El Servicio de Clima Espacial de México (SCIESMEX) del Instituto de Geofísica de la UNAM publicó en su cuenta X (antes Twitter) (https://x.com/SCiESMEX/status/1789056518609945065) el 10 de mayo del presente año, que a las 10:40 hrs tiempo de la CDMX (09:40 hrs en Culiacán) arribó una perturbación interplanetaria (Eyección de Masa Coronal) a la tierra. Las Eyecciones de Masa Coronal (CME, por sus siglas en inglés) son enormes explosiones de plasma y campo magnético de la corona del Sol (Space Weather Prediction Center del NOAA, https://www.swpc.noaa.gov/phenomena/coronal-mass-ejections). Durante una CME se pueden expulsar miles de millones de toneladas de material coronal, y estas viajan hacia afuera del Sol a velocidades que van desde menos de 250 km/s hasta cerca de 300 km/s. Las CME pueden llegar a nuestro planeta en solamente 15 a 18 horas. Las CME, erupciones solares y corrientes de viento solar suelen también llamarse tormentas solares, es decir, las tormentas solares son originadas a partir de eventos ocurridos en la superficie del Sol. Cuando las partículas y radiación impactan la Tierra interactúan con el campo magnético terrestre y posteriormente causan una variedad de efectos, siendo uno de los más conocidos: las auroras. Sin embargo, estas tormentas pueden generar problemas en nuestro planeta, por ejemplo, la generación de corrientes geomagnéticas inducidas en la superficie terrestre que pueden afectar las grandes redes eléctricas y las radiocomunicaciones y satélites. Por otro lado, una tormenta geomagnética es cuando los materiales emitidos en las tormentas solares perturban el campo magnético terrestre (Gaceta UNAM).
La tormenta geomagnética de la cual todos fuimos testigos, ocurrida en un día tan importante para los mexicanos: el día de las madres. Las eyecciones de masa coronal impactaron el campo magnético terrestre por la tarde del 10 de mayo, e inmediatamente en países donde ya hacia la noche observaron auroras polares en sitios donde no son habituales. Y claro, en México también se pudieron observar. Diferentes usuarios en redes sociales (Facebook y X) compartieron fotos y videos de auroras en lugares que jamás pensaríamos que fuera posible observarlas, por ejemplo, en el norte de Sinaloa. En la Figura 1 se observa la foto tomada por un usuario de X (antes Twitter) de una aurora en Los Mochis, Sinaloa. Sin lugar a duda, el año 2024 ha sido bastante interesante en su primera mitad al sorprendernos con fenómenos naturales extraordinarios, como el eclipse total solar y las tormentas Solares.
La tormenta geomagnética del 10 de mayo fue tan extrema que alcanzo condiciones de clasificación G5, es decir, el nivel más alto de clasificación de la intensidad de tormentas solares. Esta escala es propuesta por la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica de Estados Unidos (NOAA, por sus siglas en inglés) (https://www.swpc.noaa.gov/noaa-scales-explanation). Además, según la NASA, esta tormenta geomagnética ha sido la más fuerte en los últimos 20 años, provocando las auroras más intensas en 500 años. Hasta aquí, sabemos que las auroras son generadas por la interacción de los gases que se encuentran en la atmósfera terrestre con el viento solar u otro evento derivado del Sol, es decir, cuando el material proveniente del Sol se impacta con el campo magnético de nuestro planeta, se producen corrientes de partículas cargadas que viajan hacia los polos, y algunos iones quedan atrapados en la ionosfera chocando con átomos de gas y los excitan, posteriormente la energía es liberada en forma de partículas de luz. Entonces, cuando ocurren tormentas solares, mayor interacción existe entre partículas y el campo magnético terrestre generando auroras de mayor intensidad.
Ahora nos enfocaremos en el posicionamiento GNSS. Recordemos en el artículo anterior (Efecto del eclipse solar total del 8 de abril en el posicionamiento GNSS), que el retraso ionosférico es una de las fuentes de error que mayor efecto tiene en las observaciones y el rendimiento del posicionamiento GNSS. Entonces, conociendo que las tormentas geomagnéticas generan grandes perturbaciones en la ionosfera, aumentando el número total de electrones (TEC, por sus siglas en inglés) principalmente en latitudes altas, aunque las tormentas extremas también afectan al TEC en latitudes medias y bajas (Kintner et al., 2004). El TEC vertical es uno de los parámetros utilizados por la comunidad científica para caracterizar las condiciones de la ionosfera. El TEC se calcula en una unidad denominada TECU, siendo 1 TECU = 10^16 electrones/m2. Los electrones libres perturban la propagación de la señal GNSS y la refractan, lo que afecta la velocidad, longitud de onda y dirección, causando errores de posicionamiento de hasta 30 metros (Teunissen y Montenbruck, 2017).
Entonces, para conocer el impacto de la tormenta geomagnética ocurrida el 10 de mayo en el posicionamiento GNSS, se diseñó un pequeño experimento. En primer lugar, se seleccionaron 11 estaciones GNSS pertenecientes a la red del IGS (International GNSS Service), la cual está compuesta por equipos de grado geodésico. Además, estas estaciones cuentan con coordenadas conocidas que se establecen como referencia. Es importante tener las coordenadas en un mismo marco de referencia y época para poder realizar un análisis de rendimiento en posicionamiento tridimensional. Las observaciones GNSS de las estaciones seleccionadas están muestreadas a cada 30 segundos y únicamente se consideraron las constelaciones GPS y GLONASS, ya que no todas las estaciones del IGS siguen a las constelaciones disponibles actualmente. Se descargaron 5 días antes y 5 días después de la tormenta geomagnética, es decir, del 5 al 15 de mayo de 2024. Las 11 estaciones GNSS fueron seleccionadas estratégicamente considerando un perfil latitudinal en el continente de América y Antártida. Se buscaron latitudes altas de hasta 76 grados norte y latitudes bajas de 77 grados sur. En la Figura 2 se observa la distribución global de las estaciones GNSS utilizadas.
Una vez descargado los 121 archivos RINEX correspondientes a 11 días de medición para 11 estaciones GNSS del IGS, se procedió a calcular el TEC vertical únicamente con los satélites GPS para determinar si existe una relación entre el aumento del TEC y la latitud. En la Figura 3 se observa el VTEC para cada día estudiado de las 11 estaciones GNSS y su ubicación geográfica. Las líneas verticales de color rojo representan 24 hrs después del inicio de la tormenta geomagnética. El horario de las series de tiempo del VTEC corresponden al tiempo GPS, es decir, 7 horas más a nuestro huso horario (GMT-7, Sinaloa). Se observa claramente que en las latitudes medias es donde mayor aumento presentó el VTEC, precisamente en la latitud 34 norte y sur. Las estaciones GNSS PIE1 y MTV1 presentaron un incremento del TEC de hasta 60 TECU. Para el caso de las latitudes norte, a los 21° y 12° aumentó aproximadamente 40 y 85 TECU para las estaciones INEG y MANA, respectivamente. Para las latitudes norte mayores a 50° no se observa un aumento considerable en el VTEC. Por otro lado, las latitudes cercanas al Ecuador geomagnético presentan valores altos del TEC a diferencia de las latitudes altas (Cerca del Ecuador geomagnético se encuentran regiones de alta concentración de TEC debido al ángulo cenital solar que influye directamente en el nivel de radiación solar). Lo mencionado anteriormente, se puede ver en la estación QUI3 que se ubica en Quito, Ecuador con una latitud de casi 0°. Para este caso, no se observa un cambio significativo en el aumento del TEC el día de la tormenta geomagnética. Consecuentemente, en las latitudes Sur, se observa un aumento del VTEC en las estaciones GNSS ubicadas entre las latitudes 65° a 20°. El incremento del VTEC se observó en la estación CHPI y PALM con aumentos de 30 y 20 TECU, respectivamente. Finalmente, con base en los valores del VTEC para las 11 estaciones GNSS podemos mencionar las siguientes conclusiones:
1.- Las latitudes norte presentaron mayor impacto de la tormenta geomagnética del 10 de mayo.
2.- La latitud norte 12° obtuvo el mayor aumento en valores de VTEC, con una magnitud aproximada a 85 TECU para la estación MANA.
3.- Las estaciones GNSS cercanas a los polos no presentaron un efecto de aumento del TEC. Además, el efecto de la tormenta geomagnética tuvo mayor impacto en las latitudes sur que en las norte, como el caso de la estación PALM ubicada a los 64.7°. Y en el caso de la latitud norte 51.4° no se observó un efecto significativo.
Ahora, para analizar el impacto de la tormenta geomagnética en el posicionamiento GNSS, se procesaron los 11 días de las estaciones GNSS estudiadas por el método de posicionamiento puntual preciso en modo cinemático (PPP) con resolución de ambigüedad en el software PRIDE-PPPAR. Se crearon graficas que incluyen series de tiempo del posicionamiento tridimensional en un sistema topocéntrico considerando las coordenadas de referencia del IGS como origen de este, y se seleccionaron únicamente aquellas estaciones donde la variación del posicionamiento durante la tormenta fuera alta. En las figuras 4,5,6,7 y 8 se observan las estaciones con mayor error en el posicionamiento y su respectiva ubicación geográfica (THU2, PICL, PIE1, QUI3, PALM). La serie de tiempo roja corresponde al VTEC y las de azul al posicionamiento 3D (ENU). Es notable el efecto de la tormenta geomagnética en el posicionamiento en la estación PICL, donde se observan errores de hasta 6 y 8 cm para las componentes horizontal y vertical, respectivamente.
En la Figura 4 se observa la variación del posicionamiento de la estación THU2 ubicada en la mayor latitud norte durante la tormenta geomagnética. El VTEC no presentó una alteración durante la tormenta con respecto a otros días sin actividad ionosférica con valores máximos aproximado de 18 TECU. Sin embargo, en el posicionamiento si existe una variación significativa en las series de tiempo, un nivel de ruido alto cercano a los 30 y 50 mm para la componente horizontal y vertical, respectivamente. Curiosamente, esta estación GNSS no presentó el mayor valor de VTEC durante la tormenta, sino 2 días después sin afectar al posicionamiento.
Tal como se mencionó anteriormente, la estación PICL fue la de mayor afectación durante la tormenta geomagnética alcanzando errores de hasta 60 mm para la componente horizontal y 80 mm para la vertical. Además, el VTEC aumentó y disminuyó después de la tormenta cerca de 5 y 17 TECU, respectivamente, pero su impacto fue más significativo para la señal GNSS.
Durante la tormenta geomagnética el VTEC en la estación PIE1 aumentó cerca de 80 TECU, es decir, más del 100%. Pero curiosamente esta variación de los electrones en la ionosfera no afectó al posicionamiento tridimensional, posiblemente debido al gran aumento del VTEC el software PRIDE-PPPAR utiliza archivos de mapas globales ionosféricos (IONEX maps).
El VTEC y el posicionamiento GNSS de la estación QUI3 ubicada cerca del Ecuador no presentó un efecto considerable con respecto a las otras estaciones. Probablemente debido a las condiciones ionosféricas del Ecuador magnético y sus altos valores de TEC en el transcurso del año, sin embargo, el autor recomienda visitar el estudio de Pedatella y Liu (2018) si desean saber más acerca de la variabilidad atmosférica interna en la respuesta de la ionosfera durante una tormenta geomagnética, ya que NO es el objetivo de este artículo de divulgación analizar a detalle la variabilidad del VTEC durante la tormenta geomagnética del 10 de mayo.
La estación PALM ubicada en la Antártida presentó aumentos del VTEC de hasta 20 TECU y errores del posicionamiento de hasta 60 mm y 100 mm en la componente horizontal y vertical, respectivamente. Si desean saber más acerca de las condiciones de la ionosfera en la Antártida los invito a que lean los estudios publicados por Piggott y Shapley (1962); Gulyaeva et al. (2023) y Singh et al. (2019).
El error medio cuadrático (RMSE, por sus siglas en inglés) se estableció como métrica de evaluación del posicionamiento. Se estimó el RMSE diario de las componentes ENU para las 5 estaciones GNSS con mayor error durante la tormenta geomagnética, tal como se ilustra en la Figura 9. Las subfiguras encerradas en el rectángulo rojo corresponde a los días 10 y 11 de mayo. Sin embargo, el día que presentó el mayor efecto en el posicionamiento fue el 11 de mayo. La estación PICL alcanzó valores RMSE de 45.88, 26.96, y 50.97 mm para las componentes Este, Norte y Vertical, respectivamente. Es decir, el error en posicionamiento aumento más de 5 veces para esta estación. También, se observa que la componente vertical fue la que mayor efecto de la tormenta geomagnética presentó. Es notable que los valores RMSE de los días antes y después de la tormenta son pequeños en comparación con los días de la tormenta geomagnética.
Para visualizar detalladamente el efecto de la tormenta geomagnética sobre el posicionamiento GNSS, se procesaron exclusivamente 24 hrs de observaciones después del inicio de la tormenta y 24 hrs de un día sin alteraciones de la ionosfera o efectos de tormentas geomagnéticas. El día 5 de mayo se eligió como el día libre de efectos ionosféricos considerables. El caso de las 24 hrs con efecto de la tormenta geomagnética, representa lo que pasaría si realizamos mediciones GNSS bajo estas condiciones, y aún más crítico, cuando son mediciones RTK o de una sola frecuencia, que se alcanzarán errores en el orden de los metros. La Figura 10 ilustra únicamente la dispersión del posicionamiento horizontal de un día bajo los efectos de una tormenta solar (puntos azules) y un día libre de condiciones ionosférica (puntos rojos). La diferencia es notable, y los puntos azules tienen una mayor dispersión con desviaciones estándar mayores a 5 cm. También, se observan las etiquetas correspondientes a los valores RMSE 2D y 3D del posicionamiento, donde el RMSE 2D de un día sin tormenta geomagnética es de tan solo aproximadamente 5 mm, mientras para un día con tormenta es de 56 mm, precisamente casi 10 veces más. En el caso del error 3D, se alcanzaron valores RMSE de 13.32 mm (sin tormenta) y 79.06 mm (con tormenta), es decir, 6 veces más error. Entonces podemos mencionar, que si realizamos mediciones GPS/GNSS durante un día donde está ocurriendo una tormenta geomagnética intensa esperaríamos alcanzar un posicionamiento con un error de hasta 10 veces mayor con respecto a otro día de medición libre de tormentas. Claro, este error estará en función del método de procesamiento que estén utilizando y las frecuencias observadas. Por ejemplo, si se llevan a cabo mediciones RTK con equipo de una sola frecuencia (L1) durante una tormenta geomagnética intensa alcanzarían errores mayores a 2 metros (podría ser más) en el posicionamiento GPS/GNSS, y si, sin importar que estén utilizando equipo de grado geodésico o de bajo costo (aún peor error).
El método de Posicionamiento Puntual Preciso utiliza la combinación libre de ionosfera para eliminar el 99.9% del error de la ionosfera que corresponde al primer orden. Sin embargo, tal como se mencionó al inicio de este artículo, las tormentas geomagnéticas también afectan a los satélites que orbitan la Tierra, y recordando los cursos de GNSS, para lograr la resolución de ambigüedad de enteros en PPP se requieren de productos precisos de satélites. Actualmente, existen centros de análisis o instituciones de investigación que generan productos precisos para usuarios PPP en diferentes formas. Por ejemplo, se generan productos precisos de órbitas y reloj, sesgos de fase, sesgo de ciclo fraccional, entre otros, y estos productos son generados de diferente manera por cada centro de análisis. Entonces, los curiosos se preguntarán, cuál centro de análisis genera los productos precisos de mayor precisión para el posicionamiento PPP con resolución de ambiguedad? La respuesta la puede encontrar si se dan la tarea de revisar el articulo https://doi.org/10.3390/rs13163266 (Chen et al., 2021), pero les ahorrare 20 minutos de lectura. La respuesta es CODE, el Centro para la Determinación de la órbita en Europa. El centro de análisis CODE, adopta un modelo de presión de radiación solar (SPR, por sus siglas en inglés) actualizado. Entonces, cuando calculan la órbita del satélite y la estimación del reloj, estos se ven afectados por el modelado de SPR. Si desean saber más acerca de este modelado de presión de radiación solar que afecta los satélites, pueden consultar Zhou et al. (2019). Por lo tanto, durante eventos de tormentas solares es importante considerar los modelos de presión de radiación sobre los satélites para corregir o modelar las perturbaciones que alteran la trayectoria del satélite sobre su órbita.
Con base en los resultados alcanzados podemos decir que las tormentas geomagnéticas intensas afectan negativamente el posicionamiento GNSS con errores de hasta 10 cm cuando se utilizan productos precisos y estrategias de eliminación de la ionosfera como mapas ionosféricos en postproceso (como PPP) aún utilizando antenas y receptores GNSS de grado geodésico. Durante tormentas geomagnéticas intensas no recomiendo utilizar RTK de una sola frecuencia y mucho menos cuando son receptores de bajo costo porque se obtendrían errores en el posicionamiento de hasta 2 o más metros. En mediciones relativas se debe tener cuidado con la distancia de la línea base, es decir, la distancia entre mi estación de referencia y la estación donde deseamos obtener coordenadas debe ser lo más corta posible. También, se debe de mejorar la tasa o porcentaje de éxito en la detección y corrección del deslizamiento de ciclo durante el procesamiento de datos GNSS (Banville y Langley, 2013). Se debe tener en cuenta las correcciones ionosféricas de segundo o tercer orden (Bergeot et al., 2011), y recomiendo utilizar combinaciones de otros satélites GNSS para mejorar las geometrías débiles (Juan et al., 2018). Sin embargo, atendiendo todas estas recomendaciones, aún pueden ser limitadas en condiciones de tormentas geomagnéticas severas, tal como la ocurrida el 10 de mayo de 2024.
Referencias visitadas:
Banville, S., & Langley, R. B. (2013). Mitigating the impact of ionospheric cycle slips in GNSS observations. Journal of Geodesy, 87, 179-193.
Bergeot, N., Bruyninx, C., Defraigne, P., Pireaux, S., Legrand, J., Pottiaux, E., & Baire, Q. (2011). Impact of the Halloween 2003 ionospheric storm on kinematic GPS positioning in Europe. GPS solutions, 15, 171-180.
Chen, C., Xiao, G., Chang, G., Xu, T., & Yang, L. (2021). Assessment of GPS/Galileo/BDS precise point positioning with ambiguity resolution using products from different analysis centers. Remote Sensing, 13(16), 3266.
Gulyaeva, T., Stanislawska, I., & Lukianova, R. (2023). Arctic–Antarctic asymmetry of the ionospheric weather. Advances in Space Research, 72(12), 5428-5442.
Juan, J. M., Sanz, J., González-Casado, G., Rovira-Garcia, A., Camps, A., Riba, J., … & Orus, R. (2018). Feasibility of precise navigation in high and low latitude regions under scintillation conditions. Journal of Space Weather and Space Climate, 8, A05.
Kintner, P. M., Ledvina, B. M., De Paula, E. R., & Kantor, I. J. (2004). Size, shape, orientation, speed, and duration of GPS equatorial anomaly scintillations. Radio Science, 39(2), 1-23.
Pedatella, N. M., & Liu, H. L. (2018). The influence of internal atmospheric variability on the ionosphere response to a geomagnetic storm. Geophysical Research Letters, 45(10), 4578-4585.
Piggott, W. R., & Shapley, A. H. (1962). The ionosphere over Antarctica. In Antarctic Research: The Matthew Fontaine Maury Memorial Symposium (Vol. 7, pp. 111-126). Washington DC: American Geophysical Union.
Singh, A. K., Saini, S., & Das, R. M. (2019). Impact of geomagnetic variation over sub-auroral ionospheric region during high solar activity year 2014. Advances in Space Research, 63(10), 3189-3199.
Teunissen, P. J., & Montenbruck, O. (Eds.). (2017). Springer handbook of global navigation satellite systems (Vol. 10, pp. 978-3). Cham, Switzerland: Springer International Publishing. https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-319-42928-1
Zhou, F., Cao, X., Ge, Y., & Li, W. (2020). Assessment of the positioning performance and tropospheric delay retrieval with precise point positioning using products from different analysis centers. GPS solutions, 24, 1-11.