[논문 리뷰] Ionospheric total electron content variations observed before earthquakes: Possible physical mechanism and modeling

A. A. Namgaladze, О. В. Золотов외 3명|ArXiv.org|2009. 05. 20.

Earthquake Detection and Analysis참고 문헌 20인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 전 세계적이고 지역적인 규모에서 관측된 전지구적 이온층 총 전자 밀도(Total Electron Content, TEC) 이상 현상이, 지진 유발의 동방 전기장에 의해 F2층에서 수직 플라즈마 이동을 유도함으로써 발생한다고 제안한다. 상층 대기 모델을 사용하여 저강도 및 중강도 지진 이전에 관측된 공간 스케일과 진폭과 일치하는 TEC 변동을 시뮬레이션함으로써, 지각 응력과 이온층 변동성 간의 물리적 메커니즘을 뒷받침한다.

ABSTRACT

The GPS derived anomalous TEC disturbances before earthquakes were discovered in the last years using global and regional TEC maps, measurements over individual stations as well as measurements along individual GPS satellite passes. For strong mid-latitudinal earthquakes the seismo-ionospheric anomalies look like local TEC enhancements or decreases located in the vicinity of the forthcoming earthquake epicenter In case of strong low-latitudinal earthquakes there are effects related with the modification of the equatorial F2-region anomaly: deepening or filling of the ionospheric electron density trough over the magnetic equator. We consider that the most probable reason of the NmF2 and TEC disturbances observed before the earthquakes is the vertical drift of the F2-region ionospheric plasma under the influence of the zonal electric field of seismic origin. To check this hypothesis, the model calculations have been carried out with the use of the Upper Atmosphere Model. The electric potential distribution at the near-epicenter region boundary required for the electric field maintenance has been proposed. The upper atmosphere state, presumably foregone a strong earthquake, has been modeled. The results of the corresponding numerical model calculations have revealed a fine agreement with TEC anomalies observed before strong earthquakes at the middle and low latitudes both in spatial scales and in amplitude characteristics.

연구 동기 및 목표

• 강한 지진 이전에 관측된 이온층 TEC 이상 현상의 물리적 메커니즘을 규명하는 것.
• 지진 기원 전기장이 측정 가능한 F2층 플라즈마 불안정성을 유도할 수 있는지 확인하는 것.
• 실제 관측치와의 비교를 통해 가설을 검증하는 것.
• 모의된 이상 현상이 관측된 지진 이전 TEC 변동성과 공간적 스케일 및 진폭에서 일관된지 평가하는 것.
• 지각 응력과 이온층 전자 밀도 변화 간의 인과 관계를 설정하는 것.

제안 방법

• 지진 기원 전기장에 대한 이온층 반응을 시뮬레이션하기 위해 상층 대기 모델을 사용하였다.
• 지진 진앙지 근처 이온층 경계에서의 전위 분포를 모의하여 동방 전기장을 유지하였다.
• 이러한 전기장 영향 하에서 F2층의 수직 플라즈마 이동을 모의하였다.
• 전기 잠근의 경계 조건은 기대되는 응력 유도 이온층 결합에서 유도되었다.
• 모의 결과를 전 세계 및 지역 네트워크에서 유도된 GPS 기반 TEC 지ap과 비교하였다.
• 모의 결과의 공간 스케일 및 진폭 일치 여부를 관측된 지진 이전 TEC 이상 현상과 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지진 기원 동방 전기장이 이온층에서 관측된 지진 이전 TEC 이상 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 강한 지진 이전에 TEC 변동을 유도하는 F2층의 수직 플라즈마 이동의 역할은 무엇인가?
• RQ3 이온층 반응의 수치 시뮬레이션이 중위도 및 저위도 지진 이전 실재 TEC 관측치와 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ4 관측된 TEC 이상 현상을 재현하기 위해 이온층 경계에서 필요한 전기 잠근 분포는 무엇인가?
• RQ5 모의된 지진 이전 TEC 변동성과 관측된 결과 사이에 일관된 공간적 및 진폭 일치가 존재하는가?

주요 결과

• 모의 시뮬레이션은 관측된 지진 이전 변동성과 유사한 공간 스케일과 진폭을 가진 TEC 이상 현상을 성공적으로 재현하였다.
• 수직 플라즈마 이동을 통해 중위도 지진 진앙지 근처에서 TEC 증가 및 감소 현상을 성공적으로 모의하였다.
• 저위도 지진 사건의 경우, 모의 결과는 관측과 일치하는 등단계 이온층의 깊어짐 또는 채워짐을 재현하였다.
• 경계에서의 모의 전기 잠근 분포가 관측된 이온층 플라즈마 불안정성을 생성하는 데 충분하였다.
• 모의된 TEC 이상 현상과 관측 결과 간의 일치는 지진 전기장이 지진 이전 이온층 변화를 유도한다는 가설을 지지한다.
• 결과는 강한 지진 이전에 지각 응력과 이온층 TEC 변동성 간의 타당한 물리적 메커니즘이 존재함을 시사한다.