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문제 정의
- 본 연구에서는 국내/외 발생 지진에 대한 TEC 변화를 계산하고, 지진 발생과의 상관관계 여부를 파악하고자 한다. 일반적으로 해상지진에서는 전조현상 뿐만 아니라 쓰나미성 이온 홀과 음파 전달에 의한 이온층 교란 등의 후지진 현상이 모두 나타난다고 보고되어 있으므로, 지진에 대한 이온층 변화의 특성을 파악하는 데에 좀 더 적합하다.
제안 방법
- GPS관측결과를 바탕으로, 국내외에서 발생하는 지진 전 후의 TEC변화를 살펴봤다. 이 중 국외 지진의 경우, 선행 연구에서 보고된 바와 같이 지진 전조현상과 쓰나미 이온홀 등을 포함한 후지진성 교란 현상이 두드러지게 나타남을 확인할 수 있었다.
- 국내지진에서의 이온층 교란 유무를 정량적으로 다시 확인하기 위해, VTEC 시계열을 재처리 하였다. Fig.
- 일반적으로 해상지진에서는 전조현상 뿐만 아니라 쓰나미성 이온 홀과 음파 전달에 의한 이온층 교란 등의 후지진 현상이 모두 나타난다고 보고되어 있으므로, 지진에 대한 이온층 변화의 특성을 파악하는 데에 좀 더 적합하다. 따라서 국외지진의 경우 선행연구에서 뚜렷한 TEC 변화를 보인 2개의 해상지진을 채택하였으며, 최근 발생한 대규모 해상지진도 추가로 포함시켰다. 국내 지진의 경우, 최근 10년 간 발생한 지진 중 5개 지진(3개의 육상지진, 2개의 해상지진)을 채택하였다.
- 이 중, 실선은 전조현상을(Heki, 2011; Heki and Enomoto, 2015), 점선은 후 지진현상을 각각 부각시키기 위한 것이다. 에콰도르 지진의 경우, 뚜렷한 전조현상의 징후가 없어 후지진 현상을 나타내는 시계열만 제거한 후, 다항식으로 근사 하였다. 전조현상 시계열을 제거할 때에는 도호쿠지진의 경우 지진 1시간 전 ~ 20분 후를, 이키케지진은 지진 30분 전 ~ 20분 후 시계열을 삭제 하였다.
- 8 경주 지진도 연구에 추가로 포함하였다. 이들 지진이 발생한 시기의 GPS 관측기록을 이용하여 VTEC 시계열 변화를 분석하고자 한다.
- 먼저 이온층의 높이를 400 km로 정의한 후, GPS 관측점과 인공위성을 잇는 직선이 이온층 구각(ionospheric shell)과 만나는 점(Ionospheric piercing point, IPP)들을 찾아야 한다. 이때, 인공위성의 궤도력 데이터는 최대 30초 간격으로 제공되지만(precise product의 경우), GIM의 시간 간격과 일치시키기 위해 2시간 간격으로 재배열(resampling)하였다. 이어서, 각 IPP에서의 VTEC 값을 GIM으로부터 내삽하여 얻는다.
- (2011), Cahyadi and Heki (2015) 등에 의하면, 지진과 함께 발생하는 이온층 교란이 약 4분 전후의 주기를 갖는다고 보고된 바 있다. 이에 따라 국내 지진에서 이온층 교란 발생 여부를 VTEC 시계열의 주파수 분석을 통해 확인하였다. Fig.
- 이어서, 각 IPP에서의 VTEC 값을 GIM으로부터 내삽하여 얻는다. 이후, 내삽된 VTEC을 GPS 위성과 지면이 이루는 각도를 이용하여 가상의 STEC을 계산한다. 마지막으로, 이렇게 계산된 STEC 을 GPS 수신기가 관측한 STEC (STECa)을 2시간 간격으로 재배열(resampling)한 값과 비교하면(식 (7)), 싸이클 슬립과 DCB에 의해 유발되는 오차를 유추할 수 있다.
대상 데이터
- 따라서 국외지진의 경우 선행연구에서 뚜렷한 TEC 변화를 보인 2개의 해상지진을 채택하였으며, 최근 발생한 대규모 해상지진도 추가로 포함시켰다. 국내 지진의 경우, 최근 10년 간 발생한 지진 중 5개 지진(3개의 육상지진, 2개의 해상지진)을 채택하였다. 육상지진의 경우 쓰나미성 이온홀 등의 이온층 반응을 확인하는 데에는 부적합하나, 전조현상의 발견 가능성을 염두에 두고 포함시켰다.
- 60 MHz ( f2) 주파수로 측정한 코드 의사 거리(code pseudo range)로, 미터(meter) 단위로 기록되며, L1과 L2는 같은 주파수로 측정한 반송파 위상(carrier phase)으로, 단위는 cycle 이다. 본 연구에서는 TEC 변화량을 더 높은 정확도로 계산 가능한 L1과 L2데이터를 사용하였고, 이들은 식 (1)과 (2)처럼 표현된다.
- 연구의 대상이 된 5개 지진은 각각 2009년의 규모 4.0 안동지진, 2007년의 규모 4.8 평창지진, 2016년 규모 5.8 경주지진(이상 육상지진), 2014년의 규모 5.1 태안지진, 2016년의 규모 5.0 울산 지진(이상 해상지진)이다. 이 지진들은 최근 10년 간 발생했던 육상과 해상지진을 규모가 가장 높은 순서대로 채택한 것이다.
- 5도 간격 격자, 경도방향 5도 간격 격자로 제공된다. 이는 IGS (International GNSS Service), JPL (Jet Propulsion Laboratory), ESA (European Space Agency) 등 다양한 센터에서 처리하며, 본 연구에서는 JPL분석장을 사용하였다.
- , 2012) 참조), 지진과 함께 쓰나미를 발생시켰다(National Geophysical Data Center-Global Historical Tsunami Database 참조). 이들 지진에 대해 TEC 반응을 관측한 GPS 자료는 미항공우주국(NASA)의 측지 데이터 센터인 CDDIS(The Crustal Dynamics Data Information System, http://cddis.nasa.gov)로부터 얻을 수 있다. 또한 VTEC 계산을 위해서는 지진 발생 시기의 GPS 위성의 궤도력(Satellite ephemeris) 데이터가 필요한데, 이 또한 같은 저장소로부터 얻을 수 있다.
- 이 지진들은 최근 10년 간 발생했던 육상과 해상지진을 규모가 가장 높은 순서대로 채택한 것이다. 이들 지진의 발생 시각과 규모에 대한 정보는 기상청 국가지진정보시스템(http://necis.kma.go.kr)에서 얻을 수 있으며, 국내에 설치된 GPS관측 데이터는 국토지리정보원 GNSS서비스 홈페이지(http://gnss.ngii.go.kr)로부터 얻을 수 있다. 한편, 국외지진과는 달리 국내지진의 경우, 진원기구해(Focal mechanism)에 대한 정보가 없는 경우가 많다.
이론/모형
- 상기 식을 포함하여 다음에 제시되는 식들은 Arikan et al. (2008)에서 제시된 관습을 따랐다. 첨자 m과 u는 각각 위성과 수신기와 관련한 항을 의미하며, λ1과 λ2는 각각 f1, f2 주파수에 상응하는 파장이다.
- )과 DCB의 영향을 받는 항들을 보정해줘야만 한다. 이를 위해, 이번 연구에서는 GIM (Global Ionospheric Map, Schaer and Gurtner(1998))을 활용하는 방법(Nayir et al., 2007)을 이용하였다. GIM은 전세계 GPS 측점에서 관측된 VTEC으로 만든 이온층(TEC) 지도로, 2시간 마다 위도방향 2.
성능/효과
- 3(a) ~ (e)에서 제시되었던 국내 지진의 VTEC 시계열에 같은 방법을 적용한 결과이다. 그 결과, 5개 지진 모두에서 지진과 관련한 특별한 변화를 찾아볼 수 없었다. 물론 안동지진(Fig.
- 이에 대해 Heki and Enomoto(2015)에서는 STEC 시계열만을 사용하여 반박한 점에 대해 지적했고, VTEC 시계열에서는 뚜렷하게 전조현상이 나타난다고 다시 주장 하였다. 그러나 본 연구에서 계산된 VTEC 시 계열은 이러한 참조선의 문제가 여전히 존재함을 보여준다.
- 이들 중, 2011년 도호쿠 지진과 2014년 이키케 지진의 VTEC 변화는 각각 Heki(2011)과 Heki and Enomoto (2015)에서 이미 제시된 바 있으며, 2016 에콰도르 지진에 대한 VTEC 변화는 본 연구에서 처음 제시하고 있다. 이번 연구에서 계산한 VTEC 변화가 선행 연구 결과와 매우 유사하며, 이를 통해 VTEC 변화를 GIM을 이용하여 계산이 가능함을 다시 한번 확인하였다. 세 그래프를 함께 도시하기 위해, 각 그래프의 시작 값은 임의로 지정되었다.
후속연구
- 이 중 국외 지진의 경우, 선행 연구에서 보고된 바와 같이 지진 전조현상과 쓰나미 이온홀 등을 포함한 후지진성 교란 현상이 두드러지게 나타남을 확인할 수 있었다. 그러나 지진 전조현상은 후 지진 현상에 의한 TEC 변화 또는 TEC의 일변화와 구분이 어려워 그 존재 자체가 불확실하거나, 지진 전조 인자로 활용되기 위해 더 많은 연구가 필요해 보인다. 국내지진의 경우, 전조현상 뿐만 아니라 후지진 교란 현상 또한 전혀 감지되지 않았다.
- 이는 지구 변동대에서 발생하는 대규모 지진들에 비해, 국내 지진의 규모가 작아 이온층을 교란시킬 만큼의 충분한 에너지를 내고있지 못하기 때문일 것이다. 하지만, 향후 국내에서 더 큰 지진이 발생할 가능성에 대비하여, 지속적인 GPS 관측 및 지자기 관측을 포함한 지구물리 관측망의 확충이 필요하다.
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