Analysis of the earth-ionosphere resonances and its application to the study of other natural phenomena

Resumen

Las Resonancias de Schumann (SRs) son ondas electromagnéticas generadas en la cavia dad tierra-ionosfera in la banda de extremada baja frecuencia (ELF). Las descargas de rayos son el principal contribuidor a la energía de estas señales. El estudio de este fenómeno empezó hace alrededor de 70 años. Aunque ha sido en los últimos años cuando ha habido un aumento del interés por la comunidad científica. Debido principalmente al incremento del número de observatorios de ELF y el avance de las tecnologías software. En condiciones normales, el conocimiento sobre la física y las relaciones entre las Resonancias de Schumann y las condiciones electromagnéticas de la cavidad esta considerablemente avanzado. Sin embargo, algunos aspectos todavía no se conocen en profundidad: i) La relación entre la señal SR y otros fenómenos naturales no está completamente clarificada, salvo la relación entre las variaciones estacionales y los centros de tormentas, así como, las variaciones diurnas con los cambios en la ionosfera. ii) Los eventos transitorios solo están relacionados con las grandes descargas de rayos. No hay un modelo teórico, ni tampoco de simulación sobre el impacto de estos fenómenos sobre la señal SR ni tampoco del impacto en el circuito eléctrico global. El uso de modelos teóricos y metodologías clásicas limitan la adquisición de nuevos conocimientos en el campo de las SR. Nuevas propuestas aplicando metodologías innovadoras a las SR serían necesarias para poder describir con mayor exactitud la señal SR. Las metodologías desarrolladas junto con los datos y el conocimiento adquirido en la primera parte de esta tesis doctoral estuvieron enfocadas en la aplicación de inteligencia artificial para incrementar el conocimiento que tenemos actualmente de las señales resonantes de esta cavidad, cuya complejidad hace muy apropiado el uso de este tipo de tecnologías. En esta tesis los avances y resultados en este campo están expuestos. Los principales objetivos de esta tesis son: i) Estudiar y validar los datos obtenidos en el observatorio de "Sierra de los Filabres" y comparar estos datos con los datos de otros observatorios. ii) Estudiar el dominio transitorio y su relación con otros fenómenos. iii) Investigar la relación entre las variaciones en el espectro y otros fenómenos. iv) Explorar la aplicación de técnicas de inteligencia artificial al campo de las SR. El Observatorio "Sierra de los Filabres", del cual se analizan los datos en esta tesis, fue desarrollado por el grupo de investigación TIC019 liderado por José Antonio Gazquez Parra y junto con Nuria Novas Castellano, Rosa M. García Salvador y Manuel Fernández Ros. El observatorio ha estado capturando datos continuamente desde el 2015. Cuenta con dos sensores en posiciones ortogonales, un muestreo de gran rendimiento y fue el primer observatorio de ELF de España. El flujo de trabajo de esta tesis doctoral se separa en dos partes. La primera parte está enfocada en revisar la literatura acerca de los procesos que contribuyen a las SR y aplicar las metodologías previamente desarrolladas por la comunidad científica a los datos obtenidos en el observatorio de "Sierra de los Filabres". En esta línea, metodologías concretas, basadas en procesado de señales, fueron desarrolladas para poder extraer información adicional de las señales SR. Esta parte incluye: i) Variaciones diurnas y estacionales del observatorio Sierra de los Filabres. ii) El estudio de los eventos transitorios ELF y iii) La relación entre las SR y otros fenómenos naturales. La segunda parte de esta tesis introduce las técnicas de inteligencia artificial para ayudar en el procesamiento de las SR. Primero con el uso de modelos explicativos basados en ML para explorar la relación con otros fenómenos, y segundo, un codificador DL que permite reducir la complejidad del espectro SR. La salida del codificador se usó para entrenar un detector de terremotos basado en DL. Los resultados más destacados de esta tesis son: ¿ Se validan los datos del observatorio ¿Sierra de los Filabres¿ poniendo en relación las variaciones diurnas con otros observatorios. ¿ Se discute la relación entre los principales centros de tormentas y las variaciones estacionales de las SR a la hora en la que estos centros están activos. ¿ Se comprueba la utilidad de un sensor de banda estrecha centrado en la primera SR para el estudio de la envolvente de la señal ELF. Aumentando la resolución para eventos. ¿ Se comprueba que el impacto de descargas individuales de media y baja intensidad tiene características similares en el espectro ELF que las descargas de alta potencia presentes en los registros ELF de banda ancha. ¿ Se han estudiado cinco años de datos y la homogeneidad de los resultados valida la continuidad de los datos obtenidos en el observatorio "Sierra de los Filabres". ¿ Se revela la relación de los distintos modos de SR a determinadas horas con los efectos de las variables externas que afectan a las SR. Se comprueban relaciones esperadas y otras que son novedosas, validando el método. Se han incluido técnicas de ML para analizar las relaciones de las SR con otros fenómenos natural con resultados prometedores. de forma satisfactoria. Los modelos explicativos de ML indican nuevas relaciones que abren nuevas puertas a la investigación en estos campos. ¿ Se han utilizado técnicas de DL para el análisis de datos de las SR de forma satisfactoria. ¿ Se ha desarrollado un codificador de las señales de las resonancias que permite reducir la dimensionalidad. ¿ Se ha propuesto un algoritmo para obtener las principales frecuencias de las SR sin utilizar un ajuste matemático, los resultados muestran una mejoría con respecto a las técnicas clásicas de procesado. ¿ El uso del codificador abre nuevas puertas a la compatibilidad de distintos observatorios, incluso cuando los sensores, el instrumental y las técnicas para el procesador son diferentes. ¿ Por primera vez se ha desarrollado una herramienta basada en DL que permite analizar registros completos de hasta 30 días de datos y buscar la relación con los fenómenos sísmicos. Con resultados prometedores. El campo de las SR es un campo inmenso para el estudio y aplicación de nuevas técnicas que permitan explorar la importancia de esta señal presente de forma natural. Con las herramientas apropiadas, es posible utilizar esta señal para detectar cambios en la ionosfera, predecir terremotos cercanos o incluso obtener información preliminar de la composición de la ionosfera de otros cuerpos celestes.