Guia Para La Aplicacion de La Vigilancia Dela Salud en Industrias Carnicas
Metodolog a para la Aplicacion del ndice K para el observatorio...
Transcript of 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
60 minutos si 18h ≤ ti < 21h
120 minutos si 21h ≤ ti < 24h
(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
Figura 6.3: Indice geomagnetico K, Semana 2
47
Figura 6.4: Indice geomagnetico K, Semana 3
Figura 6.5: Indice geomagnetico K, Semana 4
Figura 6.6: Indice geomagnetico K, Semana 5
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.
Figura 6.14: (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 6.14 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).
Figura 6.18: (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
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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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
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