By 지진파는 보통 S파와 P파가 있다는 것은 일반상식에 속한다.
P파는 S파보다 속도가 빠르고, 진동의 폭이 작아서 S파보다 먼저 도착해서 본진에 대한 예고파로 생각될 정도다. 반면 S파는 속도가 느린 편이지만 진폭이 P파에 비해 월등히 큰 편이므로 대부분의 지진피해는 S파에 의해서 발생한다. 일반적으로 우리나라 지진에서 P파는 아주 민감한 사람도 느끼기 힘들 정도로 미미하며, 지진계를 사용해야만 P파의 존재를 측정할 수 있다. 상당히 큰 지진이어아만 P파를 우리 감각으로 인지할 수 있다.
이 글에서는 왜 S파가 P파보다 속도가 느리고, 피해가 큰 지와 지진파의 세 번째 유형인 L파의 특성에 대해서 이야기하고자 한다. (L파는 또 두 가지 성질이 존재한다.)
윗 그림을 보면 격자로 이뤄져 있다.
각 격자는 구성입자를 고정시키는 격자이고, 각 격자의 선이 만나는 곳에 입자가 한 개씩 있다고 생각하면 된다.
격자는 입자를 고정시키는 틀의 역할을 하는데, 입자 사이의 거리가 멀어지면 더 가까워지게 하려는 힘이 작용하고, 더 가까워지면 멀어지려는 힘이 작용하면서 틀의 모양을 유지하려 한다. 이때 입자 사이에 작용되는 힘의 특성은 여러 가지로 달라질 수 있겠지만 이 글에서는 간단하게 격자의 고정점에서 벗어난 거리에 비례한다(후크의 법칙을 만족한다)고 생각하자. 즉 윗 그림에서 a’와 b’의 길이에 비례하는 힘이 입자 사이에 작용된다는 것이다.
결국 입자의 위치는 a’와 b’에 의해서 처음 위치로 되돌아가려고 하는 힘이 작용한다. 그러나 이때 입자가 갖고 있는 에너지는 주변의 입자에 건네주게 되는데, a와 b에 작용하는 힘에 의해서 에너지가 건네진다. 힘은 거리가 가까울수록 더 강하므로 a보다는 b쪽이 더 빨리 에너지를 전달하게 된다. 에너지의 전달은 곧 파동이므로 a와 관련 있는 파동이 b와 관련 있는 파동보다 더 빨리 전파되게 된다. 여기서 a는 입자가 움직이는 방향과 파동이 움직이는 방향이 서로 수직이며 우리는 이를 S파라고 부른다. 또한 b는 입자가 움직이는 방향과 파동이 움직이는 방향이 일치하는데 우리는 이를 P파라고 부른다. 위에서 설명했듯이 P파 쪽이 더 파동의 전달속도가 빠르게 되고, 결국 우리는 진원이 어디에 있던지 간에 P파를 S파보다 더 빨리 느끼게 된다. (이를 장력의 개념으로 설명할 수도 있는데 설명과정만 조금 틀릴 뿐이다.)
P파는 대체적으로 같은 에너지를 포함할 경우 진폭이 작을 수밖에 없다. 반면 S파는 같은 에너지를 포함할 경우 입자의 구속력이 약하기 때문에 더 큰 폭으로 입자가 움직인다. 이 말은 땅이 더 심하게 흔들린다는 의미이고, 지표의 구조물들이 더 쉽게 파괴될 수 있다는 의미이기도 하다. 일반적으로는 그래서 P파보다 S파에 의해서 피해가 더 심하게 발생하게 된다.
지구에서는 움직이는 방향에 수직인 파동은 두 방향이 있을 수 있다. 이 방향성은 지구 지각에는 위아래가 있기 때문에 나탄나다. 그래서 지표면과 수평 방향으로 움직이냐, 수직 방향으로 움직이냐에 따라서 두 가지 파동으로 나눌 수 있다. 지표면과 수직으로 흔들리는 파동을 우리는 S파라고 부른다. 일반적으로 이 파동이 우리에게 가장 큰 피해를 입힌다. 반면 지표면과 평행하게 흔들리는 파동과 물 위에 돌맹이가 떨어졌을 때 발생하는 물결무늬와 동일한 파동을 우리는 L파라고 한다.(L파는 두 가지가 존재하는 것이다.) 일반적으로 L파는 큰 피해를 입히지 않지만 간혹 연약지반 구간에서 큰 피해를 입히는 경우가 있다.
몇 년 전의 고베 대지진이나 멕시코의 멕시코시티 대지진의 경우가 L파가 강력한 영향을 미친 지진이었다. 두 곳 모두 인공으로 땅을 메워 평지를 만들고, 그 위에 건물을 지은 형태의 도시였는데, 그렇기 때문에 땅이 물러 쉽게 L파가 증폭되었던 것이다.
어떤 경계면은 큰 에너지의 파동이 전달되기 매우 쉬운 특성을 보이므로 지진파뿐만 아니라 다른 파동을 다룰 때도 항상 한 번 더 생각해 줘야 하는 중요한 부분이다.
지진이 전파되는 경로를 한번 살펴보자.
우선 지진이 발생한 진원지는 대부분 지각의 어느 부분이다. 간혹 맨틀이나 지각과 맨틀 경계면에서 발생하는 경우도 있다. 위의 그림은 사실 지각의 두께를 과장해서 그린 경향이 있다.
모호로비치치 불연속면이란 맨틀의 주성분과 지각의 주성분의 경계면으로 분명하게 구분되어 나타나지 않고 불분명하게 관찰되는 면이다. 그러나 지진파가 전달되기에는 나무랄 데 없는 이동통로가 될 수 있다.
우선 지진이 발생하면 파동은 S파와 P파의 형태로 사방으로 퍼지는데, 이 파동들이 어떤 경계선에 다다르면 큰 에너지가 L파로 바뀌게 된다. 쉽게 이야기해서 물에 총을 쏘면 총알이 빠르게 날아가다가 수면을 통과하면서 갑자기 속도가 뚝 떨어지면서 물결을 일으키는 것과 같은 현상이라고 생각하면 된다. 이렇게 L파가 발생하면 L파는 주로 물질들의 경계면을 따라 전파되는데, 지각의 상층인 땅 표면을 타고 움직이는 파동과 지각의 하층인 모호로비치치 불연속면 (보통 모호면이라 부른다.)을 타고 전파된다. 경계면의 특성이 지표면은 낮은 압력에 복원력이 거의 없는 공기가 한 구성 물질을 이루고 있고, 모호면은 지각과 맨틀의 강력한 복원력이 존재하는 두 물질의 접합으로 이루어져 있으므로 모호면을 통과하는 파동은 지표면을 통과하는 파동보다 몇 배 빠른 속도를 갖게 된다. 그래서 위 그림의 A지점에서 지진이 발생했을 경우 좀 떨어진 B지점에서는 지표면을 따라 전파된 L파보다 모호면을 따라 전파된 L파를 먼저 느낄 수도 있게 된다.
dhkdn
와우!