$CO_2$ 가스 기포 탐지 기술 개발을 위한 예비연구로 인위적으로 발생시킨 수층의 $CO_2$ 가스 기포 플룸을 다중빔음향측심기, 단일빔음향측심기 그리고 천부지층탐사기(SBP)를 이용해서 탐지 비교하였다. 인위적으로 발생시킨 기포의 상승속도는 가스 탱크에서 압축된 가스의 강제적인 누출이 영향을 미쳐 기존 자료보다 높게 나타나는 것으로 판단된다. 다중빔음향측심기는 단일빔 음향장비에 비하여 넓은 범위를 탐지할 수 있고 가스 누출 위치 및 수층에서 가스 플룸의 3차원적인 정보를 제공하고 있다. 따라서 다중빔음향측심기는 단일빔의 음향장비 보다 더 뚜렷한 가스 플룸을 탐지할 수 있으나, 상호보완적으로 동시에 운영하면 보다 효과적인 탐지기술을 확립할 수 있다. 향후, 본 연구는 특정가스의 음향학적 특징을 파악하여 정량적, 정성적 탐지 기술 향상에 기여하고자 한다.
$CO_2$ 가스 기포 탐지 기술 개발을 위한 예비연구로 인위적으로 발생시킨 수층의 $CO_2$ 가스 기포 플룸을 다중빔음향측심기, 단일빔음향측심기 그리고 천부지층탐사기(SBP)를 이용해서 탐지 비교하였다. 인위적으로 발생시킨 기포의 상승속도는 가스 탱크에서 압축된 가스의 강제적인 누출이 영향을 미쳐 기존 자료보다 높게 나타나는 것으로 판단된다. 다중빔음향측심기는 단일빔 음향장비에 비하여 넓은 범위를 탐지할 수 있고 가스 누출 위치 및 수층에서 가스 플룸의 3차원적인 정보를 제공하고 있다. 따라서 다중빔음향측심기는 단일빔의 음향장비 보다 더 뚜렷한 가스 플룸을 탐지할 수 있으나, 상호보완적으로 동시에 운영하면 보다 효과적인 탐지기술을 확립할 수 있다. 향후, 본 연구는 특정가스의 음향학적 특징을 파악하여 정량적, 정성적 탐지 기술 향상에 기여하고자 한다.
As a preliminary study for detection techniques of $CO_2$ gas bubble plumes, we have conducted a comparative experiment on artificially generated $CO_2$ gas bubbles plume by using multibeam echosounder (MBES), single beam echosounder (SBES), and sub-bottom profiler (SBP). The r...
As a preliminary study for detection techniques of $CO_2$ gas bubble plumes, we have conducted a comparative experiment on artificially generated $CO_2$ gas bubbles plume by using multibeam echosounder (MBES), single beam echosounder (SBES), and sub-bottom profiler (SBP). The rising speed of artificial gas bubbles is higher than references because of compulsory release of compressed gas in the tank. Compared to single beam acoustic equipments, the MBES detects wide swath coverage. It provides exact determination of the source position and 3D information on the gas bubble plumes in the water column. Therefore, it is shown that MBES can distinctly detect gas bubble plumes compared to single beam acoustic equipments. We can establish more effective complementary detection technique by simultaneous operation of MBES and SBES. Consequently, it contributes to improve qualitative and quantitative detection techniques by understanding the acoustic characteristics of the specific gas bubbles.
As a preliminary study for detection techniques of $CO_2$ gas bubble plumes, we have conducted a comparative experiment on artificially generated $CO_2$ gas bubbles plume by using multibeam echosounder (MBES), single beam echosounder (SBES), and sub-bottom profiler (SBP). The rising speed of artificial gas bubbles is higher than references because of compulsory release of compressed gas in the tank. Compared to single beam acoustic equipments, the MBES detects wide swath coverage. It provides exact determination of the source position and 3D information on the gas bubble plumes in the water column. Therefore, it is shown that MBES can distinctly detect gas bubble plumes compared to single beam acoustic equipments. We can establish more effective complementary detection technique by simultaneous operation of MBES and SBES. Consequently, it contributes to improve qualitative and quantitative detection techniques by understanding the acoustic characteristics of the specific gas bubbles.
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문제 정의
이 기술과 관련하여 가스 주입과정 또는 해저 지질구조 내 가스를 저장 한 후 가스 누출에 대한 탐지 기술은 이산화탄소 및 천부가스가 누출시 물리, 화학적 해양환경 또는 생태계에 미치는 영향이 매우 큼에 따라서 중요성이 강조되고 있다[12]. 따라서 이산화탄소 가스 누출 탐지 기술 개발의 일환으로 수층 내 영상 자료를 획득할 수 있는 다중빔음향측심기와 전통적으로 가스 누출을 탐지 해온 단일빔인 음향측심기와 천부지층탐사기를 동시에 운영, 자료를 취득함으로서 탐지 능력을 비교하고 보다 향상된 탐지기법 개발에 활용하고자 한다.
가설 설정
일반적으로 물속에 존재하는 가스 기포는 물과 가스 사이에 음속과 밀도의 차이, 기포 크기, 주파수 그리고 수심 등에 의해 제어되어 다양한 음향학적 특징을 나타내고 있다[13]. 그러나 이번 실험은 짧은 시간(1시간)과 동일한 장소에서 실시하였음으로 음향학적 조건이 같다는 가정 하에 실험을 실시하였다.
다중빔음향측심기(EM 3002)의 ping rate는 최대 40 Hz, 단일빔음향측심기(EA 400)는 최대 20 Hz을 나타내고 천부지층탐사기(SBP)의 ping rate는 4 Hz을 보이고 있어 상대적으로 다중빔음향측심기 보다 단일빔 음향장비의 수층 가스 플룸 탐지 능력이 상대적으로 감소 될 수 있다. 수심이 20 m로 일정하다고 가정하면 각 장비마다 ping rate는 일정할 것이다. 다중빔음향측심기의 ping rate는 조사시 data display 창에 대략 13 Hz를 나타내고 있으며 천부지층탐사기는 4 Hz 그리고 단일빔음향측심기는 중간 정도의 ping rate를 보였다.
제안 방법
실험은 가스통에 에어스톤을 연결하고 수심 20 m인 중앙지점 해저면에 설치, 가스 플룸이 발생하도록 하였다. 그 후, 한국해양과학기술원 조사선인 장목1호에 장착되어 있는 단일빔음향측심기, 천부지층탐사기 그리고 다중빔음향측심기를 동시에 운영, 가스 플룸이 올라오는 지점을 중심으로 선속과 방향을 다르게 하면서 가스 플룸 탐지 비교실험을 실시하였다(Table 1). 조사시 수온은 25.
실험은 프레임에 가스 노즐과 수중카메라(Sony HDR-AS30V; 60 fps)를 설치하여 수심 5 m, 10 m, 20 m 깊이에서 30~60 psi 압력으로 가스를 분출시킨 후, 수중카메라로 동영상을 촬영하였다. 그리고 저장된 동영상 프레임에서 기포의 크기 중 대표적으로 직경 3 mm, 6 mm에 대한 상승속도를 계산하였다(Figure 2). 이때 수온과 염분은 수직적으로 균일하게 10.
단일빔음향측심기, 천부지층탐사기 그리고 다중빔음향측심기를 통해 획득한 수층 자료는 QPS 사의 FMMidwater 프로그램을 이용해서 처리하였다. 이 프로그램은 소나(sonar) 파일에서 적절한 수층 형태를 추출할 수 있도록 디자인된 프로그램으로서 Kongsberg Maritime 사의 All/WCD/RAW/EK5 파일과 SEGY (.
인위적으로 발생시킨 이산화탄소 가스 기포의 크기와 상승속도를 측정하기 위해서 각 수심별(5 m, 10 m, 20 m) 기포 상승 동영상을 촬영하였다. 동영상 자료는 동영상 처리 프로그램(Vegas Pro; Sony)을 이용해서 다양한 기포 크기 분포 중 대표적인 3 mm와 6 mm 직경인 기포들에 대한 상승속도를 각각 계산하였다(Figure 3).
실험은 가스통에 에어스톤을 연결하고 수심 20 m인 중앙지점 해저면에 설치, 가스 플룸이 발생하도록 하였다. 그 후, 한국해양과학기술원 조사선인 장목1호에 장착되어 있는 단일빔음향측심기, 천부지층탐사기 그리고 다중빔음향측심기를 동시에 운영, 가스 플룸이 올라오는 지점을 중심으로 선속과 방향을 다르게 하면서 가스 플룸 탐지 비교실험을 실시하였다(Table 1).
인위적으로 가스 기포를 분출시킴에 따라 자연적으로 발생하는 기포의 크기와 상승속도와 다를 것으로 보여 2013년 2월 20일에 통영 바다목장에서 인위적으로 발생시킨 가스의 기포 크기와 상승속도를 측정하였다. 실험은 프레임에 가스 노즐과 수중카메라(Sony HDR-AS30V; 60 fps)를 설치하여 수심 5 m, 10 m, 20 m 깊이에서 30~60 psi 압력으로 가스를 분출시킨 후, 수중카메라로 동영상을 촬영하였다. 그리고 저장된 동영상 프레임에서 기포의 크기 중 대표적으로 직경 3 mm, 6 mm에 대한 상승속도를 계산하였다(Figure 2).
단일빔음향측심기, 천부지층탐사기 그리고 다중빔음향측심기를 통해 획득한 수층 자료는 QPS 사의 FMMidwater 프로그램을 이용해서 처리하였다. 이 프로그램은 소나(sonar) 파일에서 적절한 수층 형태를 추출할 수 있도록 디자인된 프로그램으로서 Kongsberg Maritime 사의 All/WCD/RAW/EK5 파일과 SEGY (.seg, .sgy, segy) 파일을 더 많은 자료처리와 시각화를 위해서 Generic Water Column (GWC) 포맷으로 변환시킨 후, 다양한 변수의 임계 필터링을 통해서 수층 물체를 추출한다. 또한 추출된 수층 물체를 다양한 각도에서 볼수 있게 Fledermaus 시각화 객체들로 만들 수가 있다[18].
15 ms 이다[17]. 이번 실험을 위해서 EM 3002에 추가적으로 수층 내 영상(WCI) 자료를 획득, 저장할 수 있도록 업그레이드를 실시하였다.
인위적으로 가스 기포를 분출시킴에 따라 자연적으로 발생하는 기포의 크기와 상승속도와 다를 것으로 보여 2013년 2월 20일에 통영 바다목장에서 인위적으로 발생시킨 가스의 기포 크기와 상승속도를 측정하였다. 실험은 프레임에 가스 노즐과 수중카메라(Sony HDR-AS30V; 60 fps)를 설치하여 수심 5 m, 10 m, 20 m 깊이에서 30~60 psi 압력으로 가스를 분출시킨 후, 수중카메라로 동영상을 촬영하였다.
인위적으로 발생시킨 이산화탄소 가스 기포의 크기와 상승속도를 측정하기 위해서 각 수심별(5 m, 10 m, 20 m) 기포 상승 동영상을 촬영하였다. 동영상 자료는 동영상 처리 프로그램(Vegas Pro; Sony)을 이용해서 다양한 기포 크기 분포 중 대표적인 3 mm와 6 mm 직경인 기포들에 대한 상승속도를 각각 계산하였다(Figure 3).
조사지역 내 수심 20 m이고 인위적으로 이산화탄소 가스를 분출시킨 위치를 중심으로 선속과 방향을 다르게 하면서 총 8측선의 조사가 이루어졌다(Figure 1b, Table 1). 각 측선별로 단일빔음향측심기(SBES), 천부지층탐사기(SBP) 그리고 다중빔음향측심기(MBES)의 취득한 수층자료를 FMMidwater프로그램으로 처리하여 Figure 5에 나타내었다.
천해지역에서의 CO2 가스 기포 탐지 기술 개발을 위해 다중빔음향측심기, 단일빔음향측심기 그리고 천부지층탐사기를 이용해서 인위적으로 발생시킨 가스 플룸을 탐지 비교하였다.
대상 데이터
2013년 9월 13일, 수심 15~22 m 범위인 남해 거제도와 칠천도 사이 수로 지역에서 비교실험을 실시하였다(Figure 1). 자연 상태에서 분출하는 천부가스나 이산화탄소 가스는 해역의 환경특성에 따라 장소, 분출강도가 다르게 나타나기 때문에 균질하고 연속적인 가스 플룸을 형성하기 위해서 인위적으로 가스를 발생시켰다.
Figure 3. Histogram of relationship between number of bubbles and rising speed of CO2 gas bubbles, in case of 3 mm and 6 mm diameters at water depth 5 m, 10 m, and 15 m, respectively.
다중빔음향측심기: Kongsberg Maritime사의 EM 3002를 이용하였다. 주파수는 300 kHz 대역(293, 300, 307 kHz)으로서 ping rate는 최대 40 Hz까지 가능하며 ping당 빔수는 160개이다.
주파수는 300 kHz 대역(293, 300, 307 kHz)으로서 ping rate는 최대 40 Hz까지 가능하며 ping당 빔수는 160개이다. 조사 가능한 수심범위는 1~150 m로서 최대 swath width는 200 m 이다. transducer geometry는 Mills Cross 형태이고 빔폭(beamwidth)은 1.
현장조사에서는 발파간격을 0.25 s의 등시간 간격으로 하였고 16 bits의 해상도를 가지는 기록장치를 이용하여 약 50 m의 조사심도에 대한 정보를 얻기 위해서 62.5 ms 동안 자료를 기록하였으며 각 ping 당 2,048개의 데이터를 취득하였다.
성능/효과
수심이 20 m로 일정하다고 가정하면 각 장비마다 ping rate는 일정할 것이다. 다중빔음향측심기의 ping rate는 조사시 data display 창에 대략 13 Hz를 나타내고 있으며 천부지층탐사기는 4 Hz 그리고 단일빔음향측심기는 중간 정도의 ping rate를 보였다. 선속이 10 노트로 조사된 L05 측선(Table 1)은 다중빔음향측심기와 천부지층탐사기의 경우 각각 39.
본 논문에서 제시된 가스 기포의 크기와 상승속도는 앞에서 제시한 자료보다 약간 높게 나타나고 있지만, 깊은 수심(1,000 m 이상)에서는 수압에 의해서 상승속도가 감소할 수 있다. 그러나 유사한 수심인 Schneider von Deimling and Papenberg [21]보다 상승속도는 상대적으로 높게 나타나고 있는데(Figure 4), 이는 탱크에서 압축된 가스의 인위적인 강제 분출이 영향을 미친 것으로 보인다.
후속연구
향후, 본 연구는 각 해역에서 분출되는 특정(메탄과 이산화탄소) 가스 기포의 주파수별 음향반사강도(acoustic target strength) 등 음향특성을 정립하여 가스 누출 탐지의 정량적, 정성적 기술 향상에 기여하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
과거 단일빔음향측심기는 무엇에 이용되었나?
일반적으로 음파신호가 광학신호(optical signal) 보다 수중 전달시 매우 효과적이기 때문에 소나(sonar)는 해양에서 많은 잠재력을 가지고 있다. 과거 단일빔음향측심기는 수심조사 이외에 잠수함, 고기떼, 또는 가스 기포 와 같은 수층에 있는 물체의 원격탐지 방법으로 이용되었다[1][2]. 그 이후 고정밀 위치 정보 시스템과 다중빔음향측심기술이 발달함에 따라 해저면 자료와 동시에 수층 내 영상(water column image; WCI) 자료를 취득 할 수 있게 되었고 이 기술은 어업[3], 기뢰 탐지[4], 그리고 가스 누출 탐지[5][6] 등에 적용되고 있으며 더 나아가 장애물 회피, 생체음향학 조사, 연안 항해 안전에 이용되고 있다[3][7].
천부가스는 어떻게 분출되는가?
천부가스는 일반적으로 해저면에서 수층으로 분출되고 이런 분출은 모든 대륙붕, 하구 그리고 강 삼각주 등 전 세계적으로 발생하고 있으며[8], 우리나라 역시 세립질 퇴적물이 분포하는 연안해역과 동해 울릉분지 사면에 천부가스 존재 가능성이 높다[9]. 또한 천부가스인 메탄은 지구온난화에 크게 영향을 미치는 매우 강한 온실가스이지만 해저면에서 분출되는 천부가스의 양에 대해서 잘 알려있지 않다[10].
해저 지질구조 내 CO2 저장기술 연구와 관련하여 중요성이 강조되는 것은?
또한, 현재 지구온난화를 위한 온실가스 대량 감축 기술의 하나인 이산화탄소 포집 및 저장기술(Carbon dioxide Capture and Storage; CCS) 중 ‘해저 지질구조 내 CO2 저장기술(혹은 CO2 해양지중저장기술)’에 대한 연구가 진행되고 있다[11]. 이 기술과 관련하여 가스 주입과정 또는 해저 지질구조 내 가스를 저장 한 후 가스 누출에 대한 탐지 기술은 이산화탄소 및 천부가스가 누출시 물리, 화학적 해양환경 또는 생태계에 미치는 영향이 매우 큼에 따라서 중요성이 강조되고 있다[12]. 따라서 이산화탄소 가스 누출 탐지 기술 개발의 일환으로 수층 내 영상 자료를 획득할 수 있는 다중빔음향측심기와 전통적으로 가스 누출을 탐지 해온 단일빔인 음향측심기와 천부지층탐사기를 동시에 운영, 자료를 취득함으로서 탐지 능력을 비교하고 보다 향상된 탐지기법 개발에 활용하고자 한다.
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