GPS Ionospheric Perturbations Following M_L ≥ 5.0 Earthquakes in Korean Peninsula

Korean Journal of Remote Sensing, Vol.34, No.6-4, 2018, pp.1531~1544

http://dx.doi.org/10.7780/kjrs.2018.34.6.4.6 ISSN 1225-6161 ( Print )

ISSN 2287-9307 (Online)

Article

한반도내 규모 5.0 이상의 지진에 의한 GPS 전리층 변동

손동효 ^1)†·박순천²⁾·이원진 ³⁾·이덕기⁴⁾

GPS Ionospheric Perturbations Following M

≥ 5.0 Earthquakes in Korean Peninsula

Dong-Hyo Sohn

·Sun-Cheon Park

·Won-Jin Lee

·Duk Kee Lee

Abstract: 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.

Key Words: GPS, Coseismic Ionospheric Disturbance, Earthquake, Underground Nuclear Explosion

Received September 7, 2018; Revised October 10, 2018; Accepted December 7, 2018; Published online December 13, 2018

1)

기상청 지진화산국 지진화산연구과 연구원 (Researcher, Earthquake and Volcano Research Division, Earthquake and Volcano Bureau, Korea Meteorological Administration)

2)

기상청 지진화산국 지진화산연구과 연구관 (Senior Researcher, Earthquake and Volcano Research Division, Earthquake and Volcano Bureau, Korea Meteorological Administration)

3)

기상청 지진화산국 지진화산연구과 연구사 (Researcher, Earthquake and Volcano Research Division, Earthquake and Volcano Bureau, Korea Meteorological Administration)

4)

기상청 지진화산국 지진화산연구과 과장/연구관 (Director/Senior Researcher, Earthquake and Volcano Research Division, Earthquake and Volcano Bureau, Korea Meteorological Administration)

†

Corresponding Author: Dong-Hyo Sohn ([email protected])

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1.  서론

GPS 측위에 있어 가장 큰 비중을 차지하는 오차요인 은 전리층에 분포하고 있는 전자의 밀도이다 (Hofmann- Wellenhof et al., 2008). 전리층은 약 50~1000 km 높이에 분포하지만 , 전자밀도가 가장 높게 분포하고 있는 영역 은 250~400 km이다(Misra and Enge, 2012). 이들의 영향 으로 발생하는 지연오차는 위성의 위치나 관측시간에 따라 수 미터에서 수 십 미터까지 발생한다 . 전리층의 전자밀도는 태양의 일주운동 (밤과 낮의 변화), 계절변 화 , 흑점폭발로 인해 일정한 주기로 변하지만(Emardson

나 물질방출 , 지자기폭풍 등과 같이 비주기적으로 나 타나는 현상으로 인해 단기간에 급격히 변하는 경우도 있다 (Mitchell et al., 2005; Pokhotelov et al., 2010).

전리층의 전자밀도는 지구 외부의 영향뿐만 아니라 내부에서 발생하는 현상에 의해서도 변동한다 . 지진, 화 산폭발 , 핵실험, 로켓 등은 큰 충격파를 야기하고, 이로 인해 발생한 에너지파가 전리층에 영향을 미친다 (Calais and Minster, 1998). 특히, 지진, 지하 핵실험과 같이 암석 권 내부에서 일어나는 사건은 대기의 변동현상과 물리 적으로 상호연관성이 있다 (Harrison et al., 2010; Kuo et

등 다양한 신호들을 발생시킨다 . 발생된 에너지파 중에 서 음파–중력파는 대기 중으로 전파되며 전리층에 분 포하고 있는 전자의 밀도변화를 야기한다 (Davies and Archambeau, 1998; Yang et al., 2012).

Calais and Minster(1995)는 GPS에 기반하여 지진에 의 한 전리층 전자밀도 변화를 처음으로 보고하였다 . 이 연

구에 의하면 1994년 미국 캘리포니아주 남쪽에서 일어 난 규모 6.7의 Northridge 지진으로 인해 10~30분 후에 전리층 교란현상이 나타났다 . 이후의 연구사례들에서 도 유사한 결과들이 나타났다(Chen et al., 2013; Ducic et

이용하여 에너지파의 전파속도 산출(Astafyeva et al., 2009; Heki and Ping, 2005), 대규모 지진에 대한 전조현상 (De Agostino and Piras, 2011; Heki, 2011; Heki and Enomoto, 2013), 그리고 지진의 규모, 단층, 진원깊이에 대한 통계학적 특성 분류 (Shah and Jin, 2015)에 관한 연 구들도 진행되었다 .

자연지진뿐만 아니라 지하 핵실험과 같은 인공지진 에 의한 전리층 변동 연구도 진행되었다 . 핵실험에 의 한 전리층 교란 연구는 1980년대와 1990년대에 활발히 진행되었다 (Blanc, 1984; Fitzgerald, 1994; Fitzgerald et al., 1993; Goldflam et al., 1984). 이후 관련 연구가 소강상태 를 보이다 2006년 북한의 1차 핵실험 이후 다시 진행되 었다 (Park, 2012; von Frese et al., 2009; Yang et al., 2012;

Zhang and Tang, 2015). Park et al.(2011)은 북한의 2차 핵 실험 당시 (2009년 5월 25일) 한반도와 인접국가의 11개 GPS 관측소 자료를 이용하여 시간에 따른 총전자량 (total electron contents; TEC) 변화율과 변동 탐지에 대한 이동속도를 산출하였고, Yang et al.(2012)은 1차와 2차 실험 당일의 GPS 관측자료에 wavelet 분석법을 적용하 여 전리층 변동 탐지 및 시공간에 따른 음파의 파동열 을 저주파와 고주파로 구분지어 분석하였다 .

국내 지진에 의한 전리층 변동 연구사례는 거의 전무 한 상태이다 . 이는 1978년 계기관측이래 한반도에서 발 생한 지진의 약 99.4%가 규모 5.0 미만이고(KMA, 2018),

요약 : 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 지

하 핵실험에 의한 규모 5.7의 인공지진이다. 비록 모든 GPS 관측소에서 전리층 변동이 나타나지 않았지만, 이

들 지진에 의한 변동현상은 사건 발생 후 약 10-30분과 40-60분 경과 시점에 나타났다. 각 변동 내에서 시간차이

가 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 깊

이에 따라 차이가 있음을 확인하였다.

나머지 지진이 6.0 미만으로 10건에 지나지 않아 전리층 변동을 야기하는 에너지의 크기가 크게 부족하다고 판 단했을 것이다 . Kim and Seo(2016)는 국내에서 발생한 주요 지진을 대상으로 vertical TEC 시계열에 대한 주파 수 분석과 10분 이동평균의 시계열 잔차에 대한 지진 전 후 30분간 RMS를 상호 비교하여 전리층 교란여부를 확 인하였다. 그들은 분석 결과에 기반하여 국내 지진에 의 해 전리층 변동이 발생하지 않은 것으로 보고하였다 . 그 원인에 대해 국내 지진과 같이 규모가 작은 지진에 동 반되는 지표의 수직변위나 음파 에너지가 크지 않고 , 발 생하는 지진의 많은 경우가 주향이동단층의 특성을 가 져 지진의 규모와 발생 특성이 전리층 변동에 큰 영향 을 미치지 않았다고 해석하였다 .

이와 같이 지구 내부 요인으로 인해 발생한 전리층 변동연구는 수 많은 사례를 통해 다양하게 진행되어 왔 으며, 주로 규모 6.0 이상의 대형지진을 대상으로 전리층 변동연구뿐만 아니라 연계된 분석이 다양하게 수행되 었다. 일부 연구에서 규모 5.0 이상의 지진을 고려하지만, 변동량이 미미하기 때문에 분석단계에서 제외되었다 (Gautam et al., 2018; Shah and Jin, 2015). 특히, Perevalova

를 약 6.5로 보고한 바 있다. 그러나 Tojiev et al.(2013)는 우즈베키스탄에서 발생한 규모 5.0 이상의 지진을 대상 으로 전리층 변동이 탐지되었음을 보고하였고 , 진앙과 충분히 가까운 관측소에서는 규모 5.0 미만의 지진에 의 해서도 전리층 변동이 탐지될 가능성이 있음을 제시하 였다 . Karia and Pathak(2011)은 2009년 인도에서 발생한 규모 5.0 수준의 지진들로 인해 총전자수가 증가하였음 을 확인하였다 . 그리고 Park et al.(2011)과 Zhang and Tang (2015)은 2009년 5월에 발생한 규모 4.5의 북한 핵실험으 로 인해 전리층 변동이 발생함을 보였다 .

이번 연구에서는 한반도 지각내부에서 발생한 사건 에 의해 야기된 전리층 변동을 탐지하고 분석한다 . 앞 서 언급한 연구사례들을 고려하여 규모 5.0 이상의 자 연 및 인공지진을 대상으로 하며 , 이는 2016년 경주 지 진과 2017년 포항지진, 그리고 2017년 북핵 실험에 의 한 지진이다. 세 지진은 규모가 비슷하지만 진원 깊이가 다르다 . 이 지진들에 대해 사건 당일 한반도내 GPS 관 측자료를 이용하여 시간에 따른 slant TEC(STEC) 변화 율과 전리층 교란 대리지표 지수 Delta Phase Rate(DPR) (Ghoddousi-Fard et al., 2013)을 산출하고 전리층 변동을 탐지한다 .

2.  자료 및 방법

1) 자료

한반도에서 발생한 규모 5.0 이상의 세 지진에 대해 분석한다 . 대상 지진의 기본정보들은 Table 1에 정리하 였다 . 2016년 9월에 발생한 규모 5.8의 경주 지진과 2017 년 11월에 발생한 규모 5.4의 포항지진은 자연지진이고, 북한 풍계리 지역에서 2017년 9월에 지하 핵실험(North Korean Underground Nuclear Explosion; NKUNE)에 의 한 규모 5.7의 지진은 인공지진이다. 이들 지진에 의한 전리층 영향을 파악하기 위해 국토지리정보원에서 운 영하고 있는 GPS 상시관측소(Fig. 1)의 사건 당일 자료 에서 지진 발생시점 이전 12분간과 이후 1시간 자료를 사용한다 (Cahyadi and Heki, 2015; Masci et al., 2017). 이는 약 12시간마다 지구 주위를 공전하는 GPS 위성의 방위 각과 고도각이 짧은 시간 동안 시시각각 변하기 때문에 시공간적 변화에 의한 전리층 영향을 최소화 하기 위해 서이다 . 특히 고도각이 낮아질수록 위성신호의 대기 투

Table 1. List of the earthquakes used in this study

EQ Gyeongju EQ Pohang EQ 6th NKUNE

Date 2016/09/12 2017/11/15 2017/09/03

Time 20:32 KST (11:32 UTC) 14:29 KST (05:29 UTC) 12:30 KST (03:30 UTC)

Epicenter 35.77°N, 129.18°E 36.11°N, 129.37°E 41.30°N, 129.10°E

Focal depth 15 km 7 km 0 km

Magnitude 5.8 5.4 5.7

Classification Natural Natural Artificial

과시간이 길어져 전리층의 지연오차량이 커지고 변동 폭도 커진다. 그래서 전리층 변동현상 발생시 지진에 의 한 영향과 외부적인 요인에 의한 영향을 구분하는 것이 쉽지 않다 . 또한 장시간 관측자료를 이용할 경우 시간 의 흐름에 따라 태양의 위치도 달라져 전리층에도 변화 가 발생한다 . 그리고 다수의 연구에 의하면 지진에 의한 전리층 변동현상이 지진발생 이후 수 분에서 수 십분

뒤에 나타났다 (Calais and Mister, 1995; Ducic et al., 2003;

Komjathy et al., 2012; Tsugawa et al., 2011). 이와 같은 이유 로 외부적인 영향을 최소화하기 위해 고도각이 높은 위 성들을 선별하여 1 시간 자료를 사용하였다.

Fig. 2는 사건 발생 시점에 강릉 기준국에서 관측된 위성들의 천구상 배치를 보여준다 . 이 연구에서는 관측 위성들 중에서 고도각 30° 이상의 위성들만 사용하였 다. 이는 고도각이 낮을수록 GPS 신호의 대기투과 길이 가 길어지고 , 지상의 물체로 인한 다중경로 오차가 크 게 발생하기 때문에 이를 최소화하기 위해서이다 (Bilich

사용하였다 . 다른 기준국들에서 관측되는 위성들의 천 구상 위치도 Fig. 2와 유사하다. 이는 수 십 km 떨어진 기 준국들간의 거리에 비해 GPS 위성까지의 거리(약 20,200 km)가 월등히 멀기 때문이다.

2) 방법

이 연구에서는 전리층 변동을 탐지하기 위해 2가지 방법을 사용한다 . 하나는 관측소와 GPS 위성의 시간에 따른 시선방향 TEC(slant TEC; STEC) 변화율을 이용하 는 방법이고 , 또 하나는 전리층 교란지수 DPR을 이용 하는 방법이다. STEC 변화율을 이용하는 방법은 매 에 폭 (epoch)마다 GPS 관측자료의 이중주파수 관측값을 이용하여 STEC을 산출하고(Misra and Enge, 2012), 연이 은 세 값을 이용하여 아래 식 (1)과 같이 계산한다.

(a) 2016.09.12 (b) 2017.11.15 (c) 2017.09.03

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.

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.

(STEC

+ STEC

)

dSTEC

= STEC

– ———————— (1) 2

여기서

는

수이며, dSTEC

는 세 값에 대한 도함수값이다. 산출값 에 대해 동일한 방법으로 3차 도함수까지 계산하여 변 동을 파악한다 (Park, 2012). 이 연구에서는 30초 샘플링 자료를 사용하였고 , 최종 산출값의 단위는 TECU/min

이다 . 보다 세부적인 과정은 참고문헌으로 대체한다.

DPR을 이용하는 방법은 GPS 이중주파수 관측값을 선형조합하여 연이어 계산된 값을 시간의 변화율로 처 리한 뒤 임의의 시간 동안 계산된 평균값을 이용하여 변 동을 파악하는 것이다 (Ghoddousi-Fard et al., 2013). DPR 계산은 식 (2)와 같다.

∑

– ø

DPR = ——— where ψ

= ———– (2)

– t

여기서

= λ

– λ

는 관 측시간

일때, 이중주파수의 반송파 측정값(L

)과 파장 (λ

)이다. 이 연구에서는 1초 샘플링 자료를 15개 사용 하였고, 단위는 mm/sec이다.

3.  결 과

상기 두 방법을 이용하여 세 사건에 대해 변동이 탐지 되는 위성 -관측소 조합을 선별하여전리층 변동을 분석 하였다. 세 사건이 발생한 시점에 지구자기장 활동 상황 을 반영하는 Kp 지수는 각각 1(경주 지진), 3(포항 지진), 3(6차 인공지진)으로 나타났다. 일반적으로 Kp 지수값 이 작을수록 지구자기장 활동으로 인한 전리층의 영향 이 적고, 4 미만이면 지구자기장 활동이 안정적임을 의 미한다. 그래서 우리는 사건 발생일에 외부적인 요인에 의한 전리층 변동현상이 발생하지 않은 것으로 판단하 였다. 전리층 변동여부는 지진 발생 이후 1시간 동안의 결과값에 대해 3σ를 초과하는 경우로 판단한다.

1) 2016년 경주 지진

2016년 9월 12일에 발생한 경주 지진으로 인해 일부 관측소에서 전리층 변동이 탐지되었다 . 이 지진은 20시 32분 KST(11시 32분 UTC)에 경주시 남남서쪽 8.7 km

지역에서 규모 5.8로 발생하였고(Table 1), 진원 깊이가 15 km 내외로 나타난 전형적인 주향이동 단층의 특성 을 보였다 (KMA, 2018).

Fig. 3은 위성과 관측소 조합에 의한 방법별 결과이다.

그림에서 상단의 초록색 선은 STEC 분석결과를 나타 내고 , 하단의 파란색선은 DPR 분석결과를 각각 표시 한다 . 그림에서 보는 바와 같이 전리층 변동은 지진 발 생 후 약 45-55분 후에 주로 나타났다. 일부 조합에서는 이보다 앞선 약 20-30분 후에 작은 변동이 나타났다. 이 두 시간대에 주로 진폭변동 현상이 나타났지만 두 번째 변동이 우세하게 나타났다 . Fig. 3(a)는 울산기준국에서 관측된 13번 위성의 전리층 변동을 시계열로 보여준다.

그림에서 지진발생 이후 약 24분(11.9 시경) 후에 DPR 값이 주변 시간의 결과값보다 크게 나타나고 , STEC의 3차 도함수 값도 작은 변동을 보인다. 그리고 약 45분 (12.3 시경) 후에는 STEC 값이 강하게 변동한다. 진주기 준국 (Fig. 3(b)), 안성기준국(Fig. 3(c)), 광주기준국(Fig.

3(d))에서도 이와 유사한 시간대에 변동현상이 나타난 다 . 이런 결과는 Calais and Minster(1998)와 유사하다. 그 들의 연구에 의하면 지진 이후 10-30분 뒤에 진동현상 이 나타났고 , 두 번째 최대 진폭이 첫 번째 변동 후 20- 30분 뒤에 나타났다. 각 그림 하단의 DPR 결과에서 변 동탐지 시점이 여러 시간대에 나타난 것은 de-trend에 의한 3σ값이 아닌 평균값에 기반한 3σ값을 사용했기 때 문이다 . Fig. 3(e)는 (a)–(d)의 관측위성과 기준국을 잇는 직선이 고도 350 km 상공의 전리층을 통과하는 지점들 (Ionospheric Pierce Point; IPP)을 지상에 투과하여 나타 낸 것이다 . 그림에서 심볼의 모양은 기준국과 관측위성 의 조합을 나타내고 , IPP 궤적상에 표시된 심볼의 위치 는 지진발생 시점을 나타낸다 . 13번 위성을 공통적으로 관측하는 4개소 기준국 결과를 통해 12.3 시경에 나타나 는 변동현상이 진앙과 가까운 기준국 일수록 좀 더 빠 르고 강하게 나타나는 것을 알 수 있다 .

2) 2017년 포항 지진

2017년 11월 15일 발생한 포항 지진은 14시 29분 KST

(05시 29분 UTC)에 경북 포항시 북구 북쪽 7.5 km 지역

에서 규모 5.4로 발생하였고, 진원 깊이가 약 7 km로 경

주 지진보다 얕다 (KMA, 2018). 단층면해는 역단층성 주

향이동 단층이다 .

(e) Geometry of epicenter, IPP, and GPS stations

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).

(a) Ulsan (WOLS) – PRN13 satellite (b) Jinju (JINJ) – PRN13 satellite

(c) Anseong (ANSG) – PRN13 satellite (d) Gwangju (KWNJ) – PRN13 satellite

(e) Yecheon (YECH) – PRN13 satellite (f) Geometry of epicenter, IPP, and GPS stations 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).

(a) Yecheon (YECH) – PRN05 satellite (b) Chuncheon (CHCN) – PRN21 satellite

(c) Paju (PAJU) – PRN15 satellite (d) Jinju (JINJ) – PRN13 satellite

전리층 변동은 관측소와 위성의 조합에 따라 작은 시 간차이를 보였지만 , 지진 발생 후 약 12-18분과 35-50분 에 현상이 나타났다 . 예천기준국에서 관측된 5번 위성 에서는 약 36분 후에 변동이 탐지되고(Fig. 4(a)), 춘천기 준국과 21번 위성 조합에서는 약 15분 후에 변동이 나타 난다 (Fig. 4(b)). 파주-15번 위성(Fig. 4(c))과 진주-13번 위 성 (Fig. 4(d))은 약 45-50분 후에 변동현상을 보인다. 관측 소와 위성의 조합에 따라 주요 변동현상이 나타나는 시 간이 약 30분 차이를 보였다. 이는 대상체들간의 기하학 적 배치에 따라 충격파의 영향을 달리 받기 때문이라 사 료된다 (Astafyeva et al., 2009; Cahyadi and Heki, 2015). 변 동현상이 나타나는 이 두 시간대는 2016년 경주 지진 이 후 나타나는 변동 발생 시간대 (20-30분 후와 45-55분 후) 에 비교해 수 분 정도 빠르다 . 이는 진원 깊이가 상대적 으로 얕아 대기 중으로 전달되는 음파 -중력파의 전달시 간이 상대적으로 빨라졌기 때문이라 사료된다 (Davies and Archambeau, 1998; Le et al., 2011). Fig. 4(f)는 (a)-(e)의 위성과 기준국 조합에 대한 IPP를 나타낸 것이다. 동쪽 상공과 북서쪽 상공의 위성을 관측한 기준국에서 변동 현상이 나타난다 . 특히 동쪽 상공에 위치한 5번 위성을 관측한 예천 기준국에서 6.1 시경(약 36분 후)에 강한 변 동이 나타났다 . 북서쪽 상공의 21번 위성을 관측한 춘천 기준국에서는 5.7 시경(약 15분 후)에 강한 변동이 나타 났으나 , 진주 기준국에서는 상대적으로 약한 변동이 나 타났다. 반면 진앙의 서편에 위치한 예천기준국에서 북 동쪽 상공을 향해 저물어가는 13번 위성의 관측값에서 는 특정 지을 수 있는 변동현상이 나타나지 않았다(Fig.

4(e)). 이는 관측소와 위성의 기하학적 배치에 따른 현상 으로 해석된다(Cahyadi and Heki, 2015).

3) 2017년 6차 인공지진

2017년 9월 3일 단행한 북한의 6차 핵실험으로 인해 전리층 변동이 탐지되었다 . 이 인공지진은 12시 30분 KST(3시 30분 UTC)에 함경북도 길주군 풍계리 지역의 만탑산 중턱 갱도 내에서 규모 5.7로 발생하였다.

이 인공지진에 의한 전리층 변동은 약 10-24분 후에 주로 나타났고 , 약 35분 후에 작은 진폭변화가 일부 탐 지되었다 . Fig. 5(a)는 강릉기준국에서 관측된 19번 위성

의 전리층 변동을 보여준다 . 전리층 변동은 지진발생 약 18분(3.8시) 후에 나타난다. 이런 변동은 울진(Fig. 5(b)), 군산 (Fig. 5(c)), 상주(Fig. 5(d)) 기준국에서도 유사하게 나타났고 , 다 수의 기준국에서 작은 변동이 확인되었다.

Yang et al.(2012)은 지하핵실험으로 인한 전리층의 변동 시간 차이를 지하에서 생성된 음파가 장주기와 단주기 로 나눠져 대기 중으로 전파되며 전리층을 교란시켰기 때문이라 분석하였다 . 군산기준국에서 관측된 28번 위 성에서는 약 35분 후에 DPR값이 변동하였으나, STEC 의 3차 도함수값은 주변 시간에 산출한 값과 큰 차이를 보이지 않아 탐지 방법에 따라 변동여부에 차이가 나타 났다 . Fig. 5(f)는 (a)–(e)의 위성과 기준국 조합에 대한 IPP 궤적을 나타낸다. 북쪽 상공에 위치한 19번, 17번 위 성을 각각 관측한 강릉 , 상주 기준국에서는 약 18분 전 후로 전리층 변동이 일어나고 , 서쪽 상공의 6번 위성을 관측한 울진 기준국에서도 유사한 시간에 변동현상이 나타난다 . 군산 기준국의 남쪽 상공에 위치한 28번 위성 에서는 약 18분과 약 35분에 변동현상이 관측된다. 이에 반해 강릉기준국에서 북동쪽 상공에 위치한 3번 위성 에서는 특정 지을 수 있는 변동현상이 나타나지 않는다 (Fig. 5(e)).

4) 사건발생 이전

앞서 나타난 신호가 지진에 의한 전리층 변동인지 판단하기 위해 사건 발생 이전 2 일간 동일 시간대 자료 를 처리하였다 . 각 사건별로 변동현상이 잘 나타난 관 측소–위성 조합을 선정하였다 (Fig. 6). 그림에서 상단은 2일전, 중간은 1일전, 그리고 하단은 사건 당일의 STEC 3차 도함수이다. Fig. 6(a)는 경주지진 당시에 진주기준 국에서 관측한 13번 위성의 변동을 나타낸다. 지진 이전 2일 동안에 뚜렷한 변동현상이 나타나지 않음을 알 수 있다 . 이에 반해 사건 발생 당일에는 약 48분 지난 시점 에 변동현상이 나타났다 . 포항지진 당시 예천기준국에 서 관측된 5번 위성(Fig. 6(b))과 인공지진 당시의 강릉–

19번 위성(Fig. 6(c))에서도 지진이전에는 변동현상이 나

타나지 않았지만 , 사건 발생 당일에는 변동현상이 나타

났다 . 이를 통해 이 논문에서 관측된 전리층 변동이 지

진에 의해 생긴 현상인 것으로 판단할 수 있다 .

(e) Gangneung (KANR) – PRN03 satellite (f) Geometry of epicenter, IPP, and GPS stations 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).

(a) Gangneung (KANR) – PRN19 satellite (b) Uljin (WULJ) – PRN06 satellite

(c) Gunsan (KUSN) – PRN28 satellite (d) Sangju (SNJU) – PRN17 satellite

4.  토의 및 결론

중위도 지역에 위치한 한반도에서는 태양활동이나 지자기 폭풍에 의한 영향을 받지 않는 한 전리층 교란 현상이 크게 발생하지 않는다 . 게다가 한반도에서는 1978년 지진계를 통한 관측이래 규모 6.0 이상의 지진이 탐지된 적이 없고 , 5.0 이상의 지진도 10건 밖에 발생하 지 않았다 . 이로 인해 한반도에서 발생한 지진으로 야 기되는 전리층 변동 연구는 거의 전무한 실정이다 . 이 연구에서 최근 한반도에서 발생한 규모 5.0 이상의 세 지진을 대상으로 두 가지 전리층 변동탐지 방법을 적용 하여 변동이 발생했음을 확인하였다. 이때 Kp 지수를 통해 세 지진이 발생할 당시에 지자기 활동이 안정적인 것으로 확인되어 외부적인 요인에 의해 전리층이 영향 을 받지 않았다고 판단하였다 . 그리고 사건 발생 이전 2 일간 동일 시간대 자료분석을 통해 뚜렷한 변동현상이 나타나지 않았음을 확인하였다 . 비록 모든 GPS 관측소 에서 변동현상이 나타나지 않았지만 , 일부 관측소와 위 성의 조합에서 변동이 탐지되었다 . 이는 충격파가 전리 층에 영향을 미치는 시간에 위성의 시선방향에 따라 GPS 신호가 영향을 다르게 받았기 때문이다. 국내 주요 지진을 대상으로 전리층 변동을 분석한 Kim and Seo (2016)의 경우, 경주지진 당시 전리층 변동이 관측되지 않았음을 보고하였으나, 이는 진앙의 천정부근을 지나 는 근접 위성 1기와 적절한 관측소 1곳만을 선택함으로 써 여러 방향의 위성들과 관측소의 다양한 조합에 대한 검토가 이루어지지 않아 전리층 변동을 탐지하기 어려

웠던 것으로 사료된다 . Cahyadi and Heki(2015)와 Heki et

변동폭을 결정짓는데 중요한 요소임을 제시하였다 . 또 한 Kim and Seo(2016)에서는 vertical TEC 시계열에 10분 크기의 이동평균을 구하고 기존 시계열과의 차이를 계 산한 후 잔차에 대한 지진 전후 30분간 RMS를 상호 비 교함으로써 10분보다 짧은 시간 동안 나타나는 변동신 호의 잔차값이 RMS에 충분히 반영되지 않았던 것으로 판단된다 .

이 연구의 분석 결과 , 지진 발생 이후 크게 두 차례 변 동현상이 탐지되었고 , 주요 변동은 지진 발생 후 10-30 분과 40-60분 경과한 시점에 한 번 이상 나타났다. 이때 진앙과 IPP 탐지위치간의 거리는 약 400-1000 km였다.

탐지시간과 거리를 고려하여 산출한 전파속도는 약 500-3200 km/h로 나타났다. 이는 지진으로 생성된 충격 파가 다양한 파동형태로 대기 중에 전달되고 대기 조건 에 의해 전달속도도 달라져 전리층 변동이 발생하는 시 점에 차이를 보인 것이라 사료된다. 즉 지진 발생시 생 성된 음파 , Rayleigh 표면파, 내부 중력파 등에 의해 시차 를 두고 변동을 야기하여 (Cahyadi and Heki, 2015; Davies and Archambeau, 1998; Yang et al., 2012) 한 번 이상의 변 동현상이 나타난 것이다 (Chen et al., 2011; Maruyama et

변동이 탐지되는 시간이 수 분(Tsugawa et al., 2011), 수 십분(Calais and Mister, 1995; Calais and Mister, 1998; Chen

Ping, 2005; Komjathy et al., 2012; Yang et al., 2012) 후에 나 (a) 2016.09.12 (b) 2017.11.15 (c) 2017.09.03

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.

타나거나 상황에 따라 수 시간 (Park et al., 2011) 이후에 나타나기도 한다 . 각 변동 내에서 발생시점이 작은 차 이를 보인 것은 진원 깊이에 의한 차이와 관측 위성의 방위각과 고도각 그리고 진앙과 관측소간의 거리 등 대 상체들간의 기하학적 배치 때문이라 생각된다 .

전리층은 낮 시간대 태양에 의해 이온화 과정이 활 발히 이루어져 전자밀도가 증가하며 두께가 두꺼워졌 다가 , 해가 진 이후에는 이온결합이 이루어져 두께가 얇 아지고 안정적인 상태로 변한다 . 그래서 밤 시간대에는 외부적인 영향을 잘 반영한다(He et al., 2011; Masci et al., 2017). 경주지진은 포항지진이나 6차 인공지진과 달리 저녁 시간대에 발생하였다. 그래서 두 사건에 비해 상 대적으로 깊은 곳에서 발생하였지만, 규모가 크고 전리 층이 안정적인 시간대에 일어나 변동현상이 나타난 것 이라 생각한다 .

전리층 변동은 지진의 규모가 커질수록 변동의 크기 가 커지고 , 지속시간도 길어진다(Astafyeva et al., 2013).

그래서 대부분의 연구자들은 규모 6.0 이상의 지진들을 대상으로 전리층 변동연구를 수행하였다 . 규모 6.0 미만 의 지진들은 대부분 전리층 변동에 관한 통계분석이나 전조현상을 연구하는데 활용되었고 (Tojiev et al., 2013;

Liu et al., 2006), 일부 사례에서 지진 후의 전리층 영향을 분석하는데 이용되었으나 (Karia and Patak, 2011), 본 연 구와 같은 사건별 정밀 분석은 이루어지지 않았다 . 또한, 진원의 깊이가 얕을수록 전리층의 비정상성이 강하게 나타나고 일어날 확률도 높아진다 (Le et al., 2011; Shah and Jin, 2015). 이 연구에서 대상으로 정한 지진들의 규 모는 크지 않지만 전리층 변동을 탐지할 수 있었던 것 은 진원의 깊이가 15 km 이내로 얕아 지진발생 당시에 생성된 에너지가 충분히 대기 중으로 전파되었고, 조 밀한 관측망을 이용한 대상체들의 공간상 위치와 이들 간의 조합 때문이라 생각한다 . 그리고 탐지 방법에 따 라 변동 유무에 차이가 있기 때문에 다양한 방법을 적 용하고 공통된 해석에 도달함으로써 변동을 판별할 수 있었다 .

비록 한반도에서 발생한 규모 5.0 이상의 지진에서 대기 중으로 방출되는 에너지의 양이 크지는 않지만 , 진 원의 깊이가 얕고 조밀한 관측망을 이용하면 관측대상 의 기하학적 배치에 따라 전리층 변동을 탐지할 수 있 음을 확인하였다 . 향후 좀 더 다양한 방법을 적용하여

변동의 지속시간 , 충격파의 전달속도, 그리고 변동이 일 어나는 물리적 기작에 대해 연구할 필요가 있을 것이다 .

사 사

이 논문은 기상청 “수치예보·지진 업무 지원 및 활용 연구” 과제의 일환으로 수행되었습니다 . 그리고 본 논 문의 심사과정에서 좋은 의견을 주신 편집자와 익명의 심사위원님들께 감사의 인사를 드립니다 .

References

Astafyeva, E., K. Heki, V. Kiryushkin, E. Afraimovich, and S. Shalimov, 2009. Two-mode long-distance propagation of coseismic ionosphere disturbances,

doi:10.1029/2008JA013853.

Astafyeva, E., S. Shalimov, E. Olshanskaya, and P. Lognonné, 2013. Ionospheric response to earthquakes of different magnitudes: Larger quakes perturb the ionosphere stronger and longer,

Bilich, A., K. M. Larson, and P. Axelrad, 2008.

Modeling GPS phase multipath with SNR: Case study from the Salar de Uyuni, Boliva, Journal

10.1029/2007JB005194.

Blanc, E., 1984. Interaction of an acoustic wave of artificial origin with the ionosphere as observed by vertical HF sounding at total reflection levels,

Cahyadi, M. N. and K. Heki, 2015. Coseismic ionospheric disturbance of the large strike-slip earthquakes in North Sumatra in 2012: Mw dependence of the disturbance amplitudes, Geophysical Journal

Calais, E. and J. B. Minster, 1995. GPS detection of

ionospheric perturbations following the January

17, 1994, Northridge earthquake, Geophysical

Calais, E. and J. B. Minster, 1998. GPS, earthquakes, the ionosphere, and the Space Shuttle, Physics of

Chen, C. H., A. Saito, C. H. Lin, J. Y. Liu, H. F. Tsai, T. Tsugawa, Y. Otsuka, M. Nishioka, and M.

Matsumura, 2011. Long-distance propagation of ionospheric disturbance generated by the 2011 off the Pacific coast of Tohoku Earthquake, Earth

Chen, P., J. J. Chen, W. Q. Yao, and B. Zhang, 2013.

Study of the 2013 Lushan M=7.0 earthquake coseismic ionospheric disturbances, Natural

1: 5643-5662.

Davies, J. B. and C. B. Archambeau, 1998. Modeling of atmospheric and ionospheric disturbances from shallow seismic sources, Physics of the

De Agostino, M. and M. Piras, 2011. Earthquake forecasting: a possible solution considering the GPS ionospheric delay, Natural Hazards and

Ducic, V., J. Artru, and P. Lognonne, 2003. Ionospheric remote sensing of the Denali Earthquake Rayleigh surface waves, Geophysical Research Letters, 30(18): 1951.

Emardson, R., P. Jarlemark, J. Johansson, and S. Schafer, 2013. Spatial variability in the ionosphere measured with GNSS networks, Radio Science, 48: 646-652.

Fitzgerald, T., R. Carlos, and P. E. Argo, 1993. Integrated verification experiment data collected as part of the Los Alamos National Laboratory’s source region program, Technical Report LAUR-92-

Fitzgerald, T. J., 1994. Ionospheric measurements for the non-proliferation experiment, Proc. of DOE

Rockville, MD, Apr. 19-21, pp. 1-18.

Gautam, P. K., V. Chauhan, R. Sathyaseelan, N. Kumar, and J. P. Pappachen, 2018. Co-seismic ionospheric GPS-TEC disturbances from different source characteristic earthquakes in the Himalaya and the adjoining regions, NRIAG Journal of Astronomy

009.

Ghoddousi-Fard, R., P. Prikryl, and F. Lahaye, 2013.

GPS phase difference variation statistics: A comparison between phase scintillation index and proxy indices, Advances in Space Research, 52: 1397-1405.

Goldflam, R., G. McCartor, and B. Wortman, 1984.

Ionospheric gravity waves from nuclear surface bursts, Technical Report MRC-R-825, Mission Research Corporation, Santa Barbara, CA, USA.

Harrison, R. G., K. L. Aplin, and M. J. Rycroft, 2010. Atmospheric electricity coupling between earthquake regions and the ionosphere, Journal

72: 376-381.

Heki, K. and J. Ping, 2005. Directivity and apparent velocity of the coseismic ionospheric disturbances observed with a dense GPS array, Earth and

Heki, K., Y. Otsuka, N. Choosakul, N. Hemmakorn, T.

Komolmis, and T. Maruyama, 2006. Detection of ruptures of Andaman fault segments in the 2004 great Sumatra earthquake with coseismic ionospheric disturbances, Journal of Geophysical

4202.

Heki, K., 2011. Ionospheric electron enhancement preceding the 2011 Tohoku-Oki earthquake,

10.1029/2011GL047908.

Heki, K. and Y. Enomoto, 2013. Preseismic ionospheric electron enhancements revisited, Journal of

6618-6626.

Hofmann-Wellenhof, B., H. Lichtenegger, and E. Wasle, 2008. GNSS Global Navigation Satellite Systems:

GPS, GLONASS, Galileo, and more, Springer-

Verlag Wien, Vienna, Austria, pp. 116-128.

Karia, S. P. and K. N. Pathak, 2011. Change in refractivity of the atmosphere and large variation in TEC associated with some earthquakes, observed from GPS receiver, Advances in Space

Kim, B.-H. and K.-W. Seo, 2016. Changes of Ionospheric Total Electron Content Caused by Large-scale Earthquakes and Recent Earthquakes Occurred Around the Korean Peninsula, Geophysics and

Korean with English abstract).

Korea Meteorological Administration, 2018. 2017

Administration, Seoul, Korea.

Komjathy, A., D. A. Galvan, P. Stephens, M. D. Butala, V. Akopian, B. D. Wilson, O. Verkhoglyadova, A. J. Mannucci, and M. Hickey, 2012. Detecting Ionospheric TEC Perturbations Caused by Natural Hazards Using a Global Network of GPS Receivers: the Tohoku Case Study, Earth,

Kuo, C. L., J. D. Huba, G. Joyce, and L. C. Lee, 2011.

Ionosphere plasma bubbles and density variations induced by pre-earthquake rock currents and associated surface charges, Journal of Geophysical

Le, H., J. Y. Liu, and L. Liu, 2011. A statistical analysis of ionospheric anomalies before 736 M6.0+

earthquakes during 2002-2010, Journal of

2010JA015781.

Liu, J. Y., Y. I. Chen, Y. J. Chuo, and C. S. Chen, 2006. A statistical investigation of preearthquake ionospheric anomaly, Journal of Geophysical

011333.

Maruyama, T., T. Tsugawa, H. Kato, A. Saito, Y. Otsuka, and M. Nishioka, 2011. Ionospheric multiple stratifications and irregularities induced by the 2011 off the Pacific coast of Tohoku Earthquake,

Masci, F., J. N. Thomas, and J. A. Secan, 2017. On a reported effect in ionospheric TEC around the time of the 6 April 2009 L’Aquila earthquake,

1461-1468.

Misra, P. and P. Enge, 2012. Global Positioning System:

Signals, Measurements, and Performance, Ganga-

Jamuna Press, Lincoln, MA, USA, pp. 162-169.

Mitchell, C. N., L. Alfonsi, G. D. Franceschi, M.

Lester, V. Romano, and A. W. Wernik, 2005.

GPS TEC and scintillation measurements from the polar ionosphere during the October 2003 storm, Geophysical Research Letters, 32(L12S03), doi:10.1029/2004GL021644.

Park, J., R. R. B. von Frese, D. A. Grejner-Brzezinska, Y. Morton, and L. R. Gaya-Pique, 2011.

Ionospheric detection of the 25 May 2009 North Korean underground nuclear test, Geophysical

GL049430.

Park, J., 2012. Ionospheric monitoring by the global

The Ohio State University, OH, USA.

Perevalova, N. P., V. A. Sankov, E. I. Astafyeva, and А. S. Zhupityaeva, 2014. Threshold magnitude for Ionospheric TEC response to earthquakes,

Pokhotelov, D., P. T. Jayachandran, C. N. Mitchell, and

M. H. Denton, 2010. High-latitude ionospheric

response to co-rotating interaction region- and

coronal mass ejection-driven geomagnetic storms

revealed by GPS tomography and ionosondes,

3408.

Saito, A., T. Tsugawa, Y. Otsuka, M. Nishioka, T.

Iyemori, M. Matsumura, S. Saito, C. H. Chen, Y.

Goi, and N. Choosakul, 2011. Acoustic resonance and plasma depletion detected by GPS total electron content observation after the 2011 off the Pacific coast of Tohoku Earthquake, Earth

Shah, M. and S. Jin, 2015. Statistical characteristics of seismo-ionospheric GPS TEC disturbancesprior to global Mw ≥ 5.0 earthquakes (1998-2014),

Tojiev, S. R., B. J. Ahmedov, Y. A. Tillayev, and H.

E. Eshkuvatov, 2013. Ionospheric anomalies of local earthquakes detected by GPS TEC measurements using data from Tashkent and Kitab stations, Advances in Space Research, 52:

1146-1154.

Tsugawa, T., A. Saito, Y. Otsuka, M. Nishioka, T.

Maruyama, H. Kato, T. Nagatsuma, and K. T.

Murata, 2011. Ionospheric disturbances detected by GPS total electron content observation after the 2011 off the Pacific coast of Tohoku Earthquake,

von Frese, R. R. B., J. W. Kim, H. R. Kim, T. E.

Leftwich, E. Rangelova, J. Park, and D. A.

Grejner-Brzezinska, 2009. Regional geopotential

ISS09 International Scientific Studies Project, Vienna, Austria, p. 79.

Yang, Y.-M., J. L. Garrison, and S.-C. Lee, 2012.

Ionospheric disturbances observed coincident with the 2006 and 2009 North Korean underground nuclear tests, Geophysical Research

Zhang, X. and L. Tang, 2015. Traveling ionospheric

disturbances triggered by the 2009 North Korean

underground nuclear explosion, Annales Geophysicae,

33: 137-142.