Análisis del clima, 10.000 kilómetros después

julio 5, 2016 on 1:57 pm | In fisica, globalrider, m2m, iot | No Comments

Adolfo García Yagüe | Quienes estáis siguiendo el día a día de esta aventura, habréis apreciado que hace unas semanas se produjeron pequeños saltos en el itinerario de Hugo. Esto obedece a que tuvimos cortes esporádicos en la comunicación de la Pasarela IoT. Como sabéis la pasarela está permanentemente conectada y envía datos cada pocos segundos.

A partir del análisis de los datos recogidos por la Pasarela tenemos la sospecha de que existe cierta relación entre estas pérdidas de conexión con una deficiente cobertura móvil y un fuerte incremento de la temperatura. Los problemas se manifestaron en el momento en el que Hugo llegó a Kazajistán y Uzbekistán. Analizando los datos de temperatura recogidos en el interior de la Pasarela (microprocesador, etapa radio y un sensor en placa) hemos descubierto que cuando se alcanza una temperatura próxima a 65ºC, la exterior sobrepasa 43ºC, y además la cobertura es muy baja acontece el fallo. Trabajamos sobre la hipótesis de que la baja cobertura hace que la radio de la pasarela IoT eleve la ganancia de sus amplificadores para garantizar la comunicación. Como es normal, esta amplificación eleva la temperatura del conjunto de radio afectando a la tarjeta SIM. Todavía no lo sabemos con certeza, sólo han sido tres fallos y no hemos podido identificar un patrón claro.

Ante esta situación -que tiene difícil análisis a más de 10.000 kilómetros de distancia y en ruta- estamos coordinando con Hugo la sustitución de la Pasarela IoT a su llegada a San Francisco. Entretanto confiamos que durante su periplo ruso la climatología y la cobertura móvil sean más benévolas.

Aprovechando que hemos tenido que enfrentarnos a datos climáticos, ¿por qué no hacer un repaso del primer mes de Globalrider desde la perspectiva meteorológica?

Globalrider - Ruta hasta el día 28 de junio (10.000 kilómetros)

 

Evolución de la temperatura
En el siguiente gráfico queda reflejada la evolución térmica durante los primeros 32 días. Para esta representación gráfica hemos recurrido a un mapa de calor. En este tipo de gráficos se asocia un color al valor de un dato o, como en nuestro caso, a la media aritmética de la temperatura registrada durante una hora. En este mapa destaca con gran claridad el cambio de temperatura que sufrió Scagnetti en su paso por Turquía (días 12 y 13 de junio) hacia Asia Central (a partir del día 20 de junio). A partir de aquí hubo días que registramos temperaturas por encima de 40 grados a la sombra. Es decir, el sol no incidía directamente sobre el sensor.

Globalrider - Mapa de calor de la temperatura (primeros 32 días)

El mapa de calor también revela los momentos donde nuestra Pasarela IoT sufrió los efectos antes comentados: 13h del día 20, 11h del día 25 y 9h del día 26. Por último, los huecos en blanco, corresponden a momentos en los que la pasarela ha permanecido apagada sin registrar datos.

 

Humedad relativa y presión atmosférica, además de temperatura
El análisis anterior podemos enriquecerlo añadiendo los datos de humedad y presión atmosférica. Si además fuéramos capaces de medir la velocidad del viento y registrar las precipitaciones estaríamos a un paso de convertir a Hugo en “el señor del tiempo”. En efecto, estos cinco elementos definen el clima y su análisis es la esencia de la predicción del tiempo. Aunque nos gustaría, nosotros no somos capaces de llegar tan lejos y solo nos limitaremos a realizar algún razonamiento sobre climatología a partir de los datos que vamos recogiendo y procesando.

En la siguiente tabla hemos reunido los registros de temperatura, humedad relativa del aire y presión atmosférica. Para hacernos una idea del perfil del clima por cada día de travesía, presentamos el valor mínimo, máximo y calculamos la media.

Globalrider - Tabla de temperaturas, humedad relativa y presión atmosférica

Con permiso de los lectores más adelantados, antes de pasar a la interpretación de datos, haremos un pequeño repaso del concepto humedad relativa y presión atmosférica.

La humedad relativa del aire, como su nombre indica, es una variable con la que medimos la humedad del aire, ahora bien, esta medida es relativa a la temperatura. Esto significa que no podemos medir correctamente un dato de humedad relativa sin conocer la temperatura a la que se ha tomado la muestra. Para comprender esta relación debemos recurrir a la Física. Esta nos dice que una masa de aire a una temperatura alta es capaz de contener más agua en estado gaseoso que la misma masa de aire a una temperatura inferior. Por lo tanto la capacidad de “almacenar” vapor de agua (o humedad) en un volumen de aire viene determinado por la temperatura. Cuando esta masa de aire no puede almacenar más vapor decimos que se satura porque alcanza el 100% de su capacidad, produciéndose a continuación el fenómeno de condensación que se manifiesta en forma de lluvia, nieve, granizo, niebla, rocío o escarcha.

Globalrider - Explicacion de anticiclón y borrasca

La presión atmosférica indica la fuerza que ejerce la atmosfera sobre la superficie terrestre. Se mide en milibares. Esta presión no es uniforme a lo largo y ancho de nuestro planeta y depende de factores como la altitud, latitud y la temperatura. Esto quiere decir que, en condiciones atmosféricas iguales, si estamos en lo alto de una montaña mediremos menos presión atmosférica que si nos encontramos a nivel del mar. De manera inversa la relación entre temperatura y presión demuestra que, a menor temperatura, la presión atmosférica se incrementa. Esto provoca que el aire tenga más densidad y tiende a descender hacia la superficie provocando una zona de alta presión o anticiclón. Por el contrario, el aire caliente, al tener menor densidad, se eleva lo que provoca que baje la presión generando una zona de borrasca. El viento es un fenómeno atmosférico que se origina por la diferencias de presión entre anticiclón y borrasca. Éste circula desde la zona anticiclónica hacia la borrasca.

 

Análisis descriptivo de tormentas
Con los datos recogidos por Hugo vamos a intentar identificar el desarrollo de una tormenta. Si revisamos la tabla anterior notaremos que la humedad relativa máxima de los días 27, 28 y 29 de mayo, así como la de los días 2, 5, 7, 12 y 27 de junio superan el 70%. Con mucha cautela vamos a tomar estos datos como un indicio de que esos días pudo suceder algo especial. Quiero insistir en la prudencia ya que una subida de la humedad relativa no tiene por qué estar exclusivamente relacionado con la lluvia. Como no somos meteorólogos necesitamos tener un elemento que constate si nuestras sospechas son correctas o no.  Para lograr esta certificación hemos recurrido a la bitácora que mantiene Scagnetti en Facebook y en Twitter donde recoge los instantes más relevantes de cada día.

Globalrider - Bitácora Facebook y Twitter de Hugo (tormentas)

En efecto, parece que vamos por buen camino. Como podéis comprobar en el resumen anterior, a excepción del día 12, los días citados fueron lluviosos. Para profundizar en el análisis echemos un vistazo a alguno de esos días de lluvia. En este caso lo que queremos representar es la evolución de la temperatura y la humedad y, si existe, algún cambio apreciable en la presión atmosférica.

En día 5 de junio Hugo nos contaba que se detenía porque empezaba a llover. En el siguiente gráfico podemos ver que sobre las 16:30h detiene la moto (línea verde). La moverá un poco hacia las 17:10 y pasadas las 18h. Durante ese este tiempo de espera podemos apreciar como la temperatura (línea azul) experimenta un descenso pronunciado desde los 30ºC hasta los 20ºC en aproximadamente 30 minutos. Este descenso de temperatura coincide con un brusco incremento de la humedad relativa (línea naranja) que arranca en el 39% hasta alcanzar el 75%. Si afinamos un poco en el análisis nos damos cuenta que durante estos 30 minutos la presión atmosférica (línea gris) disminuye ligeramente 4mbr, desde los 984 a 980. Pasado este tiempo vuelve a 984mbr. En nuestra opinión se produce una tormenta que provoca el descenso de la temperatura unos grados. Parte del agua recién precipitada se convierte el vapor incrementando así la humedad relativa registrada.

Globalrider - Registro meteo día 5 de junio 2016

Veamos ahora el registro del día 7.

Globalrider - Registro meto día 7 de junio 2016

Como evidencia el diagrama anterior, a partir de las 16:30h y en la media hora siguiente, se manifiestan fluctuaciones en la presión atmosférica que oscilan desde 1015 milibares hasta 980 (17h). El final de este ciclo de inestabilidad en la presión coincide con un fuerte incremento de la humedad relativa, subiendo desde 49% (17:08h) hasta 78%(17:24h). En paralelo a este fuerte ascenso de la humedad identificamos un descenso de la temperatura desde 25ºC a 21ºC.

Por último tomemos el día 27 de junio. Una vez más apreciamos la pauta descrita en días anteriores: Al final de un ciclo de inestabilidad atmosférica (de 13:30 a 14:40) destaca un fuerte incremento de la humedad relativa hasta alcanzar 97%. Simultáneamente a este ascenso de la humedad se produce un descenso de la temperatura desde 23 a 19ºC.

Globalrider - Resitro meteo día 27 junio 2016

Como hemos podido comprobar, tras conocer los máximos de humedad relativa, hemos intuido en qué días se produjeron tormentas. A continuación, con la información facilitada por Hugo, hemos sido capaces de comprobar la veracidad de nuestras sospechas. El siguiente paso era conocer el desarrollo de la tormenta y como se expresaba ésta a través de los datos de temperatura, humedad relativa y presión atmosférica.

El desarrollo anterior encaja a la perfección en el estudio de los días 27, 28 y 29 de mayo y 2, 5, 7, 27 de junio. En cambio, el día 12 junio, donde la humedad máxima alcanzó el 70%, Hugo no dejó constancia de precipitaciones. Puede ser que este umbral no implique necesariamente lluvia, incluso es posible que Scagnetti no indicara que llovía.

Globalrider - Registro meteo 12 de junio 2016

Como no nos podemos quedar con esta duda, echemos un vistazo al día 12 (diagrama anterior). Salta a la vista que el momento de máxima humedad es a primera hora de la mañana, a las 9:30h, poco después de ponerse en marcha la Pasarela IoT. Esa humedad matinal y su relación con la temperatura corroboran que Hugo se encuentra en la orilla del Mar Negro y que lo que estamos “viendo” puede ser alguna neblina que levanta con la mañana.

Globalrider - Ruta del día 12 de junio 2012

 

Análisis predictivo de presión atmosférica y altura
Hasta ahora hemos visto algunos ejemplos de estadística descriptiva. Esta rama de la estadística, a partir del análisis de datos conocidos, nos ayuda a entender cómo funciona un fenómeno. Por su parte, la estadística predictiva, nos permite elaborar predicciones sobre datos desconocidos a partir de datos que conocemos. Como paso previo a la predicción necesitamos hacer un análisis de regresión sobre un amplio histórico de datos conocidos para descubrir si existe una relación matemática entre datos de diferente naturaleza (por ejemplo altura y presión atmosférica). A través de este análisis conoceremos cuál es el tipo de función de regresión o relación matemática entre estas dos variables: una independiente (altura) y otra dependiente (presión atmosférica). Por lo tanto, si existe esta relación matemática, estaríamos en condiciones de predecir el valor de la presión atmosférica cuando enfrentemos la variable altura a una función de regresión. Veamos un pequeño ejemplo.

Globalrider - Conrrelación entre valores de altura y presión atmosférica

En el diagrama superior, en el eje horizontal x, queda representada la altura. Esta será la variable independiente. En el eje vertical y indicamos la presión atmosférica, variable dependiente. Podemos distinguir, en forma de cuadrado azul, los datos conocidos de altura-presión recogidos por Hugo durante los primeros 10.000 kilómetros. Realmente la Pasarela IoT ha registrado muchos más datos de los que hay representados pero, por motivos prácticos de visualización, solo hemos presentado uno por hora. En total hay 780 cuadrados azules. Con ellos hemos confeccionado un gráfico de dispersión.  El paso siguiente es enfrentar este gráfico de dispersión a diferentes funciones matemáticas (lineal, polinómica, logarítmica, exponencial, parabólica, etc) para ver cuál de ellas ofrece el modelo más preciso, es decir, con menor error. En nuestro caso vemos que una sencilla función lineal (línea naranja) expresa razonablemente bien la relación existente entre altura y presión: Menor altura, más presión. Nuestra herramienta de análisis nos ofrece la siguiente función para, en el futuro, predecir la presión atmosférica con solo conocer la altura. También nos advierte de un margen de error del 0,89% que, traducido en milibares, son 8,75656.

y = 1015,4861 – (0,1131 * x)

Somos conscientes de la obviedad del ejercicio anterior. Solo pretendíamos introducir de manera divulgativa el concepto de análisis predictivo a partir de los datos que estamos recogiendo en Globalrider. También nos ha permitido constatar que la presión atmosférica no solo depende de la variable altura, de ahí el error de la función.

Como podéis sospechar la predicción meteorológica recurre a este tipo de análisis para adelantarnos el tiempo que hará en los próximos días. Evidentemente, los meteorólogos manejan millones de datos recogidos de cientos de fuentes y cuentan con superordenadores para realizar los cálculos rápidamente. A pesar de todo, la naturaleza caótica de la atmosfera, reduce la fiabilidad de los modelos matemáticos más allá de una semana.

Puedes hacer el seguimiento de esta aventura en: telefonica.yamaha.globalrider.org

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Comunicaciones por Fibra Óptica. Fundamentos y Conceptos

noviembre 16, 2013 on 7:52 pm | In descarga textos pdf, fisica, matemáticas, telecomunicaciones | No Comments

Adolfo García Yagüe – Noviembre 2013 – Telnet Redes Inteligentes, S. A.

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Como hemos comentado en entradas anteriores, la fibra óptica está entrando en nuestros hogares de manera progresiva. Con esta escusa, es un buen momento para repasar los fundamentos básicos que hacen posible las comunicaciones por fibra.

Agenda

Geometría y Fibra Óptica

  • Naturaleza de la luz
  • Óptica geométrica
  • Refracción
  • Reflexión
  • Ángulo límite
  • Reflexión interna total
  • Fibra óptica
  • Apertura numérica
  • Tipos de fibra óptica
  • Fabricación de fibras ópticas

Ondas, Electromagnetismo y Fotones

  • Teoría ondulatoria
  • Características de una onda
  • Experimento de Young
  • Espectro electromagnético
  • Onda electromagnética
  • Polaridad de una onda electromagnética
  • Teoría cuántica de la luz
  • Efecto fotoeléctrico y la absorción
  • Emisión estimulada
  • Láser

Atenuación y Dispersión

  • Fenómeno de atenuación
  • Atenuación y decibelios
  • Relación entre dBm y mW
  • Atenuación por absorción
  • Atenuación de Rayleigh
  • Atenuación por irregularidades geométrica
  • Fenómenos de dispersión
  • Dispersión modal
  • Dispersión cromática
  • Perfil de dispersión y sus efectos
  • Dispersión por polarización modal (PMD)
  • Valor máximo de PMD

Tipos de Fibra Óptica

  • Fibras Multimodo
  • G.652
  • G.653 y G.654
  • G.655 y G.656
  • G.657.A
  • G.657.B

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Grabaciones de emisiones VLF presentadas por Steve McGreevy

diciembre 17, 2011 on 7:33 am | In arte sonoro, fisica, sonikas | 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 arte sonoro, fisica, 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 | 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.



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