2015년 이베리아 반도 TEC 변동, 지자기 폭풍과 태양 플레어의 영향 분석

초록

본 연구는 2015년 이베리아 반도에서 GNSS와 이온소네를 이용해 측정한 총전리층전류(TEC)를 분석하고, 주성분분석(PCA)을 통해 두 개의 주요 모드와 일별 진폭(EOF)을 도출하였다. 이 EOF 진폭은 태양 UV·X‑ray 플럭스, 플레어 수, 태양풍 파라미터, 지자기 지수 등과 높은 상관성을 보였으며, 0~2일 지연을 포함한 다중 회귀 모델을 구축해 TEC 변동을 재구성하고 예측 가능성을 검증하였다.

상세 분석

연구는 스페인 북서부와 남부에 설치된 두 개의 GNSS 수신기와 근접 이온소네 데이터를 2015년 1월부터 12월까지 연속적으로 수집한 뒤, 일간 평균 TEC 시계열을 구성하였다. 주성분분석(PCA)을 적용한 결과, 전체 변동의 약 85 %를 설명하는 두 개의 주성분(PC1, PC2)이 도출되었으며, 각각은 일일 TEC 변동 형태가 뚜렷이 구분되는 패턴을 나타냈다. PC1은 일일 최고점이 정오 전후에 나타나는 전형적인 일사량 주기에 가까운 형태이며, PC2는 야간에 상대적으로 높은 TEC를 보이는 비대칭 패턴을 보였다. 각 일에 대한 진폭은 경험적 직교함수(EOF)로 표현되었고, 이 EOF 시계열은 2015년 발생한 네 차례의 강한 지자기 폭풍(Dst ≤ ‑150 nT)과 세 차례의 중간 규모 교란에 대한 반응을 명확히 드러냈다.

EOF와 공간기상 파라미터 간의 상관분석에서는 태양 UV 121.6 nm(라임버그)와 X‑ray 0.1–0.8 nm 플럭스, 플레어 발생 횟수, 태양풍 속도(V_sw), 입자 밀도(N_p), 그리고 Kp·Dst·AE 지수가 각각 EOF1, EOF2와 0~2일 지연을 두고 유의한 상관관계를 보인 것으로 확인되었다. 특히, EOF1은 태양 UV와 X‑ray 플럭스에 1일 지연 후 가장 높은 상관계수(r ≈ 0.78)를 기록했으며, EOF2는 Kp와 Dst 지수에 0일 지연에서 r ≈ 0.71의 강한 상관을 나타냈다.

이를 바탕으로 다중 선형 회귀 모델을 구축했으며, 독립 변수 조합에 따라 결정계수(R²)가 0.65~0.82에 달했다. 회귀식에 지연을 포함함으로써 전일 혹은 이틀 전의 태양 활동이 현재 TEC 변동에 미치는 영향을 정량화할 수 있었다. 최종적으로 회귀 모델에서 얻은 EOF 예측값에 원래 PC 패턴을 곱해 재구성한 TEC는 관측값과 평균 절대 오차(MAE) 1.2 TECU, 평균 상대 오차(MRE) 7 % 수준을 보였으며, 특히 강한 폭풍 전후 24 시간 내에 높은 예측 정확도를 유지했다. 이러한 결과는 실시간 공간기상 관측을 활용한 단기 TEC 예보 시스템 구축에 실질적인 근거를 제공한다.