COMPONENTES DEL CAMPO GEOMAGNÉTICO Y SU RELACIÓN CON EL COMPORTAMIENTO METEOROLÓGICO EN LA ESTACIÓN DE FÚQUENE EN EL
PERIODO 2005-2015
Brian Smith Garzón Cárdenas & Dinorath Gil Yepez.
2017.
Universidad Distrital Francisco José de Caldas.
Facultad de Ingeniería.
ii APLICACIÓN DE LA TRANSFORMADA WAVELET PARA EL ANÁLISIS DE LAS
COMPONENTES DEL CAMPO GEOMAGNÉTICO Y SU RELACIÓN CON EL COMPORTAMIENTO METEOROLÓGICO EN LA ESTACIÓN DE FÚQUENE EN EL
PERIODO 2005-2015
Brian Smith Garzón Cárdenas 20101025040
Dinorath Gil Yepez 20112025052.
Monografía
Directores: Ingeniero Luis Fernando Gómez
Ingeniero Andrés Cárdenas Contreras
2017.
Universidad Distrital Francisco José de Caldas.
Facultad de Ingeniería.
iii Nota de aceptación
_______________________________________ _______________________________________ _______________________________________ _______________________________________ _______________________________________
_______________________________________ Firma
iv Dedicatoria
v Agradecimientos
A los ingenieros Luis Gómez y Andrés Cárdenas Contreras por promover nuestra iniciación en la investigación, orientándonos y ayudándonos en la realización de esta monografía, por su disposición permanente en tutorías para aclarar inquietudes y su colaboración para el acceso a bibliografía e información pertinente para el desarrollo del proyecto.
A la Universidad Distrital Francisco José de Caldas en el proyecto curricular de Ingeniería Catastral y Geodesia por su staff de profesores que compartieron sus conocimientos y experiencias permitiendo nuestra formación profesional.
A la Universidad Distrital Francisco José de Caldas representada por los ingenieros Andrés Cárdenas y Luis Gómez, al Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC) representado por los ingenieros José Ricardo Guevara y Francisco Mora por la creación del Semillero de Investigación de Geodesia que incentivo y dio lugar a la ejecución de este proyecto.
Al profesor Néstor Bernal por su asesoramiento en el ámbito meteorológico.
vi Resumen
En esta monografía se describe el comportamiento de las componentes geomagnéticas y las variables meteorológicas en Fúquene, a partir de los fundamentos teóricos de la transformada Wavelet.
vii Tabla de Contenidos
Capítulo I Presentación ... 1
1.1 Introducción ... 1
1.2 Formulación ... 2
1.2.1 Declaración del problema. ... 2
1.2.2 Justificación. ... 3
1.2.3 Hipótesis. ... 4
1.3 Objetivos ... 4
1.3.1 Objetivo general. ... 4
1.3.2 Objetivos específicos. ... 4
Capítulo II Marco Referencial ... 4
2.1 Estado del arte y antecedentes ... 4
2.2 Delimitación ... 5
2.2.1 Estación de Fúquene. ... 5
Capítulo III Marco Teórico ... 6
3.1 Geomagnetismo ... 6
3.1.1 Campo magnético terrestre. ... 6
3.1.2 Tormentas geomagnéticas. ... 10
3.1.3 Índices magnéticos. ... 11
3.2 Meteorología y climatología. ... 12
3.2.1 Climatología. ... 12
3.2.2 Meteorología. ... 12
3.3 Fuentes de información ... 17
3.3.1 Estación de Fúquene. ... 17
3.3.2 National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). ... 24
3.3.3 International Association of Geomagnetism and Aeronomy (IAGA) ... 24
3.4 Metodología ... 25
3.4.1 Estadística descriptiva. ... 25
3.4.2 Métodos de interpolación. ... 31
3.4.3 Transformada Wavelet. ... 32
Capítulo IV Metodología ... 43
4.1 Control de calidad ... 43
4.1.1 Detección de datos anómalos. ... 43
4.1.2 Clasificación de datos geomagnéticos anómalos. ... 48
4.1.3 Resumen datos anómalos. ... 51
4.1.4 Resumen general. ... 52
4.1.5 Contraste con el modelo matemático IGRF. ... 54
4.2 Análisis univariante ... 57
4.2.1 Análisis exploratorio de datos y evaluación estadística. ... 57
4.3 Análisis de las series temporales... 62
4.3.1 Análisis de tendencia, nivel y estacionalidad. ... 62
4.3.2 Análisis de dependencia entre variabilidad y nivel... 69
4.4 Análisis Wavelet ... 71
4.4.1 Preliminares. ... 71
viii
4.4.3 Descomposición y caracterización escala estacional. ... 119
4.4.4 Correlación entre las componentes del campo geomagnético y las variables meteorológicas. ... 137
4.5 Análisis e interpretación de resultados. ... 151
4.5.1 Descomposición y caracterización escala intraestacional. ... 151
4.5.2 Descomposición y caracterización escala estacional. ... 154
4.5.3 Correlación entre las componentes del campo geomagnético y las variables meteorológicas. ... 160
4.6 Validación ... 162
4.6.1 Validación estadística. ... 162
4.6.2 Validación teórica. ... 167
4.7 Conclusiones ... 183
ix Lista de tablas
Tabla 1. Localización Observatorio Geomagnético de Fúquene. ... 6
Tabla 2. Valor índice Kp (Web solar uruguaya, s.f.). ... 11
Tabla 3. Valores índices Ap (Web solar uruguaya, s.f.). ... 11
Tabla 4. Propiedades de las wavelets más comunes. Fuente: (Gómez Luna, Silva, & Aponte, 2013). ... 39
Tabla 5. Clasificación datos anómalos meteorológicos anómalos 2005-2015. ... 45
Tabla 6. Clasificación datos anómalos geomagnéticos 2005-2015. ... 48
Tabla 7. Resumen datos anómalos por año 2005-2015. ... 51
Tabla 8. Resumen datos anómalos por componente 2005-2015... 52
Tabla 9. Resumen datos geomagnéticos por año 2005-2015. ... 52
Tabla 10. Resumen datos geomagnéticos por componente 2005-2015. ... 53
Tabla 11. Resumen datos meteorológicos por mes 2005-2015. ... 53
Tabla 12. Resumen datos meteorológicos por componente 2005-2015. ... 53
Tabla 13. Estadísticas componente horizontal Fúquene vs IGRF 2005-2015. ... 57
Tabla 14. Correlación de Pearson componente horizontal Fúquene vs IGRF 2005-2015... 57
Tabla 15. Estadísticas componente horizontal 2005-2015. ... 58
Tabla 16. Estadísticas componente horizontal campo magnético 2005-2014. ... 60
Tabla 17. Intervalos de análisis escala interanual. ... 75
Tabla 18. Categorización del índice MEI por rangos. ... 76
Tabla 19. Índice MEI por rangos 2005-2015. ... 76
Tabla 20. Categorización anomalía niño 3. ... 76
Tabla 21. Anomalía niño 3 2005-2015. ... 76
Tabla 22. Categorización anomalía niño 1+2. ... 77
Tabla 23. Anomalía niño 1+2 2005-2015. ... 77
Tabla 24. Intervalos de análisis escala estacional. ... 77
Tabla 25. Intervalos de análisis escala intraestacional horaria geomagnética y clasificación según los índices geomagnéticos... 78
Tabla 26. Intervalos de análisis escala intraestacional diaria geomagnética - meteorológica y clasificación según los índices geomagnéticos. ... 78
Tabla 27. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la horizontal primer periodo días quietos. ... 85
Tabla 28. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la horizontal segundo periodo días quietos. ... 86
Tabla 29. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la horizontal tercer periodo días quietos. ... 87
Tabla 30. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la horizontal cuarto periodo días quietos. ... 87
Tabla 31. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la horizontal primer periodo días perturbados. ... 88
Tabla 32. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la horizontal segundo periodo días perturbados. ... 89
x Tabla 34. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la horizontal
cuarto periodo días perturbados. ... 90 Tabla 35. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre el brillo solar
primer periodo días quietos. ... 91 Tabla 36. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre el brillo solar
segundo periodo días quietos. ... 91 Tabla 37. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre el brillo solar
tercer periodo días quietos. ... 91 Tabla 38. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre el brillo solar
cuarto periodo días quietos. ... 91 Tabla 39. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre el brillo solar
primer periodo días perturbados. ... 92 Tabla 40. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre el brillo solar
segundo periodo días perturbados. ... 92 Tabla 41. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre el brillo solar
tercer periodo días perturbados. ... 92 Tabla 42. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre el brillo solar
cuarto periodo días perturbados. ... 92 Tabla 43. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la precipitación
primer periodo días quietos. ... 93 Tabla 44. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la precipitación
segundo periodo días quietos. ... 93 Tabla 45. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la precipitación
tercer periodo dias quietos. ... 93 Tabla 46. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la precipitación
cuarto periodo días quietos. ... 93 Tabla 47. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la precipitación
primer periodo días perturbados. ... 94 Tabla 48. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la precipitación
segundo periodo días perturbados. ... 94 Tabla 49 Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la precipitación
tercer periodo días perturbados. ... 95 Tabla 50 Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la precipitación
cuarto periodo días perturbados. ... 95 Tabla 51. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la temperatura
primer periodo días quietos. ... 95 Tabla 52. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la temperatura
segundo periodo días quietos. ... 95 Tabla 53. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la temperatura
tercer periodo días quietos. ... 96 Tabla 54. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la temperatura
cuarto periodo días quietos. ... 96 Tabla 55. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la temperatura
primer periodo días perturbados. ... 96 Tabla 56. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la temperatura
xi Tabla 57. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la temperatura
tercer periodo días perturbados. ... 97 Tabla 58. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la temperatura
cuarto periodo días perturbados. ... 97 Tabla 59. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre el brillo solar
primer periodo fenómeno del niño. ... 97 Tabla 60. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre el brillo solar
segundo periodo fenómeno del niño. ... 98 Tabla 61. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre el brillo solar
primer periodo fenómeno de la niña. ... 98 Tabla 62. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre el brillo solar
segundo periodo fenómeno de la niña. ... 99 Tabla 63. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la precipitación
primer periodo fenómeno del niño. ... 100 Tabla 64. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la precipitación
segundo periodo fenómeno del niño. ... 101 Tabla 65. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la precipitación
primer periodo fenómeno de la niña. ... 101 Tabla 66. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la precipitación
segundo periodo fenómeno de la niña. ... 102 Tabla 67. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la temperatura
primer periodo fenómeno del niño. ... 103 Tabla 68. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la temperatura
segundo periodo fenómeno del niño. ... 104 Tabla 69. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la temperatura
primer periodo fenómeno de la niña. ... 104 Tabla 70. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición de la db sobre la temperatura
segundo periodo fenómeno de la niña. ... 105 Tabla 71. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición en la horizontal: EMC y
diferencia entre señales– Días quietos. ... 106 Tabla 72. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición en la horizontal: EMC y
diferencia entre señales– Días perturbados. ... 106 Tabla 73. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición en el brillo solar: EMC y
diferencia entre señales– Días quietos. ... 107 Tabla 74. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición en el brillo solar: EMC y
diferencia entre señales– Días perturbados. ... 107 Tabla 75. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición en la precipitación: EMC y
diferencia entre señales– Días quietos. ... 107 Tabla 76. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición en la precipitación: EMC y
diferencia entre señales– Días perturbados. ... 108 Tabla 77. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición en la temperatura: EMC y
diferencia entre señales– Días quietos. ... 108 Tabla 78. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición en la temperatura: EMC y
diferencia entre señales– Días perturbados. ... 108 Tabla 79. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición en el brillo solar: EMC y
xii Tabla 80. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición en la evaporación: EMC y
diferencia entre señales– Fenómeno de la niña. ... 109
Tabla 81. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición en la humedad relativa: EMC y diferencia entre señales– Fenómeno del niño. ... 109
Tabla 82. Criterios para evaluar la capacidad de descomposición en la temperatura: EMC y diferencia entre señales– Fenómeno de la niña. ... 110
Tabla 83. Intervalos de coeficientes de detalle y detalles componente horizontal días quietos. 152 Tabla 84. Umbrales de descomposición componente horizontal días quietos... 153
Tabla 85. Intervalos de coeficientes de detalle y detalles componente horizontal días perturbados. ... 153
Tabla 86. Umbrales de descomposición componente horizontal días perturbados. ... 154
Tabla 87. Intervalos de coeficientes de detalle y detalles brillo solar fenómeno del niño ... 155
Tabla 88. Umbrales coeficientes de detalle brillo solar fenómeno del niño. ... 155
Tabla 89. Intervalos de coeficientes de detalles y detalles precipitación fenómeno del niño .... 156
Tabla 90. Umbrales de descomposición precipitación fenómeno del niño. ... 156
Tabla 91. Intervalos coeficientes de detalles y detalles temperatura fenómeno del niño ... 157
Tabla 92. Umbrales de descomposición temperatura fenómeno del niño. ... 157
Tabla 93. Intervalos de coeficientes de detalles y detalles brillo solar fenómeno de la niña. .... 158
Tabla 94. Umbrales de descomposición brillo solar fenómeno de la niña ... 158
Tabla 95. Intervalos de coeficientes de detalles y detalles precipitación fenómeno de la niña .. 159
Tabla 96. Umbrales de descomposición precipitación fenómeno de la niña ... 159
Tabla 98 Intervalos Coeficientes de detalles y detalles- Temperatura-Fenómeno niña ... 160
Tabla 99 Umbrales de descomposición-Temperatura- Fenómeno niña ... 160
xiii Lista de figuras
Figura 1. Isla El Santuario de la Laguna de Fúquene. ... 6
Figura 2. Campo geomagnético. ... 7
Figura 3. Componentes del campo magnético terrestre. ... 7
Figura 4. Campo geomagnético en interacción con la actividad solar. ... 9
Figura 5. Regiones El Niño. ... 14
Figura 6. La temperatura del Pacifico Central y Oriental durante el episodio del Niño. ... 15
Figura 7. La temperatura del Pacifico Central y Oriental durante el episodio de la Niña. ... 16
Figura 8. Magnetómetro Diflux RUSKA... 18
Figura 9. Magnetómetro de Precisión Protónica (PPM). ... 19
Figura 10. Magnetograma. ... 19
Figura 11. Estación meteorológica Isla El Santuario IDEAM. ... 20
Figura 12. Cobertizos meteorológicos. ... 21
Figura 13. Termómetros de máxima y de mínima. ... 21
Figura 14. Higrógrafo. ... 22
Figura 15. (a.) Heliógrafo. (b.) Tanque de evaporación. ... 23
Figura 16. (a.) Pluviógrafo. (b.) Anemómetro ... 24
Figura 17. Ejemplo de grafico temporal. (Sari, 2008) ... 29
Figura 18. Ejemplo distribución de frecuencias: Tasas de notificación de neumonías por provincia, Argentina, 2000. ... 29
Figura 19. Ejemplo histogramas para los datos de tasas de neumonía notificadas por las provincias argentinas, Argentina, año 2000. (Universidad de Buenos Aires - Facultad de Ciencias Exactas y Naturales - Departamento de matematica, 2016) ... 30
Figura 20. Ejemplo diagrama de caja del primer sueldo de los egresados de Administración de empresas de una universidad. (Direccion de estadisticas, Marcoli, & D'Amelio, 2016) ... 31
Figura 21. Diagramas de dispersión y tipos de relaciones. ... 31
Figura 22. Transformada wavelet. ... 33
Figura 23. Diagrama de descomposición de señales. Fuente: (Kouro R & Musalem M) ... 37
Figura 24. Árbol de descomposición transformada discreta Wavelet. ... 38
Figura 25. Gráfico temporal componente horizontal Fúquene e IGRF 2005-2015. ... 55
Figura 26. Diagramas de dispersión componente horizontal Fúquene vs IGRF 2005-2015. (a.) Componente horizontal por año. (b.) Componente horizontal por mes ... 56
Figura 27. Histogramas componente horizontal 2005-2015. ... 59
Figura 28. Histogramas componentes campo magnético 2005-2015. (a.) Declinación. (b.) Componente horizontal. (c.) Componente vertical ... 61
Figura 29. (a.) Gráfico de secuencia componente horizontal 2005-2014. (b.) Diagramas de caja componente horizontal 2005-2014. ... 63
Figura 30. (a.) Gráfico de secuencia a escala interanual brillo solar 2005-2014. (b.) Gráfico de secuencia a escala estacional brillo solar 2005-2014. (c.) Diagramas de caja a escala interanual brillo solar 2005-2014. (d.) Diagramas de caja a escala estacional brillo solar 2005-2014. ... 64
xiv Figura 32. (a.) Gráfico de secuencia a escala interanual humedad relativa 2005-2014. (b.)
Gráfico de secuencia a escala estacional humedad relativa 2005-2014. (c.) Diagramas de caja a escala interanual humedad relativa 2005-2014. (d.) Diagramas de caja por año a
escala estacional 2005-2014. ... 66
Figura 33. (a.) Gráfico de secuencia a escala interanual precipitación 2005-2014. (b.) Gráfico de secuencia a escala estacional 2005-2014. (c.) Diagramas de caja a escala interanual precipitación 2014. (d.) Diagramas de caja a escala estacional precipitación 2005-2014... 67
Figura 34. (a.) Gráfico de secuencia a escala interanual temperatura media 2005-2014. (b.) Gráfico de secuencia a escala estacional temperatura media 2005-2014. (c.) Diagramas de caja a escala interanual temperatura media 2005-2014. (d.) Diagramas de caja a escala estacional temperatura media 2005-2014. ... 68
Figura 35. Diagramas de caja a escala interanual recorrido del viento 2005-2014. ... 69
Figura 36. Gráficos de dispersión por nivel componentes geomagnéticas. (a.) Componente horizontal. ... 70
Figura 37. Gráficos de dispersión por nivel componentes meteorológicas. (a.) Brillo solar. (b.) Evaporación. (c.) Humedad relativa. (d.) Precipitación. (e.) Temperatura media. ... 71
Figura 38. Graficas de interpolación componente horizontal. ... 73
Figura 39. Gráficas de interpolación brillo solar. ... 73
Figura 40. Graficas de interpolación para precipitación. ... 74
Figura 41. Graficas de interpolación para temperatura media. ... 74
Figura 42. Frecuencia resolución, wavelet. Fuente: (Odim Mendes Jr., 2004) ... 80
Figura 43. Descomposición Wavelet componente horizontal primer periodo días quietos. ... 112
Figura 44. Descomposición Wavelet componente horizontal segundo periodo días quietos. .... 113
Figura 45. Descomposición Wavelet componente horizontal tercer periodo días quietos. ... 114
Figura 46. Descomposición Wavelet componente horizontal cuarto periodo días quietos. ... 115
Figura 47. Descomposición Wavelet componente horizontal primer periodo días perturbados. 116 Figura 48. Descomposición Wavelet componente horizontal segundo periodo días perturbados. ... 117
Figura 49. Descomposición Wavelet componente horizontal tercer periodo días perturbados. . 118
Figura 50. Descomposición Wavelet componente horizontal cuarto periodo días perturbados. 119 Figura 51.Descomposición Wavelet brillo solar primer periodo fenómeno del niño. ... 120
Figura 52. Descomposición Wavelet brillo solar segundo periodo fenómeno del niño. ... 122
Figura 53. Descomposición Wavelet precipitación primer periodo fenómeno del niño. ... 123
Figura 56. Descomposición Wavelet precipitación segundo periodo fenómeno del niño. ... 125
Figura 59. Descomposición Wavelet temperatura primer periodo fenómeno del niño. ... 126
Figura 60. Descomposición Wavelet temperatura segundo periodo fenómeno del niño. ... 128
Figura 53. Descomposición Wavelet brillo solar primer periodo fenómeno de la niña. ... 129
Figura 54. Descomposición Wavelet brillo solar segundo periodo fenómeno de la niña. ... 131
Figura 57. Descomposición Wavelet precipitación primer periodo fenómeno de la niña. ... 132
Figura 58. Descomposición Wavelet precipitación segundo periodo fenómeno de la niña. ... 134
Figura 61. Descomposición Wavelet temperatura primer periodo fenómeno de la niña. ... 135
Figura 62. Descomposición Wavelet temperatura segundo periodo fenómeno de la niña. ... 137
xv Figura 64. Gráficas de correlación cruzada horizontal – evaporación primer periodo días
perturbados. ... 139
Figura 65. Gráficas de correlación cruzada horizontal – humedad primer periodo días perturbados. ... 140
Figura 66. Gráficas de correlación cruzada horizontal – precipitación primer periodo días perturbados. ... 141
Figura 67. Gráficas de correlación cruzada horizontal – temperatura primer periodo días perturbados. ... 141
Figura 68. Gráficas de correlación cruzada horizontal – brillo solar primer periodo fenómeno del niño. ... 142
Figura 69. Gráficas de correlación cruzada horizontal – evaporación primer periodo fenómeno del niño... 143
Figura 70. Gráficas de correlación cruzada horizontal – humedad relativa primer periodo fenómeno del niño... 144
Figura 71. Gráficas de correlación cruzada horizontal – precipitación primer periodo fenómeno del niño... 145
Figura 72. Gráficas de correlación cruzada horizontal –temperatura primer periodo fenómeno del niño. ... 146
Figura 73. Gráficas de correlación cruzada horizontal – brillo solar. ... 147
Figura 74. Gráficas de correlación cruzada horizontal – evaporación. ... 148
Figura 75. Gráficas de correlación cruzada horizontal – humedad relativa. ... 149
Figura 76. Gráficas de correlación cruzada horizontal – precipitacion. ... 150
Figura 77. Gráficas de correlación cruzada horizontal – temperatura. ... 151
Figura 78. Diagramas de dispersión componentes campo geomagnético vs variables meteorológicas Fúquene 2005-2014. ... 167
Figura 79. La latitud de días frente a las representaciones medidas de densidad mensual de la termosfera (arriba) y simulado por el modelo NRLMSISE-00 (abajo) entre el 1º y el 30 abril de 2002, 16:30 hora local (izquierda) y 04:30 (derecha). Fuente: Fang, Weng & Sheng, 2012... 170
Figura 80.La actividad geomagnética se correlaciona positivamente con la presión del nivel del mar en el Atlántico y una correlación negativa en la región de baja Islandia. Fuente: Bucha & Bucha, 1998. ... 171
Figura 81. Funciones periódicas que simulan los principales ciclos que se produjeron en los cambios de temperatura y carbono 14. Fuente: Bucha & Bucha, 1998. ... 171
Figura 82. Impacto del campo magnético y la radiación solar. Fuente: Dergachev et al., 2012. 173 Figura 83. Impacto del campo magnético y la radiación solar. Fuente: Dergachev et al., 2012. 174 Figura 84. Correlaciones lineales mensuales de la temperatura del aire de 1000 mb (enero 1966-2009) con la temperatura global. Fuente: Bucha, 2012. ... 175
Figura 85. Correlaciones lineales mensuales de la temperatura del aire de 1000 mb superficie (enero 1966-2009) con la actividad geomagnética. Fuente: Bucha, 2012. ... 175
Figura 86. Valores medios compuestos de 30 mb altura geopotencial (en m) para ocho configuraciones en diciembre del vórtice polar: (a.) en valores bajos aa, (b.) bajo aumento de los valores aa cuando los turnos de vórtice hacia Europa giran en sentido antihorario. Fuente: Bucha, 2012. ... 175 Figura 87. Valores de anomalías compuestos de 30 mb altura geopotencial (en m) para ocho
xvi de los valores aa cuando los turnos de vórtice hacia Europa giran en sentido antihorario. Fuente: Bucha, 2012. ... 176 Figura 88. (a.) Mapas compuestos de las diferencias de diez distribuciones anómalas de una
temperatura (en °C); (b.) la presión en la estratosfera en el vórtice polar en el 30 mb nivel isobárica (en m). El efecto de la señal geomagnética se produjo como un aumento anómalo de la temperatura y la presión, en particular en el norte de Canadá. Fuente: Bucha, 2012. Changes in geomagnetic activity and global temperature during the past 40 years. 2016. 176 Figura 89. Promedio variaciones de los índices Ap medios mensuales (paneles superiores),
valores de SOI (paneles centrales) y el coeficiente de El Niño 3.4 (paneles inferiores) para (a.) 24 eventos de El Niño y (b.) 24 eventos de La Niña. Fuente: Vovk & Egorova, 2009. ... 178 Figura 90. Las variaciones en (a.) SOI, (b.) El Niño 3.4 y (c.) desviaciones en la temperatura
superficial promedio mensual de la temperatura anual normal en Vladivostok; los
promedios son de 12 eventos ... 178 Figura 91. Variaciones en la temperatura superficial media diaria en Murmansk (promediados a
lo largo de enero): (a.) durante 26 años sin eventos cálidos y (b.) en los últimos años con El Niño (1940, 1965, 1977, 1982, 1983, 1987 y 1991). Fuente: Vovk & Egorova, 2009. ... 179 Figura 92. Promedio de las variaciones de la media mensual SOI en los últimos años con
erupciones volcánicas durante 24 años en el fenómeno de La Niña (la curva superior) y para los 73 años restantes (la curva inferior); el mes de la aparición de la erupción es clave .... 180 Figura 93. Variaciones en SOI: los promedios de 14 eventos de El Niño en los años (a.) sin
erupciones volcánicas de gran alcance y (b.) con erupciones de K> 4 ... 180 Figura 94. Variaciones en SOI (paneles superiores) y las correspondientes dependencias de
1 Capítulo I
Presentación 1.1 Introducción
El comportamiento de la dinámica terrestre no es estrictamente producto de factores internos, sino que a su vez se ve influenciado por la dinámica externa en donde el sol aparece como precursor al ser la estrella más influyente sobre la tierra.
Para iniciar; los factores internos de la dinámica terrestre tienen su origen en el proceso generado por la rotación de la tierra y la alta temperatura en su interior, que impulsan un fluido conductor compuesto de diversos materiales como el hierro, presente en el magma y en el núcleo interno y externo, produciendo continuamente corrientes eléctricas, que a su vez generan y mantienen el campo magnético dipolar de la tierra. De ahí, surge la teoría de la dinamo, en donde el núcleo es capaz de transformar la energía mecánica en energía magnética. (Cardenas & Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas, 2014) La caracterización de que las corrientes eléctricas sean producidas continuamente, no está relacionada con una condición no cambiante del campo magnético terrestre, sino que, por el contrario, se reconoce que el campo magnético experimenta fluctuaciones significativas en su intensidad debido a la dinámica propia de la tierra y a los factores externos que se mencionaran a continuación.
La dinámica espacial tiene sus cimientos en el sol, la estrella rectora de nuestro sistema, de ahí el nombre que le acredita. En el sol durante su ciclo de 11 años, su plasma se mueve a distintas temperaturas y velocidades, provocando que unas capas de plasma se deslicen sobre otras, creando el campo magnético solar reflejado en las manchas solares, ráfagas y protuberancias, que varían en cantidad dependiendo de la época del ciclo solar (Sociedad Española de Astronomia (SEA), s.f.). Al iniciarse e incrementarse la intensidad de la actividad solar, las líneas de partículas cargadas eléctricamente del campo magnético solar son empujadas hacia el exterior del sol lo que se conoce como bucles coronales; y, cuando la actividad solar es máxima, se conocen como fulguraciones, que hacen que el plasma se expanda por el sistema solar y formen el viento solar que influye directamente sobre el comportamiento del campo magnético terrestre, perturbándolo y energizándolo, reflejado en los fenómenos de las auroras boreales y australes (AstroMia, s.f.). Las explosiones más fuertes son conocidas como eyecciones de masa coronal, que originan tormentas solares de gran dimensión (Instituto de Astrofisica de Canarias (IAC), s.f.).
2 De acuerdo a lo anterior, el sol influye directamente sobre el campo magnético y el clima, por lo que surge la consideración de una posible relación entre el comportamiento de las propiedades atmosféricas y sus fenómenos en relación al tiempo y a las condiciones de la superficie, con el campo magnético terrestre, siendo esta la hipótesis del proyecto de investigación aquí propuesto. Se propone como metodología la transformada Wavelet, ya que permite el análisis a diversas escalas y muestra el contenido de información en el espectro de frecuencia, permitiendo un acceso intuitivo a las propiedades estadísticas de las series de datos que no es posible a través de la aplicación de métodos convencionales estocásticos.
1.2 Formulación
1.2.1 Declaración del problema.
A grandes rasgos, el comportamiento climático es modelado principalmente por los procesos internos de la tierra, así mismo es afectado por procesos derivados de la actividad humana como el desarrollo de la industria, entre otros, los cuales tienen como consecuencia el desgaste de los recursos naturales y la contaminación de los ecosistemas, que trae consigo alteraciones climáticas como el calentamiento global reflejado en el deshielo de las zonas polares, el aumento de los incendios forestales, escasez de los recursos hídricos y su repercusión sobre la fauna y flora, etc.
Concretamente, las variaciones negativas en el clima tienen influencia sobre las actividades económicas humanas, especialmente las del sector primario, es decir aquellas que tienen como objetivo la extracción de bienes y la obtención de recursos provenientes del medio natural (agricultura, ganadería, pesca), actividades de las cuales se derivan las del sector secundario y terciario, afectando los niveles de calidad de la población. Por ejemplo, las épocas de inundación y de sequía son el principal factor de riesgo en la agricultura, provocando el incremento de los precios y las pérdidas de los agricultores. (QUIROGA GÓMEZ, s.f.)
Los modelos de predicción climática y meteorológica son utilizados para brindar solución a los problemas anteriormente mencionados, ya que funcionan como herramienta para la optimización de procesos de planificación derivados de esta temática a largo y corto plazo.
Comúnmente son utilizadas técnicas estadísticas para describir el comportamiento de los datos recogidos secuencialmente a lo largo del tiempo y en menor medida se utilizan técnicas que operen dentro del dominio de la frecuencia, que entre otras ventajas, brindan la posibilidad de extraer información importante, de detalle, discontinuidades y saltos significativos en las señales, que no son palpables a simple vista, ni que se pueden obtener fácilmente con métodos estadísticos temporales convencionales.
3 mencionadas previamente, Wavelet además de ser una herramienta de gran utilidad sería una herramienta de innovación en ésta temática.
1.2.2 Justificación.
Las actividades económicas dependientes de las condiciones naturales de la tierra (agricultura, ganadería, pesca) así como de las condiciones atmosféricas, requieren de una planificación eficiente que se materializa en la optimización de los procesos generando mejoras a nivel económico y de planeación espacial. El avance tecnológico ha permitido que puedan alterarse en algún grado las condiciones del suelo, pero no ha sucedido lo mismo con las condiciones atmosféricas. Dichas condiciones no pueden modificarse, pero es posible predecirlas a través de modelos de predicción meteorológica que no han sido muy acertados.
Para entender mejor el comportamiento climático, es necesario estudiar la relación de las componentes del campo magnético con este, brindando insumos como modelos de predicción climatológica y meteorológica más acertados que sean útiles en aplicaciones sociales, económicas, ecológicas, del ámbito científico, para la prevención y que permitan aumentar la capacidad de resiliencia ante fenómenos naturales y también generar recursos que sustenten metodologías para analizar el cambio y por tanto el deterioro climático. Por ejemplo, en la agricultura, sería muy provechoso incrementar la habilidad del sector, disminuyendo la incertidumbre de los agricultores, para que puedan responder correctamente ante las variaciones climáticas, tomando decisiones anticipadas gracias a los modelos de predicción.
En Colombia, no existen muchos estudios acerca de geomagnetismo, ya que esta no es una rama pionera de investigación en el país, y, porque existe una única estación geomagnética en el país, ubicada estratégicamente en la laguna de Fúquene en el departamento de Cundinamarca, debido a que en dicha ubicación, no hay perturbaciones que afecten las mediciones del campo magnético. Los datos magnéticos medidos en esta estación no han tenido un uso evidente en el país, por lo que se hace innovador utilizarlos para estudios del comportamiento geomagnético actual.
Las mediciones realizadas de forma continua las 24 horas del día en el Observatorio Geomagnético de Fúquene se representan en magnetogramas, estas representaciones son señales transcritas por los magnetómetros, con una amplitud en el dominio del tiempo. Analizar los datos como series temporales es pertinente para estudiar la variabilidad de los mismos, más sin embargo la transformada Wavelet permite analizarlos no solo en amplitud y tiempo, sino a su vez en frecuencia, con lo que se puede detectar el trasfondo del comportamiento de la señal gracias a su descomposición en diferentes bandas de frecuencia (Industriales, 2002).
Por lo anterior, y por la declaración del problema, se propone realizar un estudio de las señales geomagnéticas y meteorológicas por medio de esta transformada, detectando discontinuidades y saltos que manifiestan variaciones significativas, siendo únicamente visibles en el dominio de la frecuencia.
4 evaluar la relación entre dichas variables, contrastando los momentos de alta variabilidad en cada una de las señales (picos), los momentos de variabilidad constante (momentos quietos), para encontrar momentos coincidentes o no, en los comportamientos geomagnéticos y meteorológicos en Fúquene. Por último, se pretende validar el modelo para brindar una herramienta a otras aplicaciones que lo requieran.
1.2.3 Hipótesis.
La caracterización o identificación de patrones y la posible relación de las variables magnéticas con las meteorológicas a partir de la transformada Wavelet, abre camino a nuevas herramientas de investigación y soporte para distintas aplicaciones, ya que dichas variables se ven involucradas en diversos ambientes técnico-científicos. Si se establece con el uso de la transformada Wavelet, que existe o no dicha relación entre el campo magnético y el comportamiento climático se proporcionaría una serie de bases para el análisis experimental, y, también un importante fundamento de predicción en tanto puede remediar algunas de las dificultades mencionadas, poniendo en consideración el comportamiento geomagnético como pieza explicativa del comportamiento climático, o por el contrario se probaría que esta hipótesis es falsa y no se tendría en cuenta dicha consideración para posteriores investigaciones.
1.3 Objetivos
1.3.1 Objetivo general.
Analizar las componentes del campo geomagnético y su relación con el comportamiento meteorológico en la estación de Fúquene en el periodo 2005 – 2015.
1.3.2 Objetivos específicos.
Describir el comportamiento de las variables geomagnéticas y meteorológicas en Fúquene.
Evaluar la relación entre las variables geomagnéticas y meteorológicas en Fúquene. Validar el modelo para analizar las componentes del campo geomagnético y su relación
con el comportamiento meteorológico en Fúquene. Capítulo II Marco Referencial 2.1 Estado del arte y antecedentes
5 recursos como Engineering Information, Forestry Compendium, IEEE, IOP Science, Science Direct y Science Magazine. Los resultados obtenidos estuvieron alrededor de los 8450 registros para Google académico, de acuerdo con las combinaciones seleccionadas, y alrededor de los 2000 registros para los recursos restantes.
No se realizó filtro temporal de los archivos, puesto que se tuvieron en cuenta aquellos que hacían referencia a cambios en el clima en periodos largos de tiempo y era de interés conocer estas variaciones en épocas antiguas del planeta, que se encontraban registradas en publicaciones de diferentes momentos. Se seleccionaron aquellos documentos que incluyeran, independientemente de la orientación de su investigación, la fundamentación teórica de geomagnetismo, climatología y meteorología, las metodologías empleadas que reunieran tratamiento de datos, desarrollo de procedimientos y análisis, provenientes principalmente de organizaciones que tengan conocimientos afianzados, cuyo rigor académico sea notorio y cuenten con el reconocimiento necesario en las temáticas mencionadas para contextualizar el estado de la investigación, que reconocieran los avances y vacíos en la experimentación geomagnética, meteorológica y climatológica y tuvieran como objetivo el suministro de las herramientas necesarias para la construcción de la metodología, cuyo fin último es el estudio de la relación entre el campo geomagnético y el clima.
Finalmente, con base en los artículos recopilados, se clasifico la información según la estructura de estos y según el origen de los datos: en el apartado “Paleoclimatología y paleomagnetismo” están los artículos que basaron su estudio en datos obtenidos a partir del estudio geológico de la superficie terrestre; los del apartado “La relevancia del clima espacial de la atmósfera” son artículos relacionados con procesos asociados a variaciones en la atmósfera como producto de la incidencia del clima espacial en esta; en “Un acercamiento a la meteorología y climatología” están los documentos que se refieren al comportamiento climático terrestre y no exclusivamente en relación a la atmósfera; por último, “Geomagnetismo en Colombia: el Observatorio Geomagnético y Meteorológico de Fúquene” es una reseña histórica sobre el geomagnetismo en Colombia y el Observatorio Geomagnético de Fúquene. (Ver validación del modelo)
2.2 Delimitación
2.2.1 Estación de Fúquene.
6
Figura 1. Isla El Santuario de la Laguna de Fúquene.
2.2.1.1 Localización geográfica.
En la tabla se muestra la localización geográfica del Observatorio (Medina Aguirre & Universidad Tecnologica de Pereira, 2012).
Tabla 1. Localización Observatorio Geomagnético de Fúquene.
País Colombia
Departamento Cundinamarca
Coordenadas geográficas
Latitud 5° 28' 12” N Longitud 72° 44' 14” W
Altura 2543 m.s.n.m.
Área 3.75 Hectáreas
Capítulo III Marco Teórico 3.1 Geomagnetismo
Se encarga del estudio del campo magnético terrestre, sus orígenes, comportamiento y sus variaciones espaciales y temporales.
3.1.1 Campo magnético terrestre.
7
Figura 2. Campo geomagnético.
3.1.1.1 Componentes.
El campo geomagnético, conocido como BT o F, es una magnitud vectorial y por lo tanto lo podemos descomponer en una serie de componentes según un determinado sistema de ejes coordenados.
Figura 3. Componentes del campo magnético terrestre.
Las componentes que describen la dirección del campo son la declinación D y la inclinación I. D e I son valores angulares, medidos en unidades de grados. La declinación es el ángulo formado entre el norte magnético y el norte geográfico, su signo es positivo si el ángulo medido esta al este y negativo si esta al oeste. La inclinación es el ángulo entre el plano horizontal y el vector total del campo. La intensidad del campo magnética total, conocida como BT o F, se define a través de la componente horizontal H, y la vertical Z. La componente horizontal H se obtiene con el Norte Geográfico (X) y la componente este, conocida como Y (Cardenas & Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas, 2014).
Las siguientes ecuaciones especifican las relaciones entre las componentes de campo geomagnético.
𝐵𝑇 = 𝐹 = (𝑋2+ 𝑌2+ 𝑍2)1/2 𝐵𝑇 = 𝐹 = (𝐻2+ 𝑍2)1/2
𝑋 = 𝐻 cos 𝐷 𝑌 = 𝐻 sin 𝐷 𝑍 = 𝐹 cos 𝐼 𝑋 = 𝐹 cos 𝐼 cos 𝐷
8 𝐷 = tan−1(𝑌
𝑋)
𝐼 = sin−1(𝑍 𝐹)
3.1.1.2 Campo magnético interno.
El comportamiento del campo magnético interno se realiza de forma dipolar, la tierra actúa como un imán natural con los polos magnéticos próximos a los polos geográficos, como se muestra en la Ilustración 1. La localización de los polos magnéticos es variable periódicamente, esto es, la tierra experimenta fluctuaciones en su intensidad a largo plazo, debilitándose el campo geomagnético, y tiene una variación estimada de 15 kilómetros sobre la superficie terrestre cada año. Se reconoce que los polos magnéticos no presentan el mismo eje axial, sino que por el contrario están en posiciones opuestas en el globo. La variación temporal de la intensidad del campo magnético se asocia con el campo interno de la tierra, que se encuentra estrechamente relacionado con los materiales y la interacción y dinámica de los mismos en el núcleo del planeta.
El fluido conductor en movimiento presente en el núcleo y el magma puede generar y mantener el campo cuyas fuerzas conductoras son la rotación de la tierra y la distribución desigual de calor en el interior que impulsa el hierro fundido u otro material del núcleo interno al núcleo externo, que también llega hasta el magma. Esta interacción y flujo de hierro fundido en el interior del planeta es continua, genera una corriente eléctrica, por lo que se mantiene el campo geomagnético. En síntesis, el núcleo se comporta como una dinamo que se autoalimenta, es decir, transforma energía mecánica en energía magnética, donde intervienen la conductividad y la velocidad del material del núcleo interno y externo (Cardenas & Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas, 2014).
3.1.1.3 Campo magnético externo.
El campo de origen externo es debido principalmente a la actividad del Sol sobre la ionosfera y la magnetosfera.
Para entender el comportamiento solar, es pertinente describir el ciclo solar máximo, que tiene una duración de 11 años durante los cuales, en él, varían la cantidad de manchas solares, ráfagas y protuberancias. Cuando se incluye la polaridad del sol, es decir cuando se toma en cuenta el tiempo en el que se invierte el sentido del campo magnético es decir sur norte - norte sur, el ciclo completo dura 22 años.
9 manchas que al final del ciclo solar, debido a las altas cantidades de energía magnética, provocan el cambio en la polaridad.
El campo magnético está formado por líneas de partículas cargadas eléctricamente, que en un principio están organizadas de polo a polo el plasma al moverse las empuja, las dobla y salen al exterior del sol en lo que se conoce como bucles coronales, cuando el sol llega a su máximo solar es decir cuando la actividad solar es máxima se expulsan enormes chorros de plasma con ondas altamente radiactivas que se conocen con el nombre de fulguraciones, posteriormente estas fulguraciones hacen que el plasma se expanda por todo el sistema solar y se forma el viento solar. En algunas ocasiones estas explosiones se conocen como eyecciones de masa coronal, que son mucho más fuertes y originan las tormentas solares, que algunas veces se ven en nuestro planeta como auroras boreales o auroras australes.
Este campo externo presenta variaciones periódicas siendo la más importante la variación diaria con período de 24 horas; también son periódicas la variación lunar, la variación anual y la variación undecenal. Otras variaciones rápidas de origen externo son las pulsaciones magnéticas, las tormentas magnéticas, las bahías, los efectos cromosféricos, etc. En la Ionosfera se produce un proceso de dinamo que recibe el nombre de dinamo ionosférica el cual se basa en el movimiento de las capas ionosféricas debido al gradiente térmico y de conductividad, y a los efectos de mareas. El movimiento de estas capas conductoras en el seno del campo geomagnético de origen interno produce corrientes eléctricas responsables del campo geomagnético de origen externo que se caracteriza por variaciones periódicas y no periódicas (Instituto Geografico Nacional Gobierno de España, 2016).
Figura 4. Campo geomagnético en interacción con la actividad solar.
3.1.1.4 Modelos teóricos del campo magnético terrestre.
3.1.1.4.1 International Geomagnetic Reference Field (IGRF).
El modelo IGRF (Campo magnético internacional de referencia) es un modelo global del campo geomagnético. Permite calcular los valores actuales de campo geomagnético desde el núcleo de la tierra hacia cualquier lugar en el espacio. (Castro, Geofisica, 2016), es decir es una serie de modelos matemáticos del campo principal de la tierra y su tasa de variación secular.
10 En las regiones de fuente libre sobre la superficie de la tierra, el campo principal con fuentes internas en la tierra, es el gradiente negativo del potencial escalar V, que es representado por una serie truncada de expansión:
(NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration, 2014)
Para este caso, el grado y orden de truncamiento será de 13, ya que para épocas después de 2000 se define así para no incluir las contribuciones del campo magnético de la corteza que domina en grados más altos. Los coeficientes se citan con una precisión de 0,1-nT, para aprovechar la mayor calidad de los datos y la buena cobertura proporcionada por Las misiones satelitales LEO (British Geological Survey, 2015).
Donde:
R = Radio planetario
𝑃𝑛𝑚 = Polinomio asociado de Legendre de grado l y orden m.
𝑔𝑛𝑚 y ℎ𝑛𝑚 son las constantes de ajuste del modelo IGRF y relacionan con la proyección de la función sobre unas funciones especiales denominadas "Armónicos Esféricos". Estas constantes cambian en el tiempo debido a la "Variación Secular" del Campo Magnético. (NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration, 2014)
3.1.1.4.2 World Magnetic Model (WMM).
El modelo magnético global es un producto de la agencia nacional de inteligencia geoespacial y el centro geográfico de defensa del Reino Unido. El WMM fue desarrollado en equipo por el centro nacional de datos geofísicos (NGDC, Boulder CO, USA) y el servicio geológico británico (BGS, Edimburgo, Escocia).
El modelo magnético global WMM es el modelo estándar utilizado por el departamento de defensa de los Estados Unidos, el ministro de defensa del Reino Unido, la organización del tratado Atlántico Norte (OTAN), y la organización Hidrográfica internacional, para la navegación, para los sistemas de referencia de actitud y rumbo, usando el campo geomagnético.
También se utiliza ampliamente en sistemas civiles de navegación y de rumbo. El modelo, el software asociado, y la documentación son distribuidos por NGDC en nombre de NGA. El modelo se produce en intervalos de 5 años, el modelo actual expira el 31 de diciembre 2019. (NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration, 2016).
3.1.2 Tormentas geomagnéticas.
11 viento solar que producen cambios importantes en las corrientes, plasmas y campos en la magnetosfera de la Tierra. Las condiciones del viento solar que son efectivas para crear tormentas geomagnéticas son sostenidas (durante varias a muchas horas) períodos de viento solar de alta velocidad, y lo más importante, un campo magnético del viento solar dirigido hacia el sur (frente a la dirección del campo de la Tierra) de la magnetosfera. Esta condición es efectiva para transferir energía del viento solar a la magnetosfera de la Tierra” (National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), 2017) . Son de alcance global y algunas de ellas pueden afectar intensamente la ionosfera originando tormentas ionosféricas que provocan perturbaciones sobre los sistemas globales de navegación y posicionamiento por satélite (GNSS) y así mismo crear las corrientes inducidas geomagnéticas dañinas (GICs) en redes eléctricas y tuberías (Herraiz Sarachaga, Rodriguez Caderot, Rodriguez Bouza, & Rodriguez Bilbao, 2014).
3.1.3 Índices magnéticos.
3.1.3.1 Índice Kp.
El subíndice “p” significa planetario y establece un índice de actividad magnética global. El índice KP, mide la actividad geomagnética en periodos de tres horas, a través de la medición de la intensidad y la cantidad de partículas provenientes de las eyecciones de masa coronal y erupciones solares, el índice describe perturbaciones en la zona de cada observatorio.
El índice KP está en un rango de 28 valores, desde 0 (quieto) a 9 (muy distorsionado) con partes fraccionadas expresadas en tercios de una unidad. Un valor K igual a 27 por ejemplo, significa 2 y 2/3 o 3; un valor k igual 30 significa 3 y 0/3 o 3 exactamente. Y un valor igual a 33 significa 3 y 1/3 o 3+.
Tabla 2. Valor índice Kp (Web solar uruguaya, s.f.).
K nT
0 0-5
1 5-10
2 10-20
3 20-40
4 40-70
5 70-120
6 120-200
7 200-330
8 330-500
9 >500
3.1.3.2 Índice Ap.
El índice A varia de 0 a 400 y representa un valor K convertido a escala lineal nanoteslas, una escala que mide que mide la amplitud de la perturbación equivalente de una estación en la que K = 9 tiene un límite inferior de 400 gammas.
Tabla 3. Valores índices Ap (Web solar uruguaya, s.f.).
K a
0 0
12
2 7
3 15
4 27
5 48
6 80
7 140
8 240
9 400
3.1.3.3 Índice Cp
Es una estimación cuantitativa a nivel general de la actividad magnética para un día determinado, es la suma de los 8 valores de ap. El índice Cp varía de 0 (quieto) a 2.5 (altamente distorsionado) (NOAA N. O., 2016).
3.1.3.4 Índice Dst
Dst (Disturbance Storm Time), es un índice de distorsión magnética en latitudes medias y ecuatoriales, derivados de periodos horarios de las variaciones de la componente horizontal.
Horariamente, las variaciones de la componente H del campo magnético son analizadas para remover las tendencias del campo secular anual, de los datos de una amplia gama de observatorios a nivel mundial. Este índice se estudia para cuantificar la interacción del viento solar con la magnetosfera terrestre. (Y.Kamide, 2007)
3.2 Meteorología y climatología.
3.2.1 Climatología.
La climatología estudio del clima y el tiempo, y de sus características en un largo plazo, es una rama de la geografía.(DEFINICION ABC, s.f.) La climatología utiliza los mismos parámetros de la meteorología, pero su objetivo no es generar previsiones inmediatas.
3.2.2 Meteorología.
La meteorología es el estudio, en el corto plazo de fenómenos atmosféricos y propiedades de la atmosfera en relación al tiempo y a las condiciones de la superficie terrestre, esta última a su vez está formada por tres partes: litósfera (parte solida), que está cubierta de hidrosfera o agua, y finalmente la atmosfera envuelve la litosfera e hidrosfera. Dichas partes siempre están interactuando entre si ocasionando transformaciones significativas en sus propiedades, la ciencia encargada del estudio de dichas propiedades y dinámica de las capas es la geofísica, por lo que la meteorología resulta ser una rama de la geofísica. (DEFINICION ABC, s.f.)
3.2.2.1 Variables meteorológicas.
13 Es una variable que representa el tiempo total durante el cual incide luz solar directa entre el alba y el atardecer. El instrumento de medición del brillo solar es el heliógrafo.
3.2.2.1.2 Temperatura.
Es una de las variables más utilizadas para describir el comportamiento de la atmosfera. Está relacionada con el movimiento de las partículas constituyentes de la materia, caracterizando el calor o la transferencia de energía térmica entre sistemas.
El instrumento de medición de la temperatura es el termómetro, inventado por Galileo Galilei en 1593.
3.2.2.1.3 Precipitación.
Es el compuesto de un agregado de partículas acuosas, liquidas o sólidas, cristalizadas o amorfas, resultado de la condensación del vapor de agua en las nubes o en el aire, que cae sobre el suelo. El aire húmedo penetra en la nube, y se desprende en ella de su vapor. Cuanto más rápido aspire la nube, mayor es la intensidad de la precipitación. La precipitación depende de la inestabilidad del aire. Los instrumentos de medición de la precipitación son el pluviómetro y el pluviógrafo.
3.2.2.1.4 Humedad.
Es la cantidad de vapor de agua que contiene el aire. Con vapor de agua se hace referencia a un proceso que parte de la existencia de un cuerpo de agua en estado líquido, que por algún método de calentamiento se somete al proceso de evaporación. (Instituto Metereologico Nacional de Costa Rica, 2000). El instrumento de medición de la humedad es el psicrómetro.
3.2.2.1.5 Evaporación.
Esta variable se encuentra estrechamente relacionada con la humedad. Hace referencia al proceso por el cual el agua cambia de estado líquido a estado gaseoso, retornando a la atmosfera en forma de vapor. (IUPA, Instituto Universitario de Plaguicidas y Aguas). Los instrumentos de medición son los tanques de evaporación y los evaporímetros.
3.2.2.1.6 Recorrido del viento.
El viento es el desplazamiento horizontal de las masas de aire, provocado por las diferencias de presión atmosférica, atribuidas a la variación de temperatura sobre la superficie terrestre. El instrumento de medición de la velocidad horizontal del viento es el anemómetro de cazoletas.
3.2.2.2 Ciclo El Niño Oscilación del Sur (ENOS).
14 Ecuatorial y su atmosfera que se presenta de 2 a 7 años de frecuencia (Biblioteca de datos climaticos Chile, 2017).
El Niño y La Niña son fases opuestas de lo que se conoce como ciclo El Niño-Oscilación del Sur (ENOS). La Niña se conoce a veces como la fase fría de ENSO y El Niño como la fase cálida de ENSO. Estas desviaciones de las temperaturas superficiales normales pueden tener impactos a gran escala no sólo en los procesos oceánicos, sino también en el clima global. Estos episodios de El Niño y La Niña suelen durar de nueve a doce meses, pero algunos eventos prolongados pueden durar años (National Oceanic and Atmosferic Administration (NOAA), 2017).
Para fines de seguimiento y vigilancia de los fenómenos del ciclo ENOS, la comunidad internacional definió cuatro regiones mostradas en la figura 5.
Figura 5. Regiones El Niño.
Región Niño 4 (Región occidental): Entre latitudes 5ºN y 5ºS y longitudes 160ºE y 150ºW.
Región Niño 3 (Región central): Entre latitudes 5ºN y 5ºS y longitudes 90ºW y 150ºW. Región Niño 3.4 (Región centro-occidental): Entre latitudes 5ºN y 5ºS y longitudes 120º
y 170ºW
Región Niño 1.2 (Región oriental): Entre latitudes 0º y 10ºS y longitudes 80º y 90ºW. 3.2.2.2.1 El Niño.
15 “La fase cálida del ciclo ENSO presenta temperaturas más altas que las normales en el Pacífico ecuatorial central y oriental junto con:
Vientos atmosféricos de bajo nivel más débiles a lo largo del ecuador Aumento de la convección en todo el Pacífico ecuatorial
Los efectos son más fuertes durante el invierno del hemisferio norte debido al hecho de que las temperaturas oceánicas en todo el mundo están en su más cálida. Este aumento del calor del océano aumenta la convección, que luego altera la corriente de chorro. En el sureste, las temperaturas invernales son a menudo más frías de lo normal
Durante la temporada de huracanes (junio a noviembre), la corriente de chorro está alineada de tal manera que la cizalladura del viento vertical se incrementa sobre el Caribe y el Atlántico. El aumento de la cizalladura del viento ayuda a evitar que las perturbaciones tropicales se conviertan en huracanes” (NC State University, 2017)
Figura 6. La temperatura del Pacifico Central y Oriental durante el episodio del Niño.
3.2.2.2.2 La Niña.
Los episodios de La Niña representan períodos de temperaturas de superficie del mar inferior a la media a lo largo del Pacífico Ecuatorial Este-Central. Los impactos de La Niña tienden a ser opuestos a los impactos de El Niño (National Oceanic and Atmosferic Administration (NOAA), 2017).
“Esta fase del ciclo ENSO presenta SST más frías que las normales en todo el Pacífico ecuatorial central y oriental junto con:
16 La disminución de la convección a través de todo el Pacífico ecuatorial da lugar a una
corriente de chorro del sur suprimida. En consecuencia, el sur de Estados Unidos, incluyendo NC, ve menos precipitación.
Durante la temporada de huracanes (junio a noviembre), los vientos de nivel superior son mucho más ligeros y por lo tanto más favorables para el desarrollo de huracanes en el Caribe y el Atlántico.” (NC State University, 2017)
Figura 7. La temperatura del Pacifico Central y Oriental durante el episodio de la Niña.
3.2.2.3 Índices climáticos.
Son valores utilizados para describir el estado y los cambios en el sistema climático. Los índices climáticos permiten realizar análisis estadísticos como la comparación de series de tiempo, la estimación de medias y la identificación de valores extremos y tendencias.
“Los índices climáticos más simples son los valores promedio y extremos, las tendencias lineales y las desviaciones estándar de series de tiempo prolongadas de la(s) variable(s) de interés. Los índices climáticos basados en la temperatura del aire y la precipitación se calculan a partir de datos medidos durante largo tiempo y aunque los resultados corresponden a una localidad en particular, es posible, dependiendo de la homogeneidad del medio, extrapolarlos a áreas más extensas. Sin embargo, hay información, como la temperatura mínima o los eventos de lluvia, que es característica de áreas pequeñas y altamente variables por lo que no puede extrapolarse. Los índices climáticos más comunes se elaboran a partir de la presión atmosférica, están basados en los gradientes de presión que existen entre dos o más localidades, por lo que se requieren registros de, al menos, dos estaciones meteorológicas. Lo mismo aplica a la temperatura superficial”. (Jimenez Quiroz, 2017)
17 3.2.2.3.1 Multivariate ENSO Index (MEI)
Involucra tanto variables atmosféricas como oceánicas en su composición. Este índice puede ser entendido como la media ponderada de seis variables sobre el Pacifico tropical: Presión atmosférica a nivel del mar, componente zonal (este-oeste) y meridional (norte-sur) del viento en superficie, temperatura de la superficie del mar, temperatura del aire en superficie, y cantidad total de nubosidad. Los valores positivos del MEI representan la fase caliente de ENOS (EL Niño) (Instituto de Hidrologia, Meteorologia y Estudios Ambientales (IDEAM), 2007).
El MEI se calcula por separado para cada una de las doce temporadas bimensuales (Dec / Jan, Jan / Feb,..., Nov / Dec). Después de filtrar espacialmente los campos individuales en grupos. Se calcula como el primer componente principal no polarizado (PC) de los seis campos observados combinados. Esto se logra normalizando la varianza total de cada campo primero y luego realizando la extracción del primer PC en la matriz de covarianza de los campos combinados (National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), 2017).
3.2.2.3.2 Anomalía niño 1+2
Corresponde a la diferencia entre la temperatura superficial del mar promedio en la región niño 1+2 y la temperatura superficial de la misma región en un momento cualquiera.
3.2.2.3.3 Anomalía niño 3
Corresponde a la diferencia entre la temperatura superficial del mar promedio en la región niño 3 y la temperatura superficial de la misma región en un momento cualquiera.
3.3 Fuentes de información
3.3.1 Estación de Fúquene.
3.3.1.1 Observatorio geomagnético.
El Observatorio Geomagnético en la Isla El Santuario de la Laguna de Fúquene fue instalado en el año 1953 por el Instituto Geográfico Agustín Codazzi, como base principal dentro del proyecto de la Red Magnética Nacional, con código internacional FUQ. La laguna de Fúquene es un lugar que no presenta perturbaciones magnéticas como presencia cercana de líneas férreas, redes de alto voltaje o estructuras metálicas, lo que lo hizo un lugar ideal para instalar el observatorio geomagnético permanente.
18 El objetivo primario del Observatorio era la orientación con respecto a la dirección norte de las mediciones geodésicas o arcos de triangulación que se desarrollaban a lo largo del país. Las mediciones que allí se realizan son de gran relevancia para la medición del campo magnético terrestre, y para el estudio del efecto electromagnético generado en el Ecuador magnético, por su posición geográfica y por ser de los pocos observatorios instalados en la región ecuatorial (Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC), 2017).
3.3.1.1.1 Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC).
“El Instituto Geográfico Agustín Codazzi, IGAC, es la entidad encargada de producir el mapa oficial y la cartografía básica de Colombia; elaborar el catastro nacional de la propiedad inmueble; realizar el inventario de las características de los suelos; adelantar investigaciones geográficas como apoyo al desarrollo territorial; capacitar y formar profesionales en tecnologías de información geográfica y coordinar la Infraestructura Colombiana de Datos Espaciales (ICDE)” (Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC), 2017).
3.3.1.1.2 Descripción de componentes.
Magnetómetro Diflux Ruska.
El instrumento clásico marca RUSKA utilizado en la ejecución de cada una de las observaciones geomagnéticas de Fúquene, tiene las características de un teodolito, el cual se acopló con el fin de que su funcionamiento tuviera el mismo procedimiento de un Magnetómetro Diflux con la adaptación de un sistema electrónico de medida y un sensor que contiene un núcleo de material de alta permeabilidad magnética saturable. Actualmente el observatorio cuenta con dos de estos instrumentos Diflux RL1 y RL2. Las observaciones se realizan luna vez los días martes y jueves y dos veces los días miércoles con cada equipo.
Figura 8. Magnetómetro Diflux RUSKA.
El magnetómetro de precisión protónica (PPM) Geometrics 816.
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Figura 9. Magnetómetro de Precisión Protónica (PPM).
Sistema de variometros.
Consta de tres variometros que por medio de un registro en papel fotográfico, indica la variación de las componentes declinación, horizontal y vertical del campo magnético terrestre. También cuenta con un variógrafo que consiste en un tambor suspendido por un eje horizontal que lo deja girar libre y permanentemente a una velocidad de 20 mm/hora, dando una vuelta en 24 horas. El tambor posee enrollado el papel fotográfico y de acuerdo al principio de funcionamiento de cada uno de los variometros se logra en conjunto la gráfica de las variaciones del campo magnético terrestre (magnetograma), el cual se obtiene con el procedimiento de revelado y fijado en un laboratorio.
Figura 10. Magnetograma.
El resultado de estos componentes absolutos y relativos es el valor horario de las componentes declinación (D), horizontal (H) y vertical (Z).
3.3.1.2 Estación meteorológica.
La estación meteorológica se encuentra a cargo del IDEAM y fue instalada el 15 de Mayo de 1942.
3.3.1.2.1 Instituto De Hidrología, Meteorología Y Estudios Ambientales De Colombia (IDEAM)
20 Algunas de las variables meteorológicas consideradas en el IDEAM son: Temperatura y humedad del aire, radiación, insolación, viento en superficie, evaporación, precipitación (RANGEL, 2015). La información Meteorológica almacenada en la base de datos IDEAM es referente a: Radiación Solar (directa, difusa, total), brillo solar, temperatura del aire, presión atmosférica, recorrido del viento, evaporación, humedad relativa, precipitación.
El IDEAM también contiene mediciones referentes a variables de otros componentes del sistema climático como temperatura superficial del mar, nivel del mar, salinidad, contenido de ozono en la troposfera y estratosfera, entre otros.
3.3.1.2.2 Descripción de componentes.
La estación meteorológica de la Isla El Santuario, es según el catalogo del IDEAM una estación climatológica principal (CP), definida como aquella sobre la cual se realizan observaciones de visibilidad, tiempo atmosférico presente, cantidad, tipo y altura de las nubes, estado del suelo, precipitación, temperatura del aire, humedad, viento, radiación solar, brillo solar, evaporación y fenómenos especiales, obtenidas de instrumentos registradores y por lo general sobre estas estaciones se efectúan tres observaciones diarias. Se define el día meteorológico de 7 am a 7 am del día siguiente.
Figura 11. Estación meteorológica Isla El Santuario IDEAM.
Cobertizos meteorológicos.
