metodolog a para la aplicacion del ndice k para el observatorio...

Metodologıa para la Aplicaciondel ındice K para el observatorio

geomagnetico de Fuquene,Colombia.

DIANA BOCANEGRA PATAQUIVAEDWIN RIVERA VELANDIA

PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR AL TITULO DEINGENIEROS CATASTRALES Y GEODESTAS

DIRECTOR:Msc MIGUEL ANTONIO AVILA ANGULO

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDASFACULTAD DE INGENIERIABOGOTA D.C. COLOMBIA

2018

Universidad Distrital Francisco Jose deCaldas

FACULTAD DE INGENIERIA

INGENIERIA CATASTRAL Y GEODESIA

Proyecto de Grado

METODOLOGIA PARA LA APLICACION DEL INDICE DE ACTIVIDAD

GEOMAGNETICA K PARA EL OBSERVATORIO GEOMAGNETICO DE

FUQUENE, COLOMBIA

DIRECTOR:

Msc. Miguel Antonio Avila Angulo

PRESENTADO POR:

Diana Bocanegra Pataquiva 20122025066

Edwin Rivera Velandia 20122025130

Bogota D.C, 2017.

Dedicatoria

Este proyecto esta dedicado a mi Madre Gloria Stella, por su

valentıa, fortaleza e inagotable amor, siendo la voz de aliento en

cada etapa de mi vida.

A mi Padre Julio, que a lo largo de mi vida me ha ensenado tem-

planza para afrontar los retos diarios.

A mis Hermanas Laura y Andrea, quienes me ofrecen su apoyo,

incondicionalidad, comprension y ayuda en cada instante.

A mis abuelos Mariela y Julio, quienes en vida me regalaron todo

su afecto y me brindaron sus experiencias para construir mı vi-

da.

A Jorge, que me transmitio su confianza, energıa y orgullo para

cumplir este gran objetivo.

A Sussy, por brindarme su companıa y ser mi alegrıa diaria.

A mis amigos, por acompanarme en esta etapa de formacion academi-

ca tan trascendental.

Diana Alejandra Bocanegra

ii

Este proyecto se lo dedico a mis padres, Pedro y Hermencia,

por ser los principales promotores de mis objetivos, gracias a ellos

por cada dıa confiar y creer ciegamente en mis ideas, gracias a

ellos por siempre desear y anhelar lo mejor para mi vida, gracias

por cada consejo, muestra de afecto y amor.

A Pablo y Presentacion, mis abuelos, quienes con una vida repleta

de memorables momentos yo tuviese el privilegio de ocupar una

parte. Gracias por darme la valiosa oportunidad de aprender de

la vida a traves de sus relatos, por quererme incondicionalmente

y estar siempre dispuestos a ayudar. Los momentos vividos ocu-

paran un lugar valioso en mi memoria.

Gracias a Dios por mi familia, por permitirme cada dıa disfrutar

de la hermosa oportunidad de estar al lado de personas que se

que me aman, y que ese amor es reciproco. Gracias por darme

apoyo para seguir adelante y no desfallecer ante las dificultades,

ensenandome a encarar las adversidades con valentıa y buena ac-

titud.

A mis amigos, quienes son complices y participes de este arduo

proceso. Gracias por estar presentes y por compartir dıa a dıa

alegrıas y tristezas, apoyandonos mutuamente en el cumplimiento

de todos nuestros propositos de vida.

Edwin Rivera Velandia

iii

Agradecimientos

En primera instancia queremos agradecer al docente Miguel Antonio Avila Angulo

por su amplia y oportuna orientacion en los topicos desarrollados en este proyecto de

grado. Queremos expresar nuestra gratitud con el Instituto Geografico Agustın Codaz-

zi, y en partıcular con Grupo Interno de Trabajo de Geodesia, por proveer los espacios

y sus insumos geomagneticos disponibles.

Fue de vital importancia contar con el apoyo de Lasse Hakkinen, miembro del

Finnish Meteorolical Institute, al instruirnos en algoritmos para calculo del ındice K y

brindarnos fuentes de informacion esenciales, siendo invaluable su disposicion y ayuda.

iv

Indice general

1. Presentacion 1

1.1. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.4. Alcances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2. Marco teorico 8

2.1. Campo Magnetico Terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.1.1. Separacion de los campos magneticos de origen interno y externo 9

2.1.2. Dipolo magnetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.1.3. Componentes del campo magnetico terrestre . . . . . . . . . . . 11

2.2. El campo geomagnetico y el viento solar . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3. La Ionosfera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.4. Variacion Diaria Regular SR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.5. Ciclo Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.6. Tormentas geomagneticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.6.1. Clasificacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.7. Indices de actividad geomagnetica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.7.1. Indice K . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.7.2. Indice Kp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.8. Metodos Computarizados para el calculo del ındice K . . . . . . . . . . 23

2.8.1. USGS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.8.2. KASM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.8.3. LRNS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.8.4. Eliminacion lineal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.9. Clasificacion Internacional de Dıas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

v

2.10. 2.9. International Association of Geomagnetism and Aeronomy (IAGA) 25

2.11. 2.10. National Aeronautics and Space Administration (NASA) . . . . . 27

3. Fuentes de Informacion 28

3.1. Observatorio Geomagnetico de Fuquene . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.1.1. Mediciones geomagneticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.1.2. Magnetograma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4. Metodologıa 33

4.1. Valores de los Componentes del campo magnetico para el observatorio

geomagnetico de Fuquene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.2. Determinacion del Indice K . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.2.1. Metodo de eliminacion lineal – FMI . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.2.2. 4.2.2. Polinomio de Interpolacion de Lagrange . . . . . . . . . . 36

4.2.3. Analisis de Fourier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.2.4. Estimacion de los coeficientes de Fourier por mınimos cuadrados

Ordinarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

5. Determinacion de Componentes del campo magnetico a partir de

Magnetogramas Analogos 40

5.1. Aplicacion MAGNET.-UD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

5.2. Evaluacion de calidad de datos Geomagneticos . . . . . . . . . . . . . . 41

6. Resultados y Analisis 43

6.1. Rutina para el calculo del Indice geomagnetico K . . . . . . . . . . . . 44

6.1.1. Determinacion de Variacion Diurna Regular (SR) . . . . . . . . 44

6.1.2. Indice K para el Observatorio Geomagnetico de Fuquene . . . . 46

6.2. Correlacion entre el Indice K y Kp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

6.3. Tormentas Geomagneticas Octubre 2013 . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

6.3.1. Tormenta geomagnetica presentada el 1 y 2 de Octubre . . . . . 52

6.3.2. Tormenta geomagnetica presentada el 8 y 9 de Octubre . . . . . 56

6.3.3. Tormenta geomagnetica presentada el 31 de Octubre . . . . . . 60

7. Conclusiones 64

vi

Capıtulo 1

Presentacion

1.1. Resumen

La cuantificacion de las perturbaciones en el campo magnetico terrestre se realiza

a partir de los Indices geomagneticos, cuyo proposito es el de monitorear la evolucion

de diversos fenomenos del clima espacial de forma concreta. Particularmente, el ındice

K fue disenado por Bartels para cuantificar el nivel de perturbacion provocada por

la influencia del viento solar sobre un punto particular de la superficie terrestre, por

medio de una escala cuasi-logarıtmica que caracteriza la actividad geomagnetica tran-

sitoria de cada tres horas con respecto a la actividad regular de dıas de calma para un

observatorio geomagnetico en particular.

Este trabajo describe la aplicacion del ındice de actividad geomagnetica K para el mes

de Octubre de 2013 teniendo en cuenta la naturaleza analoga de los datos geomagneti-

cos capturados por el Observatorio Geomagnetico de Fuquene, Colombia, aplicando

la metodologıa de Eliminacion Lineal desarrollada por el Instituto Meteorologico Fin-

landes. Para la determinacion del valor del ındice K es fundamental obtener la curva

de Variacion Diaria Regular (SR) a partir de un ajuste armonico de quinto grado de

series de Fourier para la discriminacion entre las fluctuaciones del campo geomagneti-

co local provocadas por viento solar perturbado y aquellas fluctuaciones caracterısticas

del comportamiento regular, siendo catalogadas estas como variaciones K y no-K, res-

pectivamente. Los valores obtenidos del ındice geomagnetico K son contrastados con el

ındice planetario Kp y una serie de fenomenos asociados a las tormentas geomagneti-

cas: velocidad del viento solar, magnitud de la componente Bz del campo magnetico

interplanetario y flujo de electrones en la ionosfera.

1

Abstract

Quantifying disturbances in the Earth’s magnetic field is done by the so-called geo-

magnetic indices, whose purpose is to monitor the evolution of multiple space weather

phenomena in a concrete manner. Specifically, the K index, designed by Bartels, quan-

tifies the level of perturbation caused by the influence of the solar wind on a particular

point of the earth’s surface, by means of a quasi-logarithmic scale that characterizes the

transitory geomagnetic activity every three hours in contrast with the usual activity

of calm days for a particular geomagnetic observatory.

This paper describes the application of the K index for the geomagnetic activity in

October 2013, taking into account the nature of the geomagnetic data captured by the

Fuquene Geomagnetic Observatory, Colombia, and applying the Linear Elimination

methodology developed by the Finnish Meteorological Institute ( FMI,). To determi-

ne the value of the K index, it is vital to calculate the Regular Daily Variation (SR)

curve from a harmonic fifth-degree adjustment of Fourier series for the discrimination

between the local geomagnetic field fluctuations caused by disturbed solar wind and

those characteristic fluctuations of daily behavior, being cataloged as K and non-K va-

riations, respectively. The values obtained from the geomagnetic index K are compared

with the planetary index Kp and a series of phenomena associated with geomagnetic

storms: solar wind speed, magnitude of the interplanetary magnetic field Bz component

and electron flow in the ionosphere.

2

1.2. Introduccion

La actividad solar provoca intensas fluctuaciones en el clima espacial que se mani-

fiesta a partir de perturbaciones en el campo magnetico terrestre debido a la induccion

de una corriente anular entorno a la Tierra. Estas perturbaciones son conocidas como

tormentas geomagneticas. Estos fenomenos han despertado gran interes entre la comu-

nidad cientıfica dada la vulnerabilidad, ante una eventual tormenta geomagnetica, de

sistemas tecnologicos que se han construido tanto en la superficie terrestre como en el

entorno espacial de la Tierra: perturbacion de la propagacion de senales GNSS, dano

en los instrumentos satelitales y aviones, interrupcion en el funcionamiento de lıneas de

alta tension, interferencia en comunicaciones de radio, , y en casos extremos, pueden

afectar a los satelites tanto en la integridad de sus componentes electronicos como en

la estabilidad de sus orbitas [1].

La cuantificacion de las perturbaciones en el campo magnetico terrestre se realiza a

partir de los denominados Indices geomagneticos, cuyo proposito es el de monitorear la

evolucion de diversos fenomenos del clima espacial de forma concreta. Particularmente,

el ındice K fue disenado por Bartels para cuantificar el nivel de perturbacion provocado

por la influencia del viento solar sobre un punto particular de la superficie terrestre,

por medio de una escala cuasi-logarıtmica que caracteriza la actividad geomagnetica

transitoria de cada tres horas con respecto a la actividad regular de dıas de calma

para un observatorio geomagnetico en particular. Igualmente, los ındices de actividad

geomagnetica planetaria, como el Kp, son derivados de ındices locales K enmarcados

en una red de observatorios geomagneticos que proporcionan medidas convenientes de

actividad geomagnetica a nivel global, utilizado para representaciones del campo geo-

magnetico a gran escala y perturbaciones de la ionosfera [2]. No obstante, los ındices

planetarios no son lo suficientemente precisos para el estudio y analisis de perturbacio-

nes del campo geomagnetico a pequenas escalas.

Las variaciones en el campo magnetico terrestre pueden ser descritas a partir de

registros continuos en los observatorios geomagneticos, cuyo objetivo es el de precisar

datos geomagneticos para un punto fijo en la superficie terrestre. En Colombia, Las

actividades en el campo de investigacion geomagnetica comenzaron en el ano 1953 en

el momento que el instituto Geografico Agustın Codazzi instalo el observatorio Geo-

magnetico en isla El Santuario de la laguna de Fuquene, en el marco del desarrollo de

3

la red geodesica nacional [3]. Donde los propositos primordiales del observatorio han

estado orientados a objetivos de caracter nacional, como la orientacion con respecto

a la direccion norte de las mediciones geodesicas. Actualmente es una necesidad im-

plementar una serie de estrategias que proporcione informacion acerca de la actividad

geomagnetica a escala nacional acorde a metodologıas y lineamientos internacionales

actuales, en cuanto al estudio de las variaciones en el ambiente espacial entre el sol y

el planeta Tierra, siendo este un componente importante para el desarrollo de produc-

tos meteorologicos espaciales, fortaleciendo ası el campo investigativo en esta disciplina.

Teniendo en cuenta la ausencia de estudios previos en los que se analice el com-

portamiento del campo geomagnetico en Colombia, a partir de los datos del campo

magnetico recopilados por el observatorio geomagnetico en isla El Santuario de la la-

guna de Fuquene, se plantea la implementacion de una metodologıa de derivacion del

ındice-k de actividad geomagnetica acorde a los estandares de la IAGA (International

Association of Geomagnetism and Aeronomy, por sus siglas en ingles), para analizar

una serie de tiempo, formado por los valores del ındice k, del comportamiento del

campo magnetico terrestre a escala local, caracterizado por la presencia de tormen-

tas geomagneticas intensas. La implementacion de metodologıas para la derivacion del

ındice de actividad geomagnetica K enmarca el inicio de una lınea de investigacion en-

focada a la descripcion y analisis del clima espacial colombiano, componente principal

para el desarrollo de pronosticos meteorologicos espaciales a escala local.

4

1.3. Antecedentes

Los primeros antecedentes en la investigacion del comportamiento del campo magneti-

co terrestre en Colombia comienzan con la primera determinacion de la declinacion

magnetica en 1801, bajo observacion astronomica, por parte de Alexander Von Hum-

boldt, encontrando para Bogota un valor de 7 grados y 36 minutos Este, de declinacion

entre el norte geografico y el norte magnetico [4].

En 1898 el astronomo Colombiano Julio Garavito Armero, Director del Observato-

rio Astronomico Nacional, realizo observaciones magneticas en Bogota obteniendo un

valor de declinacion de 4◦ 20’ Este; mas adelante, en 1909, para la misma estacion, se

obtuvo un valor de 3◦ 50’ Este, y en 1914 el valor de declinacion encontrado fue de

4◦46’ Este. Todas estas observaciones fueron realizadas utilizando un magnetometro

Ingles Negretti & Zamba. Posteriormente, el geofısico J. B. Campbell en colaboracion

con el Instituto Geografico Agustın Codazzi (IGAC) realizo observaciones magneticas

en la ciudad de Bogota, determinando para el ano 1942 una declinacion magnetica de

2◦ 42’ Este, utilizando un magnetometro No 19 Coast & Geodetic Survey. En 1950, el

ingeniero Clemente Garavito, Jefe de geofısica del IGAC, junto con el geofısico J.A.

Kozlowsky del Servicio Geodesico Interamericano (IAGS), determino una declinacion

magnetica de 2◦ 3’ Este para Bogota, utilizando un magnetometro Ruska [5].

El Instituto Geografico Agustın Codazzi se vinculo al estudio del campo magnetico

terrestre en 1952, a partir de la instalacion de un observatorio geomagnetico de recopila-

cion de datos permanentes en isla El Santuario de la laguna de Fuquene. El observatorio

fue instalado en colaboracion con el US Department of Commerce Coast and Geodetic

Survey y del Interamerican Commerce Survey. El primer registro del campo magnetico

terrestre que obtuvo la estacion tuvo lugar el 26 de septiembre de 1953, en donde el

comportamiento temporal del componente Horizontal (H), componente Vertical (Z) y

la declinacion (D) es descrito a partir de los denominados magnetogramas. Sin embar-

go, se desconoce el comportamiento del clima espacial colombiano dado que, hasta el

momento, no se han cuantificado fenomenos meteorologicos espaciales como tormentas

geomagneticas a partir de los ındices de actividad magnetica.

Por otro lado, internacionalmente, durante el siglo XX el geomagnetismo encontro

un auge al proponer y destacar ındices de actividad geomagnetica, el cual refiere que

5

un ındice tiene como objetivo brindar informacion resumida de manera continua sobre

fenomenos complejos que varıan con el tiempo. En particular los ındices de actividad

geomagnetica tienen como proposito cuantificar el grado de perturbacion del campo

geomagnetico y la IAGA como asociacion cientıfica tiene como objetivo oficializar a

partir de resoluciones los asuntos cientıficos correspondientes a este campo. Los prime-

ros intentos de caracterizar la actividad geomagnetica datan del 1885, para estimas los

contrastes geomagneticos diariamente [6].

Posteriormente [6] [7] [8]

Con la era digital y el acceso a internet, emprendio un camino al intercambio de

datos y la publicacion de estos, ademas de la importancia que acogio los ındices de ac-

tividad geomagnetica en el nuevo campo de estudio “El clima espacial” el cual consta

de la medicion y el analisis en tiempo real de la actividad solar y la interaccion que

efectua en la infraestructura, tecnologıa y sociedad [8].

1.4. Alcances

Este proyecto de grado se realiza bajo propositos academicos, buscando ahondar

en el proceso que conlleva la aplicacion del ındice de actividad geomagnetica K, es-

tableciendo una metodologıa que tenga en cuenta la naturaleza analoga de los datos

recopilados por el observatorio geomagnetico de Fuquene, y ası adoptando los requeri-

mientos especificados por la Asociacion Internacional de Geomagnetismo y Aeronomıa

(IAGA, por sus siglas en ingles). De tal manera que, el ındice K sera aplicado para ana-

lizar el comportamiento de una tormenta geomagnetica a escala local, con el proposito

de identificar y describir cuantitativamente la perturbacion al campo magnetico terres-

tre, especialmente en el componente horizontal (H), asociada al viento solar.

El desarrollo de esta propuesta metodologica brinda al Instituto Geografico Agustın

Codazzi las herramientas para la aplicacion del ındice de actividad geomagnetica K co-

mo un producto geomagnetico, ademas de la consolidacion de la base de datos del

campo geomagnetico a partir de datos al minuto desde el ano 1954, siendo esta la mas

robusta en el paıs. Igualmente, este proyecto se concibe como una iniciativa para el

6

estudio y analisis del clima espacial colombiano acorde a estandares internacionales.

7

Capıtulo 2

Marco teorico

2.1. Campo Magnetico Terrestre

De acuerdo con las ideas geofısicas modernas cuando se realiza una medicion del

campo geomagnetico, para un lugar e intervalo temporal especıfico, el valor medido es

el resultado es una superposicion de campos magneticos de diferentes orıgenes. Estas

contribuciones pueden considerarse inicialmente por separado, donde cada contribucion

corresponde a una fuente diferente, mencionadas a continuacion [9]:

El campo principal, generado en la parte liquida del nucleo de la Tierra por el

mecanismo del geodınamo.

El campo cortical, generado por las rocas magneticas en la corteza terrestre.

El campo de origen externo, producido por corrientes electricas que fluyen en

la ionosfera y en la magnetosfera debido, principalmente, a la interaccion de

la radiacion electromagnetica solar y el viento solar con el campo magnetico

terrestre.

Los campos inducidos, que se refieren a los campos magneticos resultantes del

proceso de induccion electromagnetica, provocado por corrientes electricas indu-

cidas en la corteza y en el manto superior por variaciones temporales del campo

geomagnetico externo.

El campo magnetico de la Tierra se atribuye a un efecto dınamo de circulacion

de corriente electrica, pero su direccion no es constante. Las anomalıas magneticas

8

causadas por las rocas son efectos localizados superpuestas en la normal de campo

magnetico de la tierra. En consecuencia, el conocimiento del comportamiento del cam-

po geomagnetico es necesario tanto en la reduccion de datos magneticos a un dato

adecuado y en la interpretacion de las anomalıas resultantes. El campo geomagnetico

es geometricamente mas complejo que el campo de gravedad de la Tierra y exhibe

la variacion irregular tanto en orientacion y la magnitud con la latitud, longitud y el

tiempo [10].

2.1.1. Separacion de los campos magneticos de origen interno

y externo

El campo geomagnetico puede ser dividido en dos partes, uno originado por pro-

cesos al interior del nucleo terrestre, denominado como campo interno, y el otro tiene

su origen en ionosfera y magnetosfera y es conocido como campo externo. Suponiendo

que la region cerca de la superficie de la Tierra esta libre de fuentes magneticas y, por

consiguiente, el potencial del campo magnetico cumple la ecuacion de Laplace [11].

Dado φ como el potencial total del campo magnetico terrestre, puede ser separado

como una suma de potenciales correspondientes a los campos interno y externo:

Φ = Φi + Φe (2.1)

Para la region libre de fuentes magneticas cerca de la superficie de la tierra, se

cumple la ecuacion de Laplace:

∇2Φ = 0 (2.2)

Expresando la ecuacion (2.2) en coordenadas esfericas se obtiene:

1

r2∂

∂r(r2

∂Φ

∂r) +

1

r2senθ

∂

∂θ(senθ

∂Φ

∂θ) +

1

r2sen2θ

∂2Φ

∂λ2= 0 (2.3)

La solucion a la ecuacion (2.3) puede obtenerse por el metodo de separacion de

variables y expresarse en forma de armonicos esfericos, en funcion de r, θ, λ. Gauss

expreso el potencial del campo magnetico terrestre como una serie infinita de terminos

9

que implica estas coordenadas, donde plantea que el campo se divide en componentes

separados que disminuyen a diferentes velocidades al aumentar la distancia desde el

centro de la Tierra [12]; ası, la dependencia de r viene dada por potencias positivas

y negativas, siendo las primeras las que expresan las contribuciones al potencial geo-

magnetico provenientes de fuentes externas y las segundas describe el comportamiento

del potencial que surge de fuentes geomagneticas al interior de la Tierra [9]. Se puede

ası, expresar los potenciales geomagneticos provenientes de fuentes externas e internas

de la siguiente forma:

Φi = a∞∑n=0

(r

a)n

Sn(θ, λ) (2.4)

Φe = a∞∑n=0

(a

r)n+1

Sn(θ, λ) (2.5)

Sn(θ, λ) =n∑

m=0

Pmn (Cosθ)[gmn Cos(mλ) + hmn Sen(mλ)] (2.6)

Donde a es el radio de la Tierra, (θ, λ) son la latitud y longitud del punto de ob-

servacion, respectivamente, las funciones Sn(θ, λ) son denominados como armonicos

esfericos de superficie, gmn y hmn son constantes y Pmn (cosθ) son las funciones de Legen-

dre de grado n y orden m.

Pmn =

(1− τ 2)m2

2nn!

dn+m

dτn+m (τ 2 − 1)n

donde τ = cosθ (2.7)

2.1.2. Dipolo magnetico

El dipolo magnetico es un sistema que consta de dos cargas magneticas, de igual in-

tensidad, pero con signos opuestos, historicamente se introdujo este concepto dado que

las concentraciones magneticas ejercidas por el dipolo aparecen producidas por fuentes

concentradas en sus extremos, similar al caso del dipolo electrico [9]. El origen fısico del

magnetismo radica en las propiedades electricas de la materia, un electron en su orbita

genera una corriente electrica que a su vez genera un campo magnetico equivalente al

de la barra magnetica. El potencial magnetico V, producido por un dipolo magnetico

(Figura 2.1) en un punto P, con coordenadas (r, 0) en un plano cuyo eje polar coincide,

en direccion y en contra, con el momento M del dipolo y el origen con su centro.

10

Figura 2.1: Lıneas de fuerza de un campo dipolar magnetico.

2.1.3. Componentes del campo magnetico terrestre

El campo magnetico terrestre es un campo vectorial que puede ser expresado a par-

tir de componentes cartesianos paralelos a tres ejes ortogonales, en donde los elemen-

tos geomagneticos se toman como componentes paralelos a las direcciones geograficas

norte (X) y este (Y) y verticalmente hacia abajo (Z). Alternativamente, los elemen-

tos geomagneticos pueden ser expresados en coordenadas esfericas polares, definidas a

continuacion [10]:

Intensidad total (F): modulo del vector de campo geomagnetico, B.

Componente Horizontal (H): se refiere a la proyeccion de la intensidad total del

campo en el plano Norte-Este.

Declinacion (D): es el angulo entre el Norte (X) y la componente horizontal (H),

su signo es positivo si el angulo esta medido hacia el este, y negativo si el angulo

es medido hacia el oeste.

Inclinacion (I): es el angulo entre la direccion del campo y la componente hori-

zontal.

11

Figura 2.2: Elementos del campo magnetico terrestre.

Las ecuaciones que se muestran a continuacion relacionan las diferentes componentes

del campo magnetico; a partir de estas se obtienen datos fundamentales para la navega-

cion marıtima y terrestre, como la declinacion e inclinacion, tambien se utiliza el mapa

de intensidad de campo magnetico total y sus componentes con fines de investigacion

teorica y aplicada en geofısica. [10]

F =√H2 + Z2 (2.8)

Z = Fcos(I) (2.9)

X = Hcos(D) (2.10)

X = Hsen(D) (2.11)

X = Fcos(I)cos(D) (2.12)

Y = Fcos(I)sen(D) (2.13)

D = Tan−1(Y

X) (2.14)

I = Sen−1(Z

F) (2.15)

12

2.2. El campo geomagnetico y el viento solar

El campo geomagnetico se extiende hasta determinada distancia, y esta esta dada

por su interaccion con el viento solar. Este viento solar trae a la Tierra partıculas de

alta y baja energıa. Pero estas partıculas no llegan solamente cuando ha ocurrido un

evento en el Sol como una fulguracion, eyeccion de masa coronal o protuberancia; sino

que llegan de manera continua. Precisamente, por esto ultimo las constantes variaciones

del campo magnetico terrestre cuando no se han presentado alguno de los eventos men-

cionados, y a esa emision continua de partıculas es lo que se denomina viento solar [13].

El viento solar deforma las lıneas del campo magnetico terrestre, quedando este

ultimo comprimido hacia el lado diurno y alargado en el lado nocturno. La longitud

del lado nocturno, medida desde de la Tierra, puede llegar a valores entre 100 y 200

radios terrestres (Rt), mientras que la longitud del lado diurno suele ser de 10 Rt en

condiciones de calma, pero si el viento solar ejerce una gran presion esta longitud puede

reducirse hasta 3 Rt [11].

La interaccion del campo magnetico terrestre con el viento solar produce una dis-

continuidad tangencial que envuelve a la Tierra denominada magnetosfera y divide el

espacio en tres regiones: una region interior donde domina el campo magnetico, una

region intermedia denominada magnetofunda donde se produce un acople del viento

solar con el campo magnetico y una region externa llamada magnetopausa donde pre-

domina las caracterısticas del viento solar [13].

13

Figura 2.3: Esquema de seccion transversal de la magnetosfera en equilibrio con elviento solar.

Ademas de las partes anteriormente mencionadas, a partir de la figura 3 se pueden

observar otras partes detalladas a continuacion [14]:

Plasmosfera: Es la porcion densa y frıa de plasma magnetosferico que rota con la

Tierra. Esta region se extiende desde 3 Rt hasta 6 Rt dependiendo de la perturbacion

de la magnetosfera. En el interior de la plasmosfera se encuentran dos cinturones de

radiacion: cinturon de radiacion interior o de Van Allen y cinturon de radiacion exterior,

explicados a continuacion:

Cinturon de radiacion interior: anillos ecuatoriales de partıculas ubicados a una

distancia de 1,5 a 2 Rt, en donde las partıculas que quedan atrapadas provie-

nen de erupciones solares o rayos cosmicos y colisionan con las partıculas de la

atmosfera. De esta colision surge un neutron, desintegrado en un proton, electron

y neutrino, donde el campo magnetico captura al proton y al electron [14].

Cinturon de radiacion exterior: es la parte mas energetica de ese plasma que se

encuentra atrapado en la magnetosfera, a una distancia de 4 y 5 Rt de la Tierra.

Esta parte se divide a su vez en corrientes del anillo y el cinturon de radiacion,

donde el primero transporta corrientes de partıculas de menor energıa, con iones

14

de 0.05 MeV (Mega-electrovoltios, segun el Sistema Internacional) aproximada-

mente, responsables de las tormentas geomagneticas, y el segundo transporta

menor cantidad de partıculas pero con iones de mayor energıa, 1.00 MeV apro-

ximadamente [14].

Hoja de plasma: Region de la magnetosfera con grosor de 3 a 7 Rt, donde las lıneas

cerradas del campo magnetico terrestre contienen el plasma caliente y donde la mayor

parte del movimiento de este plasma se debe a la conveccion.

Onda de choque: Discontinuidad que protege la Tierra del choque directo del viento

solar, Se encuentra aproximadamente a 2 Rt por delante de la magnetopausa.

Cuna polar: Lıneas en forma de embudo originadas al momento cuando las lıneas

del campo geomagnetico se dirigen hacia los lados diurno y nocturno de la magnetosfera

2.3. La Ionosfera

La mayor parte de la fraccion de onda muy corta de la radiacion solar que penetra

en la atmosfera no llega a la superficie de la Tierra. La radiacion solar de menor lon-

gitud de onda, rayos gamma (γ) y rayos (X), junto con la radiacion ultravioleta causa

la ionizacion de las moleculas de nitrogeno y oxıgeno en la delgada atmosfera superior

a altitudes entre aproximadamente 50 km y 1500 km, formando una region ionizada

llamada ionosfera. Esta formado por tres capas, conocidas como D, E y F (F1 y F2),

desde la base hasta la parte superior, respectivamente. Cada capa puede reflejar ondas

de radio. Los espesores y las ionizaciones de las capas cambian durante el transcurso

de un dıa; todas menos una o dos capas en el lado nocturno de la Tierra desaparecen

mientras se espesan y se fortalecen en el lado diurno [15].

La region F se origina por la luz ultravioleta extrema solar (EUV) ubicada a 140

Km de la tierra y subdividida entre la capa F1 y F2, en esta region es usualmente en

donde se presenta la mayor densidad de electrones. Debajo de la region F se encuentra

la E producida por rayos X blandos solares, region localizada entre 50-90 km y contiene

en ella la capa D compuesta por rayos cosmicos que contiene gran cantidad de molecu-

las sin carga, generalmente en el dıa presenta densidad de ionizacion estable y durante

la noche desaparece debido a efectos de elevadas tasas de recombinacion, conocido este

15

como el proceso inverso a la ionizacion. [16]

La presencia de tormentas geomagneticas y perturbaciones generan efectos ionosferi-

cos que causan dispersion ecuatorial en la region F se inhibe significativamente y la

velocidad de deriva de la ionizacion en el electrochorro ecuatorial disminuye; en regiones

de latitud alta el campo magnetosferico se suma a los campos de la region del dina-

mo mientras que para latitudes bajas, este campo se opone a los campos del dinamo.

El estado de la ionosfera difiere durante unaperturbacion por tormenta geomagnetica

segun la hora local, la latitud geomagnetica, la estacion, la actividad solar, el tiempo

de inicio de la tormenta, el perıodo de tormenta y la intensidad de la tormenta [17].

2.4. Variacion Diaria Regular SR

El cambio en el tiempo de la intensidad del campo magnetico terrestre debido a las

corrientes electricas que fluyen en la ionosfera es conocido como variacion diaria regu-

lar (SR). Las corrientes electricas de dınamo por encima de la superficie atmosferica

conocido como viento ionosferico; fluyen en el lado diurno de la ionosfera de la region

E, en el rango de altitud de 90-150 km. El Sol tambien causa mareas atmosfericas en

la ionosfera, en parte debido a la atraccion gravitacional, pero principalmente porque

el lado que mira al Sol se calienta durante el dıa. Los movimientos de las partıculas

cargadas a traves del campo magnetico de la Tierra producen un campo electrico que

impulsa las corrientes electricas en la ionosfera [15]. Las variaciones correspondientes

a las corrientes ionosfericas tienen duracion de pocas horas o maximo de un dıa. Las

variaciones electromagneticas entran al manto superior crean las corrientes electricas,

la intensidad en que se presentan estas son un tercio de las corrientes ionosfericas. Es-

ta corriente tiende a tomar direccion opuesta a la corriente ionosferica fuente, causan

un efecto de disminucion de SR en el componente vertical y un aumento de SR en el

componente horizontal del campo magnetico[18].

Esta variacion SR solo es visible cuando no hay una alteracion fuerte provocada por

el viento solar, las variaciones se pueden evidenciar en cualquier punto de la superficie

terrestre, con una variacion respecto a la latitud. Los patrones que se presenta SR en

componente magnetico hacia el norte tienden a ser simetricos con respecto al ecua-

16

dor magnetico, donde el campo geomagnetico tiende a ser horizontal. Otra variacion

respecto a latitud que presenta SR, es una presencia mayor en su amplitud en una

estacion dentro de ±3◦ desde el ecuador magnetico siendo 2-3 veces mas grande que

una estacion de baja latitud de la misma longitud.

2.5. Ciclo Solar

La variacion periodica en la intensidad o el numero de las diversas manifestaciones

de la actividad solar se conoce como ciclo de actividad solar. El Sol tiene dos migracio-

nes caracterısticas de la superficie: movimiento hacia el ecuador de las manchas solares

definido como el ciclo de 11 anos de Schwabe, este movimiento se presenta debido a

la evolucion en el tiempo de la dinamo solar que genera el campo magnetico solar; y

su segunda migracion es el movimiento hacia los polos de las latitudes altas la cual

indica el proceso que culmina en la inversion de la polaridad solar, que indica el inicio

del ciclo magnetico de 22 anos en el Sol, en el cual las polaridades magneticas de las

regiones polares cambian de signo cada 11 anos [19][20].

Para cada ciclo solar, se pueden ver tres ramas distintas de la actividad de promi-

nencia o inferido en cada hemisferio:

a. Una rama de latitud alta que se mueve hacia los polos despues del solar mınimo.

b. Una rama de baja latitud que imita la progresion de las manchas solares hacia el

ecuador, pero esta desplazado de la curva de manchas solares aproximadamente de 10◦

a 15◦ hacia los polos.

c. Una sucursal que se superpone a la migracion de manchas solares.

2.6. Tormentas geomagneticas

. Estos fenomenos meteorologicos espaciales son originados por el incremento en

la densidad del plasma y la velocidad del viento solar producido por una fulguracion

solar o una eyeccion de masa coronal dirigida a la Tierra, provocando un aumento de

la presion del viento solar sobre la magnetopausa y deformacion de la magnetosfera

17

[21]. Estos fenomenos generalmente constan de un comienzo brusco seguido de las fases

inicial, principal y de recuperacion, descrita a continuacion [14]:

Fase inicial: caracterizada por aumento de la densidad del campo debido a la presion

del viento solar, haciendo que la componente horizontal del campo aumente entre 30

y 50 nT aproximadamente su valor inicial antes de la tormenta. Esta fase puede durar

hasta dos horas.

Fase principal: Se puede evidenciar por un brusco decrecimiento de la componente

horizontal en el campo provocado por una inyeccion de plasma energizado en el anillo

de corriente ecuatorial. Ocurre entre las dos y diez horas despues del comienzo del

fenomeno.

Recuperacion: despues de que el componente horizontal H ha alcanzado un mınimo,

lentamente recupera su valor normal, proceso que lleva varios dıas.

Figura 2.4: Fases de una tormenta geomagnetica.

La secuencia temporal de una tormenta geomagnetica usual puede describirse por

una erupcion en la superficie solar que produce radiacion electromagnetica en la ban-

da ultravioleta y rayos X que llegan a la Tierra en ocho minutos aproximadamente,

produciendo un aumento en el proceso de ionizacion de la capa D o E de la ionosfera

e intensificando las corrientes que dan origen a las variaciones diarias SR.Un par de

18

horas despues se produce el efecto conocido como absorcion del casquete polar. Entre

20 y 40 horas despues, la nube de partıculas emitidas por el Sol llega al lımite de la

magnetosfera, la interaccion entre el plasma solar y la magnetosfera origina un aumen-

to en el componente horizontal (H) [11].

Estos fenomenos meteorologicos espaciales pueden perturbar la propagacion de

senales GNSS y dano en los instrumentos satelitales y aviones , interrupcion en el

funcionamiento de lıneas de alta tension, interferencia en comunicaciones de radio,

auroras boreales debido al incremento de las corrientes de partıculas energeticas, y de-

pende de la intensidad de energıa de las mismas, pueden afectar a los satelites tanto

en la integridad de sus componentes electronicos como en la estabilidad de sus orbitas

[1].

2.6.1. Clasificacion

La Administracion Nacional Oceanica y Atmosferica de los Estados Unidos, NOAA,

clasifica las tormentas geomagneticas a partir de una escala que tiene en cuenta el valor

que se obtiene del ındice Kp para un intervalo de tiempo definido de 3 horas. En este

se evidencia las afectaciones que estos eventos pueden ocasionar en diversos sistemas

en el mundo y con que frecuencia e intensidad se presentan estos eventos [22].

(G5) Extrema : (k=9) En los sistemas de alimentacion se generan Amplios proble-

mas de control del voltaje y de los sistemas de proteccion. Algunas redes de trasmision

pueden colapsar, y los transformadores pueden llegar a sufrir danos. En cuanto a la

operacion de naves espaciales, pueden experimentar problemas de carga y seguimiento

de superficie, pueden ser necesarias correcciones para problemas de orientacion.

(G4) Grave : (K=8) En los sistemas de alimentacion se presentan problemas genera-

lizados de control de tension y algunos sistemas de proteccion dispararan erroneamente

los activos clave de la red. La induccion electrica en las redes de distribucion de combus-

tibles afecta las medidas preventivas, posibilidad de bloqueos intermitentes de senales

de radio de HF, se afecta durante varias horas la navegacion por satelites y se afecta

la navegacion por baja frecuencia.

19

(G3) Fuerte : (K=7) En los Sistemas de alimentacion pueden ser necesarias correc-

ciones de tension, falsas alarmas activadas en algunos dispositivos de proteccion. En

las operaciones de naves espaciales, la carga de la superficie puede ocurrir en los com-

ponentes del satelite, la resistencia aerodinamica puede aumentar en los satelites de

orbita terrestre baja, y pueden ser necesarias correcciones para los problemas de orien-

tacion. La navegacion satelital es intermitente se presentan problemas de navegacion

por radio de baja frecuencia pueden ocurrir, la radio HF puede ser intermitente, y la

auroras se observan en latitud geomagnetica de 50◦.

(G2) Moderada : (K=6) los sistemas de energıa de alta latitud pueden experi-

mentar alarmas de voltaje, las tormentas de larga duracion pueden causar danos al

transformador. la propagacion de radio HF puede desvanecerse a latitudes mas altas

(tıpicamente 55◦ de latitud geomagnetica).

(G1) Menor : (K=5) pueden producirse fluctuaciones debiles en la red electrica.

posible impacto menor en las operaciones de satelites. los animales migratorios se ven

afectados a este nivel y mas alto; las auroras son comunmente visibles en latitudes

altas.

2.7. Indices de actividad geomagnetica

Los ındices son ampliamente utilizados en diversos dominios para monitorear la

evolucion de fenomenos al proporcionar informacion pertinente, confiable y concentra-

da. Un ındice es un numero que representa un evento o una serie de eventos. Cada valor

individual del ındice apunta a describir el fenomeno estudiado durante un intervalo de

tiempo fijo.

El objetivo de los ındices de actividad geomagnetica es la de cuantificar la pertur-

bacion presentada la magnetosfera y la ionosfera de la tierra por la interaccion del sol

a magnitud local o global, ademas de caracterizar la escala e instante de tiempo en

que se presentan diversos fenomenos meteorologicos espaciales que perturban el campo

magnetico de la Tierra. Los ındices se pueden presentar de dos maneras; los que cuan-

tifican las variaciones con efectos localizados y los ındices que se estiman de manera

global a partir de variaciones presentes en la magnetosfera, denominados ındices de

20

escala planetaria como Kp.

2.7.1. Indice K

El ındice K fue ideado por Bartels en 1939 para proporcionar un monitoreo obje-

tivo de la actividad geomagnetica, es decir, el componente irregular de las variaciones

transitorias magneticas que llamo ”variaciones de partıculas”. Bartels hizo de hecho

una clara distincion entre las variaciones geomagneticas que surgen de las radiaciones

de onda solares y las derivadas de las radiaciones de partıculas”solares [24].

El ındice K es una medida de la actividad geomagnetica local, determinada por

las perturbaciones solares asociadas al viento solar, llamadas variaciones K, que son

los efectos de la radiacion de partıculas solares, que se presentan en el componente H

del campo magnetico de la tierra. Este ındice describe las fluctuaciones maximas que

presenta el componente H durante un intervalo de 3 horas [25].

El calculo del ındice K, se determina a partir de la medicion de los dos componentes

horizontales (X e Y) del campo geomagnetico, a estos componentes se les debe elimi-

nar las variaciones no-K es decir la variacion diaria regular, el cambio periodico de los

elementos del campo geomagnetico en un dıa se denomina variacion diaria regular (SR)

esta se produce principalmente por una circulacion de corrientes en la ionosfera infe-

rior, varıa dependiendo de la latitud y del nivel de actividad del sol, y se define segun

la amplitud de la variacion SR en el componente H, determinado por la desviacion del

componente entre el valor observado en un instante y el nivel nocturno [26].

El ındice K tiene una escala de 10 grados, K=0 a 9 y los rangos de estos varıan segun

la latitud geomagnetica del observatorio, debido a que la perturbacion que afecta el

campo geomagnetico aumenta desde el ecuador geomagnetico hacia la zona auroral de

cada hemisferio, donde cada observatorio define la asignacion del rango K. La estacion

Geomagnetica de Fuquene tiene un rango con clasificacion en gammas expuesta en la

Tabla 2.1.

21

Tabla 2.1: Rango de clasificacion en gammas para la estacion geomagnetica de Fuquene.Fuente: [6]

Condiciones IonosfericasCondiciones de calma Tormenta geomagnetica

Menor Moderada Fuerte Grave ExtremaK 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9γ 0 3 6 12 24 40 70 120 200 300

2.7.2. Indice Kp

Este ındice describe la actividad geomagnetica planetario a partir de los datos geo-

magneticos de trece (13) estaciones subaurorales, distribuidas por toda la Tierra, en

latitudes entre 49◦ y 62◦ (Figura 2.5). El ındice Kp se encuentra determinado por un

rango de 28 valores entre 0 y 9 con una escala de tercios (0o, 0+, 1-, 1o, 1+, 2-, 2o,

2+, ..., 8o, 8+, 9-, 9o); es decir, que un valor de Kp igual a (5-) es 4.66 , (5) es 5 y

(5+) representa 5.33. Valores de Kp en un intervalo de 1 a 4 indican estado silencioso

del campo geomagnetico, 5 o mas indican la presencia de una tormenta geomagnetica,

derivadas de las fluctuaciones maximas presente en un magnetometro durante un in-

tervalo de tres horas.

El estudio de Kp interviene en estudios de la dinamica entre el viento solar y mag-

netosfera, regiones plasmaticas, ademas de ser parametros para modelos de la magne-

tosfera y ionosfera [22].

22

Figura 2.5: Distribucion de estaciones geomagneticas para determinar ındice Kp. Fuen-te:[23]

2.8. Metodos Computarizados para el calculo del

ındice K

Debido al auge computacional y la extraccion de datos al minuto, los magnetogra-

mas analogos ya no eran apropiados para el estudio del campo magnetico debido a el

intervalo de tiempo de una hora que manejaba, pero las tecnicas para derivar el ındice

k escalado a mano continuaba; surgiendo la necesidad de automatizar este proceso y

buscar metodos que cumplieran con la produccion del ındice K. Para esto, un conjunto

de observatorios presentaron sus propuestas ante la IAGA, y se evaluo cada algoritmo

con un conjunto de datos en comun, que comprende el periodo de marzo 1985 a febre-

ro 1986 utilizando las mismas pruebas estadısticas para determinar la correlacion del

ındice escalado a mano y el computarizado [27].

La IAGA, como asociacion encargada de aprobar mediante resoluciones la imple-

mentacion de cualquier ındice de actividad geomagnetica, en el ano de 1992 en la

asamblea general de Viena, dio su aprobacion para implementar cuatro tecnicas de de-

rivacion de las doce presentadas por metodos computarizados del ındice K, expuestas

a continuacion:

23

2.8.1. USGS

Metodo desarrollado por United Stated Geological Survey (USGS), este metodo

implica determinar la curva SR por un conjunto de valores promedio por hora (MHV).

Los datos de entrada deben ser los MHV del dıa a determinar el ındice, ademas de las

dos ultimas MHV del dıa anterior y las dos primeras del dıa siguiente. Para estimar la

curva SR, se aplica un ajuste por mınimos cuadrados el cual genera lıneas que se in-

tersectan, posteriormente detectando los puntos de interseccion y aplicando finalmente

un spline cubico que determina la curva SR.

2.8.2. KASM

Metodo de suavizado adaptativo propuesto por el Institute of Geophysics, Polish

Academy of Science, el cual determina la curva SR a partir de un ajuste de mınimos

cuadrados, ademas de limitar la derivacion de la curva con factores de peso, sujeto a

la influencia de los periodos tranquilos y los que presentan perturbaciones, la ecuacion

para estimar la curva SR se presenta a continuacion:

miny1...yn{n∑

i=1

l2l (yi − xi)2 +

n−1∑i=2

λ2[yi+1 − 2y1 + yi−1

h]2

} (2.16)

Donde λ es un coeficiente de suavizado, l = (li); i = 1, . . . n factores de pondera-

cion, x = (xi) y y = (yi), i = 1, . . . n son las variaciones SR de entrada y salida; h = 1

porque el efecto de h se puede incluir en λ. Para el calculo de SR se procede a tener

los datos de un dıa al minuto, se calcula primero, li = 1 para i = 1, .,1440 y λ = λ1,

Se calculan las diferencias de valores maximos y mınimos de x–y. Sea Vj los valores

de j = 1, . . . 24. Luego de realiza de nuevo el mismo procedimiento y asignando los

pesos como li = e(1−vjM

) , donde j = 1, . . . 24, y i = 60(j − 1) + 1, . . . 60j y M son dos

parametros a ajustar.

2.8.3. LRNS

Metodo de suavizado no lineal robusto de fase lineal desarrollado por el Hermanus

Magnetic Observatory el cual determina la curva SR a partir de un filtrado de frecuen-

cia, donde se encuentran los coeficientes de filtro necesarios para ponderar los valores

24

de entrada que coincidan con los valores de salida de ese proceso (la curva SR), el filtro

se estima utilizando un metodo de suavizado no lineal robusto de fase lineal derivado

del filtrado adaptativo de los datos.

2.8.4. Eliminacion lineal

Metodo propuesto por Finnish Meteorolical Institute, determina la curva SR a par-

tir de los datos de entrada del dıa a procesar, el dıa anterior y siguiente; este determina

la curva SR a partir de tres etapas, K preliminar, intermedio y final. A los datos de

entrada se aplica el metodo de maximo y mınimo para cada hora, seguido de un ajuste

por armonico de quinto grado y eliminando los valores procesados con los valores de

entrada.

2.9. Clasificacion Internacional de Dıas

Para determinar los dıas mas tranquilos y mas perturbados de cada mes respecto

de la actividad geomagnetica irregular se tiene en cuenta tres criterios:

La suma de los ocho valores de K.

La suma de cuadrados de los ocho valores de K.

El maximo de los ocho valores de K

De los criterios antes mencionados se le asigna un numero relativo a cada dıa del

mes, promediando los tres numeros de orden mas bajos y mas altos, seleccionando los

10 dıas mas silenciosos (Q) y los cinco dıas mas perturbados(D) para cada mes [8].

2.10. 2.9. International Association of Geomagne-

tism and Aeronomy (IAGA)

La IAGA se encuentra asociada de manera semiautonoma con la International

Union of Geodesy and Geophysics (IUGG); llevando tareas especıficas en la parte de

25

magnetismo y la Aeronomıa de la Tierra, cuerpos del sistema solar, medio interplane-

tario y su interaccion con estos cuerpos. La IAGA data sus orıgenes en la Comision de

Magnetismo Terrestre y Electricidad Atmosferica en 1873, desde entonces realiza los

estudios que comprenden los siguientes campos [28]:

[Division I] Campos Magneticos Internos : Encaminada a la comprension de

la estructura, dinamica e historia de la Tierra y otros planetas del Sistema Solar. Las

areas de interes incluyen magnetismo planetario, geomagnetismo, paleomagnetismo y

magnetismo de roca.

[Division II] Fenomenos de la Aeronomıa : Su proposito es mejorar la compren-

sion de la dinamica, la quımica, la energıa y la electrodinamica del sistema atmosfera-

ionosfera, ası como los procesos de acoplamiento mediante observaciones exhaustivas,

sofisticadas tecnicas de analisis de datos y simulaciones con modelos de atmosfera com-

pleta y ionosfera.

[Division III] Fenomenos Magnetosfericos : Enfocado al estudio de la influencia

de la energıa del solar y el viento solar en la magnetosfera y la atmosfera superior de

la Tierra. Las areas de investigacion incluyen el acoplamiento magnetosfera-ionosfera,

los cinturones de radiacion, la corriente de anillo y la plasmosfera, y las tormentas y

subtormentas magnetosfericas.

[Division IV] Viento Solar y Campo Interplanetario : Estudia Los movimien-

tos turbulentos dentro del Sol suministran energıa producidos tanto en la atmosfera

magnetizada en 1 millon de Kelvin, como en los enormes eventos de liberacion de

energıa. El viento solar y la heliosfera son, por lo tanto, un laboratorio de plasma

natural energizado por el aporte constante de energıa libre del sol.

[Division V] Observatorios Geomagneticos, Levantamientos y Analisis : Es-

ta division promueve estandares de alta calidad en adquisicion de datos geomagneticos,

procedimientos de observacion y estudio, ındices geomagneticos y diseminacion de da-

tos.

26

[Division VI] Induccion Electromagnetica en la Tierra y Cuerpos Planeta-

rios : Enfocado a la investigacion de todos los aspectos teoricos y practicos de la

distribucion espacial de propiedades electricas dentro de los interiores planetarios y

terrestres, y particularmente la conductividad electrica, y su relacion con parametros

fısicos considerados en sismologıa, geologıa, petrologıa, hidrologıa, vulcanologıa, entre

otros.

2.11. 2.10. National Aeronautics and Space Admi-

nistration (NASA)

Su historia data con la creacion de “The National Advisory Committe for Aeronau-

tics” NACA en 1995, con el objetivo de formar un comite coordinador de investigacion

que rapidamente se convirtio en una organizacion de investigacion lıder en aeronautica

y astronautica, dandole paso en 1958 a la NASA con la intencion de desarrollar tecno-

logıa espacial de caracter civil.

La NASA es lıder en investigaciones de vuelo espacial humano, aeronautica, cien-

cia espacial y aplicaciones espaciales; teniendo como logros lanzamiento de vehıculos,

satelites de comunicaciones, meteorologicos y ambientales; provocando gran impacto

en el mundo, con grandes progresos en ciencia y tecnologıa en el aire y en el espacio [29].

Para realizar el monitoreo del clima espacial la NASA fundo en 1975 el programa

Geoestationary Operational Environmental Satelites (GOES), satelites meteorologi-

cos en orbita geoestacionaria, que proporciona imagenes y datos de las condiciones

atmosferica, monitorear las partıculas, actividad solar (clima espacial) y los campos

alrededor de la nave espacial. La entidad que opera el programa GOES es la NOAA

(The National Oceanic and Atmospheric Administration) [30].

27

Capıtulo 3

Fuentes de Informacion

La recopilacion de datos que describen el comportamiento del campo geomagnetico

de caracter local se realiza mediante la solicitud formal al Instituto Geografico Agustın

Codazzi (IGAC). Las observaciones geomagneticas utilizadas para este trabajo corres-

ponden al componente Horizontal (H) y declinacion (D) del mes de Octubre de 2013,

caracterizado por su alta actividad solar, debido a la ocurrencia de tres eventos de per-

turbacion geomagnetica, atribuyendole el nombre de “minitormentas de Halloween”.

Por otro lado, se utilizan datos proporcionados por la Administracion Nacional de la

Aeronautica y el Espacio (NASA, por sus siglas en ingles) de la velocidad del viento

solar, Flujo de electrones en la ionosfera y del campo magnetico interplanetario captu-

rados por el Satelite GOES-13, para el analisis del comportamiento de los episodios de

perturbacion geomagnetica ocurridos en el intervalo temporal estudiado. Por ultimo,

se recopilan datos del Indice geomagnetico planetario Kp obtenidos para el mismo mes

de estudio, para estudiar los efectos locales del ındice K a escala local determinado en

este trabajo.

28

3.1. Observatorio Geomagnetico de Fuquene

Figura 3.1: Localizacion geografica del observatorio geomagnetico de Fuquene. Fuente:Elaboracion propia

29

El observatorio geomagnetico de Fuquene se localiza en la isla El Santuario de la

Laguna de Fuquene, en el departamento de Cundinamarca (Figura 3.1). En la isla,

de 7.82 hectareas, rodeada de una extension de 30 Km2 de agua en donde, se en-

cuentra instalados diferentes instrumentos que registran y estudian el comportamiento

geodesico, meteorologico y sısmico del paıs. La entidad encargada del mantenimiento y

adquisicion de los datos geomagneticos de la estacion es el Instituto Geografico Agustın

Codazzi.

3.1.1. Mediciones geomagneticas

Mediciones geomagneticas absolutas

Las mediciones absolutas se realizan con equipos llamados magnetometros los cua-

les miden la Declinacion Magnetica (D), la Inclinacion Magnetica (I) y la Intensidad

Total (F).

En el observatorio de Fuquene, los valores absolutos se obtienen a partir de dos mag-

netometros DIFLUX declinometro / inclinometro (LR1 Y LR2). Estos dispositivos se

componen de un sensor y un sistema electronico de medida; contienen un nucleo de

material de alta permeabilidad magnetica saturable, donde su funcionamiento interno

es parecido al magnetometro de protones. Este equipo es utilizado para realizar medi-

ciones diarias absolutas de declinacion (D), e inclinacion (I) del Campo geomagnetico y

calculo de la intensidad horizontal (H) y vertical (Z), complementadas con la medicion

del campo total (F). [31].

Mediciones geomagneticas relativas

Este tipo de medicines consisten en el registro grafico y continuo de las variaciones

de las componentes de la Intensidad Horizontal (H), de la Intensidad Vertical (Z) y la

Declinacion de (D). Cada variometro posee un iman suspendido provisto de un espe-

jo y que se orienta de acuerdo a la variacion del Campo Magnetico Terrestre –CMT,

proyectando un rayo de luz sobre el papel denominado magnetograma que consiste en

una banda de papel fotografico de 20 cm de ancho por 50 cm de largo y el cual debe

ser reemplazado y revelado cada 24 horas.

30

Con el sistema de variometros, se realizan calibraciones semanales los dıas miercoles

a las 8:00 am. (Hora Local), para determinar los valores de escala en cada componente.

Dicha calibracion se basa en desviar los imanes de los variometros a diferentes angulos,

para determinar los valores de escala de los variometros de intensidad, siendo el valor

de escala la medida de conversion entre milımetros (mm) y nanoTeslas (nT) en H y Z

medido en el magnetograma, definiendo ası un valor de escala promedio mensual, para

las 4 o 5 pruebas que se hacen en el mes [31].

3.1.2. Magnetograma

Figura 3.2: Magnetograma Estacion Geomagnetica de Fuquene. Describe la actividadgeomagnetica registrada el 30 de Septiembre de 2013 desde las 8 TM75 -24 TM75 ydel dıa 01 de Octubre desde las 0 A 8 (TM75). Fuente: [31]

El magnetograma entonces, corresponde al registro grafico en papel fotografico del

comportamiento del Campo Magnetico Terrestre que se obtiene cada 24 horas. El Cam-

po es descrito por medio de las tres componentes geomagneticas, identificando cada

una de las curvas como: H (Componente Horizontal), D (Declinacion) y Z (Componen-

te Vertical) y sus respectivas lıneas Base LBH, LBD, LBZ. El tiempo en que se registra

las variaciones del campo en el magnetograma esta dado por una division vertical cada

2mm, la cual representa 1 hora, y en su conjunto tiene 24 lıneas verticales clasificadas

31

por TM75 (Time Mean Longitud 75) y TMG (Time Mean Greenwich). Tal registro se

encuentra en la parte superior del magnetograma y se refiere a la hora local y la hora en

Greenwich. Es decir, un magnetograma registra la variacion del campo geomagnetico:

entre las 8:00 TM75 (hora local) siendo las 13 TMG (hora Greenwich) hasta las 8:00

TM75 del dıa siguiente (Ver Figura 3.2).

La medicion sobre los magnetogramas consiste en medir la distancia existente entre

la lınea base a la curva media de cada componente para cada hora, con ayuda de un

escalımetro en milımetros.

32

Capıtulo 4

Metodologıa

4.1. Valores de los Componentes del campo magneti-

co para el observatorio geomagnetico de Fuque-

ne

A partir de la extraccion de los valores de los magnetogramas del Componente

Horizontal (H) y Declinacion (D) del Campo Geomagnetico al minuto, se utilizan los

valores de calibracion obtenidos en la observacion relativa y posterior determinacion

de valores de escala: datos proporcionados por el Instituto Geografico Agustın Codazzi

(IGAC).

La calibracion para las Observaciones geomagneticas en el Observatorio Geomagneti-

co de Fuquene, se realizan teniendo en cuenta las normas internacionales determinadas

por la Asociacion Internacional de Aeronomıa y Geomagnetismo (IAGA, por sus siglas

en ingles) en cuanto mediciones geomagneticas analogas. La calibracion es realizada

cada semana el dıa miercoles antes de las 10:00 am, o despues de las 2:00 pm, dado que

en este intervalo de tiempo se supone que el Campo Magnetico Terrestre no presenta

mayor variabilidad [31], y de ella se obtiene los valores de la lınea base para el Compo-

nente Horizontal (LBH) y Declinacion (LBD), y valores de escala para el componente

Horizontal (Sh).

Los valores absolutos para el Componente Horizontal (H) y la Declinacion (D) son

determinados por medio de la siguiente expresion.

33

H(nT ) = LBH + Sh ∗DistH(mm) (4.1)

D(grados) =LBD +DistD(mm)

60(4.2)

Con los valores absolutos para el Componente Horizontal (H) y la Declinacion (D)

obtenidos de las expresiones (4.1) y (4.2) se determina los valores de las componentes

Norte (X) y Este (Y).

ComponenteX = H ∗ Cos(D ∗ π

180) (4.3)

ComponenteY = H ∗ Sen(D ∗ π

180) (4.4)

4.2. Determinacion del Indice K

4.2.1. Metodo de eliminacion lineal – FMI

El metodo de eliminacion lineal para la derivacion del ındice K fue desarrollado por

el Departamento de Geofısica Finnish Meteorolical Institute. Este metodo se basa en

valores medios simples de los datos observados cada minuto del componente horizon-

tal del campo magnetico terrestre [32]. El enfoque de eliminacion lineal es aplicable a

cualquier observatorio geomagnetico de caracter permanente y obtener la derivacion

de ocho (8) valores estandar del ındice K para cualquier dıa dado; siempre y cuando

las mediciones del dıa anterior y dıa siguiente a procesar esten disponibles. Lo anterior

permite la determinacion de la Variacion Diaria Regular (SR) del dıa a procesar, siendo

esta la principal limitacion para el calculo del ındice [33]. A continuacion se presentan

los parametros y procedimientos que establece el metodo de eliminacion lineal:

(1). Ingresar los valores de tiempo al minuto de los tres dıas, se detectan los da-

tos faltantes y se interpolan con el metodo de Lagrange, si se detectan intervalos de

tiempo mayores a 15 min, no se podra calcular el ındice para el intervalo de 3 horas

correspondientes.

(2). Se determinan los ocho (8) valores denominados kj-preliminares, siendo j =

1, 2, . . . , 8 de tal manera que cada k-preliminar represente un intervalo temporal de

34

tres (3) horas. Los valores K-preliminares son calculados a partir del metodo de maxi-

mo – mınimo en cada uno de los componentes horizontales (X, Y ).

(3). Calcular los intervalos de datos por cada hora i, comenzando con la definicion

de los puntos medios por hora (ti) de cada componente geomagnetico, mas un conjunto

de datos vecinos de m+n minutos a ambos extremos de la hora i, definidos a partir de

la hora local (m) y de la actividad geomagnetica presentada en el intervalo temporal

(n).

Los criterios seguidos se mencionan a continuacion:

ti = i+1

2, i = 0h, 1h, 2h, ..., 22h, 23h (4.5)

m(ti) =

120 minutos, si 0h ≤ ti < 3h

60 minutos, si 3h ≤ ti < 6h

0 minutos si 6h ≤ ti < 18h



(4.6)

n(ti) = K3,3minutos (4.7)

(4). Calcular los valores promedio para cada hora ti, siguiendo el criterio descrito

en el paso (3), para cada componente (X, Y )

(5). A partir de los valores promedio por hora, determinar la curva de variacion

diaria (SR) para cada componente, aplicando series de Fourier hasta el quinto grado

armonico.

(6). Eliminar la variacion diaria (SR) de los valores originales en ambos componen-

tes horizontales.

(7). Determinar los valores K−intermedios a partir de la seleccion del componente

que tenga el maximo rango de la actividad geomagnetica presentado.

(8). Los valores de Kintermedios se utilizan para determinar una curva de SR la

35

cual realiza un mejor ajuste siguiendo los criterios anteriormente descritos, de tal mo-

do que los intervalos de datos por cada hora i (descritos en el paso 3) son re-definidos

usando los valores de K intermedios, las medias por hora se vuelven a calcular y se

produce la curva SR final (paso 5).

(9). Despues de la eliminacion de las variaciones periodicas de los datos originales,

se determinan los valores finales del ındice K.

Para el desarrollo de esta metodologıa el Departamento de Geofısica Finnish Me-

teorogical Institute desarrollo un programa en lenguaje C++ el cual describe la rutina

antes mencionada para el calculo del ındice K diario; este programa fue suministrado

por Lasse Hakkinen, miembro del Finnish Meteorolical Institute. (Anexo 1)

4.2.2. 4.2.2. Polinomio de Interpolacion de Lagrange

Para los datos de entrada faltantes y que no superen un intervalo mayor a 15 minu-

tos, el metodo de Eliminacion Lineal utiliza una interpolacion de Lagrange para estimar

estos valores desconocidos, tomando una medida ponderada de sus valores conocidos

en puntos cercanos. El polinomio de interpolacion de Lagrange expresa un resultado

como combinacion lineal de polinomios que cumplan condiciones simples en los nodos

de interpolacion, de modo que los coeficientes de la combinacion lineal son los valores

deseados en los nodos correspondientes [34].

Sean (x1, y1), (x2, y2), . . . , (x(n+1), y(n+1)), los puntos de interpolacion, a partir de

ellos se construye los polinomios de grado n, Li(x) con i = 1, 2, . . . , n + 1, verificando

Li (xj) = 0 si i 6= j y Li(xi) = 1, segun la expresion (4.8):

Li(x) =(x− xi)...(x− xi−1)(x− xi+1)...(x− xn+1)

(xi − x1)...(xi − xi−1)(xi − xi+1)...(xi − xn+1)(4.8)

Donde Li(x) es la funcion para realizar la interpolacion.

36

4.2.3. Analisis de Fourier

El desarrollo en series de Fourier es adecuado para expresar matematicamente la

variacion diaria (SR) dado que las corrientes de dinamo ionosferico son principalmente

solar accionadas, donde las variaciones (SR) son descritos por los componentes armoni-

cos solares [18]. Cuando las perturbaciones geomagneticas estan ausentes, los primeros

cinco armonicos solares son suficientes para detectar la mayor variacion en un registro

diario del campo geomagnetico:

Vt =5∑

m=0

{amCos(2πmt

24) + bmSen(2π

mt

24)}+ Vbase +Qt (4.9)

Donde Vt es el valor del campo geomagnetico por hora para un componente arbi-

trario (sea X o Y) en la hora local t, Vbase corresponde a la lınea base en el periodo

nocturno y Qt es la variacion no cıclica. Entonces, el campo de la variacion diaria SR

puede ser determinado como la perturbacion de la diferencia entre la lınea base y las

variaciones no cıclicas:

∆Vt = Vt − Vbase −Qt =5∑

m=0

{amCos(2πmt

24) + bmSen(2π

mt

24)} (4.10)

En la expresion (4.10) el termino b0 es siempre cero, por lo tanto se omite, mientras

que el termino a0 es necesario dado que es el promedio de ∆Vt que generalmente no es

cero.

37

4.2.4. Estimacion de los coeficientes de Fourier por mınimos

cuadrados Ordinarios

Los mınimos cuadrados Ordinarios (MCO) es la tecnica de ajuste que se utiliza a

menudo para estimar los coeficientes armonicos am y bm que minimizan el error entre

∆Vt y las mediciones. Para esto, se utiliza la forma matricial de la expresion (4.10) de

tal manera que:

dF = AFMF (4.11)

Donde dF es un vector que consiste en los valores por hora del campo SR, AF es

una matriz de senos y cosenos de Fourier, y MF es un vector de los coeficientes de

Fourier:

dF =

∆V0

∆V1

.

.

.

∆V23

(4.12)

MF =

1 Cos(2π 1∗024

) Cos(2π 2∗024

) · · · Cos(2π 5∗024

) Sen(2π 1∗024

) · · · Sen(2π 5∗024

)

1 Cos(2π 1∗124

) Cos(2π 2∗124

) · · · Cos(2π 5∗124

) Sen(2π 1∗124

) · · · Sen(2π 5∗124

)

1 Cos(2π 1∗224

) Cos(2π 2∗224

) · · · Cos(2π 5∗224

) Sen(2π 1∗224

) · · · Sen(2π 5∗224

)...

......

. . ....

.... . .

...

1 Cos(2π 1∗2324

) Cos(2π 2∗2324

) · · · Cos(2π 5∗2324

) Sen(2π 1∗2324

) · · · Sen(2π 5∗2324

)

(4.13)

38

MF =

a0

a1

a2

a3

a4

a5

b1...

b5

(4.14)

Los coeficientes de Fourier pueden ser obtenidos a partir de las mediciones del cam-

po magnetico terrestre por hora (dF ) y de la matriz de funciones armonicas (AF ) a

partir del ajuste vıa (MCO):

MF = {(AF )TAF}−1{(AF )TdF} (4.15)

La expresion (4.15) es matematicamente compacta para la descripcion del compor-

tamiento de la variacion diaria (SR) al describir este campo a partir de los coeficientes

de Fourier en vez de los valores originales del campo magnetico terrestre. Es impor-

tante entender estas variaciones, ya que pueden revelar los procesos fısicos que rigen la

dınamo ionosferico [18].

39

Capıtulo 5

Determinacion de Componentes del

campo magnetico a partir de

Magnetogramas Analogos

El observatorio Geomagnetico de Fuquene extrae de sus magnetogramas los datos

de las componentes del campo magnetico (Declinacion, Inclinacion y Componente Ho-

rizontal) con intervalo de 1 hora, es decir, 24 valores al dıa por componente, situacion

que limita el calculo del ındice K automatizado para la estacion.

Teniendo en cuenta la premisa anterior, se realiza un algoritmo utilizando el soft-

ware Matlab 2015a con el objetivo de determinar los 1440 valores necesarios por dıa

para el Componente Horizontal (H) y la Declinacion (D) y cumplir con los parametros

estipulados del metodo de eliminacion lineal para el calculo del ındice K.

5.1. Aplicacion MAGNET.-UD

Para el procesamiento de los magnetogramas escaneados, se desarrollo un aplicati-

vo en el software Matlab que identifica la distancia existente, en milımetros, entre la

lınea base de cada Componente y su curva respectiva, emulando la medicion manual

sobre el magnetograma utilizando un escalımetro. Las dimensiones de la hoja del mag-

netograma son constantes, con un largo de 50 cm y un ancho de 16,5 cm, la altura

de las lıneas base, para la Lınea Base Horizontal (LBH) de 11 mm y Lınea Base de la

40

Declinacion (LBD) 66 mm, y las divisiones horarias se encuentran cada 20 mm. Los

valores anteriores se utilizaron para el desarrollo del algoritmo (ANEXO 1), el cual

establece una relacion entre los pixeles contenidos en la imagen y los valores reales

del magnetograma. La adecuacion de los magnetogramas escaneados y la ejecucion del

programa son descritos en el ANEXO 2.

Figura 5.1: Interfaz Programa MAGNET-UD

5.2. Evaluacion de calidad de datos Geomagneticos

Para evaluar la calidad de los datos suministrados el programa MAGNET-UD, se

determina la Raız del Error Cuadratico Medio (RMSE, por sus siglas en ingles). Este

estimador es frecuentemente utilizado como medida de diferencia entre los valores pre-

dichos por medio de modelos o algoritmos y los valores observados. Para la evaluacion

de la calidad de los datos geomagneticos extraıdos por el aplicativo MAGNET-UD se

obtiene un conjunto de datos medidos manualmente para cada componente (H, D);

estos fueron tomados con un intervalo de cada hora, es decir, la comparacion se ha-

41

ce cada 60 min para el programa MAGNET-UD y manualmente para cada lınea de

division vertical del magnetograma que igualmente representa 60 min. Para cada dıa

se tomaron 25 valores, para tener finalmente 1700 valores a comparar y los cuales

comprenden los treinta y cuatro magnetogramas procesados.(Los datos comparados se

encuentran en el Anexo 3).

RMSE =1

n

√√√√ n∑i=i

(yi − yi)2 (5.1)

Para este estimador se toma como valor de prediccion los valores obtenidos del aplica-

tivo MAGNET-UD (yi), y como valores observados los valores extraıdos manualmente

de cada magnetograma (Yi).

Tabla 5.1: Raız del Error Medio Cuadrado RMSE para los datos geomagneticos delObservatorio Geomagnetico de Fuquene.

Declinacion Componente Horizontal TotalSuma 42,31 24,76 67,076

n 850 850 1700MSE 0,0497 0,02913 0,03945

RMSE 0,2231 0,1707 0,1987

De la Tabla 5.1, se determina que la Raız del Error Medio Cuadratico (RMSE)

para el Componente Horizontal (H) tiene un valor de 0,17 mm y para la Declinacion

(D) de 0,22 mm, siendo estos valores menores a 1mm. Este ultimo error propio del es-

calımetro utilizado para la extraccion de medidas sobre los magnetogramas. Por tanto,

el aplicativo MAGNET-UD extrae de manera adecuada los valores en milımetros del

Componente Horizontal (H) y de la Declinacion (D).

42

Capıtulo 6

Resultados y Analisis

En este capıtulo se desarrolla la metodologıa expuesta en este trabajo, ademas de

mostrar los elementos representativos presentes en tormentas geomagneticas con el

proposito de analizar su impacto en el clima espacial colombiano. A continuacion, se

presenta la derivacion del ındice de actividad magnetica terrestre K para el Observato-

rio geomagnetico ubicado en la isla El Santuario de la Laguna de Fuquene para el mes

de Octubre del 2013 implementando el metodo de Eliminacion Lineal desarrollado por

el Finnish Meteorological Institute (FMI). Posteriormente segun los valores del ındi-

ce K se determinan los dias calmados y perturbados presentes en el mes de octubre.

Luego, a partir de los valores del ındice K local se somete a comparacion con el ındice

planetario Kp siguiendo el criterio de correlacion. Finalmente, a partir de la seleccion

de dıas calmados y perturbados se realiza la comparacion de las alteraciones presentes

en el campo magnetico local debido a presencia de tormentas geomagneticas y como

el ındice determinado actua frente a los dıas tranquilos donde el campo geomagnetico

presenta variaciones regulares. Todos los resultados mostrados se expresan en Horario

local (UT-5H).

43

6.1. Rutina para el calculo del Indice geomagnetico

K

Acorde a la metodologıa de Eliminacion Lineal desarrollada por el Finnish Meteo-

rological Institute, se procesaron los 31 dıas del mes de octubre de 2013 para derivar

los valores del ındice K a partir de los datos del campo geomagnetico registrados por

el observatorio geomagnetico ubicado en isla El Santuario de la Laguna de Fuquene. A

Continuacion se presenta el proceso que conlleva a la determinacion del ındice K local

para el dıa 04 de Octubre.

6.1.1. Determinacion de Variacion Diurna Regular (SR)

A partir del Analisis Armonico de Fourier se estiman curvas de Variacion Diurna

(SR) que suavizan los datos geomagneticos originales. El nivel de este suavizado es di-

rectamente proporcional a los valores tomados de parametros m y n, siendo m definido

a partir de la hora local y n definido por la actividad geomagnetica presentada en el

intervalo temporal estudiado, Igualmente, segun la metodologıa de eliminacion lineal

seguida, el ajuste armonico de quinto grado modela apropiadamente la variacion diaria

regular principalmente en perturbaciones geomagneticas como las tormentas solares.

En la Figura 6.1 se presenta el ajuste de quinto grado de funciones armonicas de Fou-

rier para los valores geomagneticos del 4 de Octubre.

En la Figura 6.1b y 6.1d, se observa que la eliminacion de la variacion Diurna de

los valores originales en la primera etapa, y el refinamiento de la dicha variacion a

partir de los resultados anteriores, permite una mayor discriminacion de periodos de

tranquilidad y fluctuacion geomagnetica. Para intervalos tri-horarios donde se observa

tranquilidad geomagnetica, el valor resultante de dichas eliminaciones no supera 40 nT.

No obstante, cuando el componente horizontal registra perturbaciones geomagneticas

el valor resultante puede variar segun la intensidad de la tormenta: hasta 70 nT para

una tormenta menor, 120 nT para una tormenta moderada, 200 nT para una tormenta

fuerte, 300 nT para una tormenta grave y mayor a 300 nT para una tormenta extrema.

44

Figura 6.1: Componente Norte (X) y Este (Y) con sus respectivas curvas de VariacionDiurna Regular SR, (b) Eliminacion de la variacion Diurna Regular SR de los datosgeomagneticos originales en Norte (X) y Este (Y), (c) estimacion de la variacion DiurnaRegular SR a partir de los residuales de la parte (b), (d) Eliminacion final de la variacionDiurna Regular SR de los datos geomagneticos residuales en (b).

45

6.1.2. Indice K para el Observatorio Geomagnetico de Fuque-

ne

Tabla 6.1: Valores de Indice K para el Observatorio Geomagnetico de Fuquene.

Latitud 5◦ 28’ 12”NLongitud 73◦ 44’ 14”WElevacion 2562 msnm.

Intervalos Horarios Locales (UT-5)1 2 3 4 5 6 7 8 Q-D

Dıa-Mes-Ano 0-3 3-6 6-9 9-12 12-15 15-18 18-21 21-24

1-oct-2013 2 2 3 2 2 2 6 6 D2-oct-2013 5 3 3 3 5 4 3 1 D3-oct-2013 1 2 2 3 4 2 2 14-oct-2013 0 1 2 2 2 1 1 1 Q5-oct-2013 1 2 2 2 1 0 1 0 Q6-oct-2013 1 2 2 3 2 1 2 37-oct-2013 3 3 2 2 1 1 2 18-oct-2013 0 3 3 3 6 6 5 5 D9-oct-2013 5 4 4 5 3 4 3 3 D10-oct-2013 2 2 3 2 2 2 2 211-oct-2013 2 2 2 2 2 1 1 2 Q12-oct-2013 1 2 2 3 1 2 1 1 Q13-oct-2013 1 2 2 2 2 1 0 2 Q14-oct-2013 3 3 4 3 4 4 3 315-oct-2013 3 3 3 2 2 3 3 216-oct-2013 2 3 3 3 2 2 2 317-oct-2013 2 2 3 3 2 1 0 118-oct-2013 2 2 2 2 2 1 1 2 Q19-oct-2013 2 1 2 2 1 1 1 1 Q20-oct-2013 1 1 2 2 1 1 0 2 Q21-oct-2013 1 3 3 3 1 2 1 122-oct-2013 2 2 2 2 2 2 1 123-oct-2013 2 3 2 2 2 1 1 124-oct-2013 0 3 3 2 1 1 1 225-oct-2013 2 2 4 4 2 2 1 126-oct-2013 2 2 2 2 1 2 1 1 Q27-oct-2013 2 2 2 2 2 1 2 228-oct-2013 1 2 2 1 1 2 1 1 Q29-oct-2013 2 3 3 2 3 3 1 130-oct-2013 2 2 3 3 3 3 2 231-oct-2013 2 4 5 5 3 3 2 2 D

46

En la Tabla (6.1) se presenta los valores adoptados para el mes de octubre del

2013 del ındice K local determinados por la metodologıa de Eliminacion Lineal para el

observatorio geomagnetico ubicado en la isla El Santuario de la Laguna de Fuquene.

Igualmente se determina el ındice C, indicador mensual de periodos de quietud respec-

to a la actividad geomagnetica irregular, tomando los 10 dıas mas silenciosos (Q) y los

dıas mas perturbados(D).

A continuacion, se presentan graficamente los valores semanales Obtenidos del ındi-

ce, describiendo el nivel de actividad geomagnetica presente para el mes de Octubre

del 2013. Este mes comprende cinco semanas de las cuales se puede inferir que en la

semana 1, 2, y 5 presentan valores del ındice K igual o mayor a 5, interpretando esto

como la ocurrencia de fenomenos del clima espacial que perturbaron el campo magneti-

co terrestre.

Figura 6.2: Indice geomagnetico K, Semana 1


47




Para el intervalo de tiempo analizado, teniendo en cuenta la eliminacion de los valo-

res de Variacion Diaria Regular (SR de los datos originales, y su posterior refinamiento,

se determino que la mayor perturbacion geomagnetica en un intervalo trihorario es pre-

sentada el 1 de Octubre entre 21:00 a 23:59 con un valor en el Norte (X) de 102.4 nT,

y para el Este (Y) el valor corresponde a 88.8 nT; donde segun la escala de clasifi-

cacion para el Observatorio Geomagnetico El Santuario de la Laguna de Fuquene le

corresponde un valor de K=6, catalogado como un perturbacion geomagnetica de nivel

moderado, enmarcando el inicio de una tormenta geomagnetica.

48

6.2. Correlacion entre el Indice K y Kp

Para determinar la correlacion entre el ındice geomagnetico K a partir de datos de

la estacion geomagnetica ubicada en la Isla El Santuario de la Laguna de Fuquene y el

ındice planetario Kp, se tiene en cuenta los periodos de analisis en: (i) mes de octubre

de 2013 sin considerar eventos especiales, (ii) durante los dıas con perturbacion y (iii)

durante los dıas de calma.

Para la correlacion entre el ındice planetario y el ındice local, se analizo a intervalos

de 3 horas (Tabla 6.2). Los criterios de seleccion de los conjuntos de datos mencionados

(i) (ii) y (iii) estan dados por el ındice C y la actividad geomagnetica local observada

por el ındice K; de tal manera que se obtiene:

(i) con la muestra del conjunto valores del ındice K y Kp para el mes de octubre, se

obtuvo un coeficiente de correlacion 0,6366, es decir, los valores presentan una relacion

positiva.

(ii) Para los dıas perturbados el coeficiente de correlacion es de 0,7059 indicando

que en presencia de alta actividad geomagnetica el ındice Kp explica significativamente

la actividad local.

(iii) Para los dıas tranquilos el coeficiente de correlacion es de 0,1245; coeficiente

que tiende a cero, es decir, para los dıas tranquilos el ındice Kp no se encuentra aso-

ciado de manera significativa a la actividad geomagnetica local.

En otras palabras, para la escala de clasificacion del Observatorio Geomagnetico

colombiano un valor a K menor o igual a 4, donde se asume la ausencia de perturba-

cion del campo magnetico terrestre, el umbral de clasificacion es de maximo 40 nT. No

obstante, si el ındice K para un intervalo de tiempo definido se determina un valor de 6,

donde se asume perturbacion geomagnetica moderada, el rango para esta sola clase es

de 50 nT, siendo mayor que todo el umbral de clasificacion de actividad geomagnetica

quieta o calmada.

49

Tabla 6.2: Valores de Indice Kp vs K para el mes de Octubre, 2013.

Dıa Kp K Q-D

1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 81 0o 0o -1 0+ 2o -2 2o 2+ 1 2 2 2 3 2 2 22 5+ -8 -6 -4 3o 3+ -6 -5 6 6 5 3 3 4 5 4 D3 3+ 0+ 0o 0o 0o 1+ -2 0o 3 2 3 4 2 1 0 24 0o 0o 0o 0o 0o -1 0+ 0o 2 2 2 2 1 0 0 1 Q5 0o 0o 0o 0+ 0o 0o 0o 0o 2 2 1 1 1 1 1 0 Q6 0o 0o 0+ 0+ -1 0+ 0+ 1+ 2 2 2 1 1 0 1 17 1o -3 -2 -1 -1 -1 -1 -1 3 3 2 2 3 2 1 18 0+ -1 0+ -1 1+ 1o 5o -6 4 2 3 7 1 2 1 69 5o 5o 5+ -4 3o 3+ -2 3+ 5 5 4 4 5 5 4 4 D9 -4 -4 -2 2o 1o 1+ -1 1o 3 2 2 4 2 2 1 310 -2 2o 2o 1+ -2 -1 1o -1 2 2 2 2 2 2 2 111 0o 1o 0+ 1o -1 -1 2o 2+ 2 2 1 2 2 2 2 112 1+ 0o 0o 0+ 0o 0+ -1 0o 2 2 1 1 1 1 1 1 Q13 0o 2+ 2+ 3+ 3+ 4+ 4o 4o 1 3 4 2 3 3 3 3 D14 4+ 4o 3o 4o -3 -1 1o 3o 3 2 3 3 3 2 3 2 D15 -4 -3 -2 -2 2o -3 -2 2+ 3 3 2 3 2 1 2 116 -3 3o 2+ 2+ -3 2o 1+ 1o 3 2 3 3 2 2 1 217 0+ 0o -1 0o 0+ 0o -2 0+ 2 2 2 1 1 1 1 218 0o 0o 0+ -1 0+ -1 0o 0o 1 1 1 2 1 2 1 1 Q19 0o 0o 0+ 0+ 0+ 0+ 0+ 1o 2 1 1 1 1 1 1 1 Q20 0o 0o 0+ 0o 0+ 1o 0+ 0o 2 2 2 2 2 1 1 2 Q21 0o 0+ 2o -2 0+ -1 -2 2o 2 1 0 2 2 1 2 122 1o 2+ -2 1+ 0+ 0o 0+ 0o 3 2 2 1 1 1 2 123 0+ 1o 0o 1o 0+ 0o 0o 0o 2 2 1 2 1 1 1 1 Q24 0o 0+ -1 0o 0+ -1 0+ 1o 3 2 2 1 1 2 2 1 Q25 0+ 0o 0+ 0+ 0o 0+ 0+ 1o 2 2 1 1 1 1 1 2 Q26 0o 0o -1 -1 1o 0+ 1o 0o 2 2 2 2 2 2 2 227 0+ 0+ 0+ 0+ 0o 0+ 0o 0o 2 2 2 2 1 1 1 1 Q28 0o 0o 0+ -3 2o -1 2+ 2+ 2 1 1 2 3 3 3 229 0+ -1 2+ 3o 3o 3+ 3+ 4o 2 2 2 3 3 3 3 4 D30 2o 0+ -1 -2 2o 2+ 1+ 2o 5 2 4 3 2 3 2 1

50

6.3. Tormentas Geomagneticas Octubre 2013

La energıa generada de las perturbaciones solares emiten radiacion electromagnetica

y eyecciones de masa, entre otros, al momento de interactuar con el medio interplaneta-

rio y la magnetosfera; provoca en esta ultima el comienzo del fenomeno conocido como

tormenta geomagnetica, originando una perturbacion a escala global del contenido de

electrones en la region F maxima de la ionosfera, que durante la eventualidad de este

fenomeno produce cambios rapidos y fuertes gradientes espaciales que pueden degradar

los sistemas de telecomunicacion, redes de alta tension y Sistemas de Posicionamiento

Global (GPS). La metodologıa utilizada esta encaminada al estudio sucesivo de los

fenomenos solares que originan la tormenta geomagnetica, el camino del viento solar

hacia la Tierra y su interaccion con el Campo Magnetico Terrestre; con el proposito

de exponer claramente la serie de eventos que conllevan el fenomeno de una tormenta

geomagnetica, ası como sus efectos sobre la Tierra, y particularmente sobre el clima

espacial colombiano.

A continuacion, se realiza un seguimiento detallado de las tormentas geomagneti-

cas presentes en el mes de Octubre del ano 2013 atribuyendose el nombre de “Mini

tormentas de Halloween” por su alta actividad solar, originando la presencia de tres

eventos de perturbacion geomagnetica en este mes, eventos evidenciados a partir de la

seleccion de dıas perturbados (Tabla 6.2).

51

6.3.1. Tormenta geomagnetica presentada el 1 y 2 de Octubre

El comienzo de este fenomeno se origino el dıa 30 de Septiembre de 2013, cuando

tuvo lugar una erupcion solar desde el Hemisferio Norte del Sol aproximadamente a las

21:45 TU. Esta erupcion produjo una gran Eyeccion de Masa Coronal (CME, por sus

siglas en Ingles) que perturbo las condiciones del viento solar. La Figura 6.7, tomada

por el Equipo LASCO (Large Angle and Spectrometric Coronagraph, por sus siglas

en ingles) a bordo del satelite SOHO (Solar Heliospheric Observatory) y evidencia el

momento de ocurrencia de este fenomeno. Este satelite esta ubicado en la region L1 de

Lagrange, region caracterizada por el equilibrio de las atracciones gravitacionales entre

el Sol y la Tierra, alcanzando mayor estabilidad gravitatoria en las orbitas (Figura 6.7).

Figura 6.7: Eyeccion de Masa Coronal (EMC) del 30 de Septiembre de 2013. Imagentomada con el Equipo LASCO a Bordo del Satelite SOHO. [35]

Durante las horas de la noche del 1 de Octubre (20:15 UT-5), el satelite ACE

(Advanced Composition Explorer), situado en el punto L1 de Lagrange, registro un

incremento subito de la velocidad del viento solar de 374 km/s a 596 km/s, indicando

la posibilidad de ocurrencia de una tormenta geomagnetica (Figura 6.8a). Ademas, la

componente Bz del campo magnetico interplanetario se oriento hacia el sur durante la

noche del 1 de Octubre y madrugada del 2 de Octubre, es decir, toma valores negati-

vos, satisfaciendo una de las condiciones necesarias para la aparicion de la tormenta

geomagnetica (Figura 6.8b).

52

Figura 6.8: Velocidad de viento solar y magnitud del componente Bz del campomagnetico interplanetario. Fuente:[30]

La Eyeccion de Masa Coronal, en su viaje hacia la Tierra, y ya a aproximadamente

35.800 kilometros de la superficie, el satelite geoestacionario G13, registra el flujo de

electrones y protones de los dıas de la perturbacion geomagnetica. En la Figura 6.9c

y 6.9d, es facilmente reconocible la variacion en el flujo de electrones causada por la

perturbacion geomagnetica provocando una disminucion en el flujo de estos a partir de

la 20:00 UT-5 del 1 de Octubre, que se prolongo hasta las 19:00 UT-5 del 2 de Octubre.

Teniendo en cuenta el comportamiento del flujo de electrones presentado durante el 4 y

5 de Octubre, presentando estas condiciones de calma geomagnetica, las fluctuaciones

son menores y el aumento en el flujo de electrones corresponde a los periodos de mayor

intensidad solar diurna (Figura 6.9).

53

Figura 6.9: (a) Valores de Indice K para el 1 y 2 de Octubre de 2013, (b) Compor-tamiento del componente horizontal [H] para los dıas de la perturbacion vs el 4 deOctubre (dıa geomagneticamente mas tranquilo del mes), (c) Flujo de electrones de0.8 MeV, (d) flujo de electrones de 2 MeV. Fuente: [30]

54

Como consecuencia de la llegada del viento solar perturbado a la Tierra, se inicio

una tormenta Geomagnetica el dıa 1 de Octubre a las 20:00 h, que se ve reflejado por

una alta fluctuacion del componente horizontal (H) registrado en el Observatorio de

Fuquene a las 20:00 h aproximadamente, reflejandose en el valor maximo obtenido del

ındice K = 6 registrado para el intervalo de la noche del 1 de Octubre y madrugada

del 2 de Octubre.

Figura 6.10: (a) Fluctuaciones del campo geomagnetico registradas en Norte (X) y Este(Y), con su respectiva curva de Variacion Diurna Regular SR, (b) Primera eliminacionde SR de los datos de cada componente originales, (c) Segunda y definitiva eliminacionde SR de los residuales producto de (b). Fuente: Elaboracion propia

En la Figura 6.10 se observa las fluctuaciones del Norte (X) y Este (Y) del com-

ponente Horizontal (H) durante la tormenta geomagnetica. La fase inicial de la per-

turbacion geomagnetica se produce por la compresion de la magnetosfera debido al

aumento de la velocidad del viento solar evidenciado en la figura XX iniciando a las

20:00 h evidenciado por la fluctuacion atıpica de X y Y alcanzando una variacion de

66.5 nT y 75.4 nT, respectivamente, enmarcando el inicio de la Tormenta. La variacion

55

maxima registrada para los componentes horizontales X y Y se observo entre las 22:30

h y 23:00 h del 1 de Octubre, con 103.9 nT y 89.4 nT, respectivamente. A partir del

ajuste armonico de Fourier de quinto grado para estimar la Variacion diurna (Figura

6.10a) se detectan altas variaciones en el campo magnetico local desde las 20:00 h del

1 de Octubre, extendiendose hasta las 18:00 h del 2 de Octubre. La variacion maxi-

ma despues de eliminar de los registros originales la variacion diurna esperada para el

Norte (X) es de 102.6 nT y para el Este de 88.6 nT, en el intervalo de 23:00 h del 1 de

Octubre (Figura 6.10c).

6.3.2. Tormenta geomagnetica presentada el 8 y 9 de Octubre

Este fenomeno se inicio el dıa 5 de Octubre de 2013, cuando se dio origen a una

erupcion solar en el Hemisferio Sur del Sol aproximadamente a las 07:30 TU. Esta

erupcion produjo una gran Eyeccion de Masa Coronal que perturbo las condiciones del

viento solar. La Figura 6.11, tomada por el Equipo LASCO a bordo del satelite SOHO

y evidencia el momento de ocurrencia de este fenomeno.

Figura 6.11: Eyeccion de Masa Coronal (EMC) del 5 de Octubre de 2013. Imagentomada con el Equipo LASCO a Bordo del Satelite SOHO. [35]

56

Durante las horas de la tarde 14:00 h, el satelite ACE, registro un incremento de la

velocidad promedio del viento solar de 321 km/s a 560 km/s, indicando la posibilidad

de ocurrencia de una tormenta geomagnetica (Figura 6.12). Ademas, la componente

Bz del campo magnetico interplanetario se oriento hacia el sur entre las 14:00 h y 17:00

h del 8 de Octubre.

Figura 6.12: (a) Velocidad de viento solar y (b) magnitud del componente Bz delcampo magnetico interplanetario. Fuente:[30]

La Eyeccion de Masa Coronal, en su viaje hacia la Tierra, y ya a aproximadamente

35.800 kilometros de la superficie, aproximadamente, el satelite geoestacionario G13,

registra el flujo de electrones y protones producto de la Eyeccion de Masa Coronal

en su viaje hacia la Tierra. En la figura 6.13b y 6.13c, es facilmente reconocible la

variacion en el flujo de electrones causada por la perturbacion geomagnetica provocan-

do una disminucion en el flujo de estos a partir de la 14:30 UT-5 del 8 de Octubre,

que se prolongo desde esa hora hasta finalizar el 9 de Octubre. Teniendo en cuenta el

comportamiento del flujo de electrones presentado durante el 4 y 5 de Octubre, presen-

tando estos dıas condiciones de calma geomagnetica, las fluctuaciones son menores y el

aumento en el flujo de electrones corresponde a los periodos de actividad regular diurna.

57

Figura 6.13: (a) Valores de Indice K para el 8 y 9 de Octubre de 2013, (b) Compor-tamiento del componente horizontal [H] para los dıas de la perturbacion vs el 4 deOctubre (dıa geomagneticamente mas tranquilo del mes), (c) Flujo de electrones de0.8 MeV, (d) flujo de electrones de 2 MeV. Fuente: [30]

58

Por la llegada del efecto de la perturbacion por viento solar en el Campo Magnetico

Terrestre, se presenta nuevamente una tormenta Geomagnetica el dıa 8 de Octubre a

las 14:30 h, que se ve reflejado por una alta fluctuacion del componente horizontal (H)

registrado en el Observatorio de Fuquene, reflejandose en el valor maximo registrado del

Indice K = 6 obtenido para el intervalo de la tarde de 12:00h – 14:59 h y 15:00 – 17:59 h.


En la Figura 6.14 se observa las fluctuaciones del Norte (X) y Este (Y) del com-

ponente Horizontal (H) esta segunda tormenta geomagnetica. La fase inicial de la

perturbacion geomagnetica se produce por la compresion de la magnetosfera debido al

aumento de la velocidad del viento solar evidenciado en la figura XX iniciando a las

14:30 h evidenciado por la fluctuacion atıpica en pocos minutos en X y Y, enmarcando

59

el inicio de la Tormenta. La variacion maxima registrada para las componentes hori-

zontales X y Y se observo en el intervalo de 12:00 h a 14:59 h del 8 de Octubre, con

99.5 nT y 65.7 nT, respectivamente. A partir del ajuste armonico de Fourier de quinto

grado para estimar la Variacion diurna (Figura 6.14a) se detectan altas variaciones

en el campo magnetico local desde las 12:00 h del 5 de Octubre, extendiendose hasta

el finalizar del 9 de Octubre. La variacion maxima despues eliminar de los registros

originales la variacion diurna esperada para el Norte (X) es de 99,7 nT y para el Es-

te de 65,9 nT, en el intervalo de la tarde (12:00-14:59 h) del 8 de Octubre (Figura 6.14c).

6.3.3. Tormenta geomagnetica presentada el 31 de Octubre

Se produce una tormenta geomagnetica debido a una Eyeccion de Masa Coronal

(CME) que interactua con el Campo Magnetico Terrestre en las horas de la Madrugada

del 31 de Octubre. Este fenomeno es causado por una bengala clase M4 de la mancha

solar AR1882 del 28 de Octubre.

Figura 6.15: Bengala de mancha solar AR1882 del 28 de Octubre de 2013. Imagentomada con el Equipo LASCO a Bordo del Satelite SOHO. [35]

Durante las horas de la noche del 29 de Octubre (20:15 h), el satelite ACE (Advan-

ced Composition Explorer), situado en el punto L1 de Lagrange, registro un incremento

paulatino de la velocidad del viento solar de 340 km/s a 450 km/s, entre las 03:00 h

y las13:00 h, indicando la posibilidad de ocurrencia de una tormenta geomagnetica

60

(Figura 6.16). Por otro lado, la componente Bz del campo magnetico interplanetario

se oriento ligeramente hacia el sur a partir de las 03:00 h del 31 de Octubre, y mante-

niendo valores negativos desde las 11:00 h y durante todo el dıa.

Figura 6.16: (a) Velocidad de viento solar y (b) magnitud del componente Bz delcampo magnetico interplanetario. Fuente:[30]

La Eyeccion de Masa Coronal producto de la explosion de la mancha solar, en su

viaje hacia la Tierra, y ya a aproximadamente 35.800 kilometros de la superficie, el

satelite geoestacionario G13, registra el flujo de electrones y protones para el inter-

valo estudiado. En la Figura 6.17c y 6.17d, la variacion en el flujo de electrones es

baja durante todo el dıa, donde no se evidencia una disminucion significativa en el

flujo de estos como producto de la perturbacion geomagnetica. No obstante, el flujo

de electrones es comparativamente menor al flujo en un dıa geomagneticamente quieto.

61

Figura 6.17: (a) Valores de Indice K para el 31 de Octubre de 2013, (b) Comportamien-to del componente horizontal [H] para los dıas de la perturbacion vs el 4 de Octubre(dıa geomagneticamente mas tranquilo del mes), (c) Flujo de electrones de 0.8 MeV,(d) flujo de electrones de 2 MeV. Fuente: [30]

62

La alteracion del campo geomagnetico terrestre provocado por el viento solar per-

turbado provoco una tormenta geomagnetica menor que inicio en la manana del 31

de Octubre, de acuerdo al valor maximo del Indice K = 5. Representado en primera

instancia por una leve fluctuacion a las 04:00 h de 20.3 nT en el Norte (X) y de 14.9 nT

en el Este (Y). Luego, entre las 06:00 h y 12:00 h se registra una perturbacion mayor

en el componente horizontal, representado por una variacion maxima de 59.5 nT y 49.4

nT en el Norte y Este, respectivamente. A partir del ajuste armonico de Fourier de

quinto grado para estimar la Variacion diurna (Figura 6.18a) se detectan variaciones

atıpicas en el campo magnetico local desde las 03:00 h hasta 12:00 h, donde la varia-

cion maxima despues eliminar de los registros originales la variacion diurna esperada

para el Norte (X) es de 47.4 nT, registrada en el intervalo trihorario de 09:00 h 11:59 h,

y para el Este de 38.6 nT, en el intervalo trihorario de 06:00 h a :08:59 h (Figura 6.18c).


63

Capıtulo 7

Conclusiones

La derivacion del ındice K computarizado para el Observatorio Geomagnetico de

Fuquene es posible aplicando la metodologıa sugerida; ademas de implementar datos

del campo geomagnetico al minuto utilizando el algoritmo Magnet-UD, que al extraer

mayor cantidad de datos geomagneticos presentes en los magnetogramas se genera un

gran avance en el estudio y analisis de diversos fenomenos del clima espacial. Enmar-

cando nuevas perspectivas en el manejo de datos geomagneticos analogos y un nuevo

enfoque en una lınea de investigacion orientada a la descripcion y analisis del clima

espacial colombiano, componente principal para el desarrollo de pronosticos meteo-

rologicos espaciales a escala local.

La implementacion de la metodologıa de Eliminacion Lineal para la derivacion del

Indice K para el mes de Octubre de 2013 posibilito identificar que la Variacion Diurna

(SR) determinado a partir del analisis de Fourier permite modelar el comportamiento

del componente Horizontal (H) cuando se supone tranquilidad geomagnetica a partir de

un suavizado de los datos geomagneticos. El nivel de modelado es directamente propor-

cional a los valores tomados de parametros m y n, siendo m definido a partir de la hora

local y n definido por la actividad geomagnetica presentada en el intervalo temporal

estudiado. Ademas, el ajuste armonico de quinto grado de las funciones de Fourier per-

mite detectar las variaciones denominadas no-K, representativas del comportamiento

diario, de aquellas que son efecto de las perturbaciones del Campo Geomagnetico Te-

rrestre provocadas por el viento solar, denominadas variaciones-K. Cuando el Intervalo

de tiempo analizado no sufre de dichas perturbaciones, la Eliminacion de la variacion

Diaria Regular de los valores originales en una primera etapa, y el refinamiento de

64

dicha variacion a partir de los resultados anteriores, permite una mayor discriminacion

de periodos de tranquilidad y fluctuacion geomagnetica.

A partir de la correlacion entre el ındice de actividad geomagnetica planetaria Kp

y el ındice k determinado a partir de datos del campo geomagnetico de la estacion ubi-

cada en la isla El Resguardo de la Laguna de Fuquene, Colombia, se evidencia que la

correlacion es mas alta a medida que aumenta el nivel de perturbacion geomagnetica.

Lo anterior debido a que los intervalos de clasificacion de los diferentes niveles del ındi-

ce K es mas amplio a medida que aumenta la actividad geomagnetica, de tal manera

que, en situacion de calma, la correlacion entre K y Kp es baja dado que se pueden

obtener varios valores de K por el umbral estrecho de clasificacion. De igual manera,

cuando se presentan alteraciones en el campo geomagnetico, el umbral de clasificacion

de K es mas amplio, generando una correlacion alta.

Los fenomenos meteorologicos espaciales como las Eyecciones de Masa Coronal,

las erupciones solares y las rafagas de radio solar generan perturbaciones en el campo

geomagnetico que se ve reflejado en los diversos sistemas tecnologicos espaciales, in-

cluidos los sistemas globales de posicionamiento (GPS, por sus siglas en ingles). Para

el mes de Octubre de 2013, analizado en este trabajo, se evidencio la ocurrencia de

tres perturbaciones del campo geomagnetico colombiano debido a las fluctuaciones del

viento solar por Eyecciones de Masa Coronal a partir de la serie sucesiva de fenomenos

espaciales tales como el aumento subito de la velocidad del viento solar acompanado de

la orientacion hacia el sur del componente Bz del campo magnetico interplanetario y la

disminucion en el flujo de electrones en la ionosfera. Estos fuertes gradientes espaciales

se ven reflejados en altas fluctuaciones del componente Horizontal registrado por los

variometros en el Observatorio Geomagnetico de Fuquene, de tal manera que el ındice

de actividad geomagnetica K es capaz de describir apropiadamente el comportamiento

del campo magnetico terrestre en el contexto local colombiano.

nujvnr

65

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69

Anexos

ANEXO DESCRIPCIONANEXO 1 Algoritmo en C++ para calculo del Indice K. Metodo de

Eliminacion Lineal propuesto por el Finnish MeteorologicalInstitute

ANEXO 2 Programa MAGNET-UD en Matlab 2015aANEXO 3 Manual de Uso MAGNET-UDANEXO 4 Evaluacion de calidad de datos geomagneticos proporcionados

por MAGNET-UDANEXO 5 Escalamiento del componente Horizontal y DeclinacionANEXO 6 Productos intermedios para la obtencion final del Indice K

para el Observatorio Geomagnetico de Fuquene, ColombiaANEXO 7 Correlacion entre K y Kp

70

metodolog a para la aplicacion del ndice k para el observatorio...

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