Formulación del LPIM en base a las leyes fundamentales del plasma ionosférico

El trabajo realizado en esta tesis doctoral se basa en caracterizar la variabilidad espacial y temporal que presenta el plasma que se encuentra en la alta atmósfera, región conocida como la ionosfera, mediante el modelado de las leyes físicas que rigen su comportamiento. El parámetro más relevante a la hora de estudiar a la ionosfera es la densidad de electrones, cuya presencia se debe a la ionización de varias de las componentes neutras de la atmósfera al absorber la radiación solar ultravioleta, dando como resultado pares de electrón-ion libre. Luego, como por cada electrón existente en la ionosfera se encuentra un ion, la densidad de electrones libre es simplemente igual a la suma sobre las densidades de las distintas especies ionizadas. Dado que la distribución de los iones es inhomogénea respecto de la altura, la densidad de los electrones está controlada por distintas especies en función de la altura. Por esta razón, en lugar de tratar de modelar de manera directa la densidad de electrones, se la modela de manera indirecta, al calcular la densidad de las especies ionizadas. Este procedimiento permite un mejor entendimiento de los distintos procesos físicos y químicos que suceden en las distintas regiones de la ionosfera. Para este trabajo se eligío modelar 7 especies ionizadas que abarcan las diferentes regiones de la ionosfera: NO+, N2 + y O2 + para modelar la región E y la parte baja de la región F, el O+ y el N+ para modelar la región F y el He+ y el H+ para modelar la región por encima de la capa F. La ecuación que regula el comportamiento de la densidad es la llamada “ecuación de continuidad”, en la que se tiene en cuenta varios procesos: i) la producción de iones por fotoionización y reacciones de intercambio, ii) la pérdida de iones debido a interacciones químicas con los electrones y con los elementos neutros de la atmósfera, iii) efectos de transporte por movimientos convectivos originados en la interacción entre el campo magnético terrestre, los campos eléctricos presentes en la ionosfera y la acción de los vientos neutros. Se elige un sistema coordenado asociado con el campo magnético de la Tierra lo que permite llevar el problema de 3 dimensiones a 2 dimensiones y presenta la ventaja de desacoplar los movimientos en las direcciones paralela y perpendicular a las líneas de campo magnético. Como las especies ionizadas interactúan entre si a través de reacciones químicas y de colisiones, las ecuaciones para cada especie están acopladas y es necesario resolver el sistema en forma simultánea. De este manera, el sistema a resolver queda conformado por ecuaciones diferenciales parciales en su forma conservativa. Se utiliza el Método de Volúmenes Finitos con un esquema de upwind para su resolución. El resultado final es un modelo que permite estimar el comportamiento que presenta la ionosfera a latitudes bajas y medias a través de la evolución temporal y espacial de las densidades para 7 especies ionizadas y para los electrones sin la necesidad de alimentarlas con mediciones.Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísica

The geomagnetic semiannual anomaly on the four <i>Dst</i>-fundamental observatories: Dependences with Sun-Earth physical parameters

The semiannual anomaly (also known as semiannual variation) on the magnetic activity is a phenomenon that produces clear minima during March and September and maxima in June and December on the horizontal components of the geomagnetic field. This phenomenon has been known since the middle of the nineteenth century, but in spite of the accumulation of measurements and the development of three theoretical models, a conclusive physical explanation for it has not been developed. The usual approach to study the semiannual anomaly is by means of geomagnetic indices like the disturbance storm time, Dst, which is based on combining measurements registered on four magnetic observatories. This work follows a different approach based on the raw horizontal components registered at the four observatories. The analyses performed aimed to study and assess the impact of several external parameters, characteristics of the Sun-Earth environment, on the semiannual anomaly. The influence of the global geomagnetic activity level, the solar activity level, the solar magnetic polarity, and the rising/declining phase of the solar radiation cycle is analyzed in detail. The most important finding is that the semiannual anomaly is always present and that none of the previously mentioned parameters significantly favor the development of it. A second result is the presence of a 27 day signal superposed to the semiannual anomaly which is significantly affected by the solar activity level.Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísica

The geomagnetic semiannual anomaly on the four Dst-fundamental observatories: Dependences with Sun-Earth physical parameters

The semiannual anomaly (also known as semiannual variation) on the magnetic activity is a phenomenon that produces clear minima during March and September and maxima in June and December on the horizontal components of the geomagnetic field. This phenomenon has been known since the middle of the nineteenth century, but in spite of the accumulation of measurements and the development of three theoretical models, a conclusive physical explanation for it has not been developed. The usual approach to study the semiannual anomaly is by means of geomagnetic indices like the disturbance storm time, Dst, which is based on combining measurements registered on four magnetic observatories. This work follows a different approach based on the raw horizontal components registered at the four observatories. The analyses performed aimed to study and assess the impact of several external parameters, characteristics of the Sun-Earth environment, on the semiannual anomaly. The influence of the global geomagnetic activity level, the solar activity level, the solar magnetic polarity, and the rising/declining phase of the solar radiation cycle is analyzed in detail. The most important finding is that the semiannual anomaly is always present and that none of the previously mentioned parameters significantly favor the development of it. A second result is the presence of a 27 day signal superposed to the semiannual anomaly which is significantly affected by the solar activity level.Fil: Azpilicueta, Francisco Javier. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Brunini, Claudio Antonio. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Camilion, Emilio. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin

Simulation study of the influence of the ionospheric layer height in the thin layer ionospheric model

This work aims to contribute to the understanding of the influence of the ionospheric layer height (ILH) on the thin layer ionospheric model (TLIM) used to retrieve ionospheric information from the GNSS observations. Particular attention is paid to the errors caused on the estimation of the vertical total electron content (vTEC) and the GNSS satellites and receivers inter-frequency biases (IFB), by the use of an inappropriate ILH. The work relies upon numerical simulations performed with an empirical model of the Earth’s ionosphere: the model is used to create realistic but controlled ionospheric scenarios and the errors are evaluated after recovering those scenarios with the TLIM. The error assessment is performed in the Central and the northern part of the South American continents, a region where large errors are expected due to the combined actions of the Appleton Anomaly of the ionosphere and the South-Atlantic anomaly of the geomagnetic field. According to this study, there does not exist a unique ILH that cancels the vTEC error for the whole region under consideration. The ILH that cancels the regional mean vTEC error varies with the solar activity and season. The latitude-dependent conversion error propagates to the parameters of the model used to represent the latitudinal variation on the vTEC on the ionospheric layer, and to the IFB, when these values are simultaneously estimated from the observed sTEC. Besides, the ILH that cancels the regional mean vTEC error is different from the one that cancels the IFB error and the difference between both ILH varies with the solar activity and season.Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísica

Ground- and space-based GPS data ingestion into the NeQuick model

This paper presents a technique for ingesting ground- and space-based dual-frequency GPS observations into a semi-empirical global electron density model. The NeQuick-2 model is used as the basis for describing the global electron density distribution. This model is mainly driven by the F2 ionosphere layer parameters (i.e. the electron density, NmF2, and the height, hmF2 of the F2 peak), which, in the absence of directly measured values, are computed from the ITU-R database (ITU-R 1997). This database was established using observations collected from 1954 to 1958 by a network of around 150 ionospheric sounders with uneven global coverage. It allows computing monthly median values of NmF2 and hmF2 (intra-month variations are averaged), for low and high solar activity. For intermediate solar activity a linear interpolation must be performed. Ground-based GNSS observations from a global network of ~350 receivers are pre-processed in order to retrieve slant total electron content (sTEC) information, and space-based GPS observations (radio occultation data from the FORMOSAT-3/COSMIC constellation) are pre-processed to retrieve electron density (ED) information. Both, sTEC and ED are ingested into the NeQuick-2 model in order to adapt NmF2 and hmF2, and reduce simultaneously both, the observed minus computed sTEC and ED differences. The first experimental results presented in this paper suggest that the data ingestion technique is self consistent and able to reduce the observed minus computed sTEC and ED differences to ~25–30% of the values computed from the ITU-R database. Although sTEC and ED are both derived from GPS observations, independent algorithm and models are used to compute their values from ground-based GPS observations and space-based FORMOSAT-3/COSMIC radio occultations. This fact encourages us to pursue this research with the aim to improve the results presented here and assess their accuracy in a reliable way.Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísica

Algoritmo de localización de fuentes de emisión acústica

La Emisión Acústica (EA) es un fenómeno en el cual, a expensas de una solicitación, un material libera energía en forma de ondas elásticas. Estas ondas son producidas por un mecanismo, denominado fuente de EA, activado al recibir alguna clase de energía. De esta manera, al inducir inestabilidades dentro de un material, por ejemplo, mediante una carga mecánica, pueden ocurrir efectos como la reactivación de fracturas/fallas, propagación de fracturas y nucleación de microfracturas. Estas actuarán de fuentes de EA las cuales pueden ser detectadas y localizadas a partir de colocar sensores en la superficie del material estudiado. Identificar con precisión la ubicación de fracturas y daños microscópicos es la base científica para investigar el mecanismo de falla de materiales. Por tanto, localizar fuentes de EA puede ser crucial para predecir y controlar potenciales daños. El caso de interés del presente estudio es el desarrollo y prueba de algoritmos para la localización 3D de fuentes de EA. Para esto se simplifica el modelo de fuente, utilizándose una del tipo de Hsu Nielsen para generar pulsos en la superficie de un cubo de hormigón construido para este trabajo. Se utiliza hormigón por su semejanza con la roca, dado que este trabajo se enmarca en una tesis de doctorado en la cual se estudia la EA en rocas. Se presentan los resultados de la localización de EA, la cual está basada en el registro de los tiempos de arribo de las señales de EA, producidas por la fuente simulada, en varios sensores ubicados sobre la superficie del cubo. El algoritmo de localización, basado en el método de Geiger, se implementó en tres diferentes etapas: establecimiento de funciones de tiempo de arribo, preparación de los datos y linealización del problema. Así mismo, este trabajo presenta los factores que influenciaron la precisión de la localización, ventajas y desventajas con respecto a otros métodos, así como una discusión de los retos actuales en localización de fuentes de emisión acústica.Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísica

Simulation study of the influence of the ionospheric layer height in the thin layer ionospheric model

This work aims to contribute to the understanding of the influence of the ionospheric layer height (ILH) on the thin layer ionospheric model (TLIM) used to retrieve ionospheric information from the GNSS observations. Particular attention is paid to the errors caused on the estimation of the vertical total electron content (vTEC) and the GNSS satellites and receivers inter-frequency biases (IFB), by the use of an inappropriate ILH. The work relies upon numerical simulations performed with an empirical model of the Earth’s ionosphere: the model is used to create realistic but controlled ionospheric scenarios and the errors are evaluated after recovering those scenarios with the TLIM. The error assessment is performed in the Central and the northern part of the South American continents, a region where large errors are expected due to the combined actions of the Appleton Anomaly of the ionosphere and the South-Atlantic anomaly of the geomagnetic field. According to this study, there does not exist a unique ILH that cancels the vTEC error for the whole region under consideration. The ILH that cancels the regional mean vTEC error varies with the solar activity and season. The latitude-dependent conversion error propagates to the parameters of the model used to represent the latitudinal variation on the vTEC on the ionospheric layer, and to the IFB, when these values are simultaneously estimated from the observed sTEC. Besides, the ILH that cancels the regional mean vTEC error is different from the one that cancels the IFB error and the difference between both ILH varies with the solar activity and season.Fil: Brunini, Claudio Antonio. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas. Grupo de Geodesia Espacial y Aeronomía; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Camilion, Emilio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas. Grupo de Geodesia Espacial y Aeronomía; ArgentinaFil: Azpilicueta, Francisco Javier. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas. Grupo de Geodesia Espacial y Aeronomía; Argentin

Caracterización de fracturas de rocas basalticas a partir de la detección de emisión acústica

Las rocas circundantes de macizos rocosos bajo tensión tales como túneles en montañas, paredes de roca en pozos de perforación petrolera o en volcanes están generalmente sometidas a diferentes condiciones de esfuerzos, entre estos de compresión. Por tanto, estudiar las propiedades de rotura de las rocas bajo diferentes condiciones de esfuerzos es de gran importancia para comprender los mecanismos de fractura y realizar predicciones de fallos en rocas sometidas a compresión. La detección de Emisión Acústica (EA) es un método de ensayo no destructivo (END) que sirve para comprender y estudiar las ondas acústicas que se generan cuando un material está sometido a una solicitación. Detectar esta EA es una herramienta para entender las discontinuidades presentes en un material, así como la base para determinar áreas potenciales de inestabilidad como efecto de la activación y/o reactivación de fracturas/fallas, propagación de fracturas y nucleación de microfracturas. Este trabajo presenta los resultados de la adquisición de las señales recibidas de EA en un ensayo de compresión uniaxial de una roca tipo Basalto, proveniente del volcán Peteroa en Argentina. La roca se sometió a diferentes estados de tensión hasta llegar a la rotura. Se analizaron los eventos de EA registrados, por medio de los parámetros clásicos de Emisión Acústica más representativos para evaluar el proceso de fractura de la roca. También se usaron parámetros secundarios de la EA para realizar una clasificación de los modos de fractura, indicando en qué situaciones predominaban el modo ténsil o el de corte para los diferentes estados de tensión a lo largo del ensayo.Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísica

Improving SIRGAS Ionospheric Model

The IAG Sub-Commission 1.3b, SIRGAS (Sistema de Referencia Geoce´ntrico para las Ame´ricas), operates a service for computing regional ionospheric maps based on GNSS observations from its Continuously Operating Network (SIRGAS-CON). The ionospheric model used by SIRGAS (named La Plata Ionopsheric Model, LPIM), has continuously evolved from a “thin layer” simplification for computing the vTEC distribution to a formulation that approximates the electron density (ED) distributions of the E, F1, F2 and top-side ionospheric layers. This contribution presents the newest improvements in the model formulation and validates the obtained results by comparing the computed vTEC to experimental values provided by the ocean altimetry Jason 1 mission. Comparisons showed a small underestimation of the Jason 1 vTEC by about 1.3 TECu on average and rather small differences ranging from 0.5 to 3.4 TECu (at 95 % probability level). The results are encouraging given that comparisons were made in the open ocean regions (far away from the SIRGAS-CON stations).Trabajo publicado en Altamimi Z., Collilieux X. (eds). Reference Frames for Applications in Geosciences. International Association of Geodesy Symposia, vol 138. Springer, Berlin, Heidelberg.Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísica