국내외로 태풍, 홍수, 화산, 지진, 해일 등의 자연재난에 의하여 인명, 재산 피해가 지속적으로 발생하고 있으며 특히 최근에 는 황사, 미세먼지와 같은 입자상 오염물질의 확산이 가속되고 있어 입자상 물질 확산의 예측 및 대응 기술 대한 요구가 높아지고 있는 실정이다. 이와 같은 입자상 물질 관련 재난에 대응하기 위하여 수치 모델을 사용하여 입자상 물질의 확산 경로 및 농도를 예측하는 연구들을 진행하고 있으며, 본 연구에서는 선행연구로 라그랑지안 모델 중 하나인 PUFF-UAF 모델을 개선하여 개발된 PUFFGaussian 모델을 이용하여 연구를 진행하였다. PUFF-Gaussian 모형을 이용하여 온타케 화산의 분화 결과와 검증을 수행하여 유사한 결과가 도출되는 것을 확인하고 백두산 분화에 대한 화산재 확산 예측을 수행하였다. 또한 국내 17개 시·도에 대하여 기존 PUFF-UAF 모델의 결과를 이용하여 계산한 화산재 발생 확률과 PUFF-Gaussian을 이용하여 계산한 발생 확률에 대한 비교를 수행하고 PUFFGaussian 모델을 이용한 결과가 발생 확률이 더 낮은 것을 확인하였다.

최근 백두산 화산분화의 전조현상 증가로 인해 백두산 분화의 가능성이 지속적으로 제기되고 있으며 주변국인 일본의 화산 활동 또한 활발한 추세이다. 일본 화산 및 백두산으로부터 500km 이상의 거리에 위치한 우리나라의 경우 화산 분화로부터 근접 재해의 직접적인 위험은 없으나 화산재 확산에 의한 영향을 받을 가능성이 있어 이에 대한 대책 및 대응 방안 마련이 요구되고 있는 실정 이며 이에 대한 대응 방안 중 하나로, 화산재 확산 모델을 이용하여 화산재 입자의 공간분포 예측 및 대기 중 화산재 농도와 지표면의 화산재 퇴적 두께를 예측하는 방법이 있다. 본 연구에서는 화산재 확산 예측 모형에 의해 도출된 대기 중의 화산재 농도와 낙하 화산재 퇴적 두께를 이용하여 한반도 근역에 대하여 화산재 공간 확산 확률 및 낙하 확률 분석 기법을 제시하고 우리나라 17개 광역지자체에 대한 분석을 수행하였다.

백두산 화산 폭발 시 남한 지역은 동해안을 중심으로 화산재에 의한 피해가 예상된다. 적은 양의 화산재라고 할지라도 농작물의 피해나 토양의 산성화를 유발하는 등 농업 분야에 심각한 영향을 줄 수 있다. 이에 이 논문에서는 화산재에 의한 농작물의 피해를 추정하고 구글 지도를 통해 시각화하고자 한다. 이를 위해서 화산재에 대한 피해 예측모델이 필요하다. 화산재 위험은 농작물의 종류와 화산재 두께에 따라 다르므로 피해 예측 모델의 취약도 함수는 화산재 두께와 농작물의 손상률 간의 관계를 나타내어야 한다. 이 논문에서는 RiskScape에서 정의한 화산재 두께에 따른 농작물별 손상률을 이용하여 취약도 함수를 정의하였다. 이 취약도 함수를 농작물 생산량과 가격 정보에 적용하여 화산재 두께에 따른 농작물 피해액을 추정할 수 있다. 또한, 이 논문에서는 화산재의 피해가 예측되는 강원도 지역을 대상으로 화산재에 의한 농작물 피해를 추정하였다. 연구 결과 2010년 강원도 농업 총 생산량을 기준으로 했을 때 화산재가 약 4 mm 정도 쌓이게 되면 농작물 피해액은 약 6,351억 원에 달하는 것으로 나타났다. 이는 강원도 총 농업생산액의 약 50%에 해당한다. 이 논문에서는 화산재에 의한 농작물의 1차적인 피해만을 고려하고 있다. 하지만 화산재는 토양 오염이나 시설물과 같은 농가의 자산에 잠재적인 위험을 줄 수 있다. 따라서 농업 분야 전체에 대한 총 피해 규모를 추정하기 위해서는 이와 같은 2차적인 피해도 함께 고려해야 할 것이다.

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.

최근 분화가능성이 대두되고 있는 백두산 화산이 폭발적으로 분화(噴火:eruption)하는 경우, 백두산에서 분출되는 대량의 화산재는 대기 중으로 확산되면서 많은 인적, 물적 피해를 가져올 것으로 사료된다. 서울을 기점으로 백두산으로부터 약 500km 떨어져 있는 우리나라는 화산 분출물로 인한 직접적인 피해보다는 화산재/오염물질의 간접적인 피해 영향권 내에 속하게 된다. 따라서 약 천년전과 같은 대규모 화산분화가 발생될 때 한반도 주변의 기압배치에 따른 종관 기상장의 영향으로 대기 중에서 이류, 확산, 침적을 통한 화산재의 비산과 낙하로 인한 지역적인 장·단기 영향이 나타나거나 피해를 초래할 가능성이 예상되며 우리나라 상공으로 확산된 화산재는 항공기 운항 및 해상 운송 등과 관련된 관광산업을 비롯한 농축산업, 환경 분야 등에 영향을 미칠 것으로 사료된다. 본 연구에서는 백두산 분화를 가정할 때, 대기 중으로 분출되는 화산재로 인하여 우리나라가 영향을 받게 될 피해 예측을 위하여 화산재 및 오염물질을 정량적으로 파악할 수 있는 화산재 피해예측 기술을 개발하고 화산재에 대한 취약함수를 기반으로 화산재에 의한 직접적 피해액을 예측하는 알고리즘을 개발, 피해액을 추정하였다.

백두산 화산 분화가 남한 지역에 미치는 사회경제적 영향을 평가하는 방법으로 리질리언스 비용을 검토하였다. 리질리언스 비용이란 재난으로 인해 발생한 피해 규모와 이를 복구하기 위해 소요되는 복구 자원의 규모를 동시에 평가하는 방법으로, 시스템의 규모로 정규화 할 경우, 리질리언스 비용 지수로써 시스템 간의 방재력 비교도 가능하게 한다. 특히, 리질리언스 비용은 피해 규모와 복구 자원 간의 상호작용을 고려하여 최적의 방재 전략을 결정하는데도 도움이 될 수 있도록 고안되었는데, 이 경우, 피해 규모와 복구 자원의 변화 양상을 예측하는 것을 필요로 한다. 한편, 리질리언스 비용은 피해 규모와 복구 자원을 정의하는 방법에 따라 평가값이 달라질 수 있다. 실제, 자연재해의 피해 유형과 복구 방법은 매우 다양하고 상호 밀접하게 연관되어 있어, 피해규모와 복구자원의 양을 명확히 구분하여 정의하는 것이 어렵다. 본 연구에서는 백두산 화산 분화 시나리오를 가정하고, 이 시나리오에서 화산재가 남한에 미치는 피해 규모와 복구 자원의 양을 추정하고, 리질리언스 비용을 평가하여 보았다. 피해 규모는 일부 산업 분야의 직간접 피해와 인체 영향으로 한정하였으며, 복구자원의 경우에는 화산재 청소 비용으로 국한하였다. 비록 평가에 필요한 자료가 부족하여, 일부 산업 분야에 국한하여 리질리언스 비용을 평가하였기는 하지만, 본 연구는 리질리언스 비용 평가 방법을 상세히 소개하고 있으며, 피해규모, 복구자원, 방재정책의 상호 연관성을 자세히 소개하고 있다. 국내에서 발생하는 재난별 피해 유형과 복구 방법을 적절히 정의할 경우, 리질리언스 비용은 우리나라의 방재력을 가늠하는데 크게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구는 상이한 화산재의 인간 건강에 대한 영향 및 그에 대한 종합대책에 주목하여 이루어졌다. 일반적으로 화산재를 이루고 있는 물질 중 오염된 미세한 분진은 대기 중에 머무르고 있다가, 인간이 접촉하게 되면 호흡기 질환 및 알레르기 질환을 유발할 수 있다. 본 연구진은 화산재 확산에 의한 보건 관리 종합대책의 영역을 질병을 유발하는 개인에 대한 건강 영향, 의료기관을 포함하는 보건의료체계에 대한 문제, 보건의료시설/보건의료장비/의약품/관련 인력을 포함하는 보건의료자원 관리 문제로 구분하여 이에 대한 관리 지침 도출을 통하여 종합대책을 세우도록 하였다. 이러한 각각의 종합대책은 화산재 농도와 건강 영향과의 관계에 대한 본 연구자들의 연구를 포함한 최근의 연구에 기반한 것이다. 이를 통하여 가능한 화산재 확산 시 보건 관리 종합대책을 제안하게 되었다.

백두산 분화 시 분출되는 화산재에 의한 수질환경 변화에 대응하고자 본 연구에서는 백두산 화산재 성분을 추정하고, 화산재 퇴적 두께에 따른 수질 농도변화를 분석하였다. 백두산 화산재 성분을 추정하기 위해 주요 해외 화산의 마그마 성분과 백두산의 마그마 성분을 비교하여 유사한 화산을 선정하고, 해당 화산에서 분출한 화산재의 성분을 백두산의 화산재 성분과 유사한 것으로 가정하였다. 화산재 유해성분에 의한 수질 농도변화를 분석하기 위해 화산재 퇴적 두께에 따른 유해성분 농도의 증감을 분석한 후, 국내 먹는물 수질기준과 비교함으로서 수질환경에 대한 영향 유무를 평가하였다. 연구 결과, 알루미늄, 카드뮴, 불소, 철, 납, 마그네슘, 염소와 스트론튬 등이 취수원에 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 이 중 카드뮴, 불소, 철, 납, 마그네슘의 경우에는 수질관리 및 화산분출 시 관리가 필요할 것으로 분석되었다.

최근 아이슬란드 남부의 화산폭발은 유럽지역에 항공대란을 야기하였으며, 또한, 일본의 가고시마 화산 폭발은 대량의 화산재를 분출하여 도로 및 농작물에 많은 피해를 발생시켰다. 국내에서도 2002년 백두산 지역을 중심으로 강진에 의한 지표면 팽창현상이 관찰되면서 백두산의 화산폭발 위험성이 점증하고 있다. 백두산 화산폭발이 발생하는 경우 화산재의 처리에 따른 막대한 국가적 손실이 유발되므로, 화산재 처리 및 활용방안의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이고 이를 위해서는 다양한 공학적 특성 분석 시험이 선행되어야 한다.본 연구에서는 SEM, XRD등의 미세구조 분석을 통해 화학성분 및 화산재의 내부구조를 고찰하고. 비중, 함수비, 입도 등의 시험을 실시하여 백두산 및 한라산 화산재를 친환경 건설재료로 활용하기 위한 공학적 자료를 제시하였다.

본 연구는 거리와 시간에 따라 상이한 화산재의 인간 건강에 대한 영향 및 그에 대한 지침에 주목하여 이루어졌다. 과거 연구에서는 화산에서 멀리 떨어진 지역에서는 간접적이고 장기간의 피해가 중요한 반면, 화산에서 인접한 지역에서는 직접적이고 물리적인 피해가 관찰되고 있다. 일반적으로 화산재를 이루고 있는 물질 중 오염된 미세한 분진은 대기 중에 머무르고 있다가, 인간이 접촉하게 되면 호흡기 질환 및 알레르기질환을 유발할 수 있다. 본 연구진은 화산재 확산에 의한 보건 관리 지침의 영역을 질병을 유발하는 개인에 대한 건강 영향, 의료기관을 포함하는 보건의료체계에 대한 문제, 보건의료시설/보건의료장비/의약품/관련 인력을 포함하는 보건의료자원 관리 문제로 구분하여 이에 대한 관리 지침을 도출하도록 하였다. 이러한 각각의 관리 기준은 화산재 농도와 건강 영향과의 관계에 대한 본 연구자들의 연구를 포함한 최근의 연구에 기반한 것이다. 이를 통하여 가능한 환산재 확산 시 보건관리 기준을 제안하게 되었다.

최근 기상청 및 소방방재청의 연구결과 백두산 화산은 가까운 장래에 폭발할 것이라고 전망하고 있다. 화산 폭발의 영향은 화산마다 다르지만 폭발 기간이 적게는 수시간, 많으면 10년 이상 지속된다. 화산에 의한 대표적인 피해유형으로 화산가스, 화산력 및 화산재, 화쇄류, 용암류, 토석류, 융설형 화산이류로 인한 피해가 대표적이다. 이중 화산재는 직접적인 인명에 대한 직접적인 사상 위험성은 없으나, 피해 범위가 광범위하다. 또한 인체 건강, 사회기반시설, 환경기초시설, 건물, 산업시설 등 경제적·산업적으로 막대한 국가적 손실을 일으키게 된다. 이를 통해 빠르고 효율적으로 화산재를 처리하는 기술 확보로 화산재로 인한 국가적인 손실을 최소화하고자 한다. 본 연구에서는 국내외 도로 청소차 등의 장비 운영사례를 분석하여, 백두산 화산폭발에 대비한 도로에서의 화산재 청소 방안에 대해서 제시하고자 한다.

백두산은 지리적으로 전체 면적의 3분의 1이 북한에, 그 나머지 영역이 중국에 속해있다. 최근 백두산 화산분화의 다양한 전조현상들이 나타나고 있으나 백두산에서 실제 일어나고 있는 직접적인 분화 전조현상에 대한 관측 자료를 획득하는 것은 쉽지 않다. 또한 현재 분화 가능성이 대두되고 있는 백두산지역의 지질학적인 환경을 고려한 분화 시나리오에 대한 연구가 매우 부족한 상태이기 때문에 지질학적인 요인을 고려한 분화 시나리오의 작성과 화산재의 한반도 유입 가능성에 대한 신속한 대응을 위한 화산재 확산 조기경보 기술의 개발이 필요한 시점이다. 우리나라는 백두산으로부터 지리적으로 약 500km이상 떨어져 있고, 화산재 및 오염물질의 확산으로 인한 간접적인 피해 영향권 내에 있으므로, 백두산이 폭발적으로 분화한다면 백두산을 중심으로 한반도 주변의 기압배치에 따른 종관 기상장의 영향을 받아 화산 분출물들이 대기 중에서 이류, 확산, 침적됨으로 인해 지리적 위치에 따라 지역적으로 장·단기적인 피해가 발생할 가능성이 예상된다. 본 연구에서는 화산재의 이동 경로 및 침적두께를 추정할 수 있는 Fall3D모델을 사용하여 분화구 주변지역으로부터 한반도의 동쪽에 위치하고 있는 일본지역까지 시간에 따른 화산재 확산현상을 수치모의 하였다. 또한 백두산 분화를 가정한 대표사례일의 기상장을 계산하고 화산에서 분출되어진 총 분출량에 따라 구분되는 화산폭발지수에 따른 화산재의 확산 경로, PM10농도, 화산재의 침적두께를 계산, 분석하였다.

겨울철 한반도 인공위성 영상을 보면, 백두산을 지나는 공기의 흐름이 동해 해상에서 시·공간적으로 다양한 형태의 구름을 발달시킴을 볼 수 있다. 구름 형태의 다양성은 백두산의 표고(2.7km)와 대기의 안정도에 기인한다. 만약, 백두산 화산 분화가 발생할 경우 백두산의 산악효과에 의해 화산재의 시공간 분포도 구름처럼 다양한 형태를 보일 것이다. 본 연구에서는 백두산 풍하측에 발달하는 산악파가 화산재의 시공간적 분포에 미치는 영향을 고분해능 수치모델을 사용하여 연구하였다. 즉, 수치모델을 사용하여 산 높이가 화산재의 풍하측 확산에 미치는 영향을 시뮬레이션 하여 그 특징을 분석하였다. 수치 시뮬레이션의 초기 조건으로서 백두산 주변의 대기흐름은 Froude 수로서 정의하였다. 여기서, Froude 수 (Fr ≡ U/NH)는 유입풍속(U), 산 높이(H), 그리고 부력 진동수(N)의 함수이다. 연구의 결과에 의하면, 백두산 풍하측에서 발생하는 산악파에 의한 공기 소용돌이 세기가 화산재의 장거리 전송을 결정하며, 그 소용돌이 세기는 Froude 수에 의해 결정된다. 즉, Fr < 0.2 일 때 Karman vortex가 형성되어 화산재의 풍하측 확산은 저해한다. 그러나, Fr가 1에 가까울수록 화산재는 풍하측으로 멀리 확산될 수 있다.

우리나라는 화산재해의 안전지대로 여겨졌으나 최근 백두산의 분화 가능성이 고조됨에 따라 백두산 분화 전조 및 분화 시나리오, 화산재 확산 연구 등이 발표되고 있으며, 이에 대한 대응 수립 방안이 논의되고 있다. 본 연구는 국내 대기 환경관리 기준 제시와 방향을 설정하기 위한 기초연구로 백두산 화산재 성분 조사와 화산재 성분의 위험성을 평가하였고, 국내외 대기관리 기준을 비교·분석하였다. 추가적으로 백두산 분화시 화산재의 확산 범위와 거리별 확산 농도, 이동 중 성분변화 등의 연구가 진행된다면, 화산재 피해에 대응할 수 있는 지역별 대기 관리 기준이 수립될 수 있을 것으로 판단된다.

백두산은 1만년 이내에 여러 차례 분화한 경험을 가진 젊은 화산으로 역사시대의 분화 기록을 가진 활화산이다. 최근 새로이 발굴한 조선왕조실록 제 35책 효종13권에는 "至於黑氣, 則臣所目見也. 其氣若雨非雨, 若烟非烟, 自北而來, 聲若風驅, 臭若腥臊, 轉頭之頃, 彌滿山谷, 掩翳三光, 咫尺不때牛馬, 吁亦異哉! 近則積城 長湍之間, 遠則咸鏡南道之界, 無處不然云"라는 기록이 나온다. 이를 번역하면, "흑기(黑氣)의 경우는 신이 목격한 것입니다. 그 기운은 비 같기도 하면서 비도 아니고, 연기 같기도 하면서 연기도 아닌 것이 북쪽에서 오는데 소리는 바람이 몰아치듯, 냄새는 비린내 같기도 한데 잠깐 사이에 산골짜기에 가득 차서 빛을 가려 지척에 있는 소와 말도 분별을 못할 정도였으니, 아, 역시 괴이한 일입니다. 가까이는 적성(積城)과 장단(長湍) 사이와 멀리는 함경도의 남쪽 경계까지 모두 그러하였다고 합니다." 이는 1654년 10월 21일에 백두산에서 분화된 화산재와 화산가스가 북풍~북동풍의 바람을 타고 낮은 고도로 운반되어 화산재 구름과 함께 남쪽으로 내려온 화산재(wind-modified fallout ash)로 해석할 수 있으며, 화산재와 화산가스로 인한 대기오염, 시정저해 등 화산재해를 발생시킨 것으로 평가된다. 그 영향지역이 북쪽으로 함경도(咸鏡南) 남쪽 경계부에도 출현하였다는 것은 그 북쪽 즉 백두산에서 화산재가 풍하 측으로 남하하여 한반도 남쪽으로 확산 이동한 것으로 해석된다. 본 연구에서는 유사한 바람장에서 시뮬레이션을 통하여 이를 확인 검증하였다.