Grabaciones de emisiones VLF presentadas por Steve McGreevy

diciembre 17, 2011 on 7:33 am | In fisica, paisaje sonoro, sonikas, vídeo | 2 Comments

En la última edición de Sonikas tuvimos oportunidad de conocer el trabajo de Steve McGreevy a través de una audio presentación donde el propio Steve comentaba alguna de sus grabaciones favoritas. Al finalizar la citada presentación, intercambiando impresiones con otros asistentes, coincidimos en el carácter inspirador del trabajo de McGreevy. Al igual que sucedió con Gordon Hempton hace dos años, Steve nos ha hecho reflexionar sobre la belleza sonora de la naturaleza y, sobre todo, como su búsqueda llega a definir el estilo de vida de una persona.

Para aquellos que no pudisteis asistir a Sonikas aquí os dejamos la presentación. Esperamos que os guste y os descubra nuevos  horizontes hacia dónde dirigir vuestras escuchas…

Más información y referencias:
Auroral Chorus www.auroralchorus.com
Space Weather Sounds www.spaceweathersounds.com
Teoría de las Emisiones VLF www.ccapitalia.net/?p=979
IX Edición de Sonikas www.ccapitalia.net/crc/sonikas9/index.htm

Emisiones VLF

noviembre 23, 2011 on 4:50 pm | In fisica, paisaje sonoro, sonikas | 1 Comment

Adolfo García Yagüe | La segunda semana de diciembre tendrá lugar la novena edición de Sonikas. Un año más intentamos ofrecer un programa atractivo invitando a figuras consagradas junto a nuevos valores sin perder, en ambos casos, la esencia experimental que caracteriza al festival. En este sentido, el día 8 tenemos previsto emitir Tune-in. Kevin Gordon dirige este cortometraje y en él se documenta el trabajo de Steve McGreevy en torno a la grabación de emisiones VLF naturales [1][2]. Tras el documental tendremos oportunidad de escuchar una selección de grabaciones VLF que el propio McGreevy ha preparado para la ocasión y que presentará en diferido.

La costumbre por poner etiquetas nos lleva a ubicar el trabajo de McGreevy dentro del género del Paisaje Sonoro. No obstante, si profundizamos en su esencia, no tardaremos en apreciar su elevado componente científico para, a continuación, dudar de cualquier posible clasificación. Esto sucede porque las emisiones VLF no son posibles sin la intervención de la ionosfera, los vientos solares o la magnetosfera.

VLF
Very Low Frequency es la denominación que recibe la región del espectro radioeléctrico comprendido entre 3 KHz y 30 KHz. Por debajo de VLF se encuentran otras regiones: ULF (300 Hz a 3000 Hz), SLF (30 Hz a 300 Hz) y ELF (3 Hz a 30 Hz). Más allá de VLF se sitúan LF, MF, HF, VHF, UHF, SHF y EHF. En este texto, cuando hablamos de Emisiones VLF, consideramos también las regiones inferiores a VLF, es decir, desde 3 Hz hasta 30 KHz.

Los primeros ensayos de radiotelegrafía de Guillermo Marconi se hicieron en VLF. Otros sistemas de comunicación -prácticamente en desuso- como el radioteletipo (RTTY) también operaban en esta región del espectro. Las transmisiones en VLF son utilizadas en las comunicaciones militares submarinas, así como en los sistemas de localización Omega (sustituido por GPS) y Alpha (Rusia, en servicio). Como comentaremos más adelante, gracias a la ionosfera, una trasmisión en VLF puede ser recibida a miles de kilómetros de distancia. Además estas frecuencias tienen buena propagación bajo el agua (de ahí su uso militar). Quiero acabar esta reseña de emisiones VLF hechas por el hombre recordando que toda la red eléctrica, incluyendo centros de generación y transformación, son la mayor fuente de “ruidosas” emisiones VLF.

Exceptuando a radioaficionados muy adelantados y quizás algo nostálgicos, la atracción de la región VLF no reside en ninguna de las aplicaciones anteriores. Lo realmente interesante y curioso que se puede escuchar en esta región del espectro son los sonidos de la naturaleza.

Ionosfera
Esta capa se localiza a 80 Km sobre nuestras cabezas y se extiende, aproximadamente, hasta los 500 Km. Como su nombre indica se caracteriza porque los gases allí presentes están ionizados. Una sustancia está ionizada cuando su carga eléctrica no es neutra porque tiene exceso o déficit de electrones. ¿Qué es lo que provoca que la ionosfera esté ionizada? ¿Qué consecuencias tiene esta ionización?

Los gases que viven en la ionosfera están expuestos a radiaciones de alta energía procedentes del Sol: Rayos X, gamma y ultravioleta transfieren a los electrones de un átomo la suficiente energía para apartarlos de sus respectivos núcleos. Por esta razón la densidad de ionización de esta capa varía en función de la rotación de la Tierra (ciclo noche/día), la rotación del Sol (cada 26 días), ciclo de estaciones (movimiento de traslación de nuestro planeta) y ciclo de aparición de manchas solares (11 años). A los fenómenos anteriores hay que sumar otros de carácter anómalo.

La ionización de cualquier sustancia lleva implícito un comportamiento electromagnético. En el caso de la ionosfera este comportamiento hace que ciertas frecuencias de radio emitidas desde la tierra se reflejen en ella y retornen hacia la superficie terrestre. Es decir, rebotan. Por esta razón ciertas transmisiones de radio consiguen recorrer miles de kilómetros confinadas dentro de la guía onda ionosfera-superficie tierra.

Sonidos atmosféricos
Los telegrafistas del siglo XIX fueron los primeros en escuchar a través de sus auriculares unos ruidos que nada tenían que ver con el simpático tintineo Morse. Estos sonidos carecían de una pauta predecible, tenían misteriosas tonalidades y, generalmente, coincidían con fenómenos meteorológicos. De estos fenómenos el relámpago es la fuente más común de emisiones VLF naturales.

Imaginemos una nube como una gran batería de varios millones de voltios en cuya parte inferior se localiza el polo negativo. Por su parte, la superficie terrestre, tiene carga positiva. Entre ambos cuerpos (nube-tierra) el aire es dieléctrico, esto significa que es aislante. Sin embargo, cambios en la densidad de ionización de la atmósfera, o un incremento de la humedad del aire acaban facilitando la conductividad entre la nube y la tierra. Cuando esto sucede la nube libera su carga eléctrica en forma de relámpago o rayo. Esta colosal descarga eléctrica está acompañada de emisiones electromagnéticas en diversas regiones del espectro, incluida la región VLF. Estas emisiones radioeléctricas pueden ser captadas por una antena y, posteriormente, tratadas en un circuito electrónico haciendo que en un altavoz suene un ruido parecido a un chisporroteo o crujido. Estos sonidos se denominan Sferics (abreviatura de atmospherics, interferencia) y puedes escuchar una muestra a continuación.

Las emisiones VLF producidas por el relámpago se benefician de las propiedades de propagación de la ionosfera. Esto permitiría escuchar en Madrid emisiones VLF de un rayo que cae en las Islas Azores o incluso más lejos. En los casos de propagación ionosférica de las emisiones VLF se produce un fenómeno denominado dispersión retardada o retardo de grupo. El retardo de grupo se experimenta dentro de la guía onda ionosfera-tierra y consiste en que las componentes de frecuencia superior de la emisión VLF viajan más rápido que las de inferior frecuencia. En estos casos los sonidos que escucharemos se denominan Tweeks y son similares al producido cuando pía un pájaro.

Fenómenos de la magnetosfera
Los metales semifundidos existentes en el núcleo de la Tierra, al estar sometidos a los movimientos de rotación, hacen que nuestro planeta se comporte como un gran imán. Por esta razón la Tierra tiene un polo magnético S, próximo al Polo Norte geográfico, y un polo N magnético cerca del Polo Sur geográfico. Obviamente, este magnetismo terrestre lleva implícito un campo magnético que se extiende alrededor del planeta de forma cíclica y anular, es decir entra y sale por los polos. La región de nuestra atmósfera más externa, donde el campo magnético terrestre interactúa con los vientos solares se denomina magnetosfera. Esta capa se sitúa justo por encima de la ionosfera.

Gráficamente, la magnetosfera se puede describir como un gran escudo deflector (igual que la nave Enterprise de Star Trek) que desvía las partículas del viento solar (electrones y protones de alta energía) evitando que estas colisionen directamente con nuestra atmósfera. De no ser así la vida en nuestro planeta sería improbable. Hay ocasiones en las que la llegada de viento solar se incrementa bruscamente como consecuencia de violentas erupciones solares. Normalmente este comportamiento solar es predecible dentro del ciclo de actividad solar pero, cuando se producen estos incrementos de actividad, las consecuencias se sienten en nuestro planeta. La situación más catastrófica que podríamos sufrir es estar expuestos a una fuerte tormenta geomagnética que dañaría satélites de comunicaciones, equipos electrónicos en tierra y redes de energía. Otra consecuencia -más benévola- de la actividad solar es la aparición de auroras boreales y australes en los polos norte y sur, respectivamente.

Una aurora se produce cuando los electrones del viento solar, al ser atrapados en el campo magnético de la tierra, golpean a los átomos de oxígeno y nitrógeno de la ionosfera transfiriendo a estos energía extra que liberarán instantes después en forma de fotones, es decir, produciendo destellos luminosos. Además del hermoso efecto visual, las auroras tienen banda sonora VLF semejante a un coro de aves o Chorus [3].

Otro sonido muy interesante que se produce por mediación de la magnetosfera es el silbador o Whistlers. En este caso las emisiones VLF producidas por un relámpago llegan hasta la magnetosfera y, a través de ella, siguiendo las líneas de campo magnético, aparecen en el hemisferio opuesto donde cayó el rayo [4]. La mejor forma de describir este sonido es recordando algún clásico del cine de ciencia ficción …

Terremotos y Meteoritos
En esta revisión de fenómenos naturales con antecedentes de emisiones VLF es preciso mencionar a los terremotos y meteoritos. Sobre ambos fenómenos hay numerosa bibliografía y, en el caso de los terremotos, son objeto de estudio científico al advertirse que días antes de producirse un temblor se producen emisiones VLF. Según estos trabajos, en la región que sufrirá el terremoto se producen alteraciones del campo magnético terrestre y, por supuesto, en la ionosfera. Incluso hay científicos que creen que las propiedades piezoeléctricas el cuarzo (cristal que al ser comprimido manifiesta una diferencia de potencial) puedan ser responsables de estas emisiones VLF [5].

También se ha constado que la llegada de meteoritos se acompaña de emisiones VLF. La trayectoria que sigue un meteorito en la atmósfera deja tras de sí una huella conocida como ruta de ionización. Estas rutas interactúan con la ionosfera y el campo magnético terrestre generando emisiones electromagnéticas en la región VLF. El sonido del meteorito es similar al Sferics del relámpago. Ambos difieren en la duración (10 ms frente a 1 ms), frecuencia (1 KHz contra 6 KHz) y volumen (los meteoritos son 20 db más silenciosos).

Desde tiempos bíblicos numerosos relatos describen la llegada de meteoritos (lluvias de fuego, estrellas fugaces, Leónidas, etc.) acompañados de sonido. A principios del siglo XVIII Edmund Halley investigo sobre este asunto llegando a la conclusión de que tales relatos eran producto de la imaginación popular. Halley consideraba imposible que un espectador pudiera “escuchar” la llegada de un meteorito que, se según sus cálculos, caía a decenas de kilómetros. Es decir, la imagen del meteorito cayendo llega mucho antes que su sonido. Este escepticismo se ha mantenido hasta que modernas investigaciones han descrito el fenómeno electrofónico que producen ciertos meteoritos.

El efecto electrofónico asociado a la caída de meteoros tiene que ver, como no, con las emisiones VLF. Al tratarse de señales electromagnéticas las emisiones VLF viajan a la misma velocidad que la imagen que nos llega del meteorito precipitándose. En determinadas circunstancias, si las emisiones VLF son suficientemente intensas, pueden hacer vibrar las hojas de un pino, el pasto e incluso el pelo. También se ha constado que estas emisiones VLF hacen vibrar finos hilos de metal, láminas de aluminio o las patillas metálicas de unas gafas. En resumen, el efecto electrofónico es un fenómeno de transducción directa de una señal electromagnética a sonido, sin intervención de un altavoz o circuito electrónico [6].

Capturando Emisiones VLF
Si decides que la captura y grabación de emisiones VLF es lo tuyo ten presente que ES MUY PELIGROSO SALIR A GRABAR VLFs CUANDO HAY TORMENTA O ESTA SE AVECINA. Recuerda: El riesgo de morir atravesado por un rayo es alto. Como hemos visto, para escuchar emisiones VLF no es necesario ir esquivando relámpagos. Por esta razón te aconsejo que seas prudente y no pongas tu vida en peligro.

Lo primero que tienes que conseguir es un receptor VLF. Si eres aficionado a la electrónica, en Internet puedes encontrar numerosos esquemas para montar tu propio equipo. La fabricación y los conceptos de funcionamiento son sencillos: Tras la antena encontrarás una etapa donde un filtro de paso bajo discrimina las altas frecuencias y permite el paso de las bajas. Con este circuito limitaremos la entrada de frecuencias de radio no deseadas. Lo ideal es que podamos ejercer algún control sobre este filtro para ajustar, con cierta precisión, la región VLF de recepción y adaptarlo a las dimensiones de la antena que estamos usando. Tras este filtro encontraremos una etapa de amplificación responsable de dar ganancia a toda la señal de audio para, a continuación, entrar en una segunda etapa que permite una amplificación selectiva de ciertas frecuencias. Esta señal ya puede ser escuchada con unos auriculares o grabada en un equipo externo. [7] En Internet también puedes adquirir receptores VLF ya montados y listos para funcionar o en kit. Los precios oscilan desde los 100€ hasta los 250€.

Los meses de verano y otoño, al atardecer y de noche, suelen ser los mejores momentos para captar emisiones VLF producidas por relámpagos y así lograr escuchar Sferics y Tweeks. Al amanecer, hasta media mañana, es más fácil escuchar Chorus, en especial en los periodos de alta actividad solar. Las zonas de la Tierra más favorables para esta escuchar Chorus son las regiones del norte, a partir de los 50-55 grados de latitud. A partir de medianoche, hasta el amanecer, es más fácil oír Whistlers en regiones comprendidas entre los 30-55 grados de latitud norte. Otros consejos para una escucha satisfactoria es intentar alejarse lo máximo posible de tendidos eléctricos y buscar zonas abiertas, distantes de áreas boscosas [8].

Para lograr que nuestro trabajo de búsqueda de emisiones VLF sea más efectivo, es recomendable seguir el comportamiento del Sol, la climatología, actividad sísmica y meteoritos. A continuación incluyo algunas páginas que debes visitar:

• Agencia Estatal de Meteorología. Predicción meteorológica, caída de rayos, evolución de tormentas. www.aemet.es
• Spaceweather. Información sobre el comportamiento del Sol, auroras, etc. www.spaceweather.com
• Instituto Geográfico Nacional. Seguimiento de la actividad sísmica en España. www.ign.es
• The International Meteor Organization. Calendario de llegada de meteoritos www.imo.net

Esto es todo. Nos vemos en Sonikas.

Referencias
[1] McGreevy. 1995. Revised 2011. The VLF Story. www.auroralchorus.com
[2] McGreevy. 2000. Auroral Chorus II: The Music of the Magnetosphere. www.archive.org
[3] Sazhim, Hayakama. 1991. Magnetoshperic chorus emission: a review. Planet Space Sci.. Vol. 40. No. 5, pp. 681-697. 1992.
[4] Stanford VLF Group. Introduction to Whistler Waves in the Magnetosphere. vlf.stanford.edu
[5] Pulinet. 2004. Ionospheric Precursors of Earthquakes; Recent Advances in Theory and Practical Applications. TAO, Vol. 15, No. 3, 413-435, September 2004.
[6] Price, Blum. 2000. ELF/VLF Radiation Produced by the 1999 Leonid Meteors. Department of Geophysics and Planetary Science, Tel Aviv University.
[7] Bennett. 2006. The Inspire VLF-3 Receiver. Theory of Operation. The INSPIRE Project. theinspireproject.org
[8] McGreevy. 1991. Revised 2002. Pocket-Portable WR-3 Natural VLF Radio Phenomena Receiver List. www.auroralchorus.com

Práctica de espectrometría

mayo 23, 2011 on 11:37 am | In fisica, software | No Comments

Sergio Torres Alonso | La espectrometría permite conocer la naturaleza de una sustancia o cuerpo a partir del análisis de las ondas que emite. Todos los elementos químicos, sustancias o cuerpos de nuestro universo tienen una “huella” electromagnética cuántica que les hace inconfundibles. Las aplicaciones de la espectrometría y sus técnicas son múltiples, aunque los principios son básicamente los mismos: El objeto o sustancia a analizar se expone a una fuente de energía. A continuación, los electrones de los átomos que componen la muestra absorben esta energía y alcanzan un nivel energético superior para, posteriormente, volver a su estado energético natural emitiendo -en el transcurso- una onda electromagnética cuántica que registramos y nos permite conocer de qué sustancia se trata.

La utilidad de la espectrometría es muy grande porque permite analizar en los laboratorios sustancias desconocidas a partir de la radiación atómica de sus niveles energéticos (analizando la longitud de onda de su espectro atómico). Así es posible determinar el tipo de sustancia objeto de análisis. Es lo que utiliza la policía científica (el televisivo CSI) y, por supuesto, en laboratorios de investigación de la NASA o en técnicas médicas de radiodiagnóstico, como la resonancia magnética nuclear.

Pongamos un ejemplo: Una piedra cae del cielo y un buen hombre la recoge y decide llevarla a su laboratorio. Allí somete a la piedra a un bombardeo de fotones de silicio generados por una lámpara de gas de iones de silicio (Si2+). Estos fotones excitan a los electrones de los átomos de la piedra elevando su carga e incrementando así su nivel energético. Los electrones, al alcanzar a su nivel energético máximo, tienden a volver a su estado natural emitiendo la energía excedente en forma de ondas que son captadas por un sensor registrando su longitud o huella electromagnética. De esta forma es posible conocer los elementos que constituyen la piedra y así averiguar si ésta es un trozo de meteorito o, él del pueblo de al lado, ha intentado darle una pedrada.

Hagamos una pequeña práctica
Como en casa no disponemos de un espectrómetro, vamos a trabajar con las lecturas realizadas en un laboratorio con un equipo de lámpara de silicio programado para hacer lecturas cada 500 milisegundos.

1. Descarga el software EspView.exe para el análisis de espectros
2. Una vez tengas el programa funcionando, le das a “leer datos” y seleccionas el siguiente archivo intervalo.txt. Si eres curioso lo puedes editar en word o bloc de notas y verás las longitudes de onda que ha registrado el espectrómetro.
3. El siguiente paso es la calibración.  Con las flechas cursoras desplázate al máximo a la izquierda e introduce la siguiente cantidad en la calibración: 2200 (que se corresponde con el inicio de la toma de medidas por parte del espectrómetro de 2200 Armstrong). A continuación desplázate hasta la derecha e introduce en la calibración 2220 (que se corresponde con la finalización de las medidas en el laboratorio)

Tras la  calibración, mediante interpolación de medidas, el programa representa claramente 5 niveles energéticos máximos (picos) asociados a ciertas longitudes de onda. Como conocemos la huella electromagnética de todos los elementos de la tabla periódica llegamos a la conclusión de que lo que acabamos de medir se corresponde con el silicio y, por lo tanto, han intentado escalabrarnos…

El programa es muy fácil de usar, sólo necesitas las flechas y la tecla de Alt Shift junto con las flechas para dar o quitar zoom. En la parte superior del programa vas obteniendo en Armstrong la longitud de onda donde te encuentras.

Para resumir la teoría de lo que hemos visto podemos concluir que los átomos irradian energía, la energía son ondas, medibles, con una longitud y frecuencia. Dependiendo de la longitud de onda en la que lo hagan y lo excitados qué estén esos átomos podemos diferenciar si se trata de una sustancia u otra. Con la ecuación de  E=hf (de Einstein), el espectrómetro recoge diferentes longitudes de onda de una lámpara de silicio y el ordenador se encarga de tomar datos en un canal de entrada a unos 0,29 armstrong/segundo.

Espero que os haya sido interesante esta aproximación al mundo de la Física de partículas.