POTENCIAL DEL GPS EN EL ESTUDIO DE LA DERIVA VERTICAL DEL PLASMA DE LA IONOSFERA A PARTIR DE LAS SEÑALES EN LA BANDA L Claudinei Rodrigues de Aguiar Paulo de Oliveira Camargo Departamento de Cartografía Universidad de Ciencias y Tecnología - Campus de Presidente Prudente Calle Roberto Simonsen, 5 1- - Presidente Prudente- SP, Brasil rodrigues.aguiar@gmail.com; paulo@fct.unesp.br Palabras clave: GPS, TEC, ionosfera, anomalía ecuatorial, efecto fuente. RESUMEN En los últimos años el GPS (Global Positioning System Sistema de Posicionamiento Global) se firmó como una herramienta importante para el monitoramiento de importantes parámetros de la atmósfera e ionosfera. La influencia de la ionosfera en las señales en la banda L, transmitidas por los satélites de GPS, pasó a ser la mayor fuente de error en la utilización de este sistema, después de la desactivación de la técnica SA (Selective Avaliability Disponibilidad Selectiva). Por otro lado, estas señales que atraviesan la ionosfera permiten obtener las informaciones sobre la capa de la ionosfera. En Brasil, la RBMC (Red Brasileña de Monitoramiento Continuo) es equipada con receptores GPS de doble frecuencia que registran datos continuamente, constituyéndose en un importante banco de datos con informaciones de la atmósfera, con destaque a la ionosfera. En este trabajo es realizado el estudio de los efectos de la intensificación del efecto fuente y de la anomalía ecuatorial, en los horarios próximos a la puesta del Sol, provocada por la deriva vertical del plasma ionosférico que se intensifica en consecuencia del desarrollo de campos eléctricos del dínamo de la región F antes de la deriva vertical invertirse e cesar el efecto fuente. Este estudio es basado en medidas de VTEC (Vertical Total Electron Content Contenido Total de Electrones Vertical) obtenidas por la combinación lineal libre de la geometría, de las observables GPS en doble frecuencia. En los experimentos fueron utilizados datos GPS de la RBMC en periodo de alta actividad en el ciclo solar 2 (2-21) y en periodo de declinación de la actividad solar (25-2). Los resultados muestran la variación en el comportamiento latitudinal y estacional del VTEC decurrente de la deriva vertical del plasma ionosférico en periodo de alta y baja actividad solar. 1 Introducción El GPS es un sistema de localización usado en amplia escala por la comunidad civil para las más diferentes aplicaciones, entre las cuales pueden mencionarse aquellas en que es de interés obtener las coordenadas de la antena del receptor en tiempo real, tales como la navegación aérea, marítima y terrestre, monitoramiento de desplazamiento de estructuras, entre otros. Allende estas aplicaciones relacionadas directamente a la obtención de posiciones tridimensionales, en los últimos años el GPS se firmó como una importante herramienta para la observación de importantes parámetros de la atmósfera, con destaque a la ionosfera. Para los usuarios de receptores de simple frecuencia la influencia de la ionosfera en las señales en la banda L, transmitidas por los satélites del GPS, paso a ser la principal fuente de error en el uso de este sistema después de la desactivación de la técnica SA [5]. La magnitud del error sistemático debido a la refracción ionosférica es directamente proporcional al TEC (Total Electron Content Contenido Total de Electrones) en la capa ionosférica, o sea, al número de electrones presentes a lo largo del camino recorrido por la señal, e inversamente proporcional al cuadrado de la frecuencia. Si el valor del TEC fuese constante o tuviese una variación regular, los efectos causados por la ionosfera serían de fácil determinación. El problema principal es que el TEC varía en el tiempo y espacio en razón del flujo de ionización solar, actividad magnética, ciclo de manchas solares, estación del año, hora del día, localización geográfica y dirección del rayo vectorial del satélite, siendo difícil corregirlo []. Por otro lado, las señales que atraviesan la ionosfera permiten obtener informaciones sobre la capa de la ionosfera. Como la magnitud del efecto de la ionosfera sobre las señales en la banda L depende de la frecuencia, a partir de las observables GPS en receptores de doble frecuencia pueden calcularse parámetros ionosféricas, tales como el VTEC y RTEC (Rate of Change of TEC Tasa de Variación del TEC).
En Brasil, en el Departamento de Cartografía de la FCT/Unesp de Presidente Prudente, el GPI-FCT (Ionosphere Research Group of Technology and Science Faculty Grupo de Investigación de la Ionosfera de la Facultad de Ciencias y Tecnología) está investigando los efectos de la ionosfera en las señales en la banda L, así como la potencialidad del GPS en el monitoramiento de la dinámica de la ionosfera y, por consecuencia, su aplicación en estudios como la geofísica espacial. La red GPS activa RBMC es equipada con receptores GPS de doble frecuencia, que registran informaciones continuamente, constituyéndose en un importante banco de datos con informaciones de la atmósfera, con destaque a la ionosfera. En este trabajo es realizado el estudio de los efectos de la intensificación del efecto fuente y de la anomalía ecuatorial, en los horarios próximos a la puesta del Sol, provocado por la deriva vertical del plasma ionosférico que se intensifica debido al desarrollo de campos eléctricos del dínamo de la región F antes de la deriva vertical invertirse y cesar el efecto fuente. Este estudio es basado en las medidas de VTEC obtenidas por la combinación lineal libre de la geometría, de las observables GPS en doble frecuencia. En los experimentos fueron utilizados datos GPS de la RBMC en periodo de alta actividad en el ciclo solar 2 (2-21) y en periodo de declinación de la actividad solar (25-2). Los resultados muestran la variación en el comportamiento latitudinal y estacional del VTEC debido a la deriva vertical del plasma ionosférico en periodo de alta y baja actividad solar, así como la potencialidad del GPS en los estudios sobre el comportamiento de la ionosfera. 2 Monitoramiento de la Ionosfera Los valores del retraso ionosférico fueron obtenidos a partir de la combinación lineal libre de la geometría de las observables GPS en doble frecuencia [1, 2], I (R) = (P P )F (ct )F (R )F, (1) 2 1 2 2 2 donde I (R) es el retraso ionosférico verdadero en L 1. La constante F= f /(f f ) es obtenida en función de las 1 1 2 frecuencias L 1 y L 2 y la constante c es la velocidad de la luz. Los términos T GD y R GD, representan, respectivamente, el error sistemático debido a las constantes instrumentales L 1 -L 2 de los satélites y de los receptores. Aplicando una función de mapeamiento geométrico padrón (S) en I (R) los valores de VTEC absoluto pueden ser calculados: GD GD 2 f [S(I )] 1 (R) VTEC=. (2) 4, Con VTEC calculado en cada instante de observación se puede calcular también el RTEC. Los valores RTEC pueden ser usados como medida de los disturbios en la ionosfera [4] y también pueden ser aplicados en el análisis del ruido en las observables GPS [1]. El RTEC puede ser calculado de la siguiente forma: RTEC t VTEC = t t k+ 1 t k () k+ 1 VTEC t k donde RTEC t es la tasa de variación del TEC observada del instante t k para el instante t k+1. La ecuación permite analizar la variación temporal de la densidad electrónica en la capa de la ionosfera. Experimento El objetivo de los experimentos es estudiar el comportamiento de la ionosfera en la región ecuatorial a partir de los valores de VTEC absoluto y de RTEC utilizando las observables GPS obtenidas con la estación de baja latitud de Presidente Prudente, Brasil, llamada UEPP (-22.1º S; 51.4 W), que pertenece a la red GPS activa RBMC. En este trabajo fueron utilizados los datos GPS de la UEPP, de 1/1/2 a 1/12/21 y de 1/1/25 a 25/7/2, comprendiendo periodos de máxima actividad solar y de baja actividad, respectivamente. Los valores de VTEC y RTEC, fueron obtenidos, respectivamente, a partir de las ecuaciones 2 y, utilizando pseudodistancias observadas en L 1 e L 2, suavizadas por la fase de la onda portadora, observadas con una tasa de medida de 15 segundos y máscara de elevación de 15. Experimentos realizados en [1] muestran que los valores VTEC obtenidos con la pseudodistancia suavizada por la fase son más precisas y considerablemente menos ruidosas.
Para minimizar la influencia de errores sistemáticos tales como el de órbita y del retardo debido a las constantes instrumentales, fueron utilizadas las efemérides precisas proveídas por el IGS (International GNSS Service) y las estimativas de las constantes instrumentales de los satélites suministradas por el CODE (Center for Orbit Determination in Europe) en los archivos IONEX. La constante instrumental del receptor en la estación UEPP fue estimada para el experimento en cuestión. 4 Resultados Las Figuras 1 y 2 muestran la densidad electrónica en periodos de alta y baja actividad de la ionosfera, así como su variación temporal. En las figuras se puede ver el comportamiento estacional del TEC y la dependencia con la actividad solar (ciclo solar). 17 2 1 21 15 25 14 2 1 12 11 1 8 7 5 4 2 1 12 15 18 21 24 27 Día del Año Figura 1: Valores de VTEC.,45 2 21 25 2,4 RTEC (TECU),5,15,1,5, 12 15 18 21 24 27 Día del Año Figura 2: Valores de RTEC.
En la Figura 1 se puede observar el comportamiento del TEC dentro del ciclo solar 2. Este comportamiento está asociado a la ocurrencia de manchas solares. El valor del TEC es proporcional al aumento de la actividad solar. En los equinoccios del periodo de máxima actividad en el ciclo solar (2-21) el VTEC llega a alcanzar un valor medio de 17 TECU, mientras que en el periodo de baja actividad (2) el valor medio del VTEC permanece abajo de TECU. La tasa de variación del TEC (RTEC) para un periodo de alta actividad solar, en media presenta un RTEC de,4 TECU, y llega a alcanzar, TECU en el periodo de baja actividad solar (2), para intervalos de 15 segundos. Los perfiles de densidad de los electrones en la ionosfera son muy dependientes del ciclo de manchas solares, debido al hecho de que la alta actividad de manchas solares está relacionada al aumento de las explosiones solares (la emisión de gran cantidad de energía electromagnética del Sol) y al aumento global de la radiación electromagnética solar. Luego, en el periodo de máxima actividad solar (2 y 21) ocasionó un aumento del número de manchas solares y, por consiguiente, del número de electrones presente en la capa ionosférica. En las Figuras 1 y 2 se verifican aún las variaciones estacionales en la actividad de la ionosfera, caracterizadas por la influencia de las estaciones del año en la variación de la densidad de electrones, debido al cambio del ángulo zenital del Sol y de la intensidad del flujo de ionización. El comportamiento diario de la ionosfera para el periodo de alta y baja actividad en el ciclo solar 2 puede ser observado, respectivamente, en los gráficos de las Figuras y 4.
Día - Equinoccio 5 25 2 15 1 5 Día 1 - Solsticio de Invierno 5 25 2 15 1 5 5 25 2 15 1 5 Día 14 - Equinoccio 12 15 18 21 24 24 Horas UT - Datos UEPP de 2. Día - Equinoccio 5 25 2 15 1 5 5 25 2 15 1 5 5 25 2 15 1 5 Día 1 - Solsticio de Invierno Día 14 - Equinoccio 12 15 18 21 Horas UT - Datos UEPP de 21. Figura : Comportamiento diario del VTEC en el período de alta actividad de la ionosfera.
Día - Equinoccio 5 25 2 15 1 5 5 25 2 15 1 5 5 25 2 15 1 5 Día 1 - Solsticio de Invierno Día 14 - Equinoccio 5 25 2 15 1 5 24 Día - Equinoccio 5 25 2 15 1 5 5 25 2 15 1 5 12 15 18 21 Horas UT - Datos UEPP de 25. Día 1 - Solsticio de Invierno Día 14 - Equinoccio 12 15 18 21 Horas UT - Datos UEPP de 2. 24 Figura 4: Comportamiento diario del VTEC en el periodo de baja actividad de la ionosfera. En la Figura se observan las variaciones diarias provocadas por cambios que ocurren en ciertas regiones de la ionosfera, debido a la recombinación y junción de los electrones e iones. La principal razón de la existencia de la variación diaria es debido a la iluminación del Sol, o sea, a la radiación solar. En los equinoccios del periodo de alta actividad (2-21) la cantidad de electrones es reducida a punto de alcanzar en la madrugada su valor mínimo, volviendo a aumentar su valor con el nacer del Sol. A lo largo del día la densidad de electrones depende de la hora local, siendo que su valor máximo ocurre entre las 12: y 15: horas local (15:-18: horas UT). La región ecuatorial es caracterizada por un alto nivel de densidad de electrones principalmente en el inicio de la tarde, y varios fenómenos ocurren en esta región, tal como la anomalía de Appleton. En la Figura se verifica también un pico decurrente de la intensificación de la deriva vertical del plasma ionosférico próximo a la puesta del Sol, alrededor de las 21: horas UT. Aún se puede ver que para periodos de máxima actividad solar el pico ocurre en todas las estaciones del año, sin embargo en el periodo de baja actividad (2) no ocurrió lo mismo.
En los gráficos de la Figura todavía puede notarse, en los horarios próximos a las 24: horas UT, irregularidades en el gráfico que pueden ser decurrentes de disturbios provocados por eventos como las cintilaciones o burbujas ionosféricas. En la Figura el día de 2 ocurrió una tempestad geomagnética moderada, y este día también fue precedido y seguido por tempestades moderadas. El VETC mínimo observado en el periodo de intensificación de la deriva vertical del plasma ionosférico fue de 17 TECU y flujo solar F1.7 = 22. El día 1 de 2 fue considerado un día calmo, pero el flujo solar F1.7 fue de 22. El día 14 de 2 fue precedido por una tempestad geomagnética intensa y seguido por una tempestad moderada. En este día los periodos que anteceden las 24: horas UT se observa un VTEC mínimo de 14 TECU y F1.7 = 1. El día de 21 fue precedido por una tempestad geomagnética grande (Dst = -24 nt) y en el periodo del pico preinversión presentó un VTEC mínimo de 17 TECU. Para este día el valor de F1.7 fue 22. El día 1 de 21 fue calmo, no presentando eventos que pudieran influenciar significativamente la intensificación del efecto fuente. El día 14 de 21 ocurrió una pequeña tempestad geomagnética, sin embargo presentó un flujo solar F1.7 = 24 y algunas irregularidades también puede ser observadas en los horarios próximos a la 24: TÚ. En la Figura 4 se nota que en el periodo de declinación de la actividad solar (25) el segundo máximo en la densidad de electrones no ocurre y en el periodo de mínima actividad solar (2), para los días analizados, no fueron observados máximos en la densidad electrónica en los periodos diarios de mayor ionización y en el periodo del pico preinversión. Los días analizados en la Figura 4 no presentaron tempestades geomagnéticas y el flujo solar F1.7 varió entre 7 y 1. En las Figuras y 4 se puede ver que durante periodos de máxima actividad solar el pico ocurre en todas las estaciones del año, siendo que en el solsticio lo mismo ocurre con amplitud mucho más baja, y durante la actividad solar baja el pico preinversión normalmente ocurre solamente en el equinoccio con una amplitud mucho más baja. Los días de 25 y 2 analizados en la Figura 4 presentaron un flujo solar F1.7 en torno de 1 en los equinoccios y de aproximadamente 7 en los solsticios. En el periodo de alta actividad (Figura ) en la estación del año de menor ionización en Brasil (solsticio de invierno) el valor medio de F1.7 llega a 1 y en los equinoccios del periodo de máxima actividad solar el flujo solar medido fue de aproximadamente 22. El índice de medida del flujo solar de 1.7 cm tiene correlación con las manchas solares. Por lo tanto, los resultados mostrados en las Figuras y 4 caracterizan la influencia de la actividad solar en el aumento de la densidad de electrones y en la deriva vertical del plasma ionosférico. 5 Conclusiones Pueden ser observadas las variaciones temporales, que comprenden las variaciones diarias, estacionales y ciclos de largos periodos, y como estas variaciones influencian directamente en la mudanza de la densidad de electrones en la ionosfera, o sea, la generación de iones y electrones es proporcional a la intensidad de la radiación solar. Se verifica también la influencia de la intensificación de la deriva vertical del plasma ionosférico en los horarios próximos a la puesta del Sol. A la noche la deriva vertical del plasma ionosférico se hace negativa, sin embargo antes de esto, en los horarios próximos a la puesta del Sol, la deriva se intensifica provocando también la intensificación del efecto fuente, resultando en el aumento de la densidad de electrones en regiones de baja latitud en los horarios que anteceden a medianoche. Algunas signaturas de irregularidades ionosféricas observadas en los experimentos serán estudiadas y analizadas cuidadosamente, para verificar si estas fueron causadas por cintilaciones, presencia de burbujas ionosféricas, u otras perturbaciones en la densidad de electrones. Los resultados muestran el potencial del GPS como herramienta en el estudio de la deriva vertical del plasma ionosférico a partir de las señales en la banda L. Las señales que atraviesan la ionosfera, transmitidos por los satélites del GPS, contienen informaciones sobre la capa de la ionosfera lo que constituye las redes GPS, tales como la RBMC, en un importante banco de datos para investigadores en el área de la geofísica espacial, con destaque a la física de la ionosfera. Agradecimientos Los autores agradecen a la FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo) por el auxilio financiero para la realización de este trabajo.
Referencias [1] Aguiar, C. R., 25. Modelo Regional da Ionosfera (Mod_Ion): Implementação em Tempo Real. Dissertação (Mestrado) Programa de Pós-Graduação em Ciências Cartográficas, Faculdade de Ciências e Tecnologia UNESP, 15 p., Presidente Prudente. [2] Aguiar, C. R.; Camargo, P.O.; Matsuoka, M.T.; Dal Poz, W.R., 2. Determinação do Erro Sistemático na Pseudodistância devida à Ionosfera: avaliação da performance do Mod_Ion e do modelo de Klobuchar. Série em Ciências Geodésicas, Vol., pp. 11-12, UFPR, Curitiba, Paraná. [] Camargo, P. O., 1. Modelo Regional da Ionosfera para uso em Posicionamento com Receptores de uma Freqüência. Tese (Doutorado em Ciências Geodésicas) Setor de Ciências da Terra, Universidade Federal do Paraná, 11 p., Curitiba. [4] El Gizawy, M.L., 2. Development of an Ionosphere Monitoring Technique Using GPS Measurements for High Latitude GPS Users. M.Sc. dissertation Department of Geomatics Engineering, UCGE Report nº 2171, 17 p., The University of Calgary, Calgary, Alberta, Canada. [5] Skone, S., 18. Wide area ionosphere grid modelling in the auroral region. Ph.D Thesis Department of Geomatics Engineering, UCGE Report nº 212, 18p., The University of Calgary, Calgary, Alberta, Canada.