Natural hazards, including earthquakes, tsunamis, and volcanic eruptions have been significant threats to humans throughout recorded history. The Global Positioning System (GPS) satellites have become primary sensors to measure Medium-scale Traveling Ionospheric Disturbances (MSTIDs) which is generated by atmospheric acoustic-gravity waves caused by earthquakes, volcano eruptions, and tsunamis. Another way of use of GPS data processing is to measure and monitor ionospheric signatures caused by natural hazards. Previous studies revealed that the characteristics of MSTIDs caused by natural hazards differ from one to the next. There remains much to learn about the characteristics of the interaction between the Earth’s surface and ionosphere including how and why they differ from one to the next. In this study, we analyzed the characteristics of MSTIDs caused by two sources that are extreme geomagnetic activity and underground nuclear test using the GPS observation data from Korean GPS reference stations.
Extreme MSTIDs occurred at mid-latitudes in East Asia during a geomagnetically active time on 10 Novem-ber 2004. The peak-to-peak amplitudes of Vertical Total Electron Content (VTEC) disturbances decreased from about 29 to 10 TECU and the wavelengths lengthened from about 360 to 580 km during the period of 12:53 to 14:38:30 UT. The period of MSTIDs was estimated as 26-60 minutes and the propagation velocity of MSTID wave fronts gradually decreased from 254 m/s at 11:46 UT to 76 m/s at 21:26 UT. The ionospheric irregularities accompanied by the MSTIDs were spatially and temporally varied from about 10:00 to 22:00 UT in response to the movement and intensity change of the MSTIDs. This event also generated anomalously large ionospheric spatial gradients which could cause unacceptable residual errors of differentially corrected pseudorange measurements for users of GPS augmentation systems. Frequent loss of tracking on the GPS signals which occurred due to the intense ionospheric irregularities could also degrade continuity and availability of GPS-based navigation systems.
North Korea conducted the third underground nuclear test at 02:57 UT on February 12, 2013. The magnitude of earthquake generated by this event was registered to be an Mw 5.1 event. After analyzing GPS observation data from nearby stations, strong ionospheric disturbances were first observed about 10-60 minutes after the reported event. The maximum amplitude of VTEC disturbances turned out to be 0.47 TECU and the period was estimated as 11~22 minutes. The propagation velocity of MSTID wave fronts gradually decreased from 215 m/s to 170m/s for 1 hour after the nuclear test and the wavelength was estimated as 114-308 km.
The key parameters to distinguish the MSTIDs caused by nuclear test from those caused by extreme geomagnetic activity were the amplitude, wavelength and period. The MSTIDs caused by extreme geomagnetic activity had larger amplitudes, longer wavelengths, and longer periods than those caused by nuclear test. The parameters of MSTIDs caused by different sources, which were analyzed in the previous studies, were also compared. The 10 November 2004 MSTIDs caused by extreme geomagnetic activity had larger amplitudes of about 15 TECU than those caused by sources on the Earth’s surfaces. The 2004 eruption of the Asama volcano generated about 1 minute periods of MSTIDs, these were shorter than the periods of 10-30 minutes caused by 2011 Tohoku-Oki tsunami. The MSTIDs caused by man-made earthquake, which was North Korea nuclear test, had similar periods and amplitudes to the 2011 Tohoku-Oki tsunami event. However, researches on the characteristics of MSTIDs caused by natural hazards are not sufficient to identify each event. Thus more works are needed to better understand interrelation between MSTIDs and their sources, including the mechanism of acoustic-gravity waves developing MSTIDs in different scales and characteristics.
진, 쓰나미 및 화산 폭발 등과 같은 자연재해는 인류에게 큰 위협이 된다. 자연재해는 대기 중에 음파 및 대기 중력파를 발생시켜 파동 현태의 전리층 현상인 중규모 이동성 전리층 교란(Medium-scale Traveling Ionospheric Disturbances, MSTIDs)의 원인이 된다. 위성항법시스템(Global Positioning System, GPS)은 자연재해로부터 발생한 중규모 이동성 전리층 교란을 감지 및 모니터하는 주요 센서로 대두되고 있다. 선행 연구에서는 각 자연 재해 별 발생하는 중규모 이동성 전리층 교란의 형태와 특징이 다른 것을 밝힌 바 있다. 하지만 자연재해마다 전리층에 전달되는 과정과 결과가 다르게 나타나므로, 지구 표면과 전리층 간의 상호작용에 대한 이해가 더 필요하다. 따라서 본 연구에서는 국내 GPS 측정치를 이용하여, 극심한 태양활동 및 북핵실험에 의해 발생한 두 개의 중규모 이동성 전리층 교란에 대한 특성 분석을 수행하였다.
2004년 11월 10일 지자기 활동은 극심하였으며, 동아시아지역에서 극심한 중규모 이동성 전리층 교란이 관측되었다. 국내 GPS 측정치로부터 수직 총 전자수(Vertical Total Electron Content, VTEC) 변환을 통해 현상을 분석하였다. 중규모 이동성 전리층 교란의 피크-투-피크 진폭은 12:53U T에 29 TECU 이상, 파장은 12:53 UT에 약 360 km에서 14:38 UT에 580 km로 측정되었다. 주기는 약 26-60분으로 측정되었다. 연속적인 파면은 북서쪽에서 남동쪽으로 형성되었다. 파면의 속도는 11:46 UT에 254 m/s에서 21:26 UT에 76 m/s로서 발생시점 이후 서서히 감소하는 것으로 분석되었다. 전리층 불균질 현상은 세기는 중규모 이동성 전리층 교란의 발달과정 및 거동과 비슷한 경향으로 공간 및 시간적으로 변화하였다. 2004년 11월 10일 극심한 중규모 이동성 전리층 교란 발생은 GPS의 위성의 신호 손실 및 극심한 전리층 기울기를 유발시켰다. 이러한 중규모 이동성 전리층 교란 특성은 GNSS 기반의 항행시스템의 가용성을 저하시키며, 지역 및 광역 보강시스템에서 큰 차분 오차를 야기 시킬 수 있다.
2013년 2월 12일 02:57 UT 북한에서는 3번째 핵실험을 시행하였으며, 진도 5.1의 지진이 발생하였다. 이로 인한 중규모 이동성 전리층 교란은 10-60분 뒤 국내 GPS 관측치에서 측정 할 수 있었다. 최대 VTEC 진폭은 0.47 TECU로 나타났으며, 파장은 약 11-22분으로 측정 되었다. 파면의 속도는 북핵 실험 후 1 시간 동안 215-170m/s 변화하였으며, 파장은 114-308 km로 나타났다.
두 원인에 의해 발생하는 중규모 이동성 전리층 교란 특성 변화를 이미 선행 연구된 결과를 비교 분석을 수행하였다. 자연 재해 및 극심한 태양활동에 의해 발생하는 중규모 이동성 전리층 교란은 크게 진폭, 파장 및 주기에서 구별 가능하다. 극심한 태양 활동에 의해 발생한 중규모 이동성 전리층 교란이 큰 진폭 및 파장, 긴 주기를 나타내었다. 극심한 태양 활동에 의한 중규모 이동성 전리층 교란은 진폭에서 자연재해에 의한 중규모 이동성 전리층 교란과 차이를 나타내었다. 하지만 북핵실험에 의한 중규모 이동성 전리층 교란은 2011년 일본 동부 대지진의 경우와 주기 및 진폭에서 크게 구별 되지 않는 것으로 분석되었다.
자연재해 조기경보시스템에서 오경보는 막대한 재산 및 인명피해를 낳는 만큼 오경보를 줄이기 위한 많은 노력이 이어져야 한다. 현재 자연재해에 의해 발생하는 중규모 이동성 전리층 교란은 특성 분석 연구가 수행 중이지만 자연재해와 전리층교란 사이의 상호관계를 완벽히 이해하기에는 그 데이터가 부족하다. 따라서, 미래의 GPS기반의 자연재해 조기경보시스템 구축 및 운용을 위해 추가적인 케이스 및 중규모 이동성 전리층 교란은 검출 기법 연구가 필요할 것이다.
