{"id":12378,"date":"2023-02-14T12:29:59","date_gmt":"2023-02-14T18:29:59","guid":{"rendered":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/?p=12378"},"modified":"2023-05-04T15:53:24","modified_gmt":"2023-05-04T20:53:24","slug":"estudiando-la-ionosfera-terrestre-mediante-el-sistema-de-posicionamiento-global-gps","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/?p=12378","title":{"rendered":"ESTUDIANDO LA ION\u00d3SFERA TERRESTRE MEDIANTE EL SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (GPS)"},"content":{"rendered":"

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Esmeralda Romero Herna\u0301ndez (ORCID: 0000-0001-9228-4087)*
\nAmanda Salas Navarro (ORCID: 0000-0003-2223-5487)**<\/p>\n

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CIENCIA UANL \/ AN\u0303O 26, No.118, marzo-abril 2023<\/p>\n

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DOI: https:\/\/doi.org\/10.29105\/cienciauanl26.118-4<\/a><\/p>\n<\/div>\n

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Descargar PDF<\/a><\/p>\n

El descubrimiento de la iono\u0301sfera a principios del siglo XX condujo a una serie de avances y aplicaciones tecnolo\u0301gicas en\u00a0torno a la transmisio\u0301n de sen\u0303ales y las radiocomunicaciones. Aviones, sate\u0301lites, naves espaciales, celulares, etce\u0301tera, hacen uso de e\u0301sta para entablar las comunicaciones, de manera que su estudio y monitoreo\u00a0se ha vuelto imprescindible para la vida moderna. Hoy en di\u0301a sabemos que su comportamiento esta\u0301 ligado principalmente a la actividad solar, y cuando ocurren las tormentas o explosiones solares sufre una serie de alteraciones conocidas como perturbaciones ionosfe\u0301ricas que pueden interrumpir la transmisio\u0301n de sen\u0303ales y causar fallas en los dispositivos tecnolo\u0301gicos.<\/span><\/p>\n

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\u00bfQUE\u0301 ES LA IONO\u0301SFERA Y CUA\u0301L ES LA IMPORTANCIA DE SU ESTUDIO?<\/h4>\n
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Ubicada aproximadamente entre los 60 y los 1,000 km de altitud sobre el nivel del mar, en ella, los iones y electrones se mueven libremente, esto quiere decir que se encuentra ionizada (estado de plasma). Esto la dota de propiedades ele\u0301ctricas importantes que, a su vez, la vuelven un medio conductor que permite la transmisio\u0301n de las ondas de radio a todo el planeta sin la necesidad de usar cables. En la figura 1 se bosqueja su configuracio\u0301n, ahi\u0301 podemos ver que en esta regio\u0301n se desarrollan varios feno\u0301menos importantes, como las famosas auroras polares (que se originan por la entrada de parti\u0301culas solares) y la ablacio\u0301n de meteoros.<\/p>\n

La iono\u0301sfera se origina, principalmente, por la incidencia de la radiacio\u0301n solar, especi\u0301ficamente rayos ultravioleta extremos (UVE) y rayos X, por lo cual es muy susceptible a sufrir fluctuaciones originadas por las variaciones del flujo de radiacio\u0301n solar. Ba\u0301sicamente, hay cuatro tipos de variaciones que influyen en ella: 1) la diurna, asociada con la rotacio\u0301n terrestre (di\u0301a y noche); 2) la estacional, causada por el movimiento de traslacio\u0301n terrestre; 3) la causada por los feno\u0301menos climatolo\u0301gicos y procesos dina\u0301micos en la troposfera y 4) la su\u0301bita, causada por la actividad solar (tormentas solares). Las primeras dos esta\u0301n asociadas con una variacio\u0301n regular o ci\u0301clica y son fa\u0301ciles de caracterizar, mientras que el tercer tipo puede ra\u0301pidamente identificarse monitoreando las condiciones meteorolo\u0301gicas. El cuarto tipo se relaciona con los eventos de actividad solar, fulguraciones y eyecciones de masa coronal (EMC) y es ma\u0301s difi\u0301cil de caracterizar. Las fulguraciones solares son liberaciones su\u0301bitas de radiacio\u0301n electromagne\u0301tica de muy alta energi\u0301a (UVE y rayos X), la cual provoca un incremento casi inmediato en la densidad de electrones. Por otra parte, las EMC son erupciones de material solar (ba\u0301sicamente protones y electrones), que pueden impactar la magneto\u0301sfera terrestre y generar perturbaciones ionosfe\u0301ricas.<\/span><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Hoy en di\u0301a, como resultado del avance tecnolo\u0301gico y la era espacial, somos ma\u0301s vulnerables a sufrir afectaciones relacionadas con las explosiones solares.A pesar de que la magneto\u0301sfera nos protege de las parti\u0301culas cargadas, los astronautas a bordo de la estacio\u0301n espacial, personas en vuelos a trave\u0301s de los polos, la electro\u0301nica de los sate\u0301lites y misiones espaciales, y muchos dispositivos tecnolo\u0301gicos esta\u0301n expuestos a una gran<\/p>\n<\/div>\n

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cantidad de radiacio\u0301n muy dan\u0303ina. 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 Me\u0301xico 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.<\/p>\n

Debido a que la iono\u0301sfera se ve afectada tanto por la radiacio\u0301n solar como por las parti\u0301culas cargadas, puede ser usada como un indicador indirecto de la actividad solar para inferir el estado del clima espacial.<\/p>\n

Para monitorear su estado existen diferentes te\u0301cnicas, entre ellas destaca la estimacio\u0301n del contenido total de electrones (TEC, por sus siglas en ingle\u0301s), calculado a partir de los datos generados por los receptores de los sistemas satelitales para la navegacio\u0301n global (GNSS), como el GPS. Esta te\u0301cnica nos permite monitorear las perturbaciones ionosfe\u0301ricas y ver el nivel de afectacio\u0301n durante las tormentas solares.<\/p>\n

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Figura I. Esquema de la configuraci\u00f3n de la ion\u00f3sfera. Las l\u00edneas punteadas delimitan las distintas capas, de las cuales, la F presenta la mayor densidad electr\u00f3nica (fuente: elaboraci\u00f3n propia).<\/p><\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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EL SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (GPS)<\/h4>\n
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El Sistema Satelital de Navegacio\u0301n Global (GNSS, por sus siglas en ingle\u0301s) es un conjunto de flotillas satelitales con diferentes propo\u0301sitos. Esta\u0301 conformado por el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) de Estados Unidos, el Sistema Global de Navegacio\u0301n por Sate\u0301lite (GLONASS) de Rusia, el Sistema Europeo de Navegacio\u0301n por Sate\u0301lite (GALILEO),\u00a0entre otros. En este caso, nos centraremos en el GPS, el cual se compone de una flotilla de 32 sate\u0301lites orbitando alrededor de la Tierra y mu\u0301ltiples receptores a nivel de suelo, los que llamaremos estaciones. Los sate\u0301lites se encuentran en o\u0301rbitas medias a una altura de aproximadamente 20,180 km sobre el nivel del mar, y transmiten en dos frecuencias:\u00a0<\/span>L1 = 1575.42 MHz y L2 = 1227.6 MHz. Me\u0301xico cuenta con dos redes de estaciones que reciben las sen\u0303ales del GPS, una por parte del Servicio Sismolo\u0301gico Nacional y la otra del Trans-boundary, Land and Atmosphere Long-term Observational and Collaborative Network<\/em> (TLALOCNet) (Cabral-Cano et al<\/em>., 2018; GSAC services, s.f.; GAGE, s.f.).<\/span><\/p>\n

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MONITOREO DE LA IONO\u0301SFERA CON SISTEMAS SATELITALES<\/h4>\n
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Como habi\u0301amos mencionado, su estado se puede monitorear usando la estimacio\u0301n del TEC, el cual nos indica la cantidad de electrones presentes en cierta regio\u0301n. Para entender que\u0301 es, imaginemos que tenemos un cilindro de 1m2 de base, que conecta al sate\u0301lite con la estacio\u0301n en la Tierra. Dentro de e\u0301ste van a quedar encerrados los electrones que afectan el tra\u0301nsito de la sen\u0303al del sate\u0301lite, de manera que es posible aproximar\u00a0ese nu\u0301mero de electrones usando las caracteri\u0301sticas de la sen\u0303al (frecuencia, distancia entre el sate\u0301lite y el receptor, tiempo de recorrido, etc.). La base de la estimacio\u0301n radica en el hecho de que las ondas de radio se desvi\u0301an 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 des<\/span>viar ma\u0301s de la trayectoria recta que esperaban mantener.<\/span><\/p>\n

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En la figura 2 se bosqueja la trayectoria de las sen\u0303ales emitidas desde el sate\u0301lite GPS hacia la estacio\u0301n en tierra. En ella podemos notar que cuando las sen\u0303ales entran en la iono\u0301sfera son dispersadas y su trayectoria es ma\u0301s larga comparada con la distancia que hay entre el sate\u0301lite y la estacio\u0301n, lo que se traduce en un retraso\u00a0temporal de la sen\u0303al. Entonces, el tiempo que una sen\u0303al de GPS tarda en atravesarla define su grado de afectacio\u0301n. Por ejemplo, una sen\u0303al que viaja desde el horizonte hacia alguna estacio\u0301n presenta un mayor desfase comparado con el que tendri\u0301a si la sen\u0303al 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 regio\u0301n es mayor.<\/span><\/p>\n

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Figura 2. Diagrama del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) y su interacci\u00f3n con la ion\u00f3sfera terrestre. Las l\u00edneas punteadas indican las se\u00f1ales L1 y L2, enviadas por los sat\u00e9lites (fuente: elaboraci\u00f3n propia).<\/p><\/div>\n

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Cabe destacar que este retraso de la sen\u0303al tambie\u0301n afecta los ca\u0301lculos de posicionamiento, por lo cual, cuando esta\u0301 muy densa o muy perturbada hay un mayor error en la estimacio\u0301n de la posicio\u0301n que da el GPS. Se ha encontrado que la sen\u0303al puede ser dispersada hasta diez metros de su posicio\u0301n que da el GPS debido al efecto de la iono\u0301sfera (Toloza, Acosta y De-Giusti, 2012).<\/p>\n

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Usando las diferencias entre las sen\u0303ales L1 y L2, y las diferencias entre las distancias que recorren las sen\u0303ales desde el sate\u0301lite hasta la estacio\u0301n (pseudorrangos), es posible aproximar la cantidad de electrones que la sen\u0303al encuentra a su paso (Mannucci et al<\/em>., 1998). Actualmente existen distintos co\u0301digos computacionales para la estimacio\u0301n del TEC. En este caso haremos referencia al co\u0301digo 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]<\/em>), que aqui\u0301 llamaremos TECMAP. En esta aproximacio\u0301n es modelada como una capa de espesor finito que se ubica entre los 250 y 450\u00a0km, y el valor del TEC o densidad electro\u0301nica estimada se asocia a un a\u0301rea sobre el cenit de la estacio\u0301n a manera de proyeccio\u0301n.<\/span><\/p>\n

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Calculando el valor del TEC con los datos de estaciones en distintas posiciones geogra\u0301ficas es posible construir mapas bidimensionales que muestran la configuracio\u0301n de la iono\u0301sfera sobre cierta regio\u0301n (Romero-Herna\u0301ndez et al<\/em>., 2020; Takahashi et al<\/em>., 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). Aqui\u0301, los valores del TEC esta\u0301n indicados con distintos colores (azul = TEC ma\u0301s bajo; rojo = TEC ma\u0301s alto), y en unidades de TEC, sien- do 1 TECu igual a \"\"<\/a>.<\/p>\n

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Figura 3. Comparaci\u00f3n de mapas TEC durante un d\u00eda quieto (mapa del lado izquierdo) y un d\u00eda 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: elaboraci\u00f3n propia).<\/p><\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Al comparar estos mapas podemos notar que la configuracio\u0301n de la iono\u0301sfera puede cambiar\u00a0dra\u0301sticamente de un di\u0301a para otro. En este caso, el 21 de junio estaba en calma o en su estado promedio, y horas despue\u0301s, el 22, ocurrio\u0301 una fulguracio\u0301n solar que provoco\u0301 un incremento importante del TEC. E\u0301ste, asi\u0301 como los muchos otros eventos de perturbacio\u0301n que han ocurrido a lo largo de los an\u0303os, nos muestra la relevancia que tiene su estudio y monitoreo. Adema\u0301s, la construccio\u0301n de estos mapas nos ayuda a visualizar su estado y estudiar la variacio\u0301n del TEC en distintas posiciones geogra\u0301ficas, facilitando la identificacio\u0301n de las zonas con mayor afectacio\u0301n, en te\u0301rminos de radiocomunicaciones. Esto permite emitir alertas a la sociedad, acompan\u0303adas de un informe completo sobre las condiciones del clima espacial y posibles escenarios en los que se vean afectadas las radiocomunicaciones, la distribucio\u0301n de energi\u0301a ele\u0301ctrica y los errores en los sistemas de posicionamiento GPS.<\/span><\/p>\n

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\u00bfY QUE\u0301 APRENDIMOS DE ESTO?<\/h4>\n
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Que gracias a la iono\u0301sfera podemos hacer uso de las radiocomunicaciones sin necesidad de cables. Tambie\u0301n reflexionamossobre la importancia de monitorearla para identificar cuando hay perturbaciones ionosfe\u0301ricas que puedan entorpecer la transmisio\u0301n de ondas de radio y causar afectaciones en los sistemas de telecomunicaciones y sistemas\u00a0de posicionamiento global empleados para la navegacio\u0301n ae\u0301rea, mari\u0301tima y terrestre, como el GPS. En este contexto, el estudio y monitoreo de estas perturbaciones tiene una relevancia global, y esta\u0301 contenido dentro de los propo\u0301sitos del Lance.<\/span><\/p>\n

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Actualmente, el desarrollo de mapas TEC usando datos de las estaciones de GPS es una te\u0301cnica muy empleada para el estudio de dichas perturbaciones. En particular, queremos destacar que los mapas TEC de Latinoame\u0301rica son una herramienta de gran relevancia para monitorear el estado de la iono\u0301sfera a nivel regional, con ellos se pueden emitir reportes para informar a la poblacio\u0301n sobre posibles fallos\u00a0<\/span>en las radiocomunicaciones.<\/span><\/p>\n

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AGRADECIMIENTOS<\/h4>\n
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Al Laboratorio Nacional de Clima Espacial (Lance) y a los responsables del proyecto, doctores Eduardo Pe\u0301rez Tijerina y Ame\u0301rico Gonza\u0301lez, por la infraestructura y datos para desarrollar estudios ionosfe\u0301ricos. Al Dr. Clezio\u00a0Marcos de Nardin y al Embrace de Brasil por compartir los co\u0301digos para el ca\u0301lculo del TEC. El Lance es parcialmente financiado por el Programa Ca\u0301tedras Conacyt, proyecto 1045, y el Fondo Sectorial AEM-Conacyt, proyecto\u00a0<\/span>2014-01-247722. Este material y sus resultados se basan, en parte, en observaciones de la red GPS TLALOCNet (Cabral-Cano et al<\/em>., 2018) operada por el servicio de geodesia satelital (SGS) en colaboracio\u0301n con UNAVCO Inc.<\/span><\/p>\n<\/div>\n

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* Universidad Auto\u0301noma de Nuevo Leo\u0301n, San Nicola\u0301s de los Garza, Me\u0301xico.
\nContacto: esmeralda.romerohdz@uanl.edu.mx, amanda.salasnr@gmail.com<\/p>\n

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REFERENCIAS<\/h4>\n
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Cabral-Cano, E.X., Pe\u0301rez-Campos, B., Ma\u0301rquez-Azu\u0301a, M.A. et al<\/em>. (2018). TLALOCNet: A Continuous GPS-Met Backbone in Mexico for Seismotectonic and Atmospheric Research. Seismological Research Letters<\/em>. 89 (2A):373-381. Doi: https:\/\/doi.org\/10.1785\/0220170190<\/p>\n

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GSAC services. (s.f.). TLALOCNet<\/em>. Disponible en: http:\/\/tlalocnet.udg.mx\/tlalocnetgsac\/<\/p>\n

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Geodetic Facility for the Advancement of Geosciences (GAGE). (s.f.). UNAVCO<\/em>. Disponible en: https:\/\/www.unavco.org\/data\/dai\/<\/p>\n

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Mannucci, A. J., Wilson, B.D., Yuan, D.N., et al<\/em>. (1998). A global mapping technique for GPS-derived ionospheric total electron content measurements. Advancing Earth and Space Sciences: Radio Science<\/em>. 33:565-582.<\/p>\n

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Otsuka, Y., Ogawa, T., Saito, A.,\u00a0et al<\/em>. (2002). A new technique for mapping of total electron content using GPS network. Springer: Earth, Planets and Space<\/em>. 54:63-70.<\/p>\n

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Romero-Herna\u0301ndez, E., Denardini, C.M., Jonah,O.F., et al<\/em>.(2020). Night-time Ionospheric TEC Study Over Latin America During Moderate\u00a0and High Solar Activity. Journal of Geophysical Research: Space Physics<\/em>. 125:5-6.<\/span><\/p>\n

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Takahashi, H., Wrasse, C.M., Denardini, C.M., et al<\/em>. (2016). Ionospheric TEC weather map over South America. Space Weather. Advancing Earth and Space Sciences: Space Weather.<\/em> 14:937-949.<\/p>\n

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Toloza, J., Acosta, N., De-Giusti, A. (2012). Techniques to determine the magnitude and direction error of GPS system<\/em>. Disponible en: http:\/\/sedici.unlp.edu.ar\/handle\/10915\/23814<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Esmeralda Romero Herna\u0301ndez (ORCID: 0000-0001-9228-4087)* Amanda Salas Navarro (ORCID: 0000-0003-2223-5487)** CIENCIA UANL \/ AN\u0303O 26, No.118, marzo-abril 2023 DOI: https:\/\/doi.org\/10.29105\/cienciauanl26.118-4 Descargar PDF El descubrimiento de la iono\u0301sfera a principios del siglo XX condujo a una serie de avances y aplicaciones tecnolo\u0301gicas en\u00a0torno a la transmisio\u0301n de sen\u0303ales y las radiocomunicaciones. Aviones, sate\u0301lites, naves espaciales, celulares, etce\u0301tera, hacen uso de e\u0301sta […]<\/p>\n","protected":false},"author":4,"featured_media":12410,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_monsterinsights_skip_tracking":false,"_monsterinsights_sitenote_active":false,"_monsterinsights_sitenote_note":"","_monsterinsights_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[15],"tags":[],"class_list":["post-12378","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-ejes"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/12378","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/users\/4"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcomments&post=12378"}],"version-history":[{"count":3,"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/12378\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":12485,"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/12378\/revisions\/12485"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/media\/12410"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fmedia&parent=12378"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcategories&post=12378"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Ftags&post=12378"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}