Modelos numéricos para la simulación y el análisis de señales atmosféricas

Resumen

Los rayos son la principal fuente de radiación de origen natural en la atmósfera terrestre, dado que cada segundo, del orden de un centenar de ellos descargan sobre la superficie de la Tierra, siendo el fenómeno más frecuente en unas regiones que en otras. Dichas descargas emiten la mayor parte de dicha radiación en las bandas ELF y VLF, bandas en la cuales las señales presentan una baja atenuación. La radiación emitida da lugar, en la banda ELF a las resonancias de Schumann y en la banda VLF a campos resonantes en la guía formada por la ionosfera y la superficie de la Tierra. Estas señales nos permiten inferir, por una parte, las propiedades de la ionosfera, y por otra la ubicación donde se ha producido la descarga del rayo. Entre los sistemas detectores de descargas, se puede establecer una clasificación en dos grupos. Un grupo es el formado por redes multiestación, donde una descarga es detectada en varias estaciones, proporcionando la localización de la descarga con precisión, a través de un procedimiento de triangulación. Tales sistemas presentan el inconveniente de la necesidad de cubrir homogéneamente el área de interés al efecto de detectar con precisión el mayor número de descargas. En este sentido, los costes asociados al mantenimiento y sincronización de las estaciones no es baladí. Otro grupo se encuentra formado por estaciones individuales de detección de descargas, las cuales son menos precisas pero el coste de mantenimiento es muy inferior al de una red. En adición hay situaciones donde únicamente se puede hacer uso de este tipo de estaciones. En todos los casos, estos sistemas funcionan analizando la señal recibida en la banda VLF; estas señales son llamadas "radioatmosferics" o "sferics". En el presente trabajo se presenta en primer lugar un modelo numérico tridimensional en diferencias finitas en el dominio del tiempo de la guía de ondas formada por la superficie de la Tierra y la ionosfera para el estudio de la propagación de señales en la banda VLF, considerando el perfil de conductividad de la ionosfera y la anisotropía inducida por el campo magnético terrestre.El campo magnético terrestre actúa sobre las partículas cargadas de la ionosfera dando lugar a las corrientes de Hall, Pedersen y la conductividad paralela al campo magnético. Dichas corrientes se introducen mediante sus correspondientes conductividades y su campo eléctrico asociado. Esto hace que se modifique la técnica FDTD convencional para ubicar en las celdas las correspondientes componentes de campo eléctrico que se encuentran localizadas en otras posiciones de la celda FDTD. También se modifica el procedimiento de integración temporal para ubicar correctamente las componentes del campo en sus correspondientes instantes temporales, permitiendo desarrollar un procedimiento iterativo FDTD estable, deduciendo la estabilidad del nuevo procedimiento teóricamente. Esta técnica se aplica a la modelización de las descargas en la guía de ondas formada por la ionosfera y la superficie de la Tierra y permite, además, simular con precisión las señales detectadas, las cuales se han propagado a través de la guía, permitiendo así, analizar cambios en la ionosfera. Por otro lado, permite estudiar las técnicas de geolocalización de descargas procedentes de otros investigadores, realizando una comparación de la precisión de las mismas con resultados simulados. Finalmente, se desarrolla una nueva técnica basada en la pendiente de fase de la señal recibida. Para comparar tales técnicas con medidas propias, se diseña un sistema de medición de descargas portátil de tal manera que permite obtener señales en diferentes entornos de medida y nivel de ruido electromagnético. En este sentido, el proceso de detección de descargas presenta diversos problemas, por una parte los asociados a la existencia de ruido, en las bandas de frecuencia de interés, procedente sobretodo de la actividad industrial, y por otra la referente a la recepción de múltiples señales procedentes de múltiples distancias, dada las numerosas descargas que se generan cada segundo.