1. 서 론
2. 월진 관측 및 특성
2.1 아폴로 월진 실험 패키지(Apollo Lunar Seismic Experiments Package, ALSEP)
2.2 단주기(Short-period, SP) 및 중주기(Mid-period, MP) 계측기
2.3 월진의 종류 및 특징
3. 월진 기록 획득 및 고 진폭 이벤트 통계 분석
3.1 이벤트 카탈로그 기반 월진 기록 획득
3.2 고 진폭 이벤트 통계 분석
4. 얕은 월진 스펙트럼 형상 분석
4.1 저품질 이벤트 기록 배제
4.2 스펙트럼 형상 분석
5. 결론 및 토의
1. 서 론
행성과학과 항공우주공학의 발전으로 최근 달 표면에서는 희소 금속 자원이 점차 확인되고 있다. Kim(2017)은 달에는 향후 에너지 자원으로 활용될 가능성이 높은 헬륨-3, 토륨, 티타늄 등의 희귀 자원이 존재하며, 그중 헬륨-3는 미래의 핵융합 에너지원으로 주목받고 있음을 밝힌 바 있다. 특히, 달의 극지방 영구 음영 지역에서 발견된 얼음 형태의 물이 존재(Li et al., 2018)는 달이 유인 탐사에 필요한 물과 산소, 발사체 연료인 수소를 효율적으로 생산할 수 있는 잠재력을 지니고 있음을 보여주고 있다(Hong et al., 2018). 더불어 달은 인류의 우주 탐사 전초기지로써의 역할에 유리한 조건을 제공하기도 한다. 대기의 부재, 약한 중력은 달에서의 에너지와 비용 효율적으로 심우주 탐사를 가능케 할 수 있다(Stanley et al., 2005).
미항공우주국(National Aeronautics and Space Administration, NASA)과 유럽우주국(European Space Agency, ESA) 등 우주개발 선진국에서는 달 자원을 활용한 기지 건설 계획을 구체화하고 있다. 우리나라 역시 제4차 우주개발진흥기본계획(2023-2027)을 통해 2040년대까지 달 기지 확보 임무 수행을 선언한 바 있다(Kim et al., 2023). 달 기지 건설을 위한 현지 자원 활용(In-Situ Resource Utilization, ISRU) 기술은 최근 비약적인 발전을 이루고 있다. ISRU 기술 중 월면토 활용 기술에 기초한 달 기지 축조는 그 요소기술의 성숙이 가시권에 이르고 있다. 특히 마이크로파를 열원으로 하는 월면토 소결 기술이 미국 NASA의 달-화성 자율 건설 프로젝트(Moon to Mars Planetary Autonomous Construction Project, MMPACT), 유럽 ESA의 유럽 우주비행사센터(European Astronaut Centre, EAC) 등에서 개발되고 있다. 국내에서도 한국건설기술연구원(Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, KICT)에서 한국형 인공 월면토 KLS-1(Korean Lunar Simulant, Ryu et al., 2018)에 마이크로파를 가해 제작한 소결체의 특성 분석, 균질한 소결 블록 제작을 위한 가열 프로세스를 정립, 소결의 효율성을 검토하기 위한 실험적 연구 등이 수행된 바 있다(Kim et al., 2021; Jin et al., 2024; Lee et al., 2024).
한편, 달에서도 지진 활동(moonquakes)이 보고되고 있다(Nakamura et al., 1981). 미국 NASA의 아폴로(Apollo) 프로그램의 일환으로 수행된 아폴로 달 지진 실험 패키지(Apollo Lunar Seismic Experiments Package, ALSEP)를 통해 1969년부터 1977년까지 월면에서 월진 관측이 수행되었다(Nunn et al., 2020). 월진의 주요 원인으로는 태양-지구-달 간의 배치에 따른 조석 차(Watters et al., 2019)와 달의 낮과 밤 사이 최대 300도에 달하는 극심한 온도 변화로 인해 발생하는 열팽창과 수축(Duennebier and Sutton, 1974)을 들 수 있다. 특히 Watters et al.(2019)의 연구에서는 달이 지구와 가장 먼 거리(apogee)일 때 달의 수축으로 인한 단층(trust faun) 활동이 현재도 활발할 가능성을 제기하고 있다. 최근까지도 아폴로 프로젝트의 관측기록을 활용하여 월진원을 추가로 특정하는 연구(Onodera, 2024) 등이 꾸준히 수행되고 있다.
추후 달 기지 건설 시 방재 개념 역시 도입되어야 할 것이다. 달에서 실재하고 있는 위협인 월진을 극복하기 위해서는 달 환경을 고려한 내진설계가 필수적일 것이다. 본 연구에서는 기존 아폴로 임무에서 수집된 월진의 원시 데이터를 확보하고 이를 분석하여 달에서의 구조물 내진설계를 위한 지반운동 스펙트럼을 정형화를 시도하였다. 특히 상대적으로 고 진폭의 지반운동을 유발하는 달의 얕은 월진(shallow moonquakes) 이벤트를 분석하여 수직 및 수평 응답 스펙트럼 형상을 결정하고자 하였다.
2. 월진 관측 및 특성
2.1 아폴로 월진 실험 패키지(Apollo Lunar Seismic Experiments Package, ALSEP)
아폴로 임무의 일환으로 NASA는 1969년부터 1977년까지 달 표면에서 월진 활동을 체계적으로 관측하기 위해 ALSEP를 설치했다. ALSEP는 달 표면에 설치된 과학 장비 패키지로, 아폴로 11호, 12호, 14호, 15호, 16호, 17호 기지에 위치하여 있으며, 각 기지의 장비는 월진 활동을 포함한 다양한 지구물리학적 데이터를 수집하도록 설계되었다. Fig. 1은 각 아폴로 관측소의 위치를 보여주고 있으며, 각 기지의 장비가 월진 및 달의 지질학적 특성을 연구하는 데 중요한 기초 자료를 제공했음을 시사한다. ALSEP는 수동 월진 실험(Passive Seismic Experiment, PSE), 능동 월진 실험(Active Seismic Experiment, ASE) 및 달 표면 프로파일링 실험(Lunar Surface Profiling Experiment, LSPE)으로 구성되어 있다(Nunn et al., 2020; Nunn et al., 2022). 본 연구에서 활용한 월진 관측자료는 PSE의 결과로, PSE는 아폴로 11호, 12호, 14호, 15호 및 16호 기지에 설치되었다. 다만, 아폴로 11호 기지는 한 달 주기 동안만 작동하였다. PSE는 달 표면에서 자연적으로 발생하는 다양한 월진원(seismic source)으로 인한 진동 이벤트를 장기간 모니터링하며, 달 내부 구조와 지질 활동에 대한 귀중한 정보를 제공했다. 반면, ASE는 아폴로 14호와 16호 기지에서 수행되었으며, 월진파의 인위적인 발생을 통해 달 지각의 구조를 파악하는데 기여하였다. LSPE는 17호 기지에서 수행되었으며, 보다 상세한 월진파 데이터를 통해 달 표면의 구조적 특성을 정밀하게 연구하는 데 활용되었다(Nunn et al., 2020; Nunn et al., 2022).
2.2 단주기(Short-period, SP) 및 중주기(Mid-period, MP) 계측기
아폴로 임무에서 설치된 월진 관측 시스템은 각 기지에 3성분 중주기(Mid-period, MP) 변위계와 단주기(Short-period, SP) 수직 속도계를 포함하고 있다. 중주기 계측기는 플랫(flat) 모드와 피크(peaked) 모드, 두 가지 모드로 설정이 가능하였다. 피크 모드는 지진계의 자연스러운 응답 모드인 반면, 플랫 모드는 더 넓은 주파수 범위에 민감하도록 설계되었으며 회로 내에 피드백 필터가 사용되었다. 하지만 플랫 모드는 신호 안정성이 낮아 대부분의 시간 동안 피크 모드로 운용되었다(Nunn et al., 2020). 중주기 계측기(3채널: MHZ, MH1, MH2)의 샘플링 속도는 약 6.625Hz로 설정되었고, 단주기 계측기(1채널: SHZ)는 53Hz로 설정되었다(Nunn et al., 2020). Fig. 2에서 S12 관측소의 SHZ와 S14 관측소의 일부 기간 MHZ 채널은 작동하지 않았다(Nunn et al., 2022).
2.3 월진의 종류 및 특징
월진은 크게 네 가지로 분류된다. 첫 번째는 깊은 월진(혹은 심발 월진, deep moonquakes)으로 조석력에 의해 발생하고 달 하부 지각 700-1200km 깊이 범위의 진원(Frohlich and Nakamura, 2009)을 갖는 것으로 알려져 있다. 발생 주기가 조석력과 연관이 있는 특성이 있다(Lammlein et al., 1974; Nakamura, 2005). 두 번째는 얕은 월진(혹은 천발 월진)으로 달 지각 내 단층 활동과 연관되어(Watters et al., 2019) 약 50 ± 20km 깊이에서 발생하였을 가능성이 높은 것으로(Gillet et al., 2017) 알려져 있다. 얕은 월진은 드물게 발생하지만(아폴로 프로젝트 기간 내 총 28회, Nakamura et al., 1981) 깊은 월진에 비해 104배 더 많은 에너지를 방출하는(Goins et al., 1981) 가장 강력한 자연 발생 월진이다. 지구에서의 판내부(intraplate) 지진과 낮은 조석 상관성, 낮은 b값, 활동성 등에서 유사한 특징이 있다(Nakamura, 1980). 세 번째는 운석 충돌(meteoroid impacts)로 인한 월진으로 외부 운석이 달 표면에 충돌하여 발생하며, 지속시간은 몇 초에서 몇 분 정도로 짧아 다른 자연 발생 월진과 대별된다(Onodera, 2024). 마지막으로 열적 월진(thermal moonquakes)은 낮과 밤의 급격한 온도 변화로 인해 표층 암석이나 지각 구조가 팽창하거나 수축하면서 발생하며, 5분 이내의 짧은 지속시간과 주기성을 특징으로 한다(Duennebier and Sutton, 1974).
월진파 전파는 지구와 다른 독특한 특성을 보인다. 달 표면에는 수에서 수십 m 두께로 미세 먼지부터 암석까지 포함하고 얇은 레골리스(Regolith) 층이, 그 하부에서 100km 깊이까지는 파쇄 암석으로 구성된 메가레골리스(Megaregolith) 층이 존재하는데, 두 층은 매우 불균질한 구조로 인해 강한 산란을 유발한다(Wieczorek et al., 2013; Gillet et al., 2017). 강한 산란은 월진 에너지가 여러 전파 경로로 재분배되도록 하여 느린 감쇠를 초래한다. 더불어 달은 대기와 유체가 없어 월진파의 에너지 흡수가 느리기에 월진파가 더욱 느리게 감쇠하고 진동이 최대 수 시간에 걸쳐 오래 지속된다(Nakamura, 1983; Gillet et al., 2017; Nunn et al., 2022). 이러한 낮은 감쇠와 긴 지속시간은 아폴로 12호 미션 당시 “달이 종처럼 울린다(the Moon rings like a bell).”라는 표현의 근거로 작용한다(Heiken et al., 1991).
3. 월진 기록 획득 및 고 진폭 이벤트 통계 분석
3.1 이벤트 카탈로그 기반 월진 기록 획득
Nunn et al.(2022)은 PSE에서 관측한 월진 원시자료를 현대의 지진학계의 표준 데이터 교환 형식인 SEED (Standard for the Exchange of Earthquake Data, IRIS, 2012) 형식으로 변환하여 공공에 제공하고 있다. 해당 연구에서는 SEED 형식으로 전환되기 이전의 일관되지 않은 시간 기록의 오류, 불규칙한 샘플링과 아날로그 및 디지털 테이프 보관 방식으로 인한 데이터 직접 활용의 어려움을 상당 부분 해결하였다. SEED로 변환된 월진 데이터는 IRIS(Incorporated Research Institutions for Seismology)와 NASA Planetary Data System(PDS)를 통해 공공에 제공되고 있다.
월진을 기록한 관측자료의 획득을 위해서는 개별 월진 이벤트의 종류 구분, 시작 및 종료시간 등의 정보가 기록된 이벤트 카탈로그가 필요하다. Nakamura et al.(1981)은 Apollo PSE 데이터에 기초하여 13,000건이 넘는 월진 이벤트 카탈로그를 작성하였다. 1969년 7월 21일부터 1977년 9월 30일까지 발생한 월진 이벤트는 체계적으로 목록화 및 2018년 최종 업데이트되어 ‘levent.1008c’라는 파일명으로 공공에 공유되고 있어(Nunn et al., 2020) 이를 활용하였다. 최근 연구(Onodera, 2024)에서 기존 이벤트 외 22,000건 이상의 추가 이벤트가 특정되기도 하였으나, 이는 그간 발견되지 않은 미소 월진원 이벤트로 본 연구에서는 활용하지 않았다.
본 연구에서는 월진 데이터를 효율적으로 수집하고 처리하기 위해 NASA의 PDART(Planetary Data Archiving, Restoration, and Tools) 프로그램과 Nunn et al.(2022)에 의해 GitHub repository(https://github.com/cerinunn/pdart/blob/master/getting_started.ipynb)에 등록된 python 기반의 pdart 코드를 활용하였다. IRIS는 FDSN(The International Federation of Digital Seismograph Networks) 웹 서비스 프로토콜(Lee et al., 2024)을 통해 월진 파형 데이터를 제공하고 있다. 앞서 확보한 이벤트 카탈로그에서 추출된 개별 이벤트의 종류, 시작 시간, 종료 시간 등의 정보를 FDSN 웹 서비스를 통한 파형 데이터 요청에 활용하였다. 우선 얕은 월진(구분 기호 ‘H’)으로 분류된 모든 월진 이벤트를 필터링하여 각 관측소 파형 데이터를 요청하였다. 다운로드된 원시 파형 데이터는 결측치와 기기 응답의 영향을 포함하고 있으므로, 신뢰성 있는 분석을 위해 전처리 과정을 pdart 코드에 기반하여 진행하였다. 결측치는 선형 보간법을 통해 처리하였으며, 기기 응답을 제거는 IRIS에서 달 관측소에 대한 메타데이터를 확보하여 python의 obspy 라이브러리(Beyreuther et al., 2010)를 통해 수행하였다.
Nunn et al.(2022)에 따르면, 아폴로 미션에 사용된 계측기는 주파수 응답 특성이 현대의 지진계만큼 정밀하지 않아 나이퀴스트(Nyquist) 주파수 범위 이내라 할지라도 신호 왜곡이 발생할 수 있는 것으로 보인다. 이에 계측기 성능에 비해 다소 좁은 전처리 대역통과 필터(pre filt)가 pdart 코드에서 기본값으로 설정된 것으로 판단된다. 본 연구에서는 전처리 대역통과 필터의 주파수 범위를 pdart에서 제시한 기본 대역(MH1, MH2, MHZ: [0.1, 0.3, 0.9, 1.1], SHZ: [1, 2, 11, 13])에서 다소 확장(MH1, MH2, MHZ: [0.1, 0.3, 1.0, 1.2], SHZ: [0.7, 0.9, 11, 13])하여 유효 관측 주파수 대역이 상이한 두 계측기가 일부 주파수 대역(0.9-1.0Hz)에서 중첩되게 하였다. 이는 분석에서 두 계측기 관측기록의 병행 활용 가능성을 살피기 위함이다. Fig. 3에 관련 예시를 나타내었다. 두 계측기에 각각 설정된 전처리 대역통과 필터를 거친 관측기록 스펙트럼을 볼 수 있다.
전처리된 데이터는 채널에 따라 분리하여 저장하였으며, 각 관측소 및 채널에 대한 파형을 시각화하여 데이터의 품질을 확인하였다. 자동화한 데이터 수집 및 전처리 과정 구축을 통해 분석에 필요한 신뢰성 있는 대량의 데이터를 효율적으로 확보하였다.
3.2 고 진폭 이벤트 통계 분석
앞서 언급한 것과 같이 Nakamura et al.(1981)에 의해 분석되고 업데이트된 총 13,058건의 월진 이벤트의 카탈로그가 ‘levent.1008c’ 파일로 공유되고 있다. 해당 카탈로그에는 이벤트마다 월진원 종류(‘LM impact’, ‘S_IVB impact’, ‘meteoroid impact’, ‘classified(matching) deep moonquake’, ‘unclassified deep moonquake’, ‘shallow moonquake’, ‘mostly short-period event’, ‘special type’)를 구분하였고, 각 이벤트의 시작 시간, 종료 시간, 관측소 평균 진폭, 각 관측소 진폭 및 관측소별 품질지수의 정보를 포함하고 있다. 이중 이벤트별 관측소 평균 진폭이 30 이상인 고 진폭 이벤트의 월진원 종류를 살펴보고자 하였다. 총 56건의 월진 이벤트가 추출되었고 Fig. 4와 같이 진폭의 크기에 따라 순서대로 막대그래프로 월진원 종류를 나타내었다. LM(Lunar module) impact, S-IVB impact는 ASE 실험을 위해 달 착륙선이나 발사체를 달 표면에 충격한 인위적 이벤트이다. 가장 큰 진폭을 발생시킨 이벤트는 운석 충돌이다. 56건 중 운석 충돌을 포함한 달 표면 충격을 제외하면 하부 지각에 월진원을 둔 이벤트(moonquakes)는 단 6건에 불과하다. 깊은 월진으로 분류되는 이벤트는 49위에 해당하는 고 진폭 이벤트 1건 만이 존재하였는데 깊은 월진은 달 표면에 고 진폭의 지반운동을 생성시키지는 못하였다. 얕은 월진은 5건이 포함되었고, 1건은 진폭 상위 10위에 해당한다. Oberst(1987)에 연구에 의하면 아폴로 프로그램을 통해 관측된 28건의 얕은 월진 중 8건은 실체파 규모(MB)가 5.0을 상회한다.
진폭 상위에는 자연 현상 중 하나인 운석 충돌 이벤트가 다수를 차지하고 있어 분석이 요구되나 본 연구에서는 진원이 지하인 고 진폭 이벤트에 중점을 두었다. 즉, 얕은 월진 이벤트만 특정하여 분석하고자 하였다. 이때 고 진폭의 얕은 월진이 아닌 모든 얕은 월진 이벤트를 분석 대상으로 삼았다.
4. 얕은 월진 스펙트럼 형상 분석
4.1 저품질 이벤트 기록 배제
전처리된 얕은 월진 이벤트 파형 중 저품질의 기록은 분석에서 제외하고자 하였다. 파형의 신호구간과 잡음구간의 신호대잡음비(signal-to-noise ratio, SNR) 수준을 우선 활용하였다. 정규화 Arias 진도(Arias, 1970) 20-80% 범위인 신호 구간의 RMS(root mean square)와 99-100% 범위인 잡음 구간의 RMS를 비교(Lee et al., 2024)하여 신호대잡음비가 5.0 미만인 기록은 배제하였다. 더불어 정규화 Arias 진도의 시간에 따른 진폭의 로지스틱(logistic) 회귀분석에 따른 결정계수(R2)가 0.97 미만인 기록 역시 제외하여 유의미한 이벤트만을 선별하여 분석하고자 하였다. Fig. 5에 배제된 기록의 예시를 도시하였다. 낮은 신호대잡음비 기록과 신호 대비 큰 진폭의 스파이크(spikes)가 불규칙하게 포함된 기록들이 주로 배제되었다. 이후 전체 파형을 일일이 점검하여 정상적인 형태가 아닌 월진 파형은 추가로 걸러내었다. 총 28건의 얕은 월진 이벤트에 대한 294건 파형 중 최종적으로 16건의 얕은 월진 이벤트에 대한 82건(MH1 채널 19건, MH2 채널 21건, MHZ 채널 12건, SHZ 채널 30건)의 파형 기록이 분석 대상이 되었다.
4.2 스펙트럼 형상 분석
분석 대상 이벤트 파형을 채널에 따라 구분하여 그 응답스펙트럼(감쇠비, ζ = 5%)을 Fig. 6과 같이 도시하였다. 스펙트럴 가속도는 달의 중력가속도(≈1.625m/s2)를 고려하여 표현(gmoon)하였다. 달에서는 달의 중력, 지반 특성, 대기 부재 등이 구조물의 진동 감쇠 특성에 미치는 영향이 지구와 다를 수 있으므로 지구의 내진설계에 제시된 표준 5%의 감쇠비 적용이 타당하지 않을 수 있다. 다만, 현재까지 달에서의 감쇠비 관련 실험 및 연구 결과가 존재하지 않으므로 우선 5% 감쇠비를 응답스펙트럼 계산에 적용하였다. 그림에서 단주기(채널: SHZ)와 중주기(채널: MHZ, MH1, MH2) 계측기 관측기록이 유효한 주기(주파수) 대역은 각각 저역 통과 필터 주파수(단주기 11Hz ≈ 0.09초 중주기 1Hz = 1초) 이상 주기 대역이다. 각 성분의 기하평균, 기하평균*표준편차 및 기하평균/표준편차를 검은색 쇄선으로 나타내었다. 각 채널의 관측기록이 12-30건으로 제한되고 기록마다 진폭 수준이 달라 일괄 비교가 비합리적일 수 있으나, Fig. 6의 개별 관측기록 응답스펙트럼의 형상 자체가 기하평균 및 표준편차 응답스펙트럼의 형상과 크게 상이하지 않은 것을 확인할 수 있다. 이는 달에서의 고유한 감쇠 특성에 기인하는 것으로 보인다. 2.3절에 언급한 것과 같은 달 표면의 낮은 감쇠는 진폭 수준이 다름에도 상대적으로 일정한 스펙트럼 형상에 기여하는 것으로 판단된다.
전체 채널에 대한 기하평균*표준편차 및 기하평균/표준편차를 Fig. 7(a)에 동시에 비교하였다. 중주기와 단주기 계측기의 유효 관측 대역이 중복되는 주파수 대역은 0.9-1Hz(1.0-1.1초) 범위로 해당 주기 대역에서 단주기 수직 채널(SHZ)과 중주기 수직 채널(MHZ)의 스펙트럴 가속도가 어느 정도 일치하고 있다. Fig. 7(b)에 두 채널 기록의 기하평균, 기하평균과 표준편차의 곱을 별도로 도시한 결과, 기하평균이 유사한 진폭을 보이고 있으나 기하평균과 표준편차의 곱은 단주기 계측기 채널인 SHZ 기록의 수준이 보다 큰 것을 확인할 수 있다.
얕은 월진에 의한 수직 지반운동 하중 정형화를 위해 Fig. 7(b)의 파란색 쇄선으로 나타낸 단주기 수직 채널(SHZ) 관측기록의 기하평균*표준편차 수준을 보수적 관점에서 활용하고자 하였다. 기하평균*표준편차 스펙트럴 가속도를 스펙트럴 속도 및 변위로 변환하고 y축 절편으로 정규화하여 Fig. 8(a)와 같이 비교하였다. 해당 과정에서 감쇠비 10%와 15%에 대한 기록도 함께 도시하였다. 이는 향후 월면토 소결 방식에 기초하고 건축이 용이한 조적식 구조물 건설을 고려하기 위함이다. 조적식 구조물은 소결 블록과 접합부에서 발생하는 마찰 및 미세 균열 형성을 통해 외부 진동 에너지를 효과적으로 소산하므로, 철근콘크리트나 강구조 형식의 구조물에 비해 더 높은 구조시스템의 감쇠비를 보일 가능성이 있다. 정규화된 스펙트럴 기록으로 가속도, 속도 및 변위 일정 구간을 구분할 수 있다. 그림에서 속도 일정 구간은 0.1-0.2초 구간으로 확인할 수 있고, 변위 일정 구간은 0.2초 이상 주기 대역으로 설정이 가능하였다. 가속도 일정 구간은 계측기 성능의 한계로 확인이 불가하였다. 전이주기 0.1초와 0.2초를 기준으로 Fig. 8(b)와 같이 3가지 감쇠비에 대한 수직 스펙트럴 가속도의 회귀분석을 ~1/T 및 ~1/T2 함수를 이용하여 단주기 저역통과 필터 이상 주기(0.1초) 대역에 대하여 수행하여 기록과 함께 도시하였다.
수직 스펙트럼과 달리 수평 스펙트럼은 저역 통과 필터 주파수가 1Hz에 불과한 중주기 계측기만을 활용하여 계산할 수 있으므로, 수직 스펙트럼과 같이 0.1초 주기까지 관측기록을 통한 스펙트럼 형상 결정이 불가하다. 이에 분석이 유효한 1초(1Hz) 주기 이상 대역에서의 중주기 계측기 3채널 관측기록으로 수직/수평 가속도 스펙트럴 비(vertical-to-horizontal spectral ratio)를 결정하고, 해당 비율을 0.1초 주기까지로 가정하여 수직 스펙트럼 형상을 활용할 수 있는 가능성을 모색하고자 하였다.
Fig. 9에 중주기 계측기 3성분(MHZ, MH1, MH2) 관측기록을 활용한 수직/수평 가속도 스펙트럴 비를 도시하였다. MHZ/MH1과 MHZ/MH2 관측기록이 쌍을 이루어 존재하는 경우는 각각 9건과 10건이며, 1건의 MH1 관측기록은 4.1절에 의해 배제되었다. Fig. 9(a)에서 수직/수평 가속도 스펙트럴 비율은 각 기록마다 주기(1-10초)에 따라 그 수준이 변화하기도 하나, 비율 자체의 수준이 관측기록에 따라 큰 차이를 나타내고 있다. 이를 분석하기 위해 Fig. 9(b)와 같이 19건의 관측기록 쌍을 정규화 스펙트럴 가속도 수준과 관측소에 따라 비교하였다. 정규화 스펙트럴 가속도는 각 9건, 10건의 수평(MH1 및 MH2) 스펙트럴 가속도의 1초 주기 값 중 가장 작은 값으로 정규화한 상대적인 지반운동의 크기이다. 더불어 표식에 각 관측소명을 표시하여 관측소에 따른 수직/수평 스펙트럴 가속도 비율의 차이 여부도 분석하고자 하였다. S14 및 S15 관측소 기록은 각각 2건, 1건으로 지반운동 수준에 따른 분석은 불가하나, 스펙트럴 가속도의 비율은 0.1-0.2 수준을 보였다. S16 관측소 기록은 모두 6건으로 다양한 지반운동 수준에 분포한다. 전체 지반운동 수준에서 S14, S15 관측소와 같이 낮은 비율을 보인다. S12 관측소 기록은 10건으로 작은 지반운동 수준에 기록이 집중되어 있고 그 비율의 수준은 0.5-1.2 범위이다. S12 관측소와 다른 관측소와의 비율에 현저한 차이가 존재하는 것으로 판단된다. 그러나 현재의 데이터만으로 수직/수평 스펙트럴 가속도 비율의 지반운동 수준(규모, 진원거리)에 따른 변화, 관측소에 따른 변화 특성을 도출하기에 제한이 존재한다. 즉, 중주기 관측 성분의 수직/수평 스펙트럴 가속도 비율을 활용하여 수평 스펙트럴 가속도의 형상을 결정하고자 하는 시도는 제한된 데이터로 불가하였다. 보다 면밀한 분석을 위해서는 계측기 설치 정보, 관측소 하부 지반 특성, 월진원 특성 등과 관련된 정보 및 추가적인 분석 결과가 필요할 것으로 판단된다.
5. 결론 및 토의
본 연구에서는 아폴로 월진 실험 패키지(PSE) 데이터를 활용하여 얕은 월진의 특성을 분석하고, 달 환경에 적합한 내진설계를 위한 지반운동 스펙트럼을 정형화하고자 하였다. 주요 결과는 다음과 같다.
(1) 아폴로 PSE 데이터는 현대 표준(SEED 형식)으로 변환되어 공공에 제공되고 있으며, 이를 FDSN 웹 서비스와 월진 이벤트 카탈로그를 활용하여 분석 대상 데이터를 효과적으로 확보하였다. 전처리 과정에서는 신호대잡음비(SNR)와 로지스틱 회귀분석을 통해 데이터의 품질을 검토하고, 품질이 낮은 데이터를 배제하여 신뢰성을 확보하였다.
(2) 전체 28건의 얕은 월진 이벤트 중 최종적으로 16건의 이벤트에 대한 고품질 월진 파형을 선별하여 응답스펙트럼을 분석하였다. 얕은 월진에 의한 지반운동은 달 특유의 강한 산란 및 감쇠 특성으로 인해 진폭의 수준에 관계없이 비교적 일정한 스펙트럼 형상을 보였다. 결과적으로 단주기 계측기록(SHZ)을 활용하여 보수적인 설계를 위한 기하평균*표준편차 수준의 수직 스펙트럼 형상을 제안하였다.
(3) 3성분이 존재하는 중주기 계측기의 관측기록을 통해 수직/수평 스펙트럴 비를 분석하여 수직 성분만 존재하는 단주기 계측기록에 적용하고자 하였으나, 관측소별 차이와 데이터 개수의 제한으로 인하여 수직/수평 비율 도출에는 한계가 존재하였다. 이를 보완하기 위해 추가적인 정보와 데이터의 확보가 필요함을 확인하였다.
달 표면에서 관측되는 진동은 달의 지질학적 특성으로 인하여 진동 지속시간이 최대 수 시간(Gillet et al., 2017; Nunn et al., 2022)에 달하기도 한다. 이는 일반적으로 수 초에서 수 분 동안 지속되는 지진과는 크게 다른 특징으로, 지구보다 지반운동 수준이 낮다 하더라도 긴 지속시간으로 인해 주변 지형에 변화를 일으키거나 구조물의 피로 누적을 유발하여 파괴 가능성을 증가시킬 수 있다. 2023년 10월, 인도의 무인 달 탐사선 ‘찬드라얀 3호’가 사상 최초로 달 남극 지역에 성공적으로 착륙한 이후, 탐사선에 탑재된 6개의 고감도 가속도계로 구성된 지진계를 통한 새로운 월진 관측이 시작되었다. 향후 대량의 고품질 월진 데이터를 확보하여 긴 월진 지속시간을 반영할 수 있는 인공합성 월진파 생성기술도 개발할 필요가 있다.
