고지대 빙식각 암석 노두의 고주파 음향 산란 측정

초록

노르웨이 샌드에르포드 연안의 빙식각 암석 노두를 대상으로 100 kHz 고주파 SAS를 이용해 후방산란 강도를 측정하였다. 매끄러운 면은 소규모 경사 근사와 섭동 이론이, 거친 면은 경험적 Lambertian 모델이 잘 맞으며, 거친 표면에 대한 기존 이론은 8 dB 이상 과대평가함을 확인하였다. 암석의 지구음향 및 거칠기 파라미터는 디지털 스테레오 포토그래메트리와 효과 매질 모델을 통해 추정하였다.

상세 분석

본 연구는 고주파 합성 개구 레이더(SAS) 시스템을 이용해 빙식각 암석 노두의 후방산란 특성을 정량화하고, 이를 기존의 음향 산란 이론과 비교함으로써 바다 바닥 모델링에 필요한 실험적 근거를 제공한다. 먼저, 실험 지역은 노르웨이 샌드에르포드 연안에 위치한 모노자이트(monzonite) 암석으로, 압축파와 전단파 전파 속도, 손실 파라미터, 밀도 등을 기존 광물 조성 데이터를 바탕으로 해시인‑슈트리크만‑왈폴(H‑S‑W) 경계법을 적용해 추정하였다. 이때, 암석의 다공성(≈1 %)을 고려해 물의 부피 비율을 포함시켰으며, 100 kHz에서의 압축파 손실은 δₚ≈0.02, 전단파 손실은 δₜ≈0.04로 설정하였다.

거칠기 특성은 두 종류의 빙식각 노두(전면(stoss)과 후면(lee))를 대상으로 디지털 스테레오 포토그래메트리를 수행해 고해상도(≈0.16 mm)와 저해상도(≈0.36 mm) 높이장을 얻었다. 얻어진 표면 데이터는 Thomson의 다중 탭퍼 방법을 이용해 2‑차원 파워 스펙트럼을 계산했으며, 이는 작은 기울기 근사(Small‑Slope Approximation, SSA)와 1차 섭동 이론(Perturbation Theory, PT)의 입력 파라미터로 활용되었다.

SAS 데이터는 사전 보정이 되어 있지 않았으므로, 측정된 산란 강도와 이론 모델(SSA·PT·Lambertian)의 차이를 최소화하는 방식으로 효과적인 시스템 보정 파라미터(s₀·r) 를 역추정하였다. 매끄러운 표면 구역에서는 20° 입사각에서 -33 dB∼-26 dB 사이의 산란 강도가 관측되었으며, 이는 SSA와 PT가 예측한 값과 거의 일치한다. 반면, 거친 표면 구역에서는 -30 dB∼-20 dB 사이의 값이 측정되었고, 이는 사인제곱 형태의 경험적 Lambertian 모델(σ∝sin²θ)과 좋은 적합성을 보였다. 그러나 PT와 SSA는 거친 표면에 대해 8 dB 이상 과대평가함이 확인되었으며, 이는 이론이 가정하는 작은 표면 기울기와 선형 근사가 깨졌기 때문이다.

결과적으로, 본 연구는 고주파 SAS를 이용한 실제 해저 암석의 산란 측정이 가능함을 입증하고, 매끄러운 암석 표면에서는 기존의 선형 이론이 충분히 정확하지만, 거친 표면에서는 비선형 효과와 다중 산란을 고려한 경험적 모델이 필요함을 강조한다. 또한, 지구음향 파라미터와 거칠기 스펙트럼을 정밀히 측정함으로써 향후 해저 매핑 및 음향 탐사 모델링에 활용할 수 있는 데이터베이스를 구축하였다.