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 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.

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.

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.

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.

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.