[논문 리뷰] DEMETER Satellite Observations of Particle Burst Prior to Chile Earthquake

Zhenxia Zhang, Xinqiao Li외 5명|arXiv (Cornell University)|2010. 11. 16.

Earthquake Detection and Analysis참고 문헌 15인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 2010년 칠레 지진 11일 전에 발생한 고에너지 입자 폭발(PB)에 대한 DEMETER 위성 관측을 제시한다. 이 폭발은 배경 수준의 최대 6배까지 증가했으며, VLF 전기장 변동과 반사점 공명 효과와 동시에 발생하여 지구의 자기장에 의해 유도된 지진 전기자기 방출과의 이ON계층 연관성을 시사한다. 태양 및 지 magnetic 활동의 기원을 배제한 결과, PB는 지진 전구신호로 간주될 가능성이 있다.

ABSTRACT

The lithosphere activity during seismogenic or occurrence of one earthquake may emit electromagnetic wave which propagate to ionosphere and radiation belt, then induce disturbance of electric and magnetic field and the precipitation of high energy charged particles. This paper, based on the data detected by DEMETER satellite, present the high energy charged particle burst(PB) with 4 to 6 times enhancement over the average value observed about ten days days before Chile earthquake. The obvious particle burst was also observed in the northern hemisphere mirror points conjugate of epicenter and no PB events in different years over the same epicenter region was found. The energy spectra of the PBs are different from the one averaged within the first three months in 2010. At the same time, the disturbance of the VLF electric spectrum in ionosphere over the epicenter detected by the DEMETER satellite are also observed in the same two orbits. Those observations from energetic PB and VLF electric spectrum disturbance demonstrates the coupling relation among the electromagnetic wave emitted by seismic activity, energetic particle and electric field in ionosphere. We eliminate the possible origination of PB including magnetic burst and Solar activities. Finally we think the PB is likely to be related to Chile earthquake and can be taken as the precursor of this earthquake.

연구 동기 및 목표

• 2010년 M8.8 칠레 지진의 이ON계층 전구신호를 DEMETER 위성 자료를 사용하여 조사하기.
• 지진 이전에 관측된 고에너지 입자 폭발(PB)이 지진 활동과 관련이 있는지 아니면 외부 기원과 관련이 있는지 규명하기.
• PB, VLF 전기장 변동, 이ON계층 연관 메커니즘 간의 시공간적 상관관계 분석하기.
• 관측된 입자 폭발의 원인이 태양 활동 또는 지자기 스토브와 같은 다른 원인일 수 있는지를 배제하기.
• PB가 대규모 지진에 대한 신뢰할 수 있는 전구신호로 활용될 수 있는지 평가하기.

제안 방법

• 90.7–600 keV, 600–1000 keV, 1000–2351 keV의 세 가지 에너지 범위에서 DEMETER IDP 장치를 통해 입자 플럭스 자료 분석하기.
• 동일한 위성 궤도에서 ICE 장치가 측정한 VLF 전기장 스펙트럼 변동과 입자 폭발 사건을 비교 분석하기.
• 2010년 1~3월 동안 같은 지역의 평균 배경 수준과의 비교를 통해 입자 폭발 강도와 지속시간 분석하기.
• 지구 자기장선 연결성을 평가하기 위해 북반구의 반사점에서 관측된 입자 폭발을 확인하기.
• Kp 지수와 태양 플레어 자료 분석을 통해 태양 및 지자기 활동이 원인일 수 없음을 배제하기.
• DEMETER 위성의 준 태양 동기 궤도를 활용해 지진 중심부 지역에서 일관된 시공간 샘플링 확보하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2010년 칠레 지진 이전에 뚜렷한 고에너지 입자 폭발이 발생했는가? 만약 그렇다면 언제, 어디서 발생했는가?
• RQ2 관측된 입자 폭발이 이ON계층 내 VLF 전기장 변동과 시공간적으로 상관관계가 있는가?
• RQ3 북반구의 자기 반사점에서 관측된 입자 폭발은 지진 중심부와 자기장선 연결을 나타내는가?
• RQ4 입자 폭발이 태양 활동, 지자기 스토브 또는 기타 비지진 기원으로 기인할 수 있는가?
• RQ5 지진 유도 전자기 방출과 이ON계층 내 입자 침강 및 전기장 간의 상호작용 메커니즘은 어떠한가?

주요 결과

• 지진 발생 11일 전, 평균 배경 수준의 4~6배 증가를 보인 입자 폭발이 관측되었으며, 주로 90.7–600 keV 및 1000–2351 keV 에너지 범위에서 발생했다.
• 입자 폭발은 지진 중심부 및 북반구의 자기 반사점에서 발생했으며, 90.7–600 keV 범위에서는 5배 증가, 1000–2351 keV 범위에서는 3배 증가했다.
• VLF 전기 스펙트럼 변동은 입자 폭발과 동일한 두 궤도에서 관측되었으며, 거의 동시 발생했고, 입자 폭발에 비해 약간의 지연이 있었다.
• VLF 변동은 입자 침강 영역보다 낮은 위도에서 발생하여, 전기장 변동이 입자 침강 영역 아래에 위치해 있음을 시사하며, 상향 전파되는 전자기파 연관성과 일치한다.
• 다른 연도에는 같은 지역에서 입자 폭발과 VLF 변동이 관측되지 않아, 2010년 칠레 지진과의 고유한 상관관계를 시사한다.
• 태양 활동과 지자기 불안정성(Kp 지수)을 배제한 후, 저자들은 입자 폭발이 지진 활동과 가장 밀접하게 연관되어 있으며, 따라서 지진 전구신호로 간주될 가능성이 높다고 결론 내렸다.