Variaciones Ionosféricas Registradas en DEMETER, Asociadas al Terremoto 8.8 de Chile, Febrero 2010

En esta nueva entrada sobre la relación solar-ionosférica-sísmica, expondremos esta interesante primicia científica, que aunque aún se encuentra en pleno desarrollo, pretende ser uno de los trabajos contemporáneos sobre la teoría solar-sísmica más importante del año: Las variaciones ionosféricas registradas por DEMETER, los días previos al terremoto 8.8 que afectó a Chile en Febrero de 2010. Los siguiente es resumen de un draft que gentilmente nos ha enviado M. Parrot, astrofísico de la agencia espacial europea (ESA), y científico “guest-investigator” del equipo DEMETER. El documento en contrucción evidencia, de forma clara, la hipótesis que se ha argumentado los últimos meses en este blog: la fuerte interacción entre anomalías ionosféricas y actividad sísmica.

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VARIACIONES EN LA DENSIDAD IONOSFÉRICA REGISTRADAS POR DEMETER, ASOCIADAS AL TERREMOTO 8.8 DE CHILE (2010)

 

INTRODUCCIÓN

Lo siguiente es el resultado de un estudio de las variaciones de la densidad del plasma observadas por DEMETER en los días anteriores del poderoso terremoto de Chile. El sismo con magnitud 8.8 ocurrió en el epicentro localizado en las coordenadas 35.85°S, 72.72°W. La información correspondiente a 10-20 días antes del shock principal, a través de órbitas cercanas al futuro epicentro mostraron un incremento de la densidad del plasma. Este incremento no es sólo observado verticalmente sobre la zona de ruptura, sino que también en locaciones próximas donde el epicentro está geomagnéticamente relacionados con la altitud de la sonda. En la segunda parte del trabajo, se ha realizado un análisis estadístico usando la información de DEMETER entre los años 2007-2010, para monitorear las variaciones de densidad en las cercanías del epicentro (en un rango de 10 grados) y a una misma hora local (órbitas nocturnas) y estacional (desde comienzos de Enero hasta fines de Marzo). Este estudio muestra que un gran incremento de la densidad del plasma es muy inusual en esta región y a este rango de tiempo, por lo que los incrementos observados durante los días antes del terremoto podrían ser considerados como posibles precursores de este poderoso terremoto.

El propósito de este trabajo es presentar un análisis estadístico de la densidad ionosférica observada por DEMETER durante el gran terremoto de Chile.

El terremoto de Chile (27/02/2010) es el segundo de los grandes eventos desde el lanzamiento de DEMETER. Además, es el terremoto más poderoso durante y después de un periodo de baja actividad solar.

Este hecho provee una oportunidad única para revisar los efectos ionosféricos y para realizar los análisis estadísticos necesarios.

METODOLOGÍA DEL EXPERIMENTO

DEMETER es un satélite de baja altitud (710 km) lanzado en junio del 2004, en órbitas polares y circular. Su función principal es medir las ondas electromagnéticas y los parámetros del plasma, alrededor del globo, exceptuando las zonas de aurora. En diciembre de 2005 el satélite sufrió una caída de su órbita hasta los 660 km. Por razones técnicas la data proporcionada por la sonda es obtenida desde una latitud que no varía, la cual es menor de 65°. La órbita de DEMETER está próxima a la órbita solar-sincrónica y la media órbita dirigida hacia el Norte, que se cumple en el recorrido nocturno de las 2230 LT, mientras que la dirigida hacia el sur se cumple a las 1030 LT. 

Orbita de la Sonda DEMETER

La información en tiempo real de la órbita de DEMETER puede ser obtenida desde aquí: http://www.heavens-above.com/orbit.aspx?satid=28368&lat=0&lng=0&loc=Unspecified&alt=0&tz=CET

INSTRUMENTAL

Las variaciones de la densidad de electrones (asociado al TEC) son estudiados con el Langmuir probe instrument (ISL) (Información disponible aquí: http://www.henniker-scientific.com/index.php/component/docman/doc_download/56-plasma-measurement-with-the-alp-automated-langmuir-probe). Un instrumento differente llamado IAP (Instrument Analyseur de Plasma), está concebido para la medición de la densidad iónica.  Además, el sistema a bordo cuenta con un sensor de frecuencias ultrabajas (ULF device), que registra variaciones de la frecuencia del campo magnético. Su funcionamiento es análogo al magnetómetro de inducción, como se esquematiza en el siguiente diagrama:

OBSERVACIONES DE DEMETER, FEBRERO 10-18/2010

Debido a su orbitografía, DEMETER retorna cada día sobre la misma región más o menos cercano a un punto dado. En Febrero de 2010 el satélite registró importantes variaciones de la carga de iones y la densidad de electrones cerca del epicentro.

A las 0025 UT del 10 de Febrero de 2010, el ISL detectó un repentino aumento de la densidad del plasma verticalmente sobre el futuro epicentro.

Apariencia del TEC durante la hora del Máximo de Densidad registrado por el ISL-DEMETER

Un patrón parecido se repite el 18 de Febrero de 2010, 9 días antes del terremoto; durante todo el intervalo de tiempo medido, la densidad aumentó globalmente, presentando dos máximos importantes, el primero, a las 0233 UT y el segundo a las 0234 y 0235 UT.

Durante el primero de estos máximos, el satélite se encontraba en la órbita más cercana de el futuro epicentro. El segundo máximo estaba localizado en un punto magnéticamente vinculado al epicentro, desde la altitud de vuelo (660 km). 

ANÁLISIS ESTADÍSTICO

Siguiendo las observaciones del evento mencionado anteriormente, un estudio sistemático de la densidad de iones y partículas en las regiones cercanas al epicentro han sido hechas para revisar si perturbaciones similares podrían ser encontradas cuando no hay actividad sísmica. El resultado es interesante: El incremento de la densidad de partículas es notoriamente mayor previo a eventos sísmicos como se muestra en la siguiente gráfica:

Análisis Estadístico de la densidad y cantidad de partículas y Eventos sísmicos Enero-Abril 2010

 

CONCLUSIONES

El estudio verifica las predicciones que reportaron incrementos locales de la densidad  de partículas, en tiempo y posiciones cercanas a terremotos. DEMETER a menudo registra tales anomalías antes de eventos sísmicos, por lo que su confiabilidad es demostrada. El estudio estadístico muestra que el incremento de la densidad es alto solo algunas semanas del terremoto de Chile. Sin embargo, por varias razones permanece dificil realizar predicciones precisas, puesto que las perturbaciones pueden ocurrir desde algunas horas hasta algunas semanas antes del shock.

Hay muchos científicos alrededor del mundo trabajando con la información DEMETER. Su objetivo es caracterizar patrones que permitan ser asociados con eventos sísmicos. Es un trabajo de largo plazo, pero las señales observadas en el estudio del terremoto 8.8 de Chile contribuyen a esta tarea de manera amplia.

Desarrollado por M. Parrot – Astro 2010

El Misterio de las Variaciones TEC Previo a Eventos Sísmicos

Variaciones del TEC y sismicidad; Una Realidad?

Desde mediados de los 60′s el estudio ionosférico basado en la observación satelital permitió evidenciar la importante interacción existente entre el comportamiento atmosférico y  la sismicidad global. Los estudios de explosiones nucleares, realizados  en Estados Unidos y Rusia durante la Guerra Fría permitieron observar la transmisión de ondas desde la superficie hacia la alta atmósfera, las cuales eran amplificadas a medida que ascendían, debido a la disminución de la densidad y la presión. Este fenómeno permitió posteriormente observar el fenómeno inverso, el cual consistía en importantes variaciones de la frecuencia y la densidad atmosférica días, e incluso horas, antes de un evento sísmico. Si bien este efecto no fue verificable en todos los sismos, si se cumplía en gran parte de éllos (60% del total).

Los estudios de Sobolev & Husamidinov (1985) describen importantes anomalías del TEC (Total Electron Content) algunas noches en que la ionosfera parecía estar en calma. Al parecer, las variaciones del TEC habrían de generar alteraciones en la altura y densidad de la capa ionosférica F, la cual es utilizada para el monitoreo de las frecuencia de absorsión para comunicación HF, más conocidas como foF2.

Aspectos Escenciales de las Variaciones del TEC

En estricto rigor, el índice TEC proporciona un valor promedio de la densidad de electrones presentes en la columna ficticia existente entre el satélite y la superficie terrestre. Los estudios de Minster (1995) presentan una interesante correlación entre las variaciones del TEC previo a eventos sísmicos, en base a los datos proporcionados por la estación satelital TOPEX-POSEIDON. De la misma manera, Liu (2002) corroboró estas observaciones utilizando la data proporcionada por la red GPS, en Taiwán.

Mapa de Predicción Sísmica

En base a la importante relación existente entre estos dos métodos de verificación, la USGS, suele generar un mapa de riesgo sísmico, superpuesto en mapa de TEC por latitud (LTT, Latitude – Time TEC), para 4 días previos a eventos sísmicos.  De acuerdo a las observaciones, el TEC cae y luego aumenta drásticamente a medida que se mueve hacia e ecuador.  El siguiente es un plot del LLT basado en la recepción de estaciones GPS alrededor del mundo (http://iono.jpl.nasa.gov//latest_rti_global.html):

Mapa TEC global basado en la Recepción de Señal GPS

Integración de los Parámetros Climáticos Espaciales en la Predicción Sísmica

El trabajo de M. Akhoondzadeh & M. Parrot (2010) http://www.nat-hazards-earth-syst-sci.net/10/7/2010/nhess-10-7-2010.pdf propone la integración de algunos factores climáticos espaciales que podrían, al parecer, estar vinculados con la actividad sísmica. Sus estudios en el terremoto de Samoa (2009) infieren que las anomalías del TEC podrían ser descencadenadas por variaciones en el índice k y Dst. En estricto rigor, Akhoondzadeh y Parrot indican que una anomalía del TEC está definida cuando el k index >2.5, y el Dst >-20 nT.

Valores Dst Ecuatoriales desde la Estación WDC Kioto

Valores del Indice k desde el WDC Kioto

Las observaciones de Akhoondzadeh y Parrot sobre el terremoto de Samoa muestran anomalías hasta 5 días antes del evento. Este modelo fue posteriormente corroborado por Parrot en el evento sísmico de Sichuan (China, 2008):

Anomalía de la función TEC en el evento de Sichuan, 2008

Presente y Futuro de la Predicción Sísmica en Base a las Variaciones Ionosféricas

El estudio de las variaciones ionosféricas ha tomado ribetes de importancia en la investigación sísmica de los últimos años. Esto ha impulsado el desarrollo de herramientas sofisticadas que permiten, de manera certera, monitorear con precisión la evolución ionosférica, en busca de los parámetros que propicien eventos sísmicos.

La agencia espacial Francesa, en conjunto con ESA han tomado la iniciativa, en el desarrollo del proyecto DEMETER (http://DEMETER.cnrs-orleans.fr/). El objetivo principal de este equipo es observar anomalías ionosféricas, y asociarlas a eventos sísmicos posibles. a 710 kms sobre la órbita polar, DEMETER provee información constante del plasma y las partículas cargadas de la ionosfera, además de la temperatura y densidad de la misma. Si bien gran parte de la información relacionada a eventos sísmicos es de uso exclusivo de operadores e investigadores asociados, la eficacia de la sonda como observador de eventos ionosféricos sísmicos. Los instrumentos de DEMETER también han permitido observar las famosas variaciones de la frecuencia ULF revisadas en el hilo http://clubdeastronomia.wordpress.com/2010/05/28/prediccion-sismica-a-corto-plazo-variaciones-de-la-ulf-geomagnetica/

Variaciones de la frecuencia ULF en DEMETER

Las Flechas indican las anomalías de la frecuencia ULF de 90-100 Hz, a bordo de la micro-sonda DEMETER. El registro ocurre a las 15:38 UTC. El recorrido de DEMETER sobre la zona, el 26 de Mayo es el siguiente:

Track (ruta) de la micro-sonda DEMETER el 26 de Mayo de 2005

Las perturbaciones en la frecuencia indicaban un inminente sismo en la latitud observada. Este ocurriría 5 días más tarde (Arunachal Pradech, India – 5.9Mw – 28.87°N, 94.60°E). Nótese que las coordenadas en el momento de la extracción de datos y el evento sísmico son casi  coincidentes. Esto corrobora la eficacia de la misión DEMETER, como una herramienta científica de excelencia en la predicción de zonas sísmicas. Qué supone esta afirmación? Principalmente, que países como Francia y Europa en general ya poseen sistemas de predicción sísmica con precisión considerable. El set de equipos a bordo de DEMETER proporcionan la más completa información relacionada con la actividad ionosférica-sísmica, validando el modelo que en este blog está siendo planteado. La extensión de la red GPS (GPS extended) con el propósito de observar las variaciones ionosféricas que afectan la comunicación satelital podrían entregar, de manera transversal, una importante herramienta para el monitoreo “realtime” de las condiciones de la ionosfera, proporcionando una importante herramienta predictiva de eventos sísmicos. Muchos investigadores basan sus observaciones en estos parámetros, entregando sorprendentes resultados. El desafío es, entonces, vigilar el comportamiento ionosférico en busca de pistas que permitan pronosticar con anticipación un movimiento telúrico.

Astro – Club de Astronomía

Referencias y Lectura Recomendada

Observations of ULF/ELF anomalies detected by DEMETER – S. Battachayra:

http://nopr.niscair.res.in/bitstream/123456789/4700/1/IJRSP%2036(2)%20103-113.pdf

Electron and ion density variations before strong earthquakes - M Akhoondzadeh

http://www.nat-hazards-earth-syst-sci.net/10/7/2010/nhess-10-7-2010.pdf

Variations of ionosphere total electron content during the Chi-Chi Earthquake – J.Y. Liu

http://www.stat.ncu.edu.tw/teacher/YIChen/Precursors%20paper/P3.pdf

Ionospheric total electron content variations observed before earthquakes – A.A. Namgaladze

http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0905/0905.3313.pdf

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David Hathaway: Ultima Actualización del Ciclo Solar

No todo es actividad solar – sismos. Ya he hablado algunas veces de otros efectos producidos por la actividad solar en nuestro planeta. El siguiente artículo proporciona otro importante factor en juego con la actividad solar: La variación climática. Espero sea de vuestro agrado.

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DAVID HATHAWAY: ULTIMA ACTUALIZACIÓN DEL CICLO SOLAR

Desarrollado por Astro – Club de Astronomía

Junio 2010

 

Los Ciclos Solares son más Inestables de lo que se Pensaba

Desde mediados del siglo XVII y hasta nuestros días, el estudio de la actividad solar, ha alcanzado niveles de profundidad impresionantes, hasta el punto que ha permitido generar, con extraordinaria precisión y confiabilidad, diversos sistemas de pronóstico que han resultado extraordinariamente certeros. Junto a ésto, se logró derribar el paradigma de que los ciclos solares son periódicos e invariables. Los estudios de Wolf (1852) ya indicaban fluctuaciones del ciclo solar, que fueron posteriormente corroboradas por Waldmeier (1935) y Wilson (1988). El sol no es una estrella invariable, y aunque los factores de su inestabilidad aún no están bien definidos, su comportamiento ha de afectar estrechamente el vecindario del sistema solar, incluyendo el planeta Tierra.

Mecanismos de Análisis de la Actividad Solar en base al SSN

Un puñado de modelos han de ser utilizados para analizar el comportamiento solar, todos éllos en base al SSN (solar spot number), o número de manchas solares. El modelo de Nordemman (1992), que permite predecir un comportamiento a corto plazo (5-7 meses), el modelo de Ellie &  Schwentek (1992) que utiliza promedios de manchas solares trimestrales para obtener una media anual, y el más actualizado, el modelo de Hathaway y Wilson (1993), que propone la observación del número mensual de manchas solares (MSSN).

En su trabajo “The Shape of the Solar Cycle” http://solarscience.msfc.nasa.gov/papers/hathadh/HathawayWilsonReichmann1994.pdf, Hathaway y Wilson han de estimar el comportamiento del ciclo en un rango no mayor a un mes, basado en el número internacional relativo de manchas solares. El análisis gráfico logró finalmente demostrar una importante asimetría de los ciclos solares. Así, mientras que los ciclos #18, #19, #20, #21, y #22 fueron bastante largos intensos, los ciclos #12-16 fueron débiles y cortos. El trabajo de Hathaway también logró demostrar que la amplitud de los ciclos en el tiempo, que se pensaba era constante de 11 años, podía tener fluctuaciones que iban entre los 9 y 14 años.

Número Internacional Relativo de Manchas Solares. Nótese las fluctuaciones en amplitud para los distintos ciclos registrados.

El Número de Manchas y la Radiación Solar TSI (Total Solar Irradiance)

Un disco solar poblado de manchas podría suponer una disminución de la radiación solar total. Esta aseveración es falsa, puesto que la radiación solar aumenta considerablemente durante periodos con gran cantidad de manchas solares. Si bien una mancha solar significa un oscurecimiento de pequeñas porciones del disco, las observaciones indican que los bordes de estas anomalías emiten un 30% más de brillosidad de lo normal, aumentando la radiación promedio. Entonces, es posible decir que un disco limpio (sin presencia de manchas) emite una menor cantidad de radiación hacia la Tierra y el espacio. Esto es un dato no menor, puesto que en periodos con bajo número de manchas, el calor (una de las formas de radiación proveniente desde el sol) podría, eventualmente descender, descencadenando cambios globales en la mecánica del funcionamiento de nuestro planeta. Esto ha quedado demostrado en las observaciones de los ciclos solares #5, #6, y #7, correspondientes al Mínimo de Dalton (1800) (ver figura superior). Durante el primer cuarto del siglo XVII, gran parte de Europa estuvo sumida bajo inviernos crudos y largos. Dalton atribuyó este anómalo comportamiento climatológico al descenso del número de manchas solares  durante ese periodo.

Hathaway y la Predicción del los Ciclos Solares Venideros

De acuerdo a los últimos análisis realizados por David Hathaway, el panorama para el ciclo que estamos comenzando (#24) se ve desalentador:

Ultima Actualización del Modelo Predictivo de Actividad Solar de Hathaway

Como puede apreciarse, el número de manchas solares previsto será bastante menor que el observado en el pasado ciclo #23. Esto implica una cantidad mayor de días con disco limpio, lo que conllevaría, en estricto rigor, a una disminución del TSI. El siguiente gráfico muestra la tasa de radiación solar desde 1980 hasta abril de 2010:

Radiación Solar (TSI) Periodo 1980-2010

En el esquema, es posible notar una tendencia a la baja. Esto corrobora el modelo de Hathaway, sobre el indicio de un ciclo #24 debilitado. De manera indirecta, nos permite inferir una disminución de la interacción energética proveniente del sol, afectando algunas variables terrestres, como la temperatura superficial del mar (SST), el albedo, y factores climatológicos (nubosidad, pluviosidad, etc).

Estudios revelaron que la radiación solar descendió algo más de un 0.1% durante el Mínimo de Dalton.  Casi 120 años antes, durante el Mínimo de Maunder (1680) otro de los famosos mínimos solares modernos, disminuyó en un 0.6% la radiación solar sobre la Tierra. Esto fue lo suficiente como para producir importantes cambios térmicos en el hemisferio norte del planeta, como muestran los estudios paleoclimáticos recientes realizados por NASA:

Temperaturas del Hemisferio Norte durante el Minimo de Maunder (1680)

Conclusiones y Discusión Final

Los últimos análisis realizados por David Hathaway indican una importante tendencia al debilitamiento de la intensidad de los ciclos solares futuros. Sus estudios, basados en el número relativo de manchas solares, proporcionan, de manera indirecta, un indicador de la radiación solar, puesto que la presencia de manchas en el disco solar puede variar el valor del TSI. En los días con “disco limpio”, la radiación disminuye, y ocurre lo contrario en días con gran cantidad de manchas. Esta relación parece haber sido comprobada en los últimos dos mínimos solares (Maunder y Dalton), en donde la disminución de la radiación solar significó la baja de la temperatura global del planeta, sumiendo a la Tierra, especialmente el hemisferio norte, en crudos y largos inviernos.

Se Viene Entonces una Época de Frío?

En base a lo expuesto en el presente documento, la posibilidad de una inminente “época de frío” parece ser considerablemente cierta, Al ser información proveniente de data real, el error matemático se reduce en sobremanera, por lo que la confiabilidad de la magnitud de los pronósticos es importante. Desafortunadamente, el método de evaluación mensual de Hathaway es muy sensible a las variaciones, dado que el espacio muestral es pequeño (un mes en un periodo de 11 años significa un porcentaje de representatividad del 0.75%). Las tendencias tampoco logran ser lo suficientemente convincentes, pero si podrían ser de utilidad para determinar una extrapolación en un periodo futuro, pequeño, pero significativo. Es por eso que el monitoreo solar DEBE ser diario, porque las posibilidades de que una variable cambie repentinamente es bastante amplia, dada la impredicibilidad del comportamiento de nuestro astro rey.

Referencias

The Maunder Minimum:

http://bill.srnr.arizona.edu/classes/182h/Climate/Solar/Maunder%20Minimum.pdf

Little Ice Age – Michael E. Mann:

http://www.meteo.psu.edu/~mann/shared/articles/littleiceage.pdf

The Effect of the Solar Radiation Variation on the Climate of the Earth - M. I. Budyko

http://aos.princeton.edu/WWWPUBLIC/gkv/history/Budyko69.pdf

The Sun’s Total Irradiance: Cycles, Trends and Related Climate Changes Uncertanties since 1976 – Claus Fröhlich:

http://ieg.or.kr/abstractII/G0102523037.PDF

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Astro – Club de Astronomía 2010

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