자연 방사성 기체 토론(Rn-220)이 지진 발생 예측을 위한 탁월한 전조 현상을 보인다는 것을 세계 최초로 밝혀내었다.
가장 무서운 자연 재해인 지진을 예보하기 위한 수많은 방법들이 연구되어왔다. 특히, 화학성분의 측정 기술이 향상되면서, 물리적 계측이 불가능한 지구내부의 미세한 뒤틀림에 따른 기체의 이동을 감지하는 연구가 활발히 진행되어왔다. 그 중에서 방사성 핵종인 라돈(Rn-222)이 단연 가장 높은 감도를 보여, 고배 지진 등 많은 지진에서 전조를 보였다. 일반 기체와는 달리, 라돈은 암석에서 생성된 후 대기 중에서 방사붕괴에 의해 급격히 줄어들어 지구내부와 대기의 농도 차이가 크기 때문이다. 하지만, 라돈은 반감기(3.8일)가 길어, 기상 변화에 의해서도 농도가 급격히 바뀌기 때문에, 지진 예보가 불가능하였다.
서울대학교 김규범 교수와 오용화 박사과정 학생은 라돈과 같은 원소이지만 반감기가 56초인 토론이 기상 현상의 영향을 받지 않고 지진 전조만을 뚜렷이 구분해낼 수 있다는 것을 세계 최초로 밝혀내었다.
연구진은 울진 성류굴에서 라돈과 토론을 약 1년간 모니터링 한 결과, 일본 토호쿠 대지진 약 1개월 전부터 15일간 라돈과 토론의 이상 농도가 지속되었다는 것을 알아내었다. 이 때, 라돈은 다른 시기의 농도 변화와의 구분이 뚜렷하지 않았지만, 토론은 관측기간 중 이 시기에만 이상 변화를 보였다.
또한, 라돈과 토론의 농도 증감은 일반 기상 변화에 의해서는 역의 상관관계를 보였지만, 지진 전조 현상이 나타날 때는 정의 상관관계를 보였다. 이것은 두 핵종의 반감기 차이 때문으로, 동굴공기의 체류시간이 긴 시기에는 라돈의 농도는 크게 증가하고 토론의 농도는 미세하게 감소하지만, 지진 전조 일 때는 두 농도가 모두 급격히 높아지기 때문이다.
본 연구의 의의는 수많은 지진 전조 현상들이 다른 자연 현상과 구분이 잘 안되어 실질적인 예보가 불가능하였지만, 본 연구에서 제시하는 토론을 이용한 방법은 지진 전조만을 추출해 낸다는 것이다.
김규범 교수는“향후 소형 인공동굴(챔버)을 개발하여 전 지구의 다양한 지역에서 토론-라돈 전조를 모니터링 한다면, 태풍처럼 지진을 예보하는 날이 올 수 있다”고 하였다.
이 연구 결과는 네이처출판그룹(NPG)이 발행하는 학술지 '사이언티픽 리포트'(Scientific Reports, 8월 13일자)에 게재되었으며, 물리학 전문 매거진 <피직스 월드, 8월 26일자>에도 소개되었다.