[논문 리뷰] Tsunami effects on the Z component of the geomagnetic field

Virgínia Klausner, Margarete Oliveira Domingues외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 08. 24.

Earthquake Detection and Analysis참고 문헌 13인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 지구 자기장의 Z성분에서 Tsunami에 의해 유도된 지능적 변동을 탐지하기 위해 이산 웨이브렛 변환(DWT)과 하어 웨이브렛을 사용하는 것을 제안한다. INTERMAGNET 기상대의 분해능이 분단위인 자기장도를 분석함으로써, 2011년 일본의 쓰나미에 대해 이론적으로 쓰나미 발생 시점과 최대 높이를 최대 2시간 전에 정확하게 국소화하는 데 성공하였다. 이는 DWT가 해양 유동이 지구 자기장에 미치는 약한 국소적 전자기 변동을 효과적으로 식별할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

The vertical component (Z) of the geomagnetic field observed by ground-based observatories of the INTERMAGNET network has been used to analyze the effects of the movement of electrically conducting sea water through the geomagnetic field due to a propagation of a tsumani. The purpose of this work is to study the geomagnetic variations induced by the tsunamis occurred at 26 December, 2004, 27 February, 2010 and 11 March, 2011. For each case study, we selected four magnetic stations belonging to the INTERMAGNET programme that were influenced or more direct affected by the tsumani. To detect these disturbances in the geomagnetic data, the discrete wavelet technique have been used in four levels of decomposition. We were able to detect the localized behavior of the geomagnetic variations induced by the movement of electrically conducting sea-water through the geomagnetic field, i. e., the identification of transients related to the tsunamis. As well, using the minutely magnetogram data, it was able to localize the initial phase and time of the tsunami maximum height. The first interpretation of the results suggests that discrete wavelet transform can be used to characterize the tsumani effects on the geomagnetic field, but need further study.

연구 동기 및 목표

• 지구 자기장 내에서 쓰나미에 의해 유도된 해양 유동에 의해 발생하는 Z성분의 지능적 변동을 탐지하기 위해.
• 이산 웨이브렛 변환(DWT)이 지구 자기 데이터에서 쓰나미에 의한 국소적 일시적 신호를 식별하는 데 효과적인지 평가하기 위해.
• 웨이브렛 변환된 자기장도 데이터를 사용하여 쓰나미의 초기 단계와 최대 높이를 국소화하기 위해.
• 지구 자기장 모니터링 기반의 잠재적 조기 쓰나미 경고 시스템을 위한 DWT의 유효성을 검증하기 위해.
• 대규모 해양 이동이 지구 자기장에 미치는 전자기 유도 효과에 대한 이해를 확장하기 위해.

제안 방법

• INTERMAGNET 기상대의 분해능이 분단위인 지구 자기장 Z성분 데이터에 이산 웨이브렛 변환(DWT)을 적용하였으며, Haar 웨이브렛(db1)을 사용하였다.
• 작은 국소적 변동을 분리하기 위해 웨이브렛 분해를 4단계로 수행하였다.
• 각 쓰나미 사건(2004년, 2010년, 2011년)에 대해 4개의 기상대에서 얻은 자기장도를 분석하여 쓰나미 관련 일시적 신호를 탐지하였다.
• 쓰나미 전파와 관련된 시간 국소화된 교란을 식별하기 위해 파형 계수 에너지 (d^j)^2에 초점을 맞췄다.
• 파형 계수로 탐지된 일시적 신호를 tidal gauge 데이터와 연계하여 쓰나미 도착 및 최고 높이 시점의 타당성을 검증하였다.
• 파라데이의 법칙과 로렌츠력 이론을 사용하여 해양 수류 운동이 2차 자기장을 유도하는 물리적 메커니즘을 모델링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이산 웨이브렛 변환은 쓰나미에 의해 유도된 해양 유동에 의해 발생하는 약한 국소적 지구 자기장 변동을 효과적으로 탐지할 수 있는가?
• RQ2 DWT 방법은 지구 자기장 Z성분 데이터로부터 쓰나미의 초기 단계와 최대 높이를 정확하게 국소화할 수 있는가?
• RQ3 파형 계수 (d^j)^2는 다양한 자기기지에서 실제 쓰나미 도착 및 최고 진폭과 어떻게 상관관계를 가지는가?
• RQ4 기존의 tidal gauge 데이터에 비해 DWT는 쓰나미 도착을 얼마나 빨리 경고할 수 있는가?
• RQ5 쓰나미에 의해 생성된 해양 기류에 의해 유도된 Z성분 변동의 물리적 및 통계적 의미는 무엇인가?

주요 결과

• DWT 방법은 지구 자기장 Z성분에서 쓰나미 관련 일시적 신호를 성공적으로 탐지하였으며, 특히 세 번째 및 네 번째 분해 수준(j=3,4)의 (d^j)^2에서 효과적인 결과를 보였다.
• 2011년 일본 쓰나미의 경우, 파형 계수는 06:08, 06:40, 07:44, 10:40, 16:48, 17:52 UT에 뚜렷한 진폭을 보였으며, 이는 쓰나미 도착 및 최고 높이 시점과 일치하였다.
• 파피에트(Papeete, PPT) 기상대에서는 쓰나미가 해안에 도달하기 약 2시간 전에 일시적 신호를 탐지하여 조기 경고 가능성을 시사하였다.
• MMB 및 KNY 기상대는 09:16 UT에 쓰나미 도착, 09:58 UT에 최고 높이에 해당하는 명확한 웨이브렛 서명을 보였으며, 이는 tidal gauge 데이터와 일치하였다.
• GUA 및 CTA 기상대는 최소한의 또는 명백한 파형 계수를 보였으며, 이는 해당 위치에서 지구 자기장 영향이 미약하거나 신호가 가려졌음을 시사한다.
• 본 연구는 Haar 웨이브렛을 사용한 DWT가 급격하고 낮은 진폭의 지구 자기 데이터 변동을 국소화하는 데 효과적이며, 쓰나미 유도 자기 신호 탐지에 적합하다는 것을 확인하였다.