일 간 (2010년 4월 1일 - 6월 30일) 공기괴(air parcel) 전진궤적 (forward-trajectory)을 생성하였다. 생성궤적에 대해 군집분석, GIS 분석을 수행하였으며 분석결과를 토대로 각 화산의 분화사례일을 대기질 측면의 중요도로서 평가하여 다섯 단계로 분류하였다. 제시된 사례일 중 대기질 측면에서의 중요도가 가장 높은 분화사례일 (class A)은 백두산 5월 13일, 6월 2일, 6월 22일, 아소산 4월 9일, 6월 13일, 6월 17일, 6월 24일, 다루마에산 5월 29일로 평가되었다. 또한 시나리오 선정에 있어 모사기간 및 도메인 설정에 고려할 수 있는 한국상공 진입 공기괴 궤적의 시공간적 분포 및 이동 패턴 분석결과를 분석대상 화산별로 제시하였다.

입자의 확산을 모사하는 Lagrangian 기반의 HYSPLIT과 PUFF 모형을 이용하여 화산재의 확산 해석을 수행하였다. 미국의 스퍼와 리다우트 화산은 각각 1992년과 2009년에 폭발성 분화가 발생하여 화산재가 광범위하게 확산되었다. 이 때 발생한 공기 중에 부유하는 미세입자와 퇴적되는 화산재로 인해 공항이 폐쇄되고 통신 교란이 발생하는 피해가 발생하였다. 또한, 인도네시아의 켈루트 화산은 최근까지 활발한 활동을 하고 있으며 1919년과 2014년의 대분화로 인해 인명피해가 속출하였다. 따라서 본 연구에서는 입자 확산 모형을 이용하여 이와 같이 화산재로 인해 피해가 발생하는 영향범위와 경로를 분석하였다. 수치 계산의 신뢰성을 평가하기 위해서 다중 수치 모형으로 예측된 화산재의 확산 범위와 실측치에 의한 확산 경로를 비교하여 검증하였다. 또한, 화산재가 영향을 미치는 범위를 평가한 결과 HYSPLIT과 PUFF 모형의 확산 분포는 70% 내외로 일치하는 것을 확인하였다.

화산재의 확산 특성을 분석하고, 침적량의 예측 가능성을 평가하기 위하여, 2011년 1월26일 분화가 시작된 일본 기리시마 화산을 대상으로 WRF와 확산모형 FLEXPART를 이용한 수치모의실험을 실시하였다. 지상 1 km 이하 대기경계층내의 화산재 확산 특성은 26일 방출된 입자의 경우 주풍을 따라 집중되는 경향을 보이지만, 27일 방출된 화산재는 큐슈남부에 발달한 고기압의 영향으로 기리시마 만까지 확산된다. 겨울철의 강한 시베리아 기단이 발달한 26일의 경우, 기리시마 화산 풍하측에 위치한 미야기 현 중앙 산악 후면의 좁은 영역에서 집중적으로 침적이 이루어진다. 또한 분화 지역 주변의 국지적인 고기압의 발달은 화산재의 수평 확산을 증대시키는 역할을 한다. 침적량의 분포는 정량적인 측면에서 실제 화산 분출에 따른 영향과 매우 유사한 경향성을 보이고, 제시한 수치모의실험은 화산재의 이동 및 침적량 예측 및 산정에 적절하다고 판단된다.

백두산은 정상부에 천지가 존재하는 잠재적인 활화산으로 최근 화산활동 분화와 관련된 화산이류 발생가능성에 대한 우려가 높아지고 있다. 본 연구에서는 백두산 정상부의 칼데라 호수 지점의 분화를 가정한 화산이류의 모델링을 수행하였다. LAHARZ를 적용한 본 연구는 다른 해상도의 수치지형모형을 구동모형의 매개변수를 변화시키며 분화로 야기된 다양한 상황의 화산이류 발생 영향을 검토하였다. 매개변수의 민감도 해석은 움푹 패인 곳(sink)을 정의하는 한계치와 수치지형모형의 해상도가 화산이류의 모델링 결과에 주는 영향이 제한적이라는 결과를 보여주었고, 하천격자의 도출을 위한 한계치와 수치모형의 해상도는 하천격자의 공간적 분포에 상대적으로 민감한 결과를 보여주었다. 또한 LAHARZ가 가지고 있는 문제가 흐름 발생 알고리즘 자체의 한계에 기인하는 것을 확인하였다. 한편, 상이한 수치지형 모형의 해상도가 화산이류의 최종 모델링결과에 미치는 영향은 제한적으로 나타났다.

최근 백두산의 재분화 문제가 하나의 중요한 지구과학적 문제로 부상하고 있다. 백두산과 같이 대규모 칼데라 호수를 갖고 있는 화산의 폭발은 단순히 화산분출뿐만 아니라 칼테라 호수에 저장된 물의 유출로 인해 큰 재해를 유발할 수 있어 연구가 필요하다. 대형 화산성 홍수는 모든 종류의 인공 구조물을 파괴할 수 있는 에너지를 가지고 있고, 유속이 100 km hr-1에 달하며, 도달거리가 수 백 km까지 이르기 때문에 치명적인 피해를 가져올 수 있다. 연구의 최종목표는 백두산의 지질과 지반 조건에서 분화 시 예상되는 화산성 홍수의 피해를 예측하는 것이다. 하나의 사전 연구로서 백두산 화산이 분출되면서 천지에 저장된 물이 방류될 경우를 가정한 유량곡선 시나리오에 근거하여 수치해석을 실시하였다. 각각의 시나리오 별(림 붕괴, 단순융기, 림 붕괴와 융기의 조합, 강우형성 등)로 시간의 함수로서 유량변화를 이끌어내기 위해 선행 연구를 바탕으로 백두산 천지 유출 모형을 전개하였다. 천지에서 마그마 융기와 림 붕괴가 동시에 발생하면 최고 유량이 25,000 m3s-1에 이르러 백두산 천지의 화산홍수가 주변 지역에 심각한 자연재해를 가져올 수 있는 것으로 보인다. 이 연구에서는 저수지의 물이 방류되는 순간유량곡선에 치중하였으며 천지 유량 방출 후 하류 하천 하도 추적은 다루지 않았다.

백두산 분화의 분출물은 북쪽으로 송화강, 동쪽과 서쪽으로 두만강과 압록강 하구에서 발견되고 있다. 즉 화쇄류, 화산이류, 화산성홍수와 같이 흐름에 수반된 화산물질의 영향범위는 천지를 중심으로 반경 400 km의 범위까지 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 그러나 약 1,000년 전 분화 때와는 달리 천지칼데라호의 20억 톤보다 저수량이 큰 담수저장시설이 건설되어 화산분화 시 예상되는 유체의 흐름은 직간접적으로 인공적인 구조물의 영향을 받게 된다. 이 연구는 백두산 화산분화 시 예상되는 화쇄류, 화산이류, 화산성홍수의 수치해석 및 지형자료 분석을 통해 유체의 흐름방향을 산정하고 백두산 일원의 댐과 인공호수의 저수용량에 따른 화쇄류, 화산이류, 화산성홍수의 피해범위를 파악하였다. 분출 초기에 급경사를 따라 이동하는 화쇄류는 산지의 경사면을 따라 이동하여 평탄지까지 영향을 미치며, 천지호의 유출에 의한 화산이류는 주요 하천까지 도달할 수 있다. 화산성홍수의 경우 현존하는 인공적인 담수 저장시설물들로 인하여 천지칼데라호의 담수 유출에 의한 피해 범위는 과거에 비하여 매우 제한적인 범위에 영향을 미칠 것으로 판단된다.

백두산 화산에서 분화한 것으로 평가되는 역사시대 분화사건을 문헌에서 발굴하여 화산학적 해석을 하였다. 밀레니엄 대분화로부터 31건 이상의 화산 분화사건을 발굴하였으며, 대부분 화산재를 분화하여 인근 지역으로 확산시키면서 강하화산재를 발생시킨 플리니안 분화 사건이 많았다. 1903년의 기록은 천지 내에서의 수증기마그마성 분화 또는 불카니안 분화에 의한 기록이었다. 역사시대의 분화 기록과 2002년에 나타난 화산 분화 전조현상 등으로부터 백두산은 잠재적인 분화가능성을 가진 활화산으로 평가된다.

다양한 지질학적 분화 강도에 따른 백두산 화산분출물의 확산 특성과 이들 분출물이 한반도에 미치는 영향을 분석하기 위하여 대기역학모형 WRF (Weather Research and Forecasting)와 확산모형 FLEXPART를 이용하여 수치실험을 실시하였다. 연구 대상일은 화산재 유입이 예상되는 2010년 10월 21일의 종관장이며, 방출 후 48시간 동안 화산재의 이동을 분석하였다. 백두산 분화 후 한반도에 유입되는 강하화산재의 크기는 0.05 mm 이하가 대부분을 차지하며, 큰 입자는 확산에 의한 이동이 작기 때문에 유입가능성이 크지 않았다. 분화강도에 따른 화산재의 이동 특성을 보면, 분화강도 차이에 따른 입자의 분포도의 차이는 크지 않으나, 수밀도의 차이는 크게 나타났다. 한반도 내 도시별 화산재의 침적량 분석에서 화산재가 기류를 타고 동해에서 유입되고 태백산맥의 차폐효과에 의하여 한반도 동쪽에 위치한 강릉, 부산의 침적량이 초기에 증가하는 경향을 나타내며, 지역별 침적량은 일시에 급격하게 증가할 수 있다.

2019년(2019년 1월 30일~12월 31일; USGS 자료) 48주 동안에 활동한 화산은 82개이다. 지구상에서 화산은 1년간 평균 80~90여 개가 활동하고 있다. 이들 중 91% 이상이 흔히 “불의 고리”(Ring of Fire)라고 부르는 환태평양화산대에 위치한다. 지금까지 밝혀진 활화산들의 80%가 판의 수렴경계부, 15%가 발산경 계부, 나머지 5%가 판 내부에 분포한다는 사실과 잘 부합된다. 조사 기간인 2019년 1월 30일부터 2019년 12월 31일에 이르는 48주 중 가장 빈번하게 활동한 화산들은 Dukono(인도네시아, 48회), Aira(일본, 47회), Ebeko( 러시아 46회), Merapi(인도네시아, 37회), Krakatau(인도네시아, 33회) 화산이다. 2018년과 비교할 때 분화한 화산수가 1개 감소하였으나 이는 2018년 화산활동은 50주, 2019년은 48주와 비교할 때 현격한 증감은 발생하지 않았다. 이는 지구상의 화산들의 활동이 안정세를 유지하고 있는 것으로 평가된다.

필리핀의 따알 화산(Taal Volcano) 분화는 2020년 1월 12일에 시작되었다. 필리핀 화산학 및 지진학 연구원(PHIVOLCS)은 “몇 시간에서 며칠 내에 위험한 폭발성 분화가 발생할 수 있다.”고 판단하여 경보단계 (Alert Level) 4를 발령했다. 따알 화산섬의 주 분화구(Main Crater)에서 수증기 분화와 수증기마그마성 분화로 뿜어져 나온 화산재가 Calabarzon, Metro Manila, Central Luzon의 일부 및 Ilocos 지역의 Pangasinan 지역으로 확산되었고, 이로 인하여 학교 수업, 기업체 근무 및 항공편 운항이 중단되었다. 분화 이후 PHIVOLCS 는 2020년 1월 26일 따알의 화산활동이 일관되진 않지만 서서히 감소하는 것을 관찰하여, 경보단계를 3으로 한 단계 낮추었다. 2월 14일에는 화산활동의 전반적인 감소 경향 때문에 경보단계가 2로 설정되었으나, 이것 은 분화의 위협이 사라졌음을 의미하지 않는다. 또한 불안정이 상승하는 징후가 있을 경우 언제라도 경보단계가 3으로 상향될 수 있다.

화산 분화 시 방출되는 물질은 화산가스, 용암, 화성쇄설물이 있다. 화성쇄설물 중 입자크기가 작은 (직경 2mm 이하) 화산재는 쉽게 이동하여 먼 거리까지 영향을 미칠 수 있다. 공기 중에 부유한 화산재 입자는 강하재가 되어 지표에 퇴적된다. 이러한 강하재가 미치는 영향은 퇴적되는 두께에 따라 달라진다. 퇴적 되는 화산재의 두께가 증가할수록 피해의 규모는 커지고 그 영향 범위 또한 넓어지며, 보건 및 사회 기반 시설에 대한 영향도 심각해진다. 따라서 강하재의 영향에 따른 피해 저감을 위해 재해의 본질과 정도, 영향에 대한 지침을 마련하고 지역사회의 위험 관리 능력 향상을 위한 대비 조치를 마련해야 한다. 백두산을 비롯한 한반도 주변 지역에서 앞으로 일어날 수 있는 화산 분화로 인한 강하재의 영향에 대비할 필요가 있다.

미국 세인트헬렌스 화산분화, 아이슬란드 화산분화 및 일본 신모에다케 화산분화 등에서 알 수 있듯이, 화산재는 항공·도로· 철도 등 사회기반시설의 운영에 매우 심각한 피해를 야기 시킬 수 있다. 여타의 사회기반시설의 피해에 비하여 철도교통은 화산의 2차적 피해인 화산재의 영향으로 운행에 상대적으로 덜 취약하다. 그러나 철도교통 역시 화산재의 쌓임, 흡착, 마모 등으로 운행에 피해를 야기 시킬 수 있는 것은 분명한 사실이다. 따라서 본 연구는 백두산의 화산분화 시 다양하게 예측되는 피해 중 철도교통 부분에 미치는 화산재 피해 부분을 살펴본다. 그리고 국가의 재정과 인력이 한계를 인지하고, 다양한 피해 부분 중에서 우선적으로 점검해야하는 피해를 바탕으로 우선관리 대상을 도출하는 것을 목적으로 한다. 본 연구는 화산재 피해에서 발생될 수 있는 우선 관리 대상을 찾는 연구로 이를 위해 선행연구와 철도교통의 연구의 내용을 확인하고 예상 피해의 종류 및 해외의 화산재 피해로 인한 철도 교통의 운행 중단 및 위험 사례를 조사한다. 그리고 기존연구 및 해외사례 구성 체계를 바탕으로 화산재 피해 시 우선관리를 해야 하는 대상을 지표로 종합화한다. FGI( Focus Group Interview) 과정을 거쳐 지표의 후보군을 도출 후 적합성을 검증한다. 후에 AHP전문가 설문을 위한 구조도를 작성하고 이에 따라 AHP분석을 실시한다. 이를 통해 도출된 가중치를 해석하고 적용방안을 살펴본다.

최근 우리나라를 포함하여 동북아 지역에 위치한 중국 및 일본, 러시아 등에서 화산재해의 위험성에 대한 경각심이 높아지고 있으며, 이러한 화산재해의 위험성에 공동으로 대처하기 위한 협력체계의 구축이 활발하게 전개되고 있다. 우리나라는 그동안 화산재해가 발생하지 않아 화산피해의 위험성이 타국에 비해 적다고 인식되어 왔으며, 그 결과 화산재해에 관한 연구 및 제도정비가 미흡한 상황이다. 최근 백두산 화산분화의 가능성이 제기되면서 화산분화가 우리나라에 미치는 영향에 대한 호기심과 불안감이 점점 커져가고 있으며, 실제 화산분화 후 우리나라에까지 화산재가 확산 및 낙하할 경우, 특히 항공교통 부문에 미치는 영향은 매우 지대할 것으로 예상된다. 따라서 이와 같은 상황이 발생하여 화산재가 우리나라에 까지 확산 및 낙하할 경우 항공교통 부문에 어떠한 영향을 미칠 것인지, 그 중에서도 특히 어떤 요소에 영향을 미칠 것인지에 대한 분석이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 국외의 화산분화 사례와 각국의 화산재해에 대한 대응방안을 조사·분석하고, 전문가 집단에 대한 심층면접 조사 및 AHP분석을 통해 항공교통 부문에 있어서의 위험요소에 대한 가중치를 산정하였다. 이러한 연구결과는 화산재 확산 및 낙하에 따른 관리기준 및 대응방안을 수립시 활용이 가능할 것으로 기대된다.