ESTUDIANDO LA IONÓSFERA TERRESTRE MEDIANTE EL SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (GPS)

DOI: https://doi.org/10.29105/cienciauanl26.118-4

Hoy en día, como resultado del avance tecnológico y la era espacial, somos más vulnerables a sufrir afectaciones relacionadas con las explosiones solares.A pesar de que la magnetósfera nos protege de las partículas cargadas, los astronautas a bordo de la estación espacial, personas en vuelos a través de los polos, la electrónica de los satélites y misiones espaciales, y muchos dispositivos tecnológicos están expuestos a una gran

cantidad de radiación muy dañina. Por lo cual, el estudio y monitoreo de la actividad solar y las condiciones en el entorno terrestre se ha vuelto imprescindible a nivel mundial, campo de estudio conocido como clima espacial. Cabe resaltar que México se ha unido a los esfuerzos para monitorear el clima espacial, creando, en 2017, el Laboratorio Nacional de Clima Espacial (Lance), que se encarga de instalar redes de instumentos, recopilar datos y establecer las condiciones que hay sobre el territorio nacional.

Debido a que la ionósfera se ve afectada tanto por la radiación solar como por las partículas cargadas, puede ser usada como un indicador indirecto de la actividad solar para inferir el estado del clima espacial.

Para monitorear su estado existen diferentes técnicas, entre ellas destaca la estimación del contenido total de electrones (TEC, por sus siglas en inglés), calculado a partir de los datos generados por los receptores de los sistemas satelitales para la navegación global (GNSS), como el GPS. Esta técnica nos permite monitorear las perturbaciones ionosféricas y ver el nivel de afectación durante las tormentas solares.

Figura I. Esquema de la configuración de la ionósfera. Las líneas punteadas delimitan las distintas capas, de las cuales, la F presenta la mayor densidad electrónica (fuente: elaboración propia).

EL SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (GPS)

El Sistema Satelital de Navegación Global (GNSS, por sus siglas en inglés) es un conjunto de flotillas satelitales con diferentes propósitos. Está conformado por el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) de Estados Unidos, el Sistema Global de Navegación por Satélite (GLONASS) de Rusia, el Sistema Europeo de Navegación por Satélite (GALILEO), entre otros. En este caso, nos centraremos en el GPS, el cual se compone de una flotilla de 32 satélites orbitando alrededor de la Tierra y múltiples receptores a nivel de suelo, los que llamaremos estaciones. Los satélites se encuentran en órbitas medias a una altura de aproximadamente 20,180 km sobre el nivel del mar, y transmiten en dos frecuencias: L1 = 1575.42 MHz y L2 = 1227.6 MHz. México cuenta con dos redes de estaciones que reciben las señales del GPS, una por parte del Servicio Sismológico Nacional y la otra del Trans-boundary, Land and Atmosphere Long-term Observational and Collaborative Network (TLALOCNet) (Cabral-Cano et al., 2018; GSAC services, s.f.; GAGE, s.f.).

MONITOREO DE LA IONÓSFERA CON SISTEMAS SATELITALES

Como habíamos mencionado, su estado se puede monitorear usando la estimación del TEC, el cual nos indica la cantidad de electrones presentes en cierta región. Para entender qué es, imaginemos que tenemos un cilindro de 1m2 de base, que conecta al satélite con la estación en la Tierra. Dentro de éste van a quedar encerrados los electrones que afectan el tránsito de la señal del satélite, de manera que es posible aproximar ese número de electrones usando las características de la señal (frecuencia, distancia entre el satélite y el receptor, tiempo de recorrido, etc.). La base de la estimación radica en el hecho de que las ondas de radio se desvían de su trayectoria en mayor o menor medida dependiendo de la cantidad de electrones que encuentren a su paso. De manera que si tiene muchos electrones (muy densa), entonces las ondas se van a desviar más de la trayectoria recta que esperaban mantener.

En la figura 2 se bosqueja la trayectoria de las señales emitidas desde el satélite GPS hacia la estación en tierra. En ella podemos notar que cuando las señales entran en la ionósfera son dispersadas y su trayectoria es más larga comparada con la distancia que hay entre el satélite y la estación, lo que se traduce en un retraso temporal de la señal. Entonces, el tiempo que una señal de GPS tarda en atravesarla define su grado de afectación. Por ejemplo, una señal que viaja desde el horizonte hacia alguna estación presenta un mayor desfase comparado con el que tendría si la señal fuese enviada desde el cenit (es decir, el punto en el cielo que se encuentra encima de la cabeza del observador), debido a que el espesor en esa región es mayor.

Figura 2. Diagrama del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) y su interacción con la ionósfera terrestre. Las líneas punteadas indican las señales L1 y L2, enviadas por los satélites (fuente: elaboración propia).

Cabe destacar que este retraso de la señal también afecta los cálculos de posicionamiento, por lo cual, cuando está muy densa o muy perturbada hay un mayor error en la estimación de la posición que da el GPS. Se ha encontrado que la señal puede ser dispersada hasta diez metros de su posición que da el GPS debido al efecto de la ionósfera (Toloza, Acosta y De-Giusti, 2012).

Usando las diferencias entre las señales L1 y L2, y las diferencias entre las distancias que recorren las señales desde el satélite hasta la estación (pseudorrangos), es posible aproximar la cantidad de electrones que la señal encuentra a su paso (Mannucci et al., 1998). Actualmente existen distintos códigos computacionales para la estimación del TEC. En este caso haremos referencia al código desarrollado por el Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales de Brasil (INPE), como parte de su programa para el estudio y monitoreo del clima espacial (Estudo e monitoramento Brasileiro de clima espacial [Embrace]), que aquí llamaremos TECMAP. En esta aproximación es modelada como una capa de espesor finito que se ubica entre los 250 y 450 km, y el valor del TEC o densidad electrónica estimada se asocia a un área sobre el cenit de la estación a manera de proyección.

Calculando el valor del TEC con los datos de estaciones en distintas posiciones geográficas es posible construir mapas bidimensionales que muestran la configuración de la ionósfera sobre cierta región (Romero-Hernández et al., 2020; Takahashi et al., 2016). Por ejemplo, la figura 3 muestra dos mapas obtenidos por TECMAP para el 21 y 22 de junio de 2015, a las 20:20 horas de tiempo universal (UT). Aquí, los valores del TEC están indicados con distintos colores (azul = TEC más bajo; rojo = TEC más alto), y en unidades de TEC, sien- do 1 TECu igual a .

Figura 3. Comparación de mapas TEC durante un día quieto (mapa del lado izquierdo) y un día perturbado (mapa de lado derecho). El color rojo representa las zonas con mayor TEC, mientras que el azul oscuro indica las zonas con menor TEC (fuente: elaboración propia).

Al comparar estos mapas podemos notar que la configuración de la ionósfera puede cambiar drásticamente de un día para otro. En este caso, el 21 de junio estaba en calma o en su estado promedio, y horas después, el 22, ocurrió una fulguración solar que provocó un incremento importante del TEC. Éste, así como los muchos otros eventos de perturbación que han ocurrido a lo largo de los años, nos muestra la relevancia que tiene su estudio y monitoreo. Además, la construcción de estos mapas nos ayuda a visualizar su estado y estudiar la variación del TEC en distintas posiciones geográficas, facilitando la identificación de las zonas con mayor afectación, en términos de radiocomunicaciones. Esto permite emitir alertas a la sociedad, acompañadas de un informe completo sobre las condiciones del clima espacial y posibles escenarios en los que se vean afectadas las radiocomunicaciones, la distribución de energía eléctrica y los errores en los sistemas de posicionamiento GPS.