Oscilaciones casi-periódicas en la alta ionosfera relacionadas con la actividad de las ondas planetarias en la atmósfera media

AGRADECIMIENTOS vi

ABSTRACT vii

CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN 2
1.1 La ionosfera 2
1.2 Ondas planetarias en la atmósfera media 5
1.3 Oscilaciones del tipo ondas planetarias en la ionosfera 9
1.4 Situación actual 12
1.5 Propuesta de la investigación 13
1.6 Datos y metodología de trabajo 15

CAPÍTULO II
BANDAS DE OSCILACIONES CASI-PERIÓDICAS DE 2- A 35-DÍAS EN LAS VARIACIONES TEMPORALES DE foF2 17
2.1 Datos, análisis y resultados 18
      2.1.1 Variaciones de período 23
      2.1.2 Variaciones de amplitud 26
2.2 Discusión de los resultados 29

CAPÍTULO III
COMPORTAMIENTO ESTACIONAL Y CON EL CICLO SOLAR DE LAS OSCILACIONES CASI-PERIÓDICAS DE 2- Y 5-DÍAS EN LAS VARIACIONES TEMPORALES DE foF2 34
3.1 Análisis y datos utilizados 36
3.2 Resultados 36
3.3 Oscilaciones estadísticamente reales 40
3.4 Discusión de los resultados 42

CAPÍTULO IV
CARACTERÍSTICAS DE LAS OSCILACIONES CASI-PERIÓDICAS DE 2-DÍAS EN foF2 A LATITUDES MEDIAS DEL HEMISFERIO NORTE 46
4.1 Datos y metodología 47
4.2 Persistencia de las oscilaciones casi-periódicas de 2-días en foF2 47
4.3 Variaciones de fase, amplitud y período 51
4.4 Propagación de la oscilación. Número de onda 56
4.5 Discusión de los resultados 64

CAPÍTULO V
ESTRUCTURA FINA DE LAS OSCILACIONES DE 2-DÍAS EN LAS VARIACIONES TEMPORALES DE foF2 68
5.1 Similitudes y diferencias hemisféricas de la oscilación de 2-días en foF2 68
      5.1.1 Datos, análisis y resultados 69
      5.1.2 Discusión 71
5.2 Existencia de la oscilación de 3-días 73
      5.2.1 Datos, análisis y resultados 74
      5.2.2 Discusión de los resultados 79
5.3 Posibles efectos de modulación de amplitud en las variaciones de foF2 dentro del rango periódico 30-200 horas 80
      5.3.1 Datos y método de análisis 81
      5.3.2 Resultados 81
      5.3.2 Discusión de los resultados 86

CAPÍTULO VI
EXISTENCIA Y PERSISTENCIA DE LAS OSCILACIONES CASI-PERIÓDICAS DE 2-DÍAS EN LOS ÍNDICES DE ACTIVIDAD GEOMAGNÉTICA a_n, a_s, a_m 89
6.1 Datos, análisis y resultados 91
6.2 Discusión de los resultados 99

CAPÍTULO VII
RESUMEN Y CONCLUSIONES 104

CAPÍTULO VIII
PERSPECTIVAS 113

APÉNDICES

APÉNDICE 1 Correloperiodograma 116

APÉNDICE 2 Funciones de autocorrelación y correlación cruzada 118

APÉNDICE 3 Carácter oscilatorio de una variad on temporal generalizada. Demodulación compleja 120
Carácter oscilatorio de una variación temporal 120
Demodulación compleja 122

APÉNDICE 4 Filtración 124
Filtro de Kuklin 125
Filtro pasabajos y factores de convergencia. Combinaciones 127

REFERENCIAS 131

A partir de la semejanza que existe entre las características de las oscilaciones del tipo ondas planetarias que se manifiestan en la atmósfera media e ionosfera, se han evaluado las posibles relaciones entre ellas y con la actividad solar y/o geomagnética. La coincidencia en el rango periódico de variación y en la presencia de la oscilación sugieren un posible acoplamiento entre ambos regímenes atmosféricos, mesosfera/baja termosfera e ionosfera, con una gran influencia de la actividad solar y geomagnética sobre el desarrollo de este tipo de oscilaciones en la alta ionosfera.

Los nuevos resultados obtenidos en el transcurso de esta investigación pueden resumirse brevemente como sigue:

(1) Se han encontrado 10 bandas periódicas, dentro del rango de las ondas planetarias, en las variaciones temporales de foF2 que presentan períodos de oscilación dominantes de: 2-días, 3-, 5-, 6.5-, 9-, 13.5-, 18.6-, 21.8-, 27.4- y 31.5-días y se ha demostrado que tales oscilaciones son reales. Además, se ha mostrado la variación con el ciclo de actividad solar y geomagnética de la amplitud de oscilación para las bandas de oscilación mencionadas.

(2) De estas 10 bandas periódicas en foF2 se han distinguido, de manera preliminar, las variaciones que pueden ser producidas por la actividad de las ondas planetarias en la atmósfera media de aquellas que pueden estar relacionadas con las emisiones de radiación solar ionizante. Se ha sugerido que las variaciones de período más corto, de 2-días a 9-días, están relacionadas con la actividad de las ondas planetarias en la atmósfera media y que las de período mayor, de 13.5-días a 27.4-días, están relacionadas con las emisiones de radiación solar ionizante. A pesar de esta distinción, se ha mostrado que en todas las bandas de oscilación determinadas en las variaciones temporales de foF2 existe una gran influencia de la actividad geomagnética.

(3) En el estudio de la estructura fina de la oscilación de 2-días se muestra que la oscilación casi-periódica de 3-días en las variaciones temporales de foF2 es completamente independiente de la de 2-días, a pesar de la similitud en la variación anual de la amplitud y probabilidad de existencia. Las características de la oscilación de 3-días sugieren que este tipo de oscilación puede existir en la atmósfera media, abriendo un nuevo campo de estudio. Además se concluye que las demás variaciones temporales, en el rango periódico de 30 a 200 horas, pueden explicarse como efectos de modulación entre las oscilaciones reales de 2-, 3- y 5-días y las oscilaciones relacionadas con la rotación solar, 13.5- y 27.3- días.

(4) Con la atención centrada sobre la oscilación casi-periódica de 2-días, se ha obtenido el comportamiento de las características de esta oscilación en foF2 durante diferentes condiciones, en ambos hemisferios. Así, se observa una variación estacional de la amplitud de oscilación, con máximos equinocciales y mínimos en los solsticios, y que está simultáneamente modulada por una onda hemisférica de 12-meses, mostrando una gran influencia de la actividad geomagnética sobre dicha oscilación. También se ha mostrado que el desarrollo de estas oscilaciones está favorecido durante el verano, pues en esta época se dan las máximas probabilidades de existencia. Además, la variación anual del período dominante de oscilación en foF2 muestra una tendencia idéntica a aquella del período de oscilación obtenido en la atmósfera media, siendo máximo en verano y mínimo en invierno.

(5) Se ha estudiado el tiempo de vida de la oscilación de 2-días en las variaciones del plasma ionosférico, mostrándose su estabilidad en el período, amplitud y fase de oscilación. Así, se observa que la oscilación de 2-días en la alta ionosfera existe y persiste, casi continuamente, durante todo el año y el ciclo solar. La estabilidad de la fase de oscilación muestra que la duración de esta oscilación puede ser de 15-días a varios meses, y entre estos intervalos existen períodos cortos donde la oscilación desaparece, volviendo a aparecer con una fase aproximada a la que tenía antes de la destrucción.

(6) Se ha investigado la posible propagación de la oscilación de 2-días en la alta ionosfera del hemisferio Norte, obteniéndose su número zonal de onda en caso de clara propagación. Así, se concluye que existen 3 tipos de oscilaciones casi-periódicas de 2-días en foF2; (1) ondas planetarias que se propagan hacia el oeste con número zonal de onda K = 1 durante el verano y con mayor presencia en Agosto; (2) ondas planetarias estacionarias con número de onda desconocido y con una máxima presencia en el solsticio de verano; y (3) oscilaciones con claras características de oscilaciones casi-periódicas, pero con diferencias significativas en los períodos dominantes de oscilación entre localizaciones separadas por distancias relativamente grandes.

(7) Se ha encontrado que la oscilación de 2-días también se manifiesta en los índices trihorarios a_n, a_s y a_m de actividad geomagnética, mostrándose la variación temporal de las características de oscilación. Se ha sugerido que la existencia de la oscilación casi-periódica de 2-días en los índices geomagnéticos puede ser causada por (1) una oscilación casi- periódica de 4-días en el campo geomagnético y/o (2) la modulación de las perturbaciones (de período corto) del campo geomagnético por una oscilación de 2-días; siendo la segunda opción la causa más probable. Se ha mostrado que la variación anual de amplitud observada en la oscilación casi-periódica de 2-días en los índices trihorarios de actividad geomagnética a_n, a_s y a_m, con máximos en los equinoccios, es la misma que en la alta ionosfera, y diferente que en la atmósfera media, donde las amplitudes máximas se dan un mes después del solsticio en el hemisferio de verano. También se ha mostrado que la actividad de la oscilación de 2-días del campo geomagnético presenta una actividad global de oscilación, longitudinalmente hablando.

Como ya se ha dicho en la introducción, los resultados obtenidos en las investigaciones citadas sugieren el siguiente escenario para la onda casiperiódica de 2-días en los niveles de la atmósfera media: La onda se crea esencialmente en la troposfera y en invierno se propaga verticalmente hasta la baja termosfera. En verano no puede propagarse directamente debido al apantallamiento de los vientos estratosféricos; sin embargo, dicha propagación es posible durante movimientos transitorios asociados con modos normales o inestabilidades baroclínicas de los flujos estratosféricos. También se ha mostrado que a la propagación vertical de la onda en el hemisferio de invierno sigue un desplazamiento transecuatorial, con un posterior desarrollo de la misma en el hemisferio de verano, explicándose la mayor actividad de la onda de 2días durante el verano en la parte alta de la atmósfera media (mesosfera/baja termosfera).

La manifestación de la oscilación de 2-días en la alta ionosfera y las semejanzas existentes entre las características de dicha oscilación en la atmósfera media y la alta ionosfera sugieren un posible mecanismo de acoplamiento ente ambos regímenes atmosféricos. Sin embargo, no existe una explicación generalmente aceptada de los mecanismos propuestos para dicho acoplamiento. Los nuevos resultados obtenidos en el transcurso de la presente investigación permiten evaluar las prioridades de los mecanismos potenciales de origen de la oscilación de 2-días en la alta ionosfera propuestos en las investigaciones citadas previamente; es decir, deriva vertical de plasma, transporte vertical de los constituyentes neutros, modulación de mareas u ondas de gravedad, y/o excitación in situ.

Pancheva and Lysenko (1998) proponen dos mecanismos para explicar este acoplamiento de la oscilación de 2-días entre la atmósfera media y la alta ionosfera; uno basado en la deriva vertical de plasma y otro en el transporte vertical de los constituyentes neutros O y O₂. El mecanismo de la deriva vertical de plasma es el más probable, pues puede explicar la modulación de la amplitud de la oscilación por la actividad geomagnética; pero este mecanismo por sí solo no puede explicar la diferencia del número de zonal de onda entre la atmósfera media y la alta ionosfera, determinado en la presente investigación. Además, el modelo de Ito et al. (1986), en que se basa el mecanismo de la deriva vertical de plasma, predice que la fase de la oscilación de 2-días en el campo geomagnético se invierte cada 60° ó 180° en longitud. Sin embargo, se ha comprobado (Takeda and Yamada, 1989) que la fase de la oscilación de 2días en el campo geomagnético no varía en longitud (resultado que también se confirma en el Capítulo VI, cuando se observa una actividad de oscilación global en longitud del campo geomagnético) y se sugiere que vientos de otra estructura, con número zonal de onda K = 0, podrían generar la oscilación de 2-días en el campo geomagnético.

Otro de los mecanismos propuesto para explicar el acoplamiento de las ondas planetarias entre la atmósfera media y la ionosfera es vía interacción no lineal o modulación de mareas por las ondas planetarias (Chen, 1992; Forbes et al., 1995). Es decir, la interacción no lineal o modulación de mareas por las ondas planetarias puede producir una modulación de la amplitud de la marea con un período igual al de la onda planetaria. Como ya se ha dicho, este fenómeno tiene lugar en los vientos a la altura de la baja termosfera (Mitchell et al., 1996) y puede generar la dínamo atmosférica, hecho que permite explicar la presencia de oscilaciones de 2-días en los índices trihorarios de actividad geomagnética. Además, se ha mostrado (Teiltelbaum and Vial, 1991) que, aunque la amplitud de las ondas planetarias sea moderada, -puede existir una fuerte interacción, que se refleja en la amplitud de la oscilación modulada. Así, la energía almacenada en esta nueva variación, resultado de la modulación en amplitud de variaciones de período corto por las ondas planetarias, podría ser suficiente para alcanzar alturas de la alta ionosfera. Si este mecanismo fuera el único responsable de la oscilación de 2-días en la alta ionosfera a partir de la onda de 2-días en la atmósfera media, no se explicaría la clara variación estacional de la amplitud de la oscilación de 2-días en la alta ionosfera con máximos equinocciales; pues la variación estacional de la amplitud de oscilación en ambos regímenes, atmósfera media e ionosfera, debería coincidir y se sabe que la actividad de la onda de 2-días en la atmósfera media es máxima en verano.

La discusión sobre un posible mecanismo de generación in situ de la oscilación de 2-días en la ionosfera implica, previamente, un estudio detallado del término de producción electrónica (Ecuación 1.1), cuyos responsables son los flujos de radiación solar ionizante. Este mecanismo de origen de la oscilación de 2-días en la ionosfera es poco probable porque hasta la fecha no hay ningún indicio de que exista tal oscilación en los flujos de radiación solar responsables de la ionización atmosférica, y en el caso de que existiera sólo podría explicar al oscilación con comportamiento de onda estacionaria. Además, la clara variación anual hemisférica de la probabilidad de existencia y del período de la oscilación de 2-días en la ionosfera sugiere de manera más convincente un acoplamiento entre la atmósfera media y la ionosfera.

Después de esta discusión sobre los mecanismos propuestos en investigaciones citadas, como origen de la oscilación casi-periódica de 2-días en la alta ionosfera, y teniendo en cuenta los resultados obtenidos en la presente investigación, se propone como mecanismo de origen de dicha oscilación una combinación de la modulación de mareas por la onda de 2-días en el viento neutro mesosférico con la deriva vertical de plasma:

La modulación de las oscilaciones de período corto (mareas) por la onda de 2-días en la atmósfera media genera oscilaciones que pueden penetrar en la baja ionosfera. Además, dichas oscilaciones pueden generar la dínamo atmosférica y causar oscilaciones en los sistemas de corrientes equivalentes. Estas oscilaciones se reflejan en el campo geomagnético por el efecto de la dínamo atmosférica. Con esto se explica la presencia de la oscilación de 2-días en el campo geomagnético y en los índices trihorarios de actividad geomagnética (a_n, a_s y a_m) a partir de la onda de 2-días en el viento neutro mesosférico, así como las grandes amplitudes detectadas en la oscilación de 2días de los índices trihorarios, que a veces son comparables a los valores de dichos índices.

Una vez esta oscilación está presente en el campo geomagnético, generará el mismo tipo de oscilación en la deriva vertical de plasma. Además, si la oscilación resultante de la modulación de mareas por la onda de 2-días tiene suficiente energía para seguir penetrando en la ionosfera, puede darse un fenómeno de realimentación que facilitaría aún más la manifestación de esta oscilación en la alta ionosfera. Con esto se explica la existencia de la oscilación de 2-días en la alta ionosfera a partir de la onda de 2-días en el viento neutro mesosférico, así como la variación estacional y a largo plazo de la amplitud de oscilación con la actividad geomagnética. También se explica la influencia simultánea de la actividad solar en la variación a largo plazo de la amplitud de oscilación, pues la deriva vertical de plasma es proporcional a la densidad electrónica, que aumenta con la radiación solar ionizante especialmente a latitudes medias. Este mecanismo propuesto aquí se explica cualitativamente por la ecuación de continuidad de la capa F2 (Ecuación. 1.1). En dicha ecuación merece especial atención el término de transporte, cuya contribución se estudia extensivamente en Rishbeth (1986).

Para explicar las diferencias entre los números zonales de onda, K = 3 en la atmósfera media y K = 1 ó 0 en la alta ionosfera, existen dos posibilidades:

(1) La primera posibilidad se basa en el hecho que este tipo de oscilaciones se observe tan claramente en los índices trihorarios de actividad geomagnética y que permite interpretar como una actividad de oscilación global en longitud del campo geomagnético; es decir, que la fase no varía en longitud. Este resultado está de acuerdo con las observaciones de Takeda and Yamada (1989), donde se sugiere que vientos de otra estructura, posiblemente con número zonal de onda cero, podrían causar estas oscilaciones geomagnéticas equivalentes; aunque tal estructura de onda no se ha detectado en los vientos. Ya se ha dicho que un número zonal de onda K = 0 significa que las diferencias de fase, entre las oscilaciones de 2-días detectadas en diferentes longitudes de la geografía terrestre, son aproximadamente cero y se interpreta como una posible onda estacionaria de 2-días, equivalente al segundo tipo de comportamiento de las oscilaciones casi-periódicas de 2-días detectadas en la alta ionosfera y presentadas en el Capítulo. IV.

(2) La segunda posibilidad, más probable, sería la citada en el Capítulo V. El comienzo de las oscilaciones casi-periódicas de 2-días en la alta ionosfera podría estar inducido por una generación de tal oscilación en la mesosfera, cuya interacción con la ionosfera está relacionada con una región particular del globo, y con un desarrollo independiente en la región F. Entonces, como la velocidad de fase en la ionosfera está supuestamente asociada con la velocidad de la circulación global termosférica (Pancheva, 1988), y ésta es mayor que en la mesosfera, las velocidades de fase en la región F serían superiores a las de la mesosfera y determinarían las diferencias entre los números de onda K. Esta posibilidad está de acuerdo con los resultados de Poole (1990), que investigó la presencia de la fase para la onda de 2-días en la mesosfera con el tiempo local y concluyó que la generación de esta oscilación esta relacionada con la posición del Sol y asociada primariamente con alguna región particular del globo, y con los resultados de Craig and Elford (1981) y Harris (1994), que también sugieren que la onda de 2-días en la mesosfera tiende a estar en fase con el tiempo local. Es decir, la variación resultado de la interacción no lineal o modulación de mareas por la onda de 2-días en la mesosfera/baja termosfera interacciona de manera más efectiva con la ionosfera (a través del campo geomagnético) en una región particular del globo y cuya fase está relacionada con el tiempo local.