P파

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1. 개요
2. 명칭
3. 지구 내부에서의 지진파
- 3.1. P파 암영대
- 3.2. 지진 조기 경보
4. 전파
- 4.1. 속도
참조

1. 개요

P파는 압력파 또는 종파의 약자로, 지진계에 가장 먼저 기록되어 붙여진 이름이다. P파와 S파는 지구 내부를 통과하는 체적파로, 지구 내부 구조를 탐사하는 데 사용된다. P파는 지구 내부의 유체층을 통과할 수 있지만, 외핵과의 경계에서 굴절되어 P파 암영대를 형성한다. P파는 S파보다 빠르게 지각을 통과하므로 지진 조기 경보에 활용되며, 대한민국 기상청에서도 지진 조기 경보 시스템을 운영하고 있다. P파의 속도는 매질의 탄성 계수와 밀도에 따라 달라지며, 지질학자 프란시스 비치는 P파 속도와 물질 밀도 사이의 관계를 발견하여 비치의 법칙을 제시했다.

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P파

2. 명칭

P파는 '''압력파'''(압축과 희박으로 형성되기 때문에) 또는 '''주파'''(속도가 빠르기 때문에 지진계에 가장 먼저 기록되기 때문에)라고 불린다.^[1] S파는 이차파 또는 전단파라고 불리며, 또 다른 지진파 전파 모드를 나타낸다. S파는 일반적으로 P파보다 더 파괴적인 파동이다.

3. 지구 내부에서의 지진파

P파와 S파는 지구 내부를 통과하는 실체파이다. 지구 내부의 지구 내부 구조를 탐사하기 위해 P파와 S파의 운동과 거동을 모두 감시한다. 깊이에 따른 속도의 불연속은 상 또는 조성의 변화를 나타낸다. 지진과 같은 지진 이벤트에서 발생하는 파동이 서로 다른 경로를 따라 이동하므로 도착 시간의 차이를 통해 지구 내부 구조를 매핑할 수 있다.^[3]^[4]

3. 1. P파 암영대

P파는 지구 내부의 액체층(외핵)을 통과할 수 있지만, 고체층(맨틀)과 액체층(외핵)의 경계면에서 굴절된다. 이로 인해 진앙에서 103°~142° 사이에는 P파가 도달하지 않는 암영대가 나타나는데, 이곳에서는 최초의 P파가 지진계에 기록되지 않는다.^[5] 반면 S파는 액체를 통과하지 못하기 때문에 S파 암영대가 P파 암영대보다 더 넓게 나타난다. 지구 내부 구조에 대한 거의 모든 정보는 지진파의 반사, 굴절, 위상 전이, 고유 모드의 이동 시간 관찰에서 얻어진다.

3. 2. 지진 조기 경보

P파는 S파나 레일리파보다 지구의 지각을 더 빠르게 통과한다는 점을 이용하여 지진 조기 경보를 발령할 수 있다.^[1]

경보 시간은 P파의 도착과 다른 파괴적인 파동 사이의 지연 시간에 따라 달라지는데, 일반적으로 2011년 도호쿠 지진과 같이 깊고 멀리 떨어진 대형 지진의 경우 몇 초에서 최대 60~90초 정도이다.^[1] 경보의 효과는 P파를 정확하게 감지하고 트럭이나 건설 등으로 인한 지반 진동과 구별하는 데 달려 있다.^[1] 지진 조기 경보 시스템은 경보를 발령하거나, 엘리베이터를 가장 가까운 층에서 정지시키거나, 유틸리티를 차단하는 등 즉각적인 안전 조치를 자동화할 수 있다.^[1]

4. 전파

P파는 등방성이고 균질한 고체에서 종파로 직선으로 이동한다. 따라서 고체의 입자는 파동 에너지의 전파축(이동 방향)을 따라 진동한다. 이러한 종류의 매질에서 P파의 속도는 다음과 같다.

: $v_\mathrm{p} \; = \; \sqrt{ \frac{\, K + \tfrac{4}{3} \mu \;}{\rho} } \; = \; \sqrt{ \frac{\, \lambda + 2 \mu \;}{\rho} }$

여기서 $K$ 는 체적 탄성 계수(비압축 계수), $\mu$ 는 전단 탄성 계수(강성 계수, 때로는 $G$ 로 표시되며 두 번째 라메 파라미터라고도 함), $\rho$ 는 파동이 전파되는 물질의 밀도, $\lambda$ 는 첫 번째 라메 파라미터이다.

지구 내부의 전형적인 상황에서 밀도 $\rho$ 는 일반적으로 $K$ 또는 $\mu$ 보다 훨씬 적게 변동하므로 속도는 주로 이 두 매개변수에 의해 "제어"된다.

탄성 계수 P파 탄성 계수, $M$ 은 $\, M = K + \tfrac{4}{3} \mu \,$ 로 정의되며 이에 따라

: $v_\mathrm{p} = \sqrt{ \frac{\, M \;}{\rho} }$

지진에서 P파 속도의 전형적인 값은 5km/s~8km/s 범위이다. 정확한 속도는 지구 내부의 지역에 따라 다르며, 지구의 지각에서 6km/s 미만에서 하부 맨틀에서 13.5km/s, 그리고 핵 내부를 통과할 때는 11km/s이다.^[2]

일반적인 암석 유형의 속도
암석 유형	속도 [m/s]	속도 [ft/s]
굳지 않은 사암	4600m/s~5200m/s	15000ft/s~17000ft/s
굳어진 사암	5800m/s	19000ft/s
셰일	1800m/s~4900m/s	6000ft/s~16000ft/s
석회암	5800m/s~6400m/s	19000ft/s~21000ft/s
백운암	6400m/s~7300m/s	21000ft/s~24000ft/s
경석고	6100m/s	20000ft/s
화강암	5800m/s~6100m/s	19000ft/s~20000ft/s
가브로	7200m/s	23600ft/s

4. 1. 속도

P파는 등방성이고 균질한 고체에서 종파로 직선으로 이동한다. 따라서 고체의 입자는 파동 에너지의 전파축(이동 방향)을 따라 진동한다. 이러한 종류의 매질에서 P파의 속도는 다음과 같다.

:

v_\mathrm{p} \; = \; \sqrt{ \frac{\, K + \tfrac{4}{3} \mu \;}{\rho} } \; = \; \sqrt{ \frac{\, \lambda + 2 \mu \;}{\rho} }

여기서

K

는 체적 탄성 계수(비압축 계수),

\mu

는 전단 탄성 계수(강성 계수, 때로는

G

로 표시되며 두 번째 라메 파라미터라고도 함),

\rho

는 파동이 전파되는 물질의 밀도,

\lambda

는 첫 번째 라메 파라미터이다.

지구 내부의 전형적인 상황에서 밀도

\rho

는 일반적으로

K

또는

\mu

보다 훨씬 적게 변동하므로 속도는 주로 이 두 매개변수에 의해 "제어"된다.

탄성 계수 P파 탄성 계수,

M

은

\, M = K + \tfrac{4}{3} \mu \,

로 정의되며 이에 따라

:

v_\mathrm{p} = \sqrt{ \frac{\, M \;}{\rho} }

지진에서 P파 속도의 전형적인 값은 5km/s~8km/s 범위이다. 정확한 속도는 지구 내부의 지역에 따라 다르며, 지구의 지각에서 6km/s 미만에서 하부 맨틀에서 13.5km/s, 그리고 핵 내부를 통과할 때는 11km/s이다.^[2]

일반적인 암석 유형의 속도
암석 유형	속도 [m/s]	속도 [ft/s]
굳지 않은 사암	4,600–5,200	15,000–17,000
굳어진 사암	5,800	19,000
셰일	1,800–4,900	6,000–16,000
석회암	5,800–6,400	19,000–21,000
백운암	6,400–7,300	21,000–24,000
경석고	6,100	20,000
화강암	5,800–6,100	19,000–20,000
가브로	7,200	23,600

참조

_[1] 서적 Field Geophysics https://books.google[...] John Wiley and Sons 2010-02-25
_[2] 논문 The Earth's Mantle http://www.phys.uu.n[...]
_[3] 서적 New Frontiers in Integrated Solid Earth Sciences Springer
_[4] 서적 The solid earth: an introduction to global geophysics Cambridge University Press
_[5] 서적 The Fundamentals of Geophysics Cambridge University Press
_[6] 논문 Preliminary reference Earth model
_[7] 웹사이트 Acoustic Logging http://www.epa.gov/e[...] U.S. Environmental Protection Agency 2011-12-12

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