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한국의 고농도 PM10 연무 사례일 발생에 대한 대기 블로킹의 영향과 장거리 수송 기여도 분석

Analysis of Impacts of the Northeast Pacific Atmospheric Blocking and Contribution of Regional Transport to High-PM10 Haze Days in Korea

정재은 ( Jae-eun Jeong ) , 조재희 ( Jae-hee Cho ) , 김학성 ( Hak-sung Kim )
  • : 한국지구과학회
  • : 한국지구과학회지 43권1호
  • : 연속간행물
  • : 2022년 02월
  • : 77-90(14pages)
한국지구과학회지

DOI


목차

서 론
자료 및 분석 방법
연구 결과 및 논의
결 론
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최근 동아시아 지역에서 인위적 배출량의 감소에도 불구하고, 봄철에 한국에서는 잦은 연무 사례가 발생하고 있다. 북동 태평양에서 자주 발생하는 대기 블로킹은 지구 규모 대기 변동과 동아시아 지역의 서풍 기류를 정체시키기도 한다. 2019년 3월 동아시아 지역의 온난하고 정체적인 종관 기상 특성이 알래스카 대기 블로킹이 발생한 6-7일 후에 일어나고 있었다. 특히, 2019년 3월 18-24일에 발생한 알래스카 대기 블로킹은 3월 25-28일 동안 한국에서 일평균 미세먼지(particulate matter; PM10) 질량농도가 50 μg m-3을 넘는 고농도 PM10 연무 사례가 발생하는 데 영향을 미치고 있었다. 한편, WRF-Chem 모델을 활용하여 한국의 고농도 PM10 연무 사례에 대한 인위적 배출의 장거리 수송 기여도는 30-40%를 나타내고 있었다. PM10 에어로졸 구성 성분인 황산염, 질산염, 암모늄, 블랙 카본, 유기 탄소, 기타 무기물의 장거리 수송 기여도는 각각 10-15, 20-25, 5-10, 5-10, 5-10, 15-20%를 나타내었다. 질소 산화물이 온난하고 정체적인 대기에서 암모늄과의 광화학 반응으로 형성된 질산암모늄은 한국의 고농도 PM10 연무 사례에 대한 장거리 수송 기여도가 PM10 에어로졸 중 가장 큰 비중을 나타내고 있었다.
Despite the decreasing trend of anthropogenic emissions in East Asia in recent years, haze days still frequently occur in spring. Atmospheric blocking, which occurs frequently in the northeastern Pacific, leads to persistent changes in large-scale circulation and blocks westerly flow in the East Asian region. During March 2019, frequent warm and stagnant synoptic meteorological conditions over East Asia were accompanied 6-7 days later by the Alaskan atmospheric blocking. The Alaskan atmospheric blocking over the period of March 18-24, 2019 led to high particulate matter (PM10) severe haze days exceeding a daily average of 50 μg m-3 over the period of March 25-28, 2019 in South Korea. Although the high-PM10 severe haze days were caused by warm and stagnant meteorological conditions, the regional contribution of anthropogenic emissions in eastern China was calculated to be 30-40% using the Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry (WRF-Chem). The major regional contributions of PM10 aerosols in the period of high-PM10 severe haze days were as follows: nitrates, 20-25%; sulphates, 10-15%; ammonium, 5-10%; and other inorganics, 15-20%. Ammonium nitrate generated via gas-to-aerosol conversion in a warm and stagnant atmosphere largely contributed to the regional transport of PM10 aerosols in the high-PM10 severe haze days in South Korea.

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43권2호(2022년 04월) 수록논문
최근 권호 논문
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1G-band (183 GHz) 수증기 라디오미터의 가강수량 특성과 품질 관리

저자 : 김민성 ( Min-seong Kim ) , 구태영 ( Tae-young Koo ) , 김지형 ( Ji-hyoung Kim ) , 정승필 ( Sueng-pil Jung ) , 김부요 ( Bu-yo Kim ) , 권병혁 ( Byung Hyuk Kwon ) , 이광재 ( Kwangjae Lee ) , 강명훈 ( Myeonghun Kang ) , 양지휘 ( Jiwhi Yang ) , 이철규 ( Chulkyu Lee )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 43권 2호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 239-252 (14 pages)

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국내에서 처음으로 도입한 기상 항공기에 탑재한 G-band 수증기 라디오미터(GVR) 관측으로 산출된 가강수량의 품질 관리 방법을 제안하였다. GVR 빔의 연직 최단 경로 자료만 사용하기 위해 기상 항공기의 자세 정보(pitch와 roll 각도)를 활용하였고, GVR 가강수량이 20 mm 이상의 자료를 제거하는 방법을 품질 관리에 적용하였다. GVR 가강수량이 20 mm 이상으로 증가할 때, 웜로드(Warm load) 평균 전력과 스카이로드(Sky load) 평균 전력의 차이가 0에 가까이 수렴하는 특성을 확인하였고, 이는 COMS (Communication, Ocean and Meteorological Satellite)의 운형, 운정고도, 운량자료와 구름통합관측기기(CCP), 강수입자 측정기(PIP)로 측정된 강수 및 구름 입자 크기로 확인한 하층운과 중층운에 의한 높은 밝기온도 때문으로 판단된다. 구름 많은 날의 품질 관리 적용 전후의 GVR 가강수량을 LDAPS (Local Data Assimilation and Prediction System) 가강수량과 정량적으로 비교하였는데 RMSD (Root Mean Square Difference)는 2.9 mm에서 1.8 mm로 감소하였고, KLAPS (Korea Local Analysis and Prediction System)와의 RMSD는 5.4 mm에서 4.3 mm로 감소하여 향상된 정확도를 보였다. 또한 품질 관리를 적용한 GVR 가강수량과 드롭존데 가강수량 관측 자료을 활용하여 COMS 가강수량과도 정량적으로 비교평가함으로써 본 연구에서 제안한 GVR 가강수량의 품질 관리 방법의 유효성을 확인하였다.


Quality control methods for the first G-band vapor radiometer (GVR) mounted on a weather aircraft in Korea were developed using the GVR Precipitable Water Vapor (PWV). The aircraft attitude information (degree of pitch and roll) was applied to quality control to select the shortest vertical path of the GVR beam. In addition, quality control was applied to remove a GVR PWV ≥20 mm. It was found that the difference between the warm load average power and sky load average power converged to near 0 when the GVR PWV increased to 20 mm or higher. This could be due to the high brightness temperature of the substratus and mesoclouds, which was confirmed by the Communication, Ocean and Meteorological Satellite (COMS) data (cloud type, cloud top height, and cloud amount), cloud combination probe (CCP), and precipitation imaging probe (PIP). The GVR PWV before and after the application of quality control on a cloudy day was quantitatively compared with that of a local data assimilation and prediction system (LDAPS). The Root Mean Square Difference (RMSD) decreased from 2.9 to 1.8 mm and the RMSD with Korea Local Analysis and Precipitation System (KLAPS) decreased from 5.4 to 4.3 mm, showing improved accuracy. In addition, the quality control effectiveness of GVR PWV suggested in this study was verified through comparison with the COMS PWV by using the GVR PWV applied with quality control and the dropsonde PWV.

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2COVID-19가 대전지역의 도시열섬강도에 미치는 영향

저자 : 강민수 ( Minsoo Kang ) , 김량현 ( Ryanghyun Kim ) , 여인호 ( Inho Yeo ) , 윤준석 ( Junseok Yoon ) , 이근준 ( Keunjune Lee ) , 서명석 ( Myoungsuk Seo )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 43권 2호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 253-264 (12 pages)

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본 연구에서는 2019년에서 2021년까지, 매년 2월에서 5월 동안 대전광역시 6개 지점(기준지역 1곳 포함)의 기온 데이터를 바탕으로 COVID-19로 인한 인간 활동의 감소가 대전 지역의 도시열섬강도에 미친 영향에 대하여 분석하였다. 관측 지점에 따라 차이는 있으나 도시열섬강도는 COVID-19 전인 2019년에 비해 2020년과 2021년에 약 20% 이상 감소되었다. 인간 활동 감소는 야간의 도시열섬을 증가시키고 주간의 도시열섬을 감소시켰다. 그 결과 도시열섬강도의 일변동 폭은 지점에 관계없이 2019년에 비해 2020년 및 2021년 모두 약 20% 이상 증가하였다. 도시열섬강도 감소는 풍속과 같은 자연적 요인 및 사회적 거리두기 단계와는 큰 관련성이 없는 것으로 보인다. 반면에 COVID-19 이후 시행된 사회적 거리두기 및 확연히 감소된 대기오염물질과 관계가 있는 것으로 나타났으며, 특히 NO2와 가장 유의미한 상관관계를 보였다.


The effect of decreased human activity on the urban heat island intensity (UHII) was analyzed using the observed temperature data of six sites (including one reference area) in Daejeon Metropolitan City from February to May of 2019 to 2021. Depending on the observation site, UHII decreased by approximately 20% in 2020 and 2021 compared to 2019 before COVID-19. The decrease in human activity increased UHII at night and decreased it during the daytime. Consequently, UHII diurnal amplitude increased by approximately 20% in 2020 and 2021 compared to 2019, irrespective of location. The decrease in UHII did not appear to be significantly correlated with natural factors such as wind speed and social distancing steps. In contrast, UHII was correlated with social distancing and significantly reduced air pollutants after COVID-19, with the most significant correlation observed for NO2.

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3동아시아의 생체연소 배출물에 대한 한국의 미세먼지 기여도 및 복사 에너지 수지 분석

저자 : 이지희 ( Ji-hee Lee ) , 조재희 ( Jae-hee Cho ) , 김학성 ( Hak-sung Kim )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 43권 2호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 265-282 (18 pages)

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본 연구에서는 중국 북동지역에서 발생하는 산불에 의한 생체연소 배출물이 장거리 수송으로 한국의 미세먼지 질량농도에 미치는 영향을 WRF-Chem 모델을 활용하여 분석하였다. 2020년 4월 4-7일에 한국은 중국 북동지역의 생체연소 배출물과 더불어 중국 동부지역의 인위적 배출과 중국 북부와 몽골에서 발생한 황사의 영향을 함께 받고 있었다. 인위적 배출과 황사가 혼재된 대기오염 상황에서 zero-out 방법을 활용하여 생체연소 배출물을 분류하고 미세먼지 장거리 수송 기여도를 분석하였다. 또한, 광역적인 생체연소 배출물의 분포에 따라 한반도 주변의 육지와 해양에 대한 복사에너지 수지를 분석하였다. 2020년 4월 5-6일에는 한국의 하루평균 미세먼지 질량농도에 대한 생체연소 배출물의 장거리 수송 기여도가 60%로 산출되었다. 더불어 한반도 주변에 광역적으로 분포하는 생체연소 배출물의 영향으로 육지와 해양의 순 복사 플럭스는 음의 값을 나타내었다. 그러나 2020년 4월 7-8일에는 중국 동부지역에서 발생한 인위적 오염물질이 생체연소 배출물에 더해지면서 한국의 미세먼지 질량농도는 4월 5-6일보다 증가하였으나 생체연소 배출물의 기여도는 45% 이하로 감소하였다. 또한, 생체연소 배출물의 영향이 줄어들면서 순 복사 플럭스는 양의 값을 나타내었다.


This study analyzes the impact of long-range transport of biomass burning emissions from northeastern China on the concentration of particulate matter of diameter less than 10 μm (PM10) in Korea using the Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry (WRF-Chem). Korea was impacted by anthropogenic emissions from eastern China, dust storms from northern China and Mongolia, and biomass burning emissions from northeast China between April 4-and 7, 2020. The contributions of long-range PM10 transport were calculated by separating biomass burning emissions from mixed air pollutants with anthropogenic emissions and dust storms using the zeroing-out method. Further, the radiation energy budget over land and sea around the Korean Peninsula was analyzed according to the distribution of biomass burning emissions. Based on the WRF-Chem simulation during April 5-6, 2020, the contribution of long-range transport of biomass burning emissions was calculated as 60% of the daily PM10 average in Korea. The net heat flux around the Korean Peninsula was in a negative phase due to the influence of the large-scale biomass burning emissions. However, the contribution of biomass burning emissions was analyzed to be <45% during April 7-8, 2020, when the anthropogenic emissions from eastern China were added to biomass burning emissions, and PM10 concentration increased compared with the concentration recorded during April 5-6, 2020 in Korea. Furthermore, the net heat flux around the Korean Peninsula increased to a positive phase with the decreasing influence of biomass burning emissions.

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4WRF-Chem 모델을 활용한 동아시아의 인위적 배출량 변동에 따른 한국 미세 먼지 장거리 수송 기여도 분석

저자 : 이혜진 ( Hyae-jin Lee ) , 조재희 ( Jae-hee Cho )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 43권 2호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 283-302 (20 pages)

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2020년 1월 23일 이후 중국에서 신종 코로나바이러스 감염증(COVID-19)으로 인한 봉쇄 조치가 전국으로 확대되고 있었다. 그러나, 한국에서는 2020년 2월 1-2일에 PM10 질량농도 일평균 최대 88-98 μg m-3의 고농도 연무가 발생하였다. 이 기간에 동아시아 지역은 850 hPa 기온 아노말리가 양(+), 동서류 아노말리는 음(-)으로 온난하고 정체적인 기단의 영향을 받고 있었다. 동아시아 지역의 인위적 배출량 감소에 따른 한국의 PM10 장거리 수송의 영향을 분석하기 위하여 WRF-Chem을 활용하였다. WRF-Chem에 인위적 배출량을 변화 없이 적용한 BASE와 인위적 배출량을 50%로 감소시켜 적용한 CTL의 PM10을 한국의 지상 측정값과 민감도 분석을 수행하였다. CTL에서 PM10의 IOA는 0.71로 BASE의 0.67보다 높게 나타났다. 이것은 중국의 COVID-19 봉쇄 조치로 인해 인위적 배출량이 감소한 것으로 분석된다. 또한, 한국 이외의 지역 배출량을 0으로 설정한 BASE_ZEOK와 CTL_ZEOK를 모의하여 BASE와 CTL에서의 장거리 수송 기여도의 변동을 분석하였다. CTL은 BASE와 비교하여 배출량이 50%로 감소하였지만 PM10 장거리 수송기여도는 10-20% 감소한 것으로 나타났다. 동아시아 지역의 배출량 감소에 따라 풍하측 한국의 PM10 장거리 수송 기여도 변동이 선형적으로 반응하지 않는 것은 종관 기상 변동이 영향을 주는 것으로 보인다. 2월 1-2일 한국의 고농도 PM10 연무 사례에 대한 CTL에서 PM10 에어로졸 성분의 장거리 수송 기여도는 기타 무기물이 80-90%로 가장 높았고, 질산염은 30-60%, 황산염은 0-20%, 암모늄은 30-60%를 나타내고 있었다. 중국의 봉쇄 조치로 인하여 교통 및 물류 수송이 감소하면서 2차 에어로졸이 감소한 것으로 보인다.


Despite the nationwide COVID-19 lockdown in China since January 23, 2020, haze days with high PM10 levels of 88-98 μg m-3 occurred on February 1 and 2, 2020. During these haze days, the East Asian region was affected by a warm and stagnant air mass with positive air temperature anomalies and negative zonal wind anomalies at 850 hPa. The Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry (WRF-Chem) was used to analyze the variation of regional PM10 aerosol transport in Korea due to decreased anthropogenic emissions in East Asia. The base experiment (BASE), which applies the basic anthropogenic emissions in the WRF-Chem model, and the control experiment (CTL) applied by reducing the anthropogenic emission to 50%, were used to assess uncertainty with ground-based PM10 measurements in Korea. The index of agreement (IOA) for the CTL simulation was 0.71, which was higher than that of BASE (0.67). A statistical analysis of the results suggests that anthropogenic emissions were reduced during the COVID- 19 lockdown period in China. Furthermore, BASE and CTL applied to zero-out anthropogenic emissions outside Korea (BASE_ZEOK and CTL_ZEOK) were used to analyze the variations of regional PM10 aerosol transport in Korea. Regional PM10 transport in CTL was reduced by only 10-20% compared to BASE. Synthetic weather variables may be another reason for the non-linear response to changes in the contribution of regional transport to PM10 in Korea with the reduction of anthropogenic emissions in East Asia. Although the regional transport contribution of other inorganic aerosols was high in CTL (80-90%), sulfate-nitrate-ammonium (SNA) aerosols showed lower contributions of 0-20%, 30-60%, and 30-60%, respectively. The SNA secondary aerosols, particularly nitrates, presumably declined as the Chinese lockdown induced traffic.

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5부산 하수처리장에서 공정별 용존 희토류 원소의 농도 및 인위적 기원 가돌리늄의 배출량 평가

저자 : 임이진 ( Ijin Lim ) , 류종식 ( Jong-sik Ryu ) , 이준엽 ( Joonyeob Lee ) , 이준호 ( Jun-ho Lee ) , 조형미 ( Hyung-mi Cho ) , 김태진 ( Taejin Kim )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 43권 2호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 303-311 (9 pages)

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자기공명영상(MRI) 장비의 조영제로 흔히 사용되는 가돌리늄(Gd)은 매우 안정된 상태로 하수처리과정에서 거의 제거되지 않고 수환경으로 유입된다고 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 세 가지의 공법으로 하수처리를 하는 부산수영 하수처리장에서 채취한 하수 시료의 공정별 용존 희토류 원소의 제거율 및 수환경으로 배출되는 인위적 기원 Gd(Gdanth)의 배출량을 평가하고자 하였다. 용존 희토류 원소는 공정별 처리 단계에 따라 무거운 희토류 원소(Tb-Lu)에 비해 가벼운 희토류 원소(La-Eu)에서 농도가 감소하는 경향을 보였다. 또한 일부 시료에서 나타난 음의(negative) Sm anomaly (<1)는 생물학적 제거 과정에서 Sm이 입자나 인산염과 흡착되어 함께 제거되었을 가능성을 시사한다. 모든 시료에서 양의(positive) Gd anomaly (149±50, n=9)를 보였으며, 공정별로 측정된 Gd의 총 농도 중 Gdanth은 약 97% 이상을 차지하는 것으로 나타났다. 이는 하수처리과정에서 Gdanth 이 거의 제거되지 않고 수영강 하류로 배출된다는 것을 의미한다. 일별 처리용량을 고려하여 각 공정에서 배출되는 Gdanth의 배출량은 259 mmol/day로 추정할 수 있다. 본 연구의 결과는 하수처리장을 통해 수영만 연안으로 Gdanth이 지속적으로 배출될 것으로 예상되며, 향후 Gd의 중장기적인 관측이 필요함을 시사한다.


Gadolinium, commonly used as a contrast agent for magnetic resonance imaging (MRI), is discharged into aquatic environments without removal after treatment in wastewater treatment plants (WWTPs) because of its high stability. In this study, we collected water samples from Suyeong WWTP, Busan, to investigate the dissolved rare earth element (REE) removal capacity of each wastewater treatment process and to evaluate the discharge of anthropogenic Gd (Gdanth) from effluents. As wastewater passed through each stage of treatment, the concentrations of light REEs (La-Eu) decreased, whereas those of heavy REEs (Tb-Lu) were relatively consistent. Negative Sm anomalies (<1) were observed in several samples, indicating that Sm can be removed by adsorption onto particles or phosphate during the biological removal process. Positive Gd anomalies (149±50, n=9) were observed in all samples. The ratios of Gdanth concentrations to measured Gd concentrations in all wastewater treatment processes were higher than 97%. This indicates that Gdanth was discharged to the Suyeong River without removal during the wastewater treatment process. Considering the daily treatment capacity in each process, the total flux of Gdanth was estimated to be 259 mmol/day. Our results suggest that mid- and/or long-term monitoring of Gd is needed because Gdanth is continuously discharged into Suyeong Bay through WWTPs.

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6태양 복사와 가시광선 복사 및 지구 복사와 적외선 복사의 관계에 대한 고등학생들의 인식

저자 : 이종진 ( Jong-jin Lee ) , 서은경 ( Eun-kyoung Seo ) , 안유민 ( Yumin Ahn )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 43권 2호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 312-323 (12 pages)

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이 연구는 '태양 복사'가 '가시광선 복사'로, '지구 복사'가 '적외선 복사'로 상호 대체될 수 있는 개념인가에 대한 문제 인식에서 출발하였다. 이를 위해 각 개념을 어떻게 인식하고 있는지를 드러낼 수 있는 질문지를 통하여 지구과학 I을 이수한 고등학생들의 인식을 조사하고, 이들의 인식에 영향을 미칠 수 있는 교과서의 서술 및 삽화를 분석하였다. 이 연구의 주요 결과는 다음과 같다. 첫째, 조사에 참여한 학생들은 모두 태양 복사를 가시광선 영역에서만 방출되는 복사로 인식하고 있으며, 지구 열수지에서 대류·전도·숨은열을 복사에 의한 에너지 전달로 인식하고 있는 학생들도 약 35%로 나타났다. 둘째, 2015 개정 교육과정의 지구과학 I 6종 교과서를 분석한 결과, 2종에서는 '단파 복사'와 '장파 복사'라는 용어를 도입하지만 이들에 대한 설명이 없었으며, 다른 2종에서는 태양 복사를 각각 '주로 가시광선 형태의 복사' 또는 '파장이 짧은 가시광선 복사'로 서술하였다. 그 밖의 2종 교과서에 있는 태양 복사와 지구 복사에 관하여, 파장 영역에 대한 설명이 없거나 '단파장/장파장'이라는 모호한 용어가 사용되었다. 아울러 2종의 교과서에서 열수지 삽화에 일부 오류가 발견되었다. 따라서 교과서들이 단파 복사와 장파 복사에 관한 정확한 용어 정의 없이 태양복사와 지구 복사를 설명함에 따라 학습자들은 태양 복사와 지구 복사를 각각 가시광선 복사와 적외선 복사라는 개념으로 인식할 개연성이 있다. 이를 종합해 보면, 교과서에 기술된 불분명한 진술이나 오류가 학생들의 오개념을 유발하거나 재생산할 수 있음을 함의한다. 이 연구에서 논의된 바가 지구의 열수지와 복사 평형에 대한 교수·학습 과정의 유용한 참고 자료로 활용되고, 추후 교과서 집필에서도 합리적인 서술 방안을 제안하는 데 기여할 수 있으리라 기대한다.


This study began with the hypothesis of whether “solar radiation” and “terrestrial radiation” can be replaced by “visible radiation” and “infrared radiation”, respectively. To this end, we investigated the perceptions of high school students who completed the Earth Science I course through a questionnaire to reveal how they perceived each concept. We also analyzed the descriptions and illustrations of textbooks that may have affected their perceptions. All of the students who participated in the questionnaire recognized solar radiation as radiation emitted only in the visible light region. About 35% of the students recognized convection, conduction, and latent heat as energy transfer by radiation in the Earth's heat budget. By analyzing six types of Earth Science I textbooks in the 2015 revised curriculum, we observed that two types introduced the terms “shortwave radiation” and “longwave radiation” but had no explanation for them, while the other two described solar radiation as “radiation mainly in the visible light region” or “radiation in short wavelengths”. Regarding solar and terrestrial radiation in the last two types, there was no explanation for the wavelength regions, or ambiguous terms such as “short wavelength” and “long wavelength” were used. In addition, the two textbooks contained some errors in the illustration of the energy budget. Considering that textbooks described solar and terrestrial radiation without defining the exact terms for shortwave and longwave radiation, learners are likely to recognize solar and terrestrial radiation as visible and infrared radiation, respectively. This finding implies that vague statements or errors in textbooks can cause or reproduce students' misconceptions. The discussion in this study is expected to be used as a helpful reference material for teaching and learning processes regarding the Earth's radiation equilibrium and heat budget, and thereby contribute to proposing reasonable description plans for future textbook writing.

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7지구과학II 교과서의 한반도 중생대 지질 내용 분석: 교과서 내·교과서 간·과학 지식과의 일치 여부를 중심으로

저자 : 정찬미 ( Chanmi Jung ) , 유은정 ( Eun-jeong Yu ) , 박경진 ( Kyeong-jin Park )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 43권 2호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 324-347 (24 pages)

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한반도 지질 정보는 공공적 활용을 위한 기초 지식의 토대를 제공하며 역사 과학으로서 지질학의 본성을 배울 수 있는 계기를 마련하므로 과학교육 측면에서 중요성이 크다. 특히 한반도에서 지구조 활동이 활발했던 중생대는 한반도 지사를 이해하기 위해 매우 중요한 시기이다. 본 연구의 목적은 2015 개정 교육과정에 기반한 지구과학II 교과서의 '한반도의 지질' 단원에서 중생대의 지질과 관련된 내용의 신뢰성과 일관성을 분석하는 것이다. 분석 대상은 지구과학II 교과서 4종이고, 분석 범위는 중생대의 퇴적층, 지각 변동 및 화강암류이다. 분석 항목은 분석 범위와 관련된 용어, 시기, 암석 분포 지역이며, 분석 항목별로 교과서 내·교과서 간 일치 여부 및 과학 지식과 교과서 내용의 일치 여부를 분석하였다. 분석 결과, 중생대 지질 관련 용어, 시기, 암석 분포 지역 측면에서 각각 다양한 불일치 사례가 확인되었으며, 불일치 사례를 중심으로 개선 방안을 논하였다. 한반도 지질 교육의 목표를 달성하기 위해 과학계와 교육계의 협업을 통해 최신 과학 지식과 정합한 교육 자료가 개발될 필요성을 강조하였다.


Geological information on the Korean Peninsula plays a significant role in science education because it provides a basic knowledge foundation for public use and creates an opportunity to learn about the nature of geology as a historical science. In particular, the Mesozoic Era, when the Korean Peninsula experienced a high degree of tectonic activity, is a pivotal period for understanding the geological history of the Korean Peninsula. This study aimed to analyze whether content regarding the geology of the Mesozoic Era are reliably and consistently presented in the 'Geology of the Korean Peninsula' section of Earth Science II textbooks based on the 2015 revised curriculum. Four textbooks for Earth Science II were analyzed, focusing on the sedimentary strata, tectonic movement, and granites of the Mesozoic Era. The analysis items were terms, periods, and rock distribution areas. The consistency within and among textbooks and of textbooks and scientific knowledge was analyzed for each analysis item. Various inconsistencies were found regarding the geological terms, periods, and rock distribution areas of the Mesozoic Era, and suggestions for its improvement were discussed based on these inconsistencies. It is essential to develop educational materials that are consistent with the latest scientific knowledge through collaboration between the scientific and educational communities.

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1원격 유성 분광 관측 시스템 구축과 관측 사례 연구

저자 : 최동열 ( Dong-yeol Choi )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 43권 1호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 1-22 (22 pages)

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운장산 천문대에 있는 원격 유성 분광 관측 시스템의 설치 및 운영에 대해 자세히 설명한다. 총 3대의 고감도 CCD 카메라가 설치되었으며 2대의 CCD 카메라에는 렌즈 전면에 회절 격자를 부착하였다. 시스템은 2019년 11월에 설치되었고, f/1.2 렌즈와 결합된 고감도의 “Watec-902H2” 카메라가 사용되었다. 스펙트럼 관찰을 위한 회절 격자는 500 l/mm이 사용되었다. 관측은 2019년 11월부터 2020년 6월까지 진행되었다. 유성 탐지 및 후속 분석을 위해 SonotaCo UFO 소프트웨어 제품군을 사용했으며, 유성 스펙트럼을 분석하기 위해서는 RSpec 소프트웨어를 사용하였다. 관측영상을 활용하기 위해 Astronomical Calibration과 Photometric Calibration을 수행하였고, 최종적으로 유성의 화학성분을 분석하였다. 우리는 유성 분광 관측 시스템의 설치와 설정/운영 경험을 설명하고 첫 번째 관측 결과를 제시한다. 또한 결과를 통해 유성의 기원에 대한 간략한 정보를 제공하고자 한다.

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2한국에 영향을 미치는 약해진 열대저기압 활동과 태평양 10년 주기 진동과의 관계

저자 : 장민희 ( Minhee Chang ) , 박두선 ( Doo-sun R. Park ) , 김다솔 ( Dasol Kim ) , 박태원 ( Tae-won Park )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 43권 1호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 23-29 (7 pages)

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열대저기압이 한반도로 접근할 때 중심최대풍속이 34 knot보다 약해졌더라도(weak tropical cyclone; WTC) 수도권 지역으로 상륙하면 상당한 피해를 일으키지만 WTC만 독립적으로 조사한 학술연구는 거의 없다. 본 연구에 따르면 WTC 활동은 Pacific Decadal Oscillation (PDO)와 관련되어 있는 것으로 보인다. PDO가 음의 위상일 때는 양의 위상일 때보다 95% 신뢰구간에서 유의하게 더 많은 WTC가 한반도에 영향을 미치는 것으로 나타났다. PDO 양의 위상에 비해 음의 위상 시기에는 북서태평양 북부에서 양의 상대소용돌이 아노말리가 나타난 반면, 북서태평양 남부에서는 강한 연직바람시어와 음의 상대소용돌이 아노말리가 나타났다. 이런 조건 하에서 열대저기압의 발생위치가 보다 북쪽으로, 즉 동아시아 대륙에 더욱 근접할 수 있었던 것으로 보이며 이에 따라 열대저기압의 전체 생애가 짧아졌을 것이다. 게다가 PDO 음의 위상 시기에 일본열도 상공에 자리한 고기압성 아노말리는 열대저기압의 진로를 좀 더 서쪽으로 밀어내어 육지에 의한 마찰과 황해 저층 냉수대의 영향도 증가하였을 것이다. 이에 따라 열대저기압의 생애최대강도와 상륙 시 강도가 약해져 PDO 음의 위상 때 WTC 활동이 한반도에서 증가한 것으로 분석된다.

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31981-2020년 기간 동아시아 지역 산불 발생 위험도의 변동성 및 변화 특성

저자 : 이준이 ( June-yi Lee ) , 이두영 ( Doo Young Lee )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 43권 1호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 30-40 (11 pages)

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전 세계 곳곳에서 산발적이고 불규칙적으로 발생하는 산불은 가연성 식생 지역에서 주요한 자연 변동성의 일환이면서 전 지구 탄소 순환에 중요한 역할을 하고, 공공 비상사태를 야기하는 심각한 자연재해이다. 산불 배출량, 연소 면적 및 산불기상지수를 활용한 산불 발생 위험도의 변동성 및 변화에 대한 연구가 전 세계 많은 지역에서 활발히 진행되고 있지만 동아시아 지역에 대한 연구는 아직 제한적이다. 본 연구는 1981년부터 2020년까지 지난 40년 기간 동안 산불기상지수 자료를 분석해 동아시아 지역 산불 위험도의 변동성 및 장기 변화 특성을 조사하였다. 동아시아 지역 산불 위험도의 첫 번째 주요 변동 모드는 전체 변동성의 29%를 설명하며, 대부분 지역에서 산불 발생 위험이 증가하고 있음을 나타낸다. 지구온난화 및 해양의 수 십년 주기 변동성과 연계되어 지표 기온이 상승하고 있는 것이 주요 원인이며, 이는 토양 수분의 상승 경향에 의해 그 효과가 다소 상쇄되고 있다. 두 번째 변동 모드는 엘니뇨-남방진동과 연계된 경년 변동성을 반영하며 전체 변동성의 17%를 설명한다. 엘니뇨(라니냐) 시기 동아시아 지역 강수량의 증가(감소)는 토양 수분을 증가(감소)시키며, 이에 따라 산불 위험이 감소(증가)하게 된다. 이는 지표 기온 상승(하강)에 의해 그 효과가 다소 상쇄된다. 산불 발생 위험도의 변동성 및 변화에 대한 이해와 예측을 증진하는 것은 그에 따른 피해를 저감하고 대비책을 마련하는 데 기여할 것이다.

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4온실가스 배출량 시계열 분석과 전망 배출량 및 감축 감재량 추정 - 충북을 중심으로 -

저자 : 정옥진 ( Okjin Jung ) , 문윤섭 ( Yun Seob Moon ) , 윤대옥 ( Daeok Youn ) , 송형규 ( Hyunggyu Song )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 43권 1호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 41-59 (19 pages)

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2015년 '파리협정' 및 2021년 '기후위기 대응을 위한 탄소중립·녹색성장 기본법' 제정에 따라 2030년 국가 온실가스 감축목표(NDC, 2018년 대비 40% 감축) 달성을 위해서는 지자체별 적절한 온실가스 감축 목표 설정과 이행 노력이 필수적이다. 이에 이 연구에서는 충청북도 지역을 중심으로 1990-2018년 까지 온실가스 배출 현황을 시계열로 분석하였고, 2030년 국가 온실가스 감축목표와 시나리오를 바탕으로 충청북도의 2030년 온실가스 감축 목표를 제안하였다. 또한 감축 목표 달성을 위해 BAU 대비 장래 배출량을 고려한 2030년까지의 감축 잠재량을 추정하였다. 그 결과, 첫째, 우리나라와 충북의 온실가스 배출량은 1990년 이래 인구 및 경제 성장에 따라 증가해온 것으로 나타났으며, 2018년 국가 대비 충북의 온실가스 배출량은 3.9%로 매우 낮은 편이였고, 시멘트 및 석회 생산, 제조업 및 건설업, 수송업 등 연료연소에 의한 배출이 주를 이루는 것으로 나타났다. 둘째, 2030년 NDC 및 2050 탄소중립 시나리오를 반영한 2030년 충청북도 온실가스 감축 목표는 2018년 대비 40.2%로 설정하였다. 이에 장래 배출량을 고려할 경우 목표 달성을 위한 감축 잠재량은 2018년 대비 46.8%인 것으로 추정되었다. 상기 결과는 국가 및 지자체의 온실가스 감축 목표 달성을 위해서는 분야별 온실가스 감축 수단을 통한 감축 잠재량을 충족하는 것이 중요하다는 것을 의미한다. 또한 2030년 NDC 및 2050 탄소중립 시나리오 달성을 위해 충북을 포함한 국가 및 각 지자체는 온실가스 장래 배출량을 연도별로 추정하여 매년 감축 목표와 감축 잠재량을 구하고 이를 삭감할 수 있는 구체적인 감축 수단을 마련할 필요가 있음을 말해준다.

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5리눅스 기반 U.K. 지구시스템모형을 이용한 동아시아 SO2 배출에 따른 기상장 변화

저자 : 윤대옥 ( Daeok Youn ) , 송형규 ( Hyunggyu Song ) , 이조한 ( Johan Lee )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 43권 1호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 60-76 (17 pages)

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본 연구는 기상청에서 운용 중인 영국 the United Kingdom Earth System Model (UKESM)을 리눅스 클러스터에 설치하여 과거 28년 기간에 대해 적분을 수행하고, 추가적인 수치 실험을 수행하여 얻은 결과와 비교한다. 설치한 UKESM은 저해상도 버전이지만, 대류권 대기 화학-에어로졸 과정과 성층권 오존 화학 과정을 동시에 모의하는 United Kingdom Chemistry and Aerosol (UKCA) 모듈을 포함하고 있는 최신 버전이다. 본 연구에 사용된 UKCA가 포함된 UKESM (UKESM-UKCA)은 전체 대기에서의 화학, 에어로졸, 구름, 복사 과정이 연동된 모델이다. CMIP5 기존 배출량 자료를 사용하는 UKESM 기준 적분 수치 모의와 함께, 동아시아 지역 이산화황(SO2) 배출이 기상장에 미치는 영향을 평가하기 위하여 CMIP5 SO2 배출량 대신 최신의 REAS 배출자료로 교체한 실험 적분 수치 모의를 수행하였다. 두 수치 모의의 기간은 모두 1982년 1월 1일부터 2009년 12월 31일까지 총 28년이며, 모델 결과는 동아시아 지역 에어로졸 광학 두께, 2-m 온도, 강수 강도의 시간 평균값과 시간 변화 경향의 공간 분포를 분석하고 관측자료와 비교하였다. 모델에서 얻어진 온도와 강수 강도의 공간 분포 패턴은 관측자료와 전반적으로 유사하였다. 또한 UKESM에서 모의된 오존 농도와 오존전량의 공간 분포도 위성 관측 자료와 분포 패턴이 일치하였다. 두 UKESM 실험 적분 모의 결과로 얻어진 온도와 강수 강도의 선형 변화 경향의 비교를 통해, 동아시아 지역 SO2 지면 배출은 서태평양과 중국 북부지역에 대한 온도와 강수량의 변화 경향에 중요한 요인임을 확인할 수 있었다. 본 연구를 통해 슈퍼컴퓨터에서만 운용되던 UKESM이 리눅스 클러스터 컴퓨팅 환경에도 설치되어 운용이 가능하다는 점을 제시한다. 대기 환경 및 탄소 순환을 연구하는 다양한 분야의 연구자들에게도 대기-해양-지면-해빙이 상호작용하는 UKESM와 같은 지구시스템모델이 활용될 가능성과 접근성이 높아졌다.

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6한국의 고농도 PM10 연무 사례일 발생에 대한 대기 블로킹의 영향과 장거리 수송 기여도 분석

저자 : 정재은 ( Jae-eun Jeong ) , 조재희 ( Jae-hee Cho ) , 김학성 ( Hak-sung Kim )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 43권 1호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 77-90 (14 pages)

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최근 동아시아 지역에서 인위적 배출량의 감소에도 불구하고, 봄철에 한국에서는 잦은 연무 사례가 발생하고 있다. 북동 태평양에서 자주 발생하는 대기 블로킹은 지구 규모 대기 변동과 동아시아 지역의 서풍 기류를 정체시키기도 한다. 2019년 3월 동아시아 지역의 온난하고 정체적인 종관 기상 특성이 알래스카 대기 블로킹이 발생한 6-7일 후에 일어나고 있었다. 특히, 2019년 3월 18-24일에 발생한 알래스카 대기 블로킹은 3월 25-28일 동안 한국에서 일평균 미세먼지(particulate matter; PM10) 질량농도가 50 μg m-3을 넘는 고농도 PM10 연무 사례가 발생하는 데 영향을 미치고 있었다. 한편, WRF-Chem 모델을 활용하여 한국의 고농도 PM10 연무 사례에 대한 인위적 배출의 장거리 수송 기여도는 30-40%를 나타내고 있었다. PM10 에어로졸 구성 성분인 황산염, 질산염, 암모늄, 블랙 카본, 유기 탄소, 기타 무기물의 장거리 수송 기여도는 각각 10-15, 20-25, 5-10, 5-10, 5-10, 15-20%를 나타내었다. 질소 산화물이 온난하고 정체적인 대기에서 암모늄과의 광화학 반응으로 형성된 질산암모늄은 한국의 고농도 PM10 연무 사례에 대한 장거리 수송 기여도가 PM10 에어로졸 중 가장 큰 비중을 나타내고 있었다.

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7우리나라 주변 바다의 산성화 현황과 영향 요인 분석

저자 : 김태욱 ( Tae-wook Kim ) , 김동선 ( Dongseon Kim ) , 박근하 ( Geun-ha Park ) , 고영호 ( Young Ho Ko ) , 모아라 ( Ahra Mo )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 43권 1호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 91-109 (19 pages)

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해양은 대기로 배출된 이산화탄소의 30% 가량을 흡수하여 대기 중 이산화탄소 농도를 감소시키는 역할을 하였으나, 이 때문에 해양의 pH와 탄산염 이온(CO32-)이 감소하는 해양산성화 현상을 겪고 있다. 본 논문에서는 황해 연안역의 신규 관측자료를 타 해역에서 획득된 기존 연구자료와 합쳐서 우리나라 주변 해역의 해양산성화 현황을 파악하고자 하였다. 우리나라 주변의 황해, 동해, 동중국해(남해 포함)는 대기 중 이산화탄소를 흡수하고 있으나, 외해 대부분의 해역에서 해양산성화의 지표인 아라고나이트 포화도가 1 이상인 것으로 나타났다. 남해 동부 연안역에서는 담수 공급으로 인한 희석과 성층 형성, 생물에 의한 유기물 생성과 분해가 표층과 저층의 계절적 해양산성화 변동에 큰 영향을 끼쳤다. 진해만은 빈산소화 현상, 광양만은 담수로 인한 희석으로 여름철 광범위한 해역에서 아라고나이트 포화도가 1 미만으로 감소하여, 탄산칼슘 패각(CaCO3 shell)을 가진 생물들에게 잠재적 위협이 될 것으로 보고되었다. 하지만 담수 유입이 많은 황해 연안역에서는 진해만과 광양만과 같이 뚜렷하고 광범위한 산성화는 발견되지 않았기 때문에, 연안역에서는 각 해역별 특성에 따라 해양산성화의 양상을 진단해야 할 필요가 있었다. 우리나라 동해 남서부 해역의 계절적 용승 현상 역시 해양산성화에 영향을 미칠 수 있다. 이런 계절적 요인과 더불어, 대기 중의 이산화탄소 및 산성물질이 해양으로 계속 유입되면서, 우리나라 바다의 아라고나이트 포화도가 지속적으로 감소할 것으로 예상된다. 따라서 해양 산성화로부터 수산자원과 해양생태계를 보호하기 위해 향후 체계적인 해양산성화 모니터링을 강화해야 할 것이다.

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8가뭄으로 인한 농업용 저수지의 수질 변화 연구

저자 : 조성현 ( Sunghyen Cho ) , 황순호 ( Soonho Hwang ) , 이동근 ( Dongguen Lee ) , 이군택 ( Guntaek Lee ) , 최정훈 ( Jung-hoon Choi )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 43권 1호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 110-118 (9 pages)

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빈번한 가뭄의 피해는 수자원의 양극화를 초래하고 있다. 국내에서는 2011년부터 2017년 사이에 국지적이고 주기적인 이상 가뭄이 지속되어 10년 가뭄 빈도로 설계된 소규모 저수지의 저수율이 감소하였다. 이러한 저수율의 감소는 수질을 떨어트릴 수 있고 이미 확보된 용수의 사용마저 제한할 수 있다. 따라서 가뭄에 대비하고 극복하기 위해서는 수질관리와 가뭄 빈도의 재산정이 필요하다. 이 연구는 저수지에서 수질 변화의 원인인 잠재적 오염물질을 추정하고, 가뭄 기간 동안 저수지의 저수율 감소와 그에 따른 수질 변화를 검토한 것이다.

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9태풍으로 인한 폐광산 하류 지역에서 환경피해 연구

저자 : 조성현 ( Sunghyen Cho ) , 이동근 ( Dongguen Lee ) , 이군택 ( Goontaek Lee ) , 권오경 ( Ohkyung Kwon ) , 김태승 ( Tae Seung Kim )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 43권 1호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 119-127 (9 pages)

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최근 들어 기후변화로 인한 태풍의 강도는 강력해졌다. 광산지역의 광미와 폐석은 수해로 인해 환경에 악영향을 미쳤을 것으로 추정된다. 강릉지역은 3,693호(1936), 루사(2002), 매미(2003), 메기(2004) 등의 국내 최대 태풍의 영향은 받았다. 이번 연구는 태풍으로 인한 수해 이후 하천을 따라 그 주변에 높은 농도의 비소가 검출된 사례를 기초로 하였다. 환경피해 관련 법은 오염 원인자의 책임을 명확히 하고 있지만, 잠재적인 자연재해 지역에서는 세심한 적용이 필요하다. 이러한 지역에서 자연재해의 영향을 최소화하기 위해서 관련 법들의 개선과 연계가 필요하다. 이 연구가 하류 지역에서 혼재된 오염물질 대응에 도움이 되길 기대한다.

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10백두산 화산의 지체구조 추론을 위한 지구화학적 데이터를 이용한 기초 평가

저자 : 윤성효 ( Sung-hyo Yun ) , 장철우 ( Cheolwoo Chang ) , 판보 ( Bo Pan )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 43권 1호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 128-139 (12 pages)

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백두산 성층화산체와 천지 칼데라 외륜산 정상부에 분포하는 홀로세에 분화한 규장질 화산암 시료와 플라이스 토세 개마용암대지와 장백산순상화산체의 고철질 화산암 시료의 암석화학적 특징 분석을 통해 지체구조적 위치를 알아 보았다. 백두산 화산지대에서 초기 고철질 분출물들은 개마용암대지와 장백산순상화산체를 형성하였으며, 대부분 알칼리계열의 현무암에서 조면현무암 또는 서브-알칼리(쏠레이아이트) 현무암에서 현무암질안산암의 성분이며, 백두산 성층화산체와 천지 칼데라 정상부 부근의 홀로세 분출물은 대부분 규장질의 조면암에서 유문암 성분이다. 고철질 화산암류와 규장질 화산암류 사이의 SiO2 54-62 wt.%가 결핍된 쌍모식 조성을 나타낸다. 이는 마그마작용이 지각내 신장형 지체구조적 위치에서 발생하였음을 지시하는 단서가 될 수 있다. 지구조판별도에서 고철질 화산암류들은 판내부 또는 판내부 알칼리암과 쏠레이아이트암의 영역에 구분되어 도시되는데 이는 TAS성분도의 결과와 잘 일치한다. 규장질 화산암류들은 규장질 화강암류에 적용하는 판별도에서 판내부화강암(WPG)의 지체구조적 위치에 도시된다. 지구조 판별도에서 판의 섭입과 관련한 도호 또는 대륙연변호의 영역에는 도시되지 않으며, 모두 판내부 영역에 도시된다. 미량원소 함량을 원시맨틀값으로 표준화한 거미도에서 섭입대 화산암류에서 특징적으로 나타나는 Nb, Ti 의 부(-) 이상을 나타내지 않으며, OIB와 유사한 패턴을 나타낸다. 미량원소 함량 조성은 섭입대에서 유래된 마그마 작용에 연관된 의미있는 증거를 나타내지 않는다. 이는 백두산화산지대의 마그마작용이 판내부 환경에서 있었음을 지시한다. 이들 화산암류의 판내부 지체구조 위치는 이 지역에서 발생하는 천발지진의 진원 깊이와도 조화적이다. 백두산화산지대의 화산암석들은 신생대 동안 맨틀 물질의 용승에 의한 판내부 화산활동의 결과로 해석된다.

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자료제공: 네이버학술정보
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