Cap_tulo_1 - Stanford Solar Center

Manual SID
Monitores del Clima Espacial
Monitores del Clima Espacial
Manual del Usuario SID
Monitor de la Alteración Súbita en la Ionósfera por el Sol
(SID)
http://solar-center.stanford.edu/SID
Ultimo Cambio: Septiembre 27 del 2006
Patrocinado por:
Un Proyecto de las Naciones Unidas
Año Heliofísico Internacional 2007
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Manual SID
Monitores del Clima Espacial
Capítulo 1
Exposición General
En ésta sección se presentarán los conceptos del SID y la tecnología de monitoreo
El Programa de Monitoreo del Clima Espacial
El Centro Solar de Stanford, en conjunto con el
grupo de “Muy Baja Frecuencia” del
Departamento de Ingeniería Eléctrica y
educadores locales, han desarrollado monitores
del clima espacial muy baratos que los estudiantes
pueden instalar y usar en sus escuelas secundarias
o preparatorias.
Los monitores detectan cambios en la ionosfera de
la Tierra causados por los destellos solares y otras
alteraciones. Los estudiantes “se enganchan” en el proyecto al construir su propia antena,
una estructura sencilla que cuesta entre $10 y $40 dólares estadounidenses, y que les
toma armar unas cuantas horas. La recolección de datos y su análisis de maneja por una
PC “local”, la cual no requiere ser rápida o elaborada.
Stanford proporciona un depósito centralizado de datos y un “portal” blog donde los
estudiantes pueden intercambiar y discutir datos.
Existen dos versiones del monitor. Una de bajo costo y diseñada para colocarse en
escuelas secundarias o preparatorias, se le llama SID. La otra es un monitor más sensible,
de calidad para investigación y que llamamos AWESOME. Este documento describe el
monitor SID.
Las Naciones Unidas y el Año Heliofísico Internacional 2007
Los monitores se pueden colocar, prácticamente, donde se deseé y haya una
fuente de corriente eléctrica disponible.
A través de la Iniciativa de Ciencia Espacial Básica de las Naciones Unidas
(UNBSS), se ha designado que nuestros monitores se instalen en todos los 191
países del mundo para el Año Heliofísico Internacional (IHY), 2007 – 08.
http://ihy2007.org
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Monitores del Clima Espacial
¿Qué es un Monitor del Clima Espacial?
Un monitor del clima espacial mide los efectos en la Tierra de los destellos solares a través del
rastreo de los cambios en transmisiones de muy baja frecuencia (VLF) cuando éstas son
rebotadas fuera de la ionosfera de la Tierra. Las ondas de radio de muy baja frecuencia
provienen de centros de comunicación submarinos.
El Sol afecta a la Tierra a través de dos mecanismos. El primero es energía. Siempre que el Sol
erupta con un destello, lo hace usualmente en la forma de rayos X o energía ultravioleta extrema
(EUV). Tanto los rayos X, como las ondas EUV viajan a velocidad de la luz, tomándoles solo 8
minutos el llegar a la Tierra.
Fotocomposición cortesía de SOHO Consortium
El segundo mecanismo es a través del impacto de la materia proveniente del Sol. Durante un
destello solar, el Sol puede lanzar Plasma o materia en un estado donde los electrones se
muevan sin sentido y libremente rodeado por el núcleo de los átomos. Este “montón de materia”
se le llama Expulsión de Masa de la Corona (CME). Los CME fluyen del Sol a una velocidad
superior a los dos millones de kilómetros por hora. Por lo que le toma a un CME alrededor de 72
horas el llegar a nosotros.
Tanto la energía, como las emisiones de materia del Sol afectan a la Tierra. Nuestros monitores
del clima espacial rastrean la energía de la actividad solar.
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La energía proveniente del Sol afecta constantemente la ionosfera de la Tierra (localizada a unos
60 km. sobre nosotros).
Cuando la energía solar “pega” a la ionosfera, consigue liberar electrones de su núcleo. A éste
proceso se le llama ionización, de ahí el nombre de ionosfera.
La ionosfera tiene varias capas, a diferentes alturas y hechas de diferentes densidades de
ionización. Cada capa tiene sus propiedades propias. La existencia y número de capas cambia
diariamente bajo la influencia del Sol.
Horas del Día
Atmósfera Neutral
Región – F2
Ionósfera
Horas de la Noche
Región – F2
Región – F1
Región – E
Estratósfera
Tropósfera
A
l
t
u
r
a
Región – D
Durante el día, la ionosfera está altamente ionizada por el Sol. Durante la noche no hay
ionización causada por el Sol puesto que se ha ocultado por el horizonte, por lo que hay
un ciclo diario asociado con las ionizaciones.
Adicionalmente a las fluctuaciones diarias, la actividad en el Sol puede causar cambios
súbitos dramáticos a la ionosfera. Cuando la energía de un destello solar u otra alteración
llega a la Tierra, la ionosfera, súbitamente, se vuelve más ionizada, cambiando con ello la
densidad y localización de las capas. De ahí viene el nombre de “Alteración Súbita en la
Ionósfera” para describir los cambios que estamos monitoreando.
Son los electrones libres de la ionosfera los que tienen una gran influencia en la
propagación de las señales de radio. Las frecuencias de radio de onda muy larga (de muy
baja frecuencia o “VLF”) rebotan o reflejan éstos electrones libres en la ionosfera, de
modo que, muy convenientemente para nosotros, permite la comunicación por radio
sobre el horizonte y alrededor de nuestra Tierra que es curva.
La fuerza de recepción de la señal de radio cambia de acuerdo a que tanta ionización ha
ocurrido y a qué nivel de la ionosfera las ondas de muy baja frecuencia VLF son
rebotadas.
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Onda
Celeste
Onda Terrestre
Superficie de la Tierra
Daytime
Día
Nighttime
Noche
La gráfica de datos del monitor del clima espacial inferior muestra los cambios en la
fuerza de la señal causados por el amanecer, atardecer y cuatro (4) destellos solares.
Los destellos solares se clasifican por su fuerza, desde bajos a altos, como A, B, C, M, o
X. Esto se describirá más adelante.
DESTELLOS SOLARES
Noche
Hora
Nocturna
Local
Amanecer
Hora de Día Local
Anochecer
¿De donde provienen las ondas de radio de muy baja frecuencia (VLF) rebotadas?
Muy convenientemente para nosotros, hay varias naciones que usan ondas de muy baja
frecuencia (VLF) para comunicarse con sus submarinos. Hay transmisores regados
alrededor del mundo.
Las señales VLF rebotan en nuestra ionosfera a distancias muy lejanas de donde se
emiten y pueden ser recogidas en casi cualquier parte.
Cada monitor SID tiene un tablero de frecuencia sintonizado a una estación de
transmisión en particular. Una lista de estaciones conocidas viene en nuestro Apéndice
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se mantiene y actualiza por la Asociación Norteamericana de Observadores de Estrellas
Variables (AAVSO) en http://www.aavso.org/observing/programs/solar/vlfstati.txt
Aunque muchas ubicaciones pueden “captar” muchas estaciones, tiene una gran ventaja
el escoger una estación ubicada aproximadamente en la misma longitud de la ubicación
del monitor, de manera que el amanecer y anochecer ocurrirán, prácticamente, al mismo
tiempo.
Las estaciones de transmisión son muy grandes, generalmente, cubriendo varios
kilómetros. La ubicación en la fotografía inferior es de la estación de radio de la Marina
de los Estados Unidos en Jim Creek, Washington, en EUA. Nótese que los cables de la
antena van del tope de una montaña al tope de la otra montaña, debido a que la frecuencia
de longitud de onda que se transmite es cercana a los 12 kilómetros.
Cables de Antena
“NLK” 24.8 Khz. Estación de Radio de los EUA en Jim Creek, WA
Transmisión
Longitud de Onda 12 Km. (7.5 millas)
Torres de
¿Cómo conseguimos nuestros Monitores SID?
Para monitorear una señal de muy baja frecuencia (VLF), necesitamos de un receptor de
radio que pueda sintonizarse a estaciones de muy baja frecuencia, una antena que capte
esas señales, y una computadora que mantenga los datos recopilados.
Dado que la mayoría de las radios comerciales no pueden captar señales de muy baja
frecuencia, tuvimos necesidad de diseñar nuestro propio recetor de radio y antena.
A ésta combinación de receptor y antena le llamamos Monitor de la Alteración Súbita en
la Ionósfera por el Sol (SID).
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Los miembros de la Asociación Americana de Observadores de Estrellas Variables
(AAVSO), recuerden que nuestro Sol es una estrella variable, han diseñado y estado
usando por años un radio receptor que capta las señales de muy baja frecuencia (VLF)
que necesitamos rastrear. Su portal
http://www.aavso.org/observing/programs/solar/sid.shtml
dice como construir el modelo AAVSO que es barato. Aunque el circuito electrónico es
fácil de ensamblar, requiere experiencia para dejarlo listo operativamente y sintonizado.
A través del proyectos Solar de Stanford SID, nos hemos conjuntado con educadores y
expertos en electrónica para diseñar un monitor más robusto y sencillo de usar que viene
pre-ensamblado y pre-sintonizado.
Para usarlo, los estudiantes necesitan construir su propia antena, fácil y rápidamente,
contra el monitor a una pequeña computadora (son buenas las viejas y lentas), y ¡empezar
a recibir datos!
Nuestro monitor SID fue diseñado para realizar una investigación en un ambiente de
salón de clases, su objetivo es la sencillez y su enfoque es detector eventos solares.
Más información sobre el programa de monitoreo SID está disponible en:
http://solar-center.stanford.edu/SID/sidmonitor/
En conjunto con el proyecto de Stanford sobre el Arreglo Holográfico para Rayos en la
Ionósfera (Holographic Array for Ionospheric Lightning, HAIL) y bajo la dirección del
Profesor Uman Inan, hemos también diseñado un monitor de grado de calidad para
investigación que rastreará los efectos solares en el día y la noche en la ionosfera.
Les llamamos AWESOME a estos monitores. Funcionan de manera similar a los SID,
aunque son más sensibles.
Los monitores AWESOME dan datos que son útiles estudiantes y a investigadores que
estudian la naturaleza física de los cambios producidos por las tormentas de rayos y las
descargas eléctricas en la ionosfera baja.
Hay más información disponible sobre los monitores AWESOME en:
http://solar-center.stanford.edu/SID/AWESOME/
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Monitores del Clima Espacial
Los Monitores SID y AWESOME
Monitor SOLAR SID (Sudden Ionosphere Disturbance)
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Uso en salon de clase
Barato
Solo monitorea una estación de Muy Baja Frecuencia (VLF)
Principalmente rastrea alteraciones súbitas en la Ionósfera
producidas por el Sol (SIDs)
Fácil de preparar y usar
Es sencillo construir la antena y es barata
La computadora puede ser de modelo viejo y lenta
Monitor AWESOME
Sistema Electromagnético del Clima Atmosférico para la
Observación, Modelaje y Educación
(Atmospheric Weather Electromagnetic System for
Observation Modeling and Education)
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Para uso de estudiantes e investigadores
Costo mediano
Capta todas las estaciones de Muy Baja Frecuencia y cubre
simultáneamente las frecuencias de 30 Hz - 50 Khz.
Alta resolución en 16-bits
La programación en tiempo es muy precisa vía GPS
Monitorea SID generados por el Sol, rayos, brotes de rayos
gama (GRB), fenómenos ionosféricos, etc.
Necesita 2 antenas: Una Norte / Sur (N/S) y otra Este / Oeste
(E/W) y una ubicación en “campo abierto”
Necesaria una computadora con capacidad de procesamiento
para poder manejar gran cantidad de datos en alta velocidad y
realizar cálculos con algoritmo conocido como la Transformada
de Fourier Rápida (FFT).
No se describe el monitor AWESOME en este documento. Sin embargo, muchos de los
conceptos descritos aplican.
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Manual SID
Monitores del Clima Espacial
Identificación de las partes de monitor SIDMON
Entrada para
Altavoces de Poder
Fuente de Poder
Verde = +5V, Amarillo = -5V
Los dos indicadores deben
estar encendidos
Switch Post Amp
(Típicamente fijo en X1)
Ganancia del Ajuste en Radio
Frecuencia
Ver las instrucciones de cómo
hacerlo
Número de Serie e
Identificación
Transformador de Entrada
9-10 VAC
10
-
Entrada de Antena
(Conector roscado
Concelman oTNC)
Salida de Datos: Hacia DATAQ
u otro “Convertidor Analógico a
Digital