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系統識別號 U0026-2608201408040600
論文名稱(中文) 西元2012年Mount Tongariro 火山噴發對電離層擾動之研究
論文名稱(英文) The ionospheric disturbances caused by the explosion of the Mount Tongariro volcano in 2012
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 地球科學系
系所名稱(英) Department of Earth Sciences
學年度 102
學期 2
出版年 103
研究生(中文) 陳柏成
研究生(英文) Po-Cheng Chen
學號 l46014047
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 65頁
口試委員 指導教授-林建宏
口試委員-陳佳宏
口試委員-張起維
口試委員-劉正彥
中文關鍵字 電離層  火山噴發  雙頻全球衛星定位系統 
英文關鍵字 ionosphere  volcano eruption  Global Positioning System 
學科別分類
中文摘要 依據前人研究,已知火山噴發後造成大氣之擾動可以形成聲波在高空大氣傳遞。在亞電離層(subionosphere)的高度下,藉由雙頻全球衛星定位系統的量測可以了解中性粒子和自由電子之間耦合所造成電子濃度之變化。在西元2012年11月21日,位於紐西蘭之Mount Tongariro火山在國際標準時間零點二十分開始噴發,藉由紐西蘭GPS觀測站紀錄資料之分析,發現在噴發之後開始約10分鐘,觀測到有擾動波自火山噴發位置遠離。結果顯示,在11月21日出現以同心圓方式從火山中心向外傳遞的擾動現象,觀測到的水平波速從145m/s至684m/s不等。經研究分析為火山噴發所形成之大氣波主要有聲波及重力波的形式,而前人研究觀測之擾動速度屬於聲波,符合MSIS-E Atmosphere Model [Hedin, 1987,1991]模擬聲波在亞電離層高度下之波速;而本研究觀測之擾動為重力波,並經由小波分析(Wavelet Analysis)發現聲波頻率轉變成重力波之過程,符合理論聲波和重力波在等溫大氣下在亞電離層高度下臨界頻率之分布,呈現火山噴發形成重力波之現象。最後藉Atmosphere Ionosphere Perturbation Model進一步確認觀測結果,推論電離層火山噴發所造成的擾動主要為是能量變化所產生的而非火山噴發造成地表垂直速度變化所造成。本研究成果有助於進一步了解聲重力波之形成與火山噴發對電子濃度擾動之機制。
英文摘要 On November 21 2012, the explosion of the Mount Tongariro volcano in New Zealand occurred at UT 0:20. The New Zealand dense array of Global Positioning System recorded ionospheric disturbances as changes in Total Electron Content ~10 minutes after the eruption, and the concentric spread of disturbances also can be observed this day. Through using the spectral analysis of the rTEC time series in this study shows two peaks. The larger amplitudes are centered at 700 and 1400 seconds, in the frequency range of acoustic waves and gravity waves. The result supports the distribution of the periods of the acoustic waves and gravity waves at subionospheric height in theory. On the other hand, to model the rTEC perturbation created by the acoustic wave caused by the explosive eruption of the Mount Tongariro, we perform acoustic ray tracing and obtain sound speed at subionospheric height in MSIS-E-90. The result show that the velocity of the disturbances is not in the velocity range of sound speed. Through using the MSIS-E-90 Atmosphere Model and Horizontal Wind Model(HWM), we can obtain the vertical wave number and check the gravity waves can propagate at subionospheric height, to confirm that ionospheric disturbances caused by the explosive eruption is gravity-wave type. Finally, through using Atmosphere Ionosphere Perturbation Model, the result consists with the observation. This work demonstrates that Global Positioning System satellites are useful for near real-time ionospheric disturbances monitoring, and help to understand the mechanism of gravity waves caused by volcano eruption in the future.
論文目次 目次
摘要 II
致謝 VI
目錄 VII
圖目錄 VIII
表目錄 IX
第1章 緒論 1
1.1電離層簡介 1
1.2文獻回顧 4
1.3研究動機與目的 9
第2章 觀測儀器與分析方法 10
2.1GPS觀測原理 10
2.2小波分析 14
第3章 使用模型介紹 16
3.1 NRLMSISE-00 Atmosphere Model 16
3.2 Horizontal Wind Model 18
3.3 Atmosphere Ionosphere Perturbation Model 20
第4章 資料分析與結果 24
4.1 觀測資料處理結果 24
4.2 聲波與重力波模擬分析 32
4.2.1 聲波模擬結果 33
4.2.2 重力波模擬結果 38
4.3 Atmosphere Ionosphere Perturbation Model 擾動模擬 40
4.3.1 能量擾動 40
4.3.2 垂直速度擾動 51
第5章 結論與未來工作 61
參考文獻 63

表目錄
表 1.2.1 各事件火山噴發產生之能量整理 7
表 3.1.1 NRLMSISE-00 MODEL 輸入與輸出之參數 16
表 3.2.1 HWM07風場觀測資料 19
表 4.2.1.1 不同衛星下所觀測到的擾動水平速度與其相對火山之距離 35

圖目錄
圖 1.1.1 電離層電子濃度隨高度之分布 3
圖 1.2.1 觀測資料作擬合曲線,藉擾動隨時間與火山距離作線性迴歸推算速度 5
圖 1.2.2 擾動波前與line of sight兩者角度對TEC之擾動變化 6
圖 3.1.1 利用NRLMSISE-00模型模擬隨高度溫度變化之範例圖 17
圖 3.3.1 Constrained interpolation Profile, CIP 22
圖 4.1.1 紐西蘭地理座標位置 24
圖 4.1.2 左圖為不同接收站之dTEC隨時間之變化 25
圖 4.1.3 圖(a)和圖(b)分別代表往東北與西北之方向量測 26
圖 4.1.4 不同衛星與接收站SIP位置上之TEC隨時間變化圖 29
圖 4.1.5 不同站接收不同衛星反演得到dTEC隨時間具火山位置之變化 29
圖 4.1.6 不同接收站之dTEC隨時間變化呈現於地圖上 30
圖 4.1.7 不同衛星之資料進行莫萊小波處理 31
圖 4.2.1左圖為小波處理後之觀測資料。右圖為聲波(ta)和重力波(tB)隨高度臨 界週期(cut-off period)之變化 32
圖 4.2.1.1 NRLMSISE-00 Atmosphere Model 模擬聲速隨高度之變化 33
圖 4.2.1.2 射線追蹤圖 34
圖 4.2.1.3 將觀測之擾動速度分別放置於模擬環境下,與相對波源之距離 36
圖 4.2.1.4 比較觀測值與模擬值之水平速度與距波源之距離 37
圖 4.2.2.1 不同衛星觀測下重力波於各高度(km)上垂直波數平方(m2)分布 38
圖 4.3.1.1 給予能量擾動進行模擬,結果為微分電子和中性濃度於0時27分30秒與13時07分30秒在高度300公里高之變化(去背景值) 41
圖 4.3.1.2 給予能量擾動進行模擬,結果為微分後電子和中性濃度於0時50分與13時30分在高度300公里高之變化(去背景值) 42
圖 4.3.1.3 給予能量擾動進行模擬,結果為微分後電子和中性濃度於0時50分與13時30分隨高度之變化(去背景值) 43
圖 4.3.1.4 給予能量擾動,呈現微分後電子濃度隨時間之變化與頻譜圖 45
圖 4.3.1.5 給予能量擾動,呈現微分後中性濃度隨時間之變化與頻譜圖 47
圖 4.3.1.6 紐西蘭之地理位置圖 48
圖 4.3.1.7 能量擾動後相對火山位置於不同方位上之電子濃度變化擾動速度 48
圖 4.3.1.8 能量擾動後相對火山位置於不同方位上之中性濃度變化擾動速度 49
圖 4.3.2.1 給予垂直速度擾動進行模擬,結果為微分電子和中性濃度於0時27分30秒與13時07分30秒在高度300公里高之變化(去背景值) 52
圖 4.3.2.2 給予垂直速度擾動進行模擬,結果為微分電子和中性濃度於0時50分與13時30分在高度300公里高之變化(去背景值) 52
圖 4.3.2.3 給予垂直速度擾動進行模擬,結果為微分後電子和中性濃度於0時50分與13時30分隨高度之變化(去背景值) 53
圖 4.3.2.4 放置垂直速度擾動,呈現微分後電子濃度與頻譜圖隨時間之變化 55
圖 4.3.2.5 放置垂直速度擾動,呈現微分後中性濃度與頻譜圖隨時間之變化 57
圖 4.3.2.6 垂直速度擾動相對火山位置不同方位上之電子濃度變化擾動速度 58
圖 4.3.2.7 垂直速度擾動相對火山位置不同方位上之中性濃度變化擾動速度 59

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