[논문]한반도내 규모 5.0 이상의 지진에 의한 GPS 전리층 변동

손동효; 박순천; 이원진; 이덕기

doi:10.7780/kjrs.2018.34.6.4.6

한반도내 규모 5.0 이상의 지진에 의한 GPS 전리층 변동
GPS Ionospheric Perturbations Following ML ≥ 5.0 Earthquakes in Korean Peninsula 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.34 no.6 pt.4, 2018년, pp.1531 - 1544

손동효 (기상청 지진화산국 지진화산연구과) , 박순천 (기상청 지진화산국 지진화산연구과) , 이원진 (기상청 지진화산국 지진화산연구과) , 이덕기 (기상청 지진화산국 지진화산연구과)

초록
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우리는 국내에서 발생한 규모 5.0 이상의 지진으로 인해 전리층의 전자밀도가 변동하는 것을 확인하였다. 대상 지진원은 2016년 9월 규모 5.8의 경주 지진, 2017년 11월 규모 5.4의 포항 지진, 그리고 2017년 9월 북한 지하 핵실험에 의한 규모 5.7의 인공지진이다. 비록 모든 GPS 관측소에서 전리층 변동이 나타나지 않았지만, 이들 지진에 의한 변동현상은 사건 발생 후 약 10-30분과 40-60분 경과 시점에 나타났다. 각 변동 내에서 시간차이가 발생하는 것은 진원 깊이에 의한 차이와 관측소-위성-진앙간의 공간상 배치 차이 때문이라 생각된다. 경주 지진의 경우, 다른 두 사건에 비해 상대적으로 깊은 곳에서 발생하였지만, 규모가 크고 전리층이 안정적인 밤 시간대에 일어나 변동이 탐지되었다. 그리고 크게 한 차례 이상 나타난 것은 지진에 의해 생성된 충격파들의 대기 전달 속도차이에 의한 현상이라 사료된다. 이 연구를 통해 전리층 변동의 탐지가 관측소-위성-진앙간의 기하학적 배치나 탐지방법에 따라 다르게 나타나고, 변동의 탐지시점이 대상체 간의 기하학적 배치나 진원 깊이에 따라 차이가 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

We detected the coseismic ionospheric disturbance generated by the earthquakes of magnitude 5.0 and greater in Korean Peninsula. We considered the seismic events such as Gyeongju earthquake in September 2016 with magnitude 5.8, the Pohang earthquake in November 2017 with magnitude 5.4, and the underground nuclear explosion from North Korea in September 2017 with magnitude 5.7. Although all GPS stations were not detected, the ionospheric disturbance induced by these earthquakes occurred approximately 10-30 minutes and 40-60 minutes after the events. We inferred that the time difference within each variation is due to the different focal depth and the geometry of epicenter, satellite, and GPS station. In the case of the Gyeongju earthquake, the earthquake had relatively deeper depth than the other earthquakes. However, the seismic magnitude was bigger and it occurred at nighttime when the ionospheric activity was stable. So we could observe such anomalous variations. It is considered that the ionospheric disturbance caused by the difference in velocity of the upward propagating waves generated by earthquake appears more than once. Our results indicate that the detection of ionospheric disturbances varies depending on the geometry of the GPS station, satellite, and epicenter or the detection method and that the apparent growth of amplitude in the time series varies depending on the focal depth or the site-satellite-epicenter geometry.

주제어

표/그림 (7)

표 Table 1. List of the earthquakes used in this study
그림 Fig. 1. Location of GPS permanent stations (▲) and three earthquakes. GJEQ: 2016 Gyeongju earthquake, PHEQ: 2017 Pohang earthquake, NKUNE: 2017 6th North Korean Underground Nuclear Explosion.
그림 Fig. 2. Skyplot available GPS satellites at the event time over the Gangneung (KANR) station. Black arrows with number represent the direction of the GPS satellites. The inner circles indicate the elevation angle of 90 degrees in the center and zero degree in the outermost circle. The azimuth angle is zero degree at north and increases in the clockwise direction.
그림 Fig. 3. Coseismic ionospheric perturbations highlight in red box. Upper and lower panel in (a)–(d) are the results of the numerical third order horizontal 3-point derivatives and DPR, respectively, for the 2016 Gyeongju earthquake. The red vertical line indicates the origin time of the earthquake. (e) Geometry of epicenter (red star), IPP at the time of event occurrence (blue symbols with PRN number), and GPS stations (green symbols).
그림 Fig. 4. Coseismic ionospheric perturbations highlight in red box. Upper and lower panel in (a)–(e) are the results of the numerical third order horizontal 3-point derivatives and DPR, respectively, for the 2017 Pohang earthquake. The red vertical line indicates the origin time of the earthquake. (f) Geometry of epicenter (red star), IPP at the time of event occurrence (blue symbols with PRN number), and GPS stations (green symbols).
그림 Fig. 5. Coseismic ionospheric perturbations highlight in red box. Upper and lower panel in (a)-(e) are the results of the numerical third order horizontal 3-point derivatives and DPR, respectively, for the 2017 North Korean UNE. The red vertical line indicates 6th North Korean UNE onset time. (f) Geometry of epicenter (red star), IPP at the time of event occurrence (blue symbols with PRN number), and GPS stations (green symbols).
그림 Fig. 6. The numerical third order horizontal 3-point derivatives variations. The STEC derivative behavior on the day of the earthquake, on the previous and subsequent days is shown on each panel. The red vertical lines indicate moments of the earthquakes.

AI 본문요약
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문제 정의

이번 연구에서는 한반도 지각내부에서 발생한 사건에 의해 야기된 전리층 변동을 탐지하고 분석한다. 앞서 언급한 연구사례들을 고려하여 규모 5.

제안 방법

상기 두 방법을 이용하여 세 사건에 대해 변동이 탐지 되는 위성-관측소 조합을 선별하여전리층 변동을 분석 하였다. 세 사건이 발생한 시점에 지구자기장 활동 상황을 반영하는 Kp 지수는 각각 1(경주 지진), 3(포항 지진), 3(6차 인공지진)으로 나타났다.
앞서 나타난 신호가 지진에 의한 전리층 변동인지 판단하기 위해 사건 발생 이전 2 일간 동일 시간대 자료를 처리하였다. 각 사건별로 변동현상이 잘 나타난 관측소–위성 조합을 선정하였다(Fig.
세 지진은 규모가 비슷하지만 진원 깊이가 다르다. 이 지진들에 대해 사건 당일 한반도내 GPS 관측자료를 이용하여 시간에 따른 slant TEC(STEC) 변화율과 전리층 교란 대리지표 지수 Delta Phase Rate(DPR)(Ghoddousi-Fard et al., 2013)을 산출하고 전리층 변동을 탐지한다.
, 2011). 이와 같은 이유로 외부적인 영향을 최소화하기 위해 고도각이 높은 위성들을 선별하여 1 시간 자료를 사용하였다.
한반도에서 발생한 규모 5.0 이상의 세 지진에 대해 분석한다. 대상 지진의 기본정보들은 Table 1에 정리하였다.

대상 데이터

, 2008). 그래서 고도각이 높은 4-5기의 관측자료만 사용하였다. 다른 기준국들에서 관측되는 위성들의 천구상 위치도 Fig.
이번 연구에서는 한반도 지각내부에서 발생한 사건에 의해 야기된 전리층 변동을 탐지하고 분석한다. 앞서 언급한 연구사례들을 고려하여 규모 5.0 이상의 자연 및 인공지진을 대상으로 하며, 이는 2016년 경주 지진과 2017년 포항지진, 그리고 2017년 북핵 실험에 의한 지진이다. 세 지진은 규모가 비슷하지만 진원 깊이가 다르다.
)이다. 이 연구에서는 1초 샘플링 자료를 15개 사용하였고, 단위는 mm/sec이다.
산출값에 대해 동일한 방법으로 3차 도함수까지 계산하여 변동을 파악한다(Park, 2012). 이 연구에서는 30초 샘플링자료를 사용하였고, 최종 산출값의 단위는 TECU/min³이다. 보다 세부적인 과정은 참고문헌으로 대체한다.
이 연구에서는 관측 위성들 중에서 고도각 30° 이상의 위성들만 사용하였다.
7의 지진은 인공지진이다. 이들 지진에 의한 전리층 영향을 파악하기 위해 국토지리정보원에서 운영하고 있는 GPS 상시관측소(Fig. 1)의 사건 당일 자료에서 지진 발생시점 이전 12분간과 이후 1시간 자료를 사용한다(Cahyadi and Heki, 2015; Masci et al., 2017). 이는 약 12시간마다 지구 주위를 공전하는 GPS 위성의 방위각과 고도각이 짧은 시간 동안 시시각각 변하기 때문에 시공간적 변화에 의한 전리층 영향을 최소화 하기 위해서이다.

성능/효과

그림에서 심볼의 모양은 기준국과 관측위성의 조합을 나타내고, IPP 궤적상에 표시된 심볼의 위치는 지진발생 시점을 나타낸다. 13번 위성을 공통적으로 관측하는 4개소 기준국 결과를 통해 12.3 시경에 나타나는 변동현상이 진앙과 가까운 기준국 일수록 좀더빠르고 강하게 나타나는 것을 알 수 있다.
이때 Kp 지수를 통해 세 지진이 발생할 당시에 지자기 활동이 안정적인 것으로 확인되어 외부적인 요인에 의해 전리층이 영향을 받지 않았다고 판단하였다. 그리고 사건 발생 이전 2일간 동일 시간대 자료분석을 통해 뚜렷한 변동현상이 나타나지 않았음을 확인하였다. 비록 모든 GPS 관측소에서 변동현상이 나타나지 않았지만, 일부 관측소와 위성의 조합에서 변동이 탐지되었다.
이 연구에서 대상으로 정한 지진들의 규모는 크지 않지만 전리층 변동을 탐지할 수 있었던 것은 진원의 깊이가 15 km 이내로 얕아 지진발생 당시에 생성된 에너지가 충분히 대기 중으로 전파되었고, 조밀한 관측망을 이용한 대상체들의 공간상 위치와 이들 간의 조합 때문이라 생각한다. 그리고 탐지 방법에 따라 변동 유무에 차이가 있기 때문에 다양한 방법을 적용하고 공통된 해석에 도달함으로써 변동을 판별할 수 있었다.
비록 한반도에서 발생한 규모 5.0 이상의 지진에서 대기 중으로 방출되는 에너지의 양이 크지는 않지만, 진원의 깊이가 얕고 조밀한 관측망을 이용하면 관측대상의 기하학적 배치에 따라 전리층 변동을 탐지할 수 있음을 확인하였다. 향후 좀 더 다양한 방법을 적용하여 변동의 지속시간, 충격파의 전달속도, 그리고 변동이 일어나는 물리적 기작에 대해 연구할 필요가 있을 것이다.
상기 두 방법을 이용하여 세 사건에 대해 변동이 탐지 되는 위성-관측소 조합을 선별하여전리층 변동을 분석 하였다. 세 사건이 발생한 시점에 지구자기장 활동 상황을 반영하는 Kp 지수는 각각 1(경주 지진), 3(포항 지진), 3(6차 인공지진)으로 나타났다. 일반적으로 Kp 지수값이 작을수록 지구자기장 활동으로 인한 전리층의 영향이 적고, 4 미만이면 지구자기장 활동이 안정적임을 의미한다.
이로 인해 한반도에서 발생한 지진으로 야기되는 전리층 변동 연구는 거의 전무한 실정이다. 이 연구에서 최근 한반도에서 발생한 규모 5.0 이상의 세 지진을 대상으로 두 가지 전리층 변동탐지 방법을 적용하여 변동이 발생했음을 확인하였다. 이때 Kp 지수를 통해 세 지진이 발생할 당시에 지자기 활동이 안정적인 것으로 확인되어 외부적인 요인에 의해 전리층이 영향을 받지 않았다고 판단하였다.
이 연구의 분석 결과, 지진 발생 이후 크게 두 차례 변동현상이 탐지되었고, 주요 변동은 지진 발생 후 10-30분과 40-60분 경과한 시점에 한 번 이상 나타났다. 이때 진앙과 IPP 탐지위치간의 거리는 약 400-1000 km였다.
전리층 변동은 관측소와 위성의 조합에 따라 작은 시간차이를 보였지만, 지진 발생 후 약 12-18분과 35-50분에 현상이 나타났다. 예천기준국에서 관측된 5번 위성에서는 약 36분 후에 변동이 탐지되고(Fig.

후속연구

0 이상의 지진에서 대기 중으로 방출되는 에너지의 양이 크지는 않지만, 진원의 깊이가 얕고 조밀한 관측망을 이용하면 관측대상의 기하학적 배치에 따라 전리층 변동을 탐지할 수 있음을 확인하였다. 향후 좀 더 다양한 방법을 적용하여 변동의 지속시간, 충격파의 전달속도, 그리고 변동이 일어나는 물리적 기작에 대해 연구할 필요가 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전리층의 전자밀도는 어떻게 변하는가?	이들의 영향으로 발생하는 지연오차는 위성의 위치나 관측시간에 따라 수 미터에서 수 십 미터까지 발생한다. 전리층의 전자밀도는 태양의 일주운동(밤과 낮의 변화), 계절변화, 흑점폭발로 인해 일정한 주기로 변하지만(Emardsonet al., 2013; Misra and Enge, 2012), 태양플레어 폭발, 코로나 물질방출, 지자기폭풍 등과 같이 비주기적으로 나타나는 현상으로 인해 단기간에 급격히 변하는 경우도 있다(Mitchell et al., 2005; Pokhotelov et al., 2010).
	전리층 변동연구는 어떻게 진행되어 왔는가?	그 원인에 대해 국내 지진과 같이 규모가 작은 지진에 동반되는 지표의 수직변위나 음파 에너지가 크지 않고, 발생하는 지진의 많은 경우가 주향이동단층의 특성을 가져 지진의 규모와 발생 특성이 전리층 변동에 큰 영향을 미치지 않았다고 해석하였다. 이와 같이 지구 내부 요인으로 인해 발생한 전리층 변동연구는 수 많은 사례를 통해 다양하게 진행되어 왔으며, 주로 규모 6.0 이상의 대형지진을 대상으로 전리층 변동연구뿐만 아니라 연계된 분석이 다양하게 수행되었다. 일부 연구에서 규모 5.
	6.0 이상의 대형지진에 전리층 변화가 일어난다고 보이는데, 이에 반하는 예는 무엇인가?	5로 보고한 바 있다. 그러나 Tojiev et al.(2013)는우즈베키스탄에서 발생한 규모 5.0 이상의 지진을 대상으로 전리층 변동이 탐지되었음을 보고하였고, 진앙과 충분히 가까운 관측소에서는 규모 5.0 미만의 지진에 의해서도 전리층 변동이 탐지될 가능성이 있음을 제시하였다. Karia and Pathak(2011)은 2009년 인도에서 발생한 규모 5.0 수준의 지진들로 인해 총전자수가 증가하였음을 확인하였다. 그리고 Park et al.(2011)과 Zhang and Tang(2015)은 2009년 5월에 발생한 규모 4.5의 북한 핵실험으로 인해 전리층 변동이 발생함을 보였다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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