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ESTUDIO DE SUSCEPTIBILIDAD DE RIESGO POR TORMENTAS
GEOMAGNETICAS SOBRE LAS REDES DE ALTA TENSION EN COLOMBIA
LINA MARCELA NOGUERA CALLEJAS DANIEL FELIPE CUERVO MORALES
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERIA
INGENIERIA CATASTRAL Y GEODESIA BOGOTÁ D.C
2017
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ESTUDIO DE SUSCEPTIBILIDAD DE RIESGO POR TORMENTAS
GEOMAGNETICAS SOBRE LAS REDES DE ALTA TENSION EN COLOMBIA
LINA MARCELA NOGUERA CALLEJAS DANIEL FELIPE CUERVO MORALES
TRABAJO DE GRADO MODALIDAD MONOGRAFIA PARA OPTAR POR EL TITULO DE INGENIERO CATASTRA Y GEODESTA
DIRECTORES
Profesor: Luis Fernando Gómez
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS
FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA CATASTRAL Y GEODESIA
BOGOTÁ D.C 2017
3
Nota de Aceptación:
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Firma del jurado
Bogotá, D.C., 26 de mayo de 2017
4
A mi madre Martha Cecilia Morales
Zambrano y a mi padre Álvaro Cuervo
Vega, por todo lo que ellos representan
para mí, por toda la ayuda, el apoyo, el
sacrificio y el amor que ellos me han dado
poder cumplir este logro, por todo lo
anterior este documento es para ellos y
para toda su grandeza.
- Daniel
A mis padres, por su apoyo incondicional,
por el esfuerzo para hacerme llegar hasta
aquí y por la confianza que depositaron en
mi para cumplir esta meta, y quienes han
guiado mi camino hasta aquí con todo su
amor, cariño y comprensión, para ellos es
este proyecto y toda esta dedicación.
- Lina
5
AGRADECIMIENTOS
A el profesor Andrés Cárdenas, quien nos apoyó y guio durante la realización de
este documento, con su característica amabilidad y disposición por guiar a los
estudiantes. A los magios y nuestros amigos, quienes nos apoyaron y ayudaron en
los momentos cuando más necesitamos una mano, quienes estuvieron a nuestro
lado en los buenos y malos momentos.
A la Doctora Gloria Zuluaga Cárdenas, a los Ingenieros Humberto Roldan y
William Pabón de Intercolombia S.A, por su interés y colaboración con la
información del Sistema de Transmisión Nacional, una de las limitantes del
proyecto.
6
CONTENIDO
Capítulo 1. Introducción ......................................................................................... 13
1.1 Objetivos ................................................................................................... 14
1.1.1 General .............................................................................................. 14
1.1.2 Específicos ......................................................................................... 14
1.2 Planteamiento del Problema y Justificación .............................................. 14
1.3 Alcance y Limitaciones del Proyecto ........................................................ 15
Capítulo 2. Geomagnetismo e Índices ................................................................... 16
2.1 Campo Magnético Terrestre ......................................................................... 16
2.1.1 Origen del Campo Magnético Terrestre ................................................. 17
2.1.2 Generalidades del Campo Magnético Terrestre .................................... 18
2.1.3 Componentes del Campo Magnético Terrestre ..................................... 21
2.1.4 Comportamiento del Campo Magnético Terrestre ................................. 25
2.1.5 Estudio del Campo Magnético Terrestre en Colombia........................... 26
2.2 Índices Geomagnéticos ................................................................................ 27
2.2.1 Índice Dst ............................................................................................... 27
2.2.2 Índices K ................................................................................................ 28
2.3 Estaciones Geomagnéticas .......................................................................... 31
2.3.1 Estaciones geomagnéticas INTERMAGNET ......................................... 31
2.3.2 Estación geomagnética de Fúquene (FUQ) ........................................... 33
2.4 International Geomagnetic Reference Field (IGRF) ..................................... 33
2.5 Earth Magnetic Anomaly Grid (EMAG2) ....................................................... 35
2.5 Anomalía de la intensidad del Campo Magnético Total ............................... 37
Capítulo 3. Influencia Tormentas Geomagnéticas en el Sistema Eléctrico ............ 39
3.1 Campo Magnético Interplanetario ............................................................... 39
3.1.1 Estructura del Sol................................................................................... 39
3.1.2 Zonas Conectivas del Sol ...................................................................... 40
3.2 Magnetosfera ............................................................................................... 41
3.3 Tormentas Geomagnéticas .......................................................................... 43
3.3.1 Antecedentes Geomagnéticos ............................................................... 43
3.3.2 Formación de las tormentas geomagnéticas ......................................... 44
7
3.4 Sistema de Transmisión Nacional ................................................................ 45
3.5 Riesgos por Tormentas Geomagnéticas en el Sistema de Transmisión
Nacional ............................................................................................................. 48
3.5.1 Corrientes Inducidas Geomagnéticamente (GIC) .................................. 49
3.5.2 Susceptibilidad de Riesgo en las líneas de alta tensión. ....................... 50
Capítulo 4. Metodología ......................................................................................... 52
4.1 Aspecto Geofísico ..................................................................................... 54
4.2 Transmisión de Energía ............................................................................ 57
4.3 Caracterización Física .............................................................................. 58
Capítulo 5. Análisis y resultados ............................................................................ 62
CONCLUSIONES .................................................................................................. 72
BIBLIOGRAFIA ...................................................................................................... 74
ANEXOS ................................................................................................................ 77
8
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Variaciones del Campo Geomagnético ................................................... 26
Tabla 2. Clasificación de las Tormentas Geomagnéticas en función del Índice Dst
............................................................................................................................... 28
Tabla 3. Clasificación de las Tormentas Geomagnéticas en función del Índice Kp
............................................................................................................................... 29
Tabla 4. Días de Perturbación y Quietud Magnética objeto de estudio con índices
geomagnéticos. ...................................................................................................... 31
Tabla 5. Observatorios geomagnéticos INTERMAGNET involucrados en el
estudio. .................................................................................................................. 32
Tabla 6. Localización geográfica del observatorio magnético de Fúquene (FUQ). 33
Tabla 7. Descripción Generación IGRF-12 ............................................................ 34
Tabla 8. Clasificación del Factor Campo Magnético Terrestre............................... 56
Tabla 9. Calificación del Factor de Descargas Atmosféricas. Fuente. XXX. .......... 58
Tabla 10. Valores de resistividad específica en Ωm para tipos de litología ........... 60
Tabla 11. Calificación Factor Resistividad del Suelo ............................................. 60
Tabla 12. Criterios para determinar la susceptibilidad de riesgo por el fenómeno
geomagnético. ....................................................................................................... 68
Tabla 13. Población por Departamento afectada por una tormenta Geomagnética.
............................................................................................................................... 71
9
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Campo Magnético: Líneas de campo para un dipolo magnético ............ 17
Figura 2. Campo magnético terrestre .................................................................... 19
Figura 3. Estructura Interna de la Tierra ................................................................ 20
Figura 4. Dipolo axial geocéntrico – DAG. ............................................................. 21
Figura 5. Componentes del campo magnético terrestre ........................................ 22
Figura 6. Mapa de Declinación del Campo Magnético Global, Modelo IGRF para la
época 2015.………………………………………………………………..……………..24
Figura 7. Mapa de Inclinación del Campo Magnético Global, Modelo IGRF para la
época 2015. ........................................................................................................... 24
Figura 8. Mapa de Intensidad Total del Campo Magnético Global, Modelo IGRF
para la época 2015. ............................................................................................... 24
Figura 9. Distribución de los observatorios Dst………………………………………27
Figura 10. Distribución de los observatorios Kp ..................................................... 29
Figura 11. Localización Observatorios Geomagnéticos (IMO´s) INTERMAGNET . 32
Figura 12. Mapa de la Intensidad Total del modelo IGRF el 22 de Julio de 2009 en
Colombia ................................................................................................................ 35
Figura 13. Mapa de la Anomalía Magnética de Colombia, según Modelo EMAG2.
............................................................................................................................... 36
Figura 14. Mapa de Anomalía de Intensidad Magnética Total en Colombia ......... 38
Figura 15. Fotomontaje estructura del sol. - Imagen en el UV compuesta obtenida
por dos instrumentos a bordo de SOHO – NASA. ................................................. 39
Figura 16. Corona del Sol. ..................................................................................... 41
Figura 17. Eyecciones de la superficie activa del Sol observadas por SOHO en el
año 2002. ............................................................................................................... 42
Figura 18. Aurora Boreal. ....................................................................................... 45
Figura 19. Mapa del Sistema de Transmisión Nacional. ........................................ 47
Figura 20. Cadena de valor de la Energía. ............................................................ 48
Figura 21. Diagrama Metodológico del Proyecto ................................................... 53
Figura 22. Mapa Localización geográfica de las Estaciones Geomagnéticas. ..... 55
Figura 23. Factor Campo Magnético Terrestre, Territorio Nacional ....................... 56
Figura 24. Factor Descargas Atmosféricas, Territorio Nacional ............................. 58
Figura 25. Mapa de Clasificación según Edad estratigráfica,Territorio Nacional ... 59
Figura 26. Calificación Factor Restividad del Suelo ............................................... 60
Figura 27. Factor Resistividad del Suelo, Territorio Nacional ................................ 61
Figura 28. Tormenta Geomagnetica de 26 de Octubre de 2011 Vs. Dia de Quietud
Magnetica de 22 de Agosto de 2011 en el Observatorio de Fuquene. .................. 62
Figura 29. Fases de la Tormenta Geomagnética del 26 de octubre de 2011 ........ 63
10
Figura 30. Tormenta Geomagnetica de 26 de Octubre de 2011 Vs. Dia de Quietud
Magnetica de 22 de Agosto de 2011 en el Observatorio de Huancayo ................. 64
Figura 31. Tormenta Geomagnetica de 26 de Octubre de 2011 Vs. Dia de Quietud
Magnetica de 22 de Agosto de 2011 en el Observatorio de Kourou ...................... 65
Figura 32. Tormenta Geomagnetica de 26 de Octubre de 2011 Vs. Dia de Quietud
Magnetica de 22 de Agosto de 2011 en el Observatorio de San Juan .................. 66
Figura 33. Mapa de la Anomalía de la Intensidad del Campo Magnético Total para
el territorio colombiano ........................................................................................... 67
Figura 35. Mapa de Susceptibilidad de Riesgo por Tormentas Geomagnéticas
sobre las redes de alta tensión .............................................................................. 68
Figura 36. Mapa de Susceptibilidad de Riesgo por el fenomeno geomagnetico con
la sobreposicion del Sistema de Transmisión Nacional ......................................... 69
Figura 34. Mapa de Densidad Poblacional en el Territorio Colombiano.
Información Suministrada de: Departamento Nacional de Estadística DANE ....... 70
11
GLOSARIO
Electrojet Es un flujo de corriente eléctrica en la ionosfera
EMAG Grilla de Anomalía Magnética Terrestre (por sus siglas en ingles)
GIC Corrientes de Inducción Geomagnética (por sus siglas en ingles)
IGRF Campo Geomagnético de Referencia Internacional (por sus siglas en ingles)
INTERMAGNET Es la red global de observatorios de monitoreo del campo magnético de la Tierra.
Líneas de Transmisión
Sistema de conductores y sus accesorios para el transporte de energía eléctrica, desde una planta de generación o una subestación a otra subestación, generalmente a 115 KV, 230 KV o 500 KV.
Magnetograma Es la presentación grafica de las variaciones del campo magnético.
Recierre Mecanismo del Sistema de Transmisión de Energía Eléctrica, que permite a un interruptor o reconectador realizar uno o varios cierres automáticos cuando se presenta la apertura debido a una falla.
Sistema de Transmisión Nacional (STN)
Es el Sistema Interconectado de Transmisión de Energía Eléctrica compuesto por el conjunto de líneas, con sus correspondientes módulos de conexión, que operan a tensiones iguales o superiores a 220 kV.
Subestación Es un nodo del sistema que está interconectado con los demás nodos mediante líneas y que por su diseño permite modificar la topología o conectividad de toda la red.
Transformador Es un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia.
Transmisión Actividad consistente en el transporte de energía por líneas de transmisión, y la operación, mantenimiento y expansión de sistemas de transmisión, ya sean nacional o regionales.
UPME Unidad de Planeación Minero Energética, encargada de la planeación integral del sector minero energético.
Unidad Tesla(T) Es la unidad que mide la densidad del flujo magnético en un campo.
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RESUMEN
La susceptibilidad de riesgo por tormentas geomagnéticas, es un tema de interés
en el ámbito internacional, existe una preocupación científica por su estudio. En el
caso latinoamericano, los avances en investigación sobre el tema no son
suficientes y dado que tampoco tienen los presupuestos que se requieren tampoco
han permitido evidenciar que los daños causados en estructuras de transmisión
eléctrica estén asociados con este tipo de fenómenos. Los estudios realizados en
la región son aportes al conocimiento desde el punto de vista teórico en algunas
Universidades e Institutos de Investigación, sin embargo aún son menores los
estudios que consideran el tema riesgo por tormenta geomagnética y sus
implicaciones en la gestión del sistema de transmisión y sus implicaciones
socioeconómicas.
En esta monografía se hace un aporte a los estudios sobre el tema de riesgo por
tormenta geomagnética sobre el territorio Colombiano, en el documento se
muestra una metodología descriptiva y retrospectiva de tipo cuali-cuantitativo, la
cual se basa en una caracterización espacial de los modelos geomagnéticos, el
análisis de la resistividad de los suelos a nivel nacional, las descargas
atmosféricas registradas durante el periodo de tiempo motivo de estudio y de la
transmisión de energía eléctrica sobre el territorio.
Empleando el álgebra de mapas se obtiene como resultado la zonificación de la
susceptibilidad de riesgo por tormentas geomagnéticas en el territorio nacional,
clasificado en riesgo alto, medio y bajo; para así poder analizar las zonas de
mayor riesgo en el sistema de transmisión nacional.
Palabras Claves: Descargas, tormentas, susceptibilidad, riesgo y transmisión.
13
Capítulo 1. Introducción
La interacción entre el campo interplanetario y terrestre ha sido un tema relevante
de investigación en las últimas décadas; para los geocientíficos, físicos,
astrofísicos, ingenieros y demás científicos relacionados con el tema. Debido a la
manera como ha venido afectando estas interacciones a los diversos sistemas de
comunicación, sus implicaciones en la transmisión de datos GNSS y por supuesto
las redes de transmisión de alta tensión. El estudio del Campo Geomagnético, es
complejo. La medición del campo escalar es relativamente sencillo con un
magnetómetro, sin embargo su estudio del campo vectorial no es tan sencillo. De
hecho presenta tres componentes (X, Y, Z) que varían en cada lugar sobre la
tierra, es decir la magnitud del campo geomagnético en cada punto es función de:
latitud, longitud, altura, tiempo y susceptibilidad magnética.
La actividad solar da lugar a intensas fluctuaciones del campo magnético terrestre
debido a la inducción de una corriente anular entorno a la Tierra, es decir el campo
magnético interplanetario produce las tormentas que generan diferencias de
potencial inducidas a nivel de la superficie terrestre, dando origen a corrientes
eléctricas que cambian rápida e intensamente, causa variaciones temporales del
campo geomagnético, que a su vez inducen corrientes eléctricas a través de
vastas áreas del planeta. (Feldman, Bettucci, & de Aiguá, 2013)
Las mediciones del campo magnético terrestre y sus componentes se realizan en
observatorios magnéticos permanentes; por medio de registros continuos de
observaciones permanentes se permite suministrar información más precisa sobre
un punto fijo en la superficie terrestre. En Colombia se encuentra el observatorio
geomagnético permanente ubicado en la Laguna de Fúquene en Cundinamarca,
este observatorio es de los pocos instalados sobre la zona del ecuador, lo cual
permite analizar el campo magnético terrestre en el territorio Colombiano.
En este proyecto se presenta un análisis objetivo del comportamiento del campo
geomagnético y su influencia en el estado de las redes eléctricas de alta tensión
en Colombia, implementando una metodología basada en la caracterización
geofísica y espacial de las perturbaciones geomagnéticas, permitiendo analizar la
susceptibilidad de riesgos en las redes eléctricas por las tormentas
geomagnéticas.
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1.1 Objetivos
1.1.1 General
Analizar la susceptibilidad de las tormentas geomagnéticas sobre las redes
eléctricas de alta tensión en Colombia durante el periodo 2009 - 2014.
1.1.2 Específicos
Evaluar las tormentas geomagnéticas de categorías moderadas e intensas,
y compararlas con épocas de quietud magnética en el área de estudio.
Determinar las áreas susceptibles al riesgo por las tormentas
geomagnéticas sobre las redes de alta tensión en Colombia.
Obtener el mapa de susceptibilidad de riesgo por el fenómeno de tormentas
geomagnéticas sobre las redes de alta tensión, con su respectivo análisis
de la influencia en la energía eléctrica en Colombia.
1.2 Planteamiento del Problema y Justificación
Las corrientes magnéticas que fluctúan sobre el campo magnético terrestre por
medio de las tormentas solares, han ocasionado efectos en los recursos
tecnológicos, en especial en el sector energético, de tal manera que llega a causar
pérdidas millonarias a las empresas prestadoras del servicio eléctrico y por ende a
los hogares, el comercio y la industria que dependen de este recurso energético.
La evidencia de los daños causados por las tormentas geomagnéticas en los
últimos años a las redes de transmisión de alta tensión muestra lo vulnerable que
es el sistema a este fenómeno natural.
En Colombia, aún no se reconocen los alcances que puede ocasionar un
fenómeno geomagnético como una tormenta solar. Las consecuencias que se
pueden llegar a generar la colisión de una tormenta solar con el campo magnético
terrestres son varias y este estudio aporta a la investigación sobre el tema, con lo
cual es posible evaluar los riesgos de las mismas y realizar la gestión
correspondiente para mitigar sus efectos. El estudio de este tipo de los
acontecimientos ha sido abordado en pocos de los países de la parte sur del
continente americano y en especial en los países ubicados en la región ecuatorial
donde aún se desconocen las afectaciones por un fenómeno geomagnético.
Considerando que además este problema no se ha analizado en Colombia como
se requiere dado que hay algunos estudios previos. Se tienen los datos del
15
observatorio Geomagnético Permanente en Fúquene, que son la información más
importante que se ha obtenido históricamente en el país. Por lo anterior, hoy en
día las entidades reguladoras y comercializadoras de energía ubicadas en los
países de la zona ecuatorial, no tienen previsto planes de riesgo contra este tipo
de fenómeno y este estudio es un aporte al conocimiento de los efectos de una
tormenta magnética sobre la zona ecuatorial.
La elaboración de este proyecto se basa en la siguiente pregunta: ¿Cuál es la
influencia que han tenido las tormentas geomagnéticas entre los años 2009 a
2014 en Colombia?; la respuesta a esta pregunta se presenta por medio de una
zonificación de los niveles de susceptibilidad de riesgo por el fenómeno
geomagnético sobre las redes de alta tensión, lo cual proporciona información que
permite a los usuarios analizarla y elaborar planes de riesgo, ante una eventual
tormenta magnética sobre el territorio y de esta manera poder adoptar medidas
que se destinen a evitar o disminuir los daños que se puedan llegar a ocasionar
sobre el sistema de transmisión de energía.
1.3 Alcance y Limitaciones del Proyecto
El presente proyecto, tiene como propósito realizar un análisis retrospectivo de la
susceptibilidad de riesgo entre el periodo de tiempo desde el año 2009 al 2014 en
las cuales se evidenciaron tormentas geomagnéticas de categorías intensa y
moderada, y otras fechas en donde la actividad geomagnética fue casi nula, estos
se denominan días de quietud, obteniendo así un total de 21 fechas objeto de
estudio, las cuales se indican en la tabla 4. Este análisis se relaciona con la
distribución espacial del Sistema de Transmisión Nacional (STN).
Se utilizó la información geomagnética obtenida de los observatorios de Fúquene
(FUQ), SJG (San juan – EU), KOU (Kourou – Guyana francesa) y HUA (Huancayo
– Perú) en las épocas de estudio, la cual fue posteriormente procesada. Se
realizaron los mapas geomagnéticos del área de estudio que se contrastaron con
la información con las redes de transmisión de energía eléctrica, lo cual permitió
estudiar la influencia de las tormentas geomagnéticas previamente seleccionadas,
para posteriormente conocer los efectos generados sobre las redes eléctricas de
alta tensión en el territorio nacional, esto para poder determinar los niveles de
amenaza y vulnerabilidad a los que se encuentran expuestos estos sistemas.
Se han presentado limitaciones en cuanto a la información espacial y técnica con
respecto a las redes de alta tensión. En cuanto al primer grupo de información, la
falta de precisión espacial de la ubicación de las subestaciones y de las líneas de
alta tensión, da un aproximado de los centros poblados que estas benefician. Hay
otra fuente de información que no es de fácil acceso, por ser de reserva de las
entidades operadoras y prestadoras del servicio, y la única forma de acceder a la
16
misma es bajo una política de confidencialidad lo que acoto el alcance del estudio.
Otra limitación para la realización del análisis de susceptibilidad de riesgo por
tormentas geomagnéticas fue la falta de una metodología específica y clara para
evaluar el impacto de dicho fenómeno, razón por la cual se realiza una
metodología propia.
Con este proyecto se entrega una herramienta metodológica que permite discernir
o analizar a los usuarios información, la cual pueda ser útil en planes de riesgo
desarrollados por las diferentes entidades involucradas en el sistema de energía
eléctrica. Además, los resultados obtenidos en este proyecto pueden ser de
utilidad para la determinación de políticas de riesgo para la mitigación de los
efectos de una perturbación geomagnética sobre el territorio nacional.
Capítulo 2. Geomagnetismo e Índices
2.1 Campo Magnético Terrestre
Al empezar por lo más simple se puede describir que el campo magnético es lo
que rodea a un imán, al igual que el campo eléctrico rodea a las cargas eléctricas.
El campo magnético se puede entender como un vector, por lo que la dirección de
este vector siempre será el polo norte de una brújula que se coloque en un
determinado punto.
El campo magnético se puede definir como la fuerza magnética que contiene una
carga, al moverse a través de un campo magnético. La intensidad del campo
magnético por otro lado, es proporcional al número de líneas por unidad de área
que atraviesan una superficie que se encuentre perpendicular a las líneas. Esta
superficie es formada por las propias líneas. Las líneas son las que describen la
intensidad y la dirección del campo magnético en cada uno de sus polos, como se
puede observar en la figura 1, por lo que el campo magnético es más fuerte en
zonas donde las líneas están más cercanas entre sí, y de igual manera, si están
alejadas entre si el campo es débil. La magnitud de la fuerza magnética es
directamente proporcional a la magnitud de la misma carga y a la componente de
velocidad, la cual es perpendicular al campo magnético. El campo magnético
puede presentar valores menores a lo que equivale un tesla, de hecho, el valor de
la intensidad del campo magnético cerca de la superficie terrestre es
aproximadamente 10−4 𝑇. (Cutnell, 2004).
17
Figura 1. Campo Magnético: Líneas de campo para un dipolo magnético Tomado de: (“Principios de magnetismo”, 2016)
El campo magnético de la tierra, en su primera aproximación, es generado por un
dipolo magnético gigante. Este dipolo se encuentra, en el interior de la Tierra, en el
centro, y tiene su eje casi paralelo al eje de rotación de la Tierra. El momento del
dipolo terrestre debe estar orientado en la dirección opuesta con respecto al eje de
rotación de la Tierra con el fin de hacer coincidir la orientación de la aguja
magnética con el norte magnético apuntando al norte geográfico (JA CORTES,
2009).
2.1.1 Origen del Campo Magnético Terrestre
La consecuencia que origina una idea del magnetismo terrestre, es la brújula, este
elemento fue utilizado por años de manera primordial en la navegación,
inicialmente se suponía que la causa del funcionamiento de la brújula se
encontraba en los cielos, hasta que William Gilbert en el siglo XVII mediante
imanes exploro el campo magnético, y notó como esos pequeños imanes se
inclinaban a diferentes ángulos relativo a los polos, y entonces puedo empezar a
descubrir que la causa del geomagnetismo se encontraba en el interior de la tierra,
pero no fue hasta a inicios del siglo XIX que el científico alemán Carl Gauss logró
que el geomagnetismo llegara a un nivel de ciencia exacta mediante un análisis
matemático en el cual demostró que más del 95% del campo geomagnético se
origina en el interior de la tierra y el otro 5% tiene fuentes externas; Fue entonces
cuando la teoría de la dinamo autoinducida empezó a responder las preguntas
sobre el comportamiento del campo magnético terrestre.
18
El núcleo de la tierra presenta unas propiedades químicas, probablemente
basadas en Níquel – Hierro, cuya parte externa presenta un estado líquido, donde
se genera el movimiento de un fluido conductor , con respecto al manto sólido, lo
que genera de esta manera unas corriente eléctricas alrededor al núcleo,
generando un campo magnético parte de la cual fluye a la superficie terrestre y
otra parte la cual interacciona con el núcleo interno liquido en movimiento y
sostiene de esta manera la acción del dinamo, de esta manera se genera y
mantiene un campo magnético como el de la tierra, según lo explica la teoría del
Dinamo.
A principios de los años sesenta del siglo XX, los geofísicos descubrieron que la
polaridad del campo magnético de la tierra cambia periódicamente ( cada millón
de años más o menos), la causa de estos cambios se encuentra relacionada con
las fluctuaciones que experimenta el campo geomagnético en su intensidad a
largo plazo, los cálculos recientes realizados por científicos indican que el campo
magnético se debilito en un 5% durante el siglo pasado, si esa tendencia continua
durante otros 1.500 años, el campo magnético se debilitara e incluso dejara de
existir. (Cárdenas et al, 2014).
2.1.2 Generalidades del Campo Magnético Terrestre El campo magnético de la tierra logra asociarse a un campo dipolar similar a un
imán ubicado en el centro de la tierra y orientado según el eje de rotación, donde
el polo sur magnético es el polo norte geográfico y el polo norte magnético es el
polo sur geográfico, como se puede apreciar en la figura 2. En este caso el patrón
del campo magnético se describe dado que la fuente que genera el campo
magnético de la tierra no se encuentra magnetizados de forma permanente.
(Serway, 1999).
19
Figura 2. Campo magnético terrestre Tomada de: (Otaola, Mendoza, & Pérez, 2013).
El campo geomagnético ha sido asociado a la existencia de un núcleo externo
líquido mediante un proceso dinamo, el cual se encuentra relacionado con los ejes
giratorios de la tierra, pero no de una manera uniforme, esto se debe, al analizar
las corrientes eléctricas las cuales generan el campo magnético, además del
núcleo de la tierra, el campo magnético en la superficie terrestre tiene fuentes en
la corteza, la ionosfera y la magnetosfera.
El polo norte Geomagnético y el polo geográfico no coinciden, dado que existe una
desviación secular del campo por las interacciones en la estructura interna del
planeta Tierra, como la existente entre el núcleo solido interno y el núcleo liquido
externo que lo rodea. La diferencia angular que existe entre las direcciones de los
polos geográfico y magnético, se conoce como declinación magnética, esta
declinación varia en toda la superficie terrestre, y a lo largo del tiempo son más
notables aquellos desplazamientos; Además del núcleo liquido externo, se
encuentra el manto y la corteza como se muestra en la figura 3.
20
Figura 3. Estructura Interna de la Tierra Tomada de: .
Las contribuciones al campo magnético en la superficie terrestre provienen de
fuentes internas y externas las cuales muestran una dependencia del tiempo, esto
se representa generalmente por medio de una expansión armónica esférica, la
cual es una ecuación de Laplace. Para este caso se debe considerar el potencial
magnético como la superposición de los polinomios de Legendre; La expansión
expresa un potencial escalar, V, cuyos gradientes son los tres componentes del
vector de campo magnético: (Russell & LUHMANN, 1997)
∑
∑ (
)
Donde , son las coordenadas esféricas con origen en el centro del planeta,
son los polinomios asociados de Legendre, es el radio de la superficie
terrestre y los términos y
son los coeficientes de Gaus de grado y orden m. El potencial magnético de primer grado se produce cuando n = 1, ya que si n= 0 se tendría un monopolo, el cual no existe.
2.1.2.1 Modelo Dipolo Axial Geocéntrico
El modelo dipolo axial geocéntrico es un simple dipolo para el cual el eje
magnético y geográfico coincide con el ecuador. Por lo tanto, en cualquier punto
de la superficie terrestre, la latitud paleomagnetico es diferente a la latitud
geográfica.
Según este modelo, el campo geomagnético, medido en la superficie de la tierra es un valor vectorial el cual posee magnitud, la intensidad magnética y una
21
dirección, la cual se descompone en un valor de declinación y de inclinación, como
se observa en la figura 4, donde se observa el comportamiento del campo. Si es el momento magnético de este dipolo axial geocéntrico y es el radio de la tierra, los componente horizontal (H) y vertical (Z) del campo magnético a una latitud φ están dadas por:
La declinación es igual a 0° y La inclinación magnética está determinada de la
siguiente manera en un rango de +90° a -90°:
El campo total esta dado por:
Figura 4. Dipolo axial geocéntrico – DAG.
Tomada de: IAG (S. D’Agrella,2015)
2.1.3 Componentes del Campo Magnético Terrestre
El campo magnético de la tierra es un campo vectorial representado por un vector
B, el cual requiere al menos tres componentes para representarlo, Los elementos
que describen la dirección del campo magnético son la Declinación (D) e
22
Inclinación (I). La intensidad del campo magnético total (F), está dada a través de
la componente horizontal (H) y la vertical (Z), como se representa en la figura 5,
donde cada punto en el espacio tiene una dirección definida, el vector se describe
por las siguientes componentes:
Figura 5. Componentes del campo magnético terrestre Tomado de: INGV (Azzarone, 2016)
Componentes Ortogonales
X = Componente Norte del campo
Y = Componente Este del campo
Z = Componente Vertical
23
Componentes Magnéticos
F = Intensidad total
H = Intensidad horizontal
D = Declinación magnética (Angulo horizontal entre el norte verdadero y el vector de campo)
[
]
I = Inclinación magnética (Angulo entre el plano horizontal y el vector de campo)
[
]
Los componentes F, H, Z (intensidad total, horizontal y vertical), se miden en Gaus
(G), Gammas (G) o Teslas (T), mientras que las componentes D e I (Declinación e
Inclinación) se miden en grados y minutos de arco, sin embargo, la unidad del
campo magnético terrestre en el sistema internacional es el Tesla (T); El
comportamiento de la intensidad del campo magnético se encuentra en función
de: Latitud, Longitud, tiempo, altitud y susceptibilidad magnética, de manera que
la magnitud del campo magnético terrestre se encuentra entre los 20.000 nT Y
70000 nT aproximadamente.
24
Figura 6. Mapa de Declinación del Campo Magnético Global, Modelo IGRF para la época 2015. Tomado de: (BGS British Geological Survey, 2016)
Figura 7. Mapa de Inclinación del Campo Magnético Global, Modelo IGRF para la época 2015. Tomado de: (BGS British Geological Survey, 2016)
Figura 8. Mapa de Intensidad Total del Campo Magnético Global, Modelo IGRF para la época 2015. Tomado de: (BGS British Geological Survey, 2016)
25
2.1.4 Comportamiento del Campo Magnético Terrestre
El campo geomagnético se analiza a partir de un Campo Interno, el cual se basa
en el campo de la corteza y el campo del núcleo, donde se estudian las
propiedades magnéticas y fenómenos característicos en la corteza, manto y
núcleo de la tierra; además se estudia un Campo Externo, donde se analiza el
llamado Clima Espacial, el cual detalla el ambiente magnético según un sistema
de corrientes eléctricas entre la ionosfera y magnetosfera las cuales varían según
la actividad solar.
Las variaciones que se presentan en el campo magnético terrestre se deben a
causas externas e internas; Los campos Externos presentan fuertes variaciones,
que pueden registrarse desde los segundos hasta de manera periódica, debido a
la influencia solar en la ionosfera, por el contrario, Los campos internos
experimenta variaciones muy lentas con el tiempo, las cuales suceden en escalas
temporales amplias, que pueden llegar a ser de varios años. A continuación, se
relacionan las variaciones que experimenta el campo geomagnético
Tipo de Variación Origen Variación en función del
tiempo
Forma Espacial Amplitud Típica
Dipolar Interior de la Tierra
Desciende lentamente 0,0040° por año
Aproximadamente Dipolar
25.000 – 70.000 nT
Secular Núcleo de la Tierra
1 – 100 años Irregular, migrando hacia el W
+/- 10 – 100 nT /a
Diurna Exterior, Relacionado con manchas solares
24 horas, 27 días, 12 meses, 11 años
Depende de la latitud magnética y de la actividad de manchas solares
10 – 100 nT
Micropulsaciones Exterior Frecuencia: 0,002 – 0,1 Hz
Depende la latitud magnética y de la actividad de manchas y de tormentas magnéticas
Normal: 1-10 nT, máximo: 500 nT
Audiofrecuencias magnéticas
Exterior Frecuencia: 1-1000 Hz
Depende la latitud magnética y de la actividad de manchas y de tornados
0,01 nT /s
Efectos de corrientes telúricas
Interior, en baja profundidad
Frecuencia: 0,002 – 1.000 Hz
Geología Hasta 0,01 nT/S
Imantación inducida de las rocas
Interior, en baja profundidad hasta la geoterma del punto de Curie
Secular Geología; Varia y depende en primer lugar del contenido en magnetita en las rocas
Hasta 0,05
emu/
26
Tabla 1. Variaciones del Campo Geomagnético Tomado de: (Cárdenas et al, 2014)
Además de estas variaciones temporales, con valores instantáneos, medios,
diarios y anuales, que se asocian a la magnitud de la intensidad del campo
geomagnético en cualquier parte de la tierra, se encuentran los valores medios
anuales sujetos a una variación secular no periódica, los cuales se utilizan en los
análisis del campo interno de la tierra, teniendo en cuenta que en estos valores se
eliminan los efectos de las variaciones debido al campo externo de la tierra.
2.1.5 Estudio del Campo Magnético Terrestre en Colombia
La primera determinación de la declinación magnética en Colombia se realizó en
1801, por observación astronómica, por parte de Alexander Von Humboldt
encontrando en Bogotá una declinación de 7° 36’ Este; Posteriormente, en el año
de 1868, los geólogos alemanes Guillermo Reis y Alfonso Stubel determinaron en
Bogotá un valor de la declinación magnética de 6° 10’ Este, haciendo uso de una
Brújula Alemanda de Geólogo.
El Astrónomo Julio Garavito Armero, fue el primer colombiano que realizo una
observación magnética en Bogotá, utilizando un magnetómetro Ingles Negretti &
Zambra, obteniendo como resultado en el año 1898 un valor de 4° 20’ minutos
Este, en el año 1909 hallo un valor de 3° 50’ Este, y en 1914 encontró un valor de
3° 46’ Este. Posteriormente, Ingenieros del Instituto Geográfico Agustín Codazzi,
IGAC, colaboraron en observaciones magnéticas en la ciudad de Bogotá,
determinando en el año 1942 una declinación magnética de 2° 42’ Este, con ayuda
del magnetómetro No. 19, Coast & Geodetic Survey; Luego en el año 1950, se
determinó una declinación magnética con un valor de 2° 42’ Este, haciendo uso de
un Magnetómetro Marca Ruska.
El IGAC se vinculó a los estudios geomagnéticos Internacionales en el año
1952,con la instalación de un observatorio geomagnético de registro permanente,
el cual se instaló con la colaboración del US Departmet of Commerce Coast and
Geodetic Survey, y cumple con las especificaciones internacionales; El
observatorio se ubicó en una pequeña isla en la Laguna de Fúquene, teniendo en
cuenta que en la zona no se detectó ninguna anomalía magnética local y se
preservaba al observatorio de una futura anomalía artificial. En 1965, el
observatorio de Fúquene encontró para Bogotá un valor de 0° 47’ Este en su
declinación. Además, para el año 1980, se obtuvieron cartas magnéticas con los
datos disponibles en el IGAC, teniendo en cuenta la variación secular interanual. A
la fecha se siguen realizando investigaciones con la información suministrada del
observatorio geomagnético en la Laguna de Fúquene, por ser único y central en el
27
territorio nacional, hace que su información sea indispensable en investigaciones
del campo magnético terrestre en Colombia.
2.2 Índices Geomagnéticos
Los índices geomagnéticos permiten cuantificar de alguna manera la actividad
geomagnética, considerada como variaciones transitorias irregulares del campo
geomagnético. Está claro que La gran diversidad de fuentes de variaciones
magnéticas permite que se dé lugar a una complejidad al momento de las
mediciones de los fenómenos geomagnéticos, existiendo alrededor de 30 índices
geomagnéticos de uso corriente, que se relacionan con los diferentes fenómenos
que se presentan en la magnetosfera, ionosfera y las profundidades de la tierra.
De tal manera, el tamaño de las tormentas geomagnéticas es posible medirlo
mediante distintos índices geomagnéticos, sin embargo nos enfocaremos en los
más utilizados para nuestros fines: Índice Dst (Disturbance Storm Time), el cual se
ha utilizado históricamente para caracterizar el tamaño de una tormenta
geomagnética, y los índices Trihorarios (K y Kp), con una resolución de 3 horas,
que han sido de utilidad para estudios científicos y usado como base por la NOAA
para describir el clima espacial que perturba los sistemas de la tierra.
2.2.1 Índice Dst
El índice Dst, es un índice horario que se originó a partir de 1957 con el propósito
de supervisar la actividad magnética generada por las variaciones de las
corrientes de la magnetosfera, principalmente del anillo de corriente ecuatorial. Es
obtenido con una red de 4 estaciones geomagnéticas de baja latitud, como se
muestra en la figura 7, distribuidas a lo largo del perímetro terrestre, y distantes de
las zonas aurorales y electrojets ecuatoriales, lo suficiente para inhibir la influencia
de estas fuentes.
28
Figura 9. Distribución de los observatorios Dst. Tomado de: (“ISGI - Servicio Internacional de índices geomagnéticos”, 2016)
Se calcula usando los valores de la red de estaciones para cada hora, es decir,
utilizando la media de los valores de la componente horizontal del campo
magnético, a lo cual se le resta la variación diaria regular, y finalmente, se aplica
una corrección al residual obtenido para normalizar al ecuador dipolar, Sin
embargo, para cada intervalo de 1 hora, el índice Dst es el promedio de los
valores medios locales por hora en los 4 observatorios.
El valor Dst es estadísticamente cero en los días considerados tranquilos por los
organismos internacionales. Durante una tormenta geomagnética su valor
desciende en unas horas desde cero hasta su valor mínimo y comienza a
recuperarse lentamente hasta alcanzar el valor inicial próximo a cero. Las
tormentas geomagnéticas se pueden clasificar en función del valor del índice Dst
de la siguiente manera:
Categoría Valor Dst (nT)
Débiles -30 ≥ Dst ≤ -50
Moderadas -50 ≥ Dst ≤ -100
Intensas -100 ≥ Dst
Tabla 2. Clasificación de las Tormentas Geomagnéticas en función del Índice Dst Tomado de: (Herraiz Sarachaga et al., 2014)
2.2.2 Índices K
El índice Kp es un indicador de alcance planetario derivado del parámetro K, el
cual se creó con el propósito de caracterizar la intensidad de la actividad
geomagnética en una escala planetaria para intervalos de 3 horas. Se obtiene a
29
partir del valor medio de los índices K normalizados de 11 observatorios del norte
y 2 observatorios del sur situados entre los 44º y 60º de latitud, norte o sur, es
decir, resulta de la media aritmética de los índices K estandarizados para los trece
observatorios Kp distribuidos a lo largo del territorio como lo muestra la Figura 8.
Figura 10. Distribución de los observatorios Kp Tomado de: (“ISGI - Servicio Internacional de índices geomagnéticos”, 2016)
Los índices K son índices trihorarios que indican el nivel de actividad magnética
con el objetivo de describir la variación en el campo magnético terrestre provocada
por las interacciones del viento solar, magnetosfera y la ionosfera entre sí. El
índice K fue introducido por Barthes en 1938 como una medida casi logarítmica en
un paso de 0 a 9, permitiendo evaluar de forma cuantitativa una perturbación
magnética vinculada a la emisión corpuscular del Sol, donde un valor cercano a 9
nos indica un alto grado de penetración de radiación corpuscular.
Este índice es una referencia de la NOAA en las escalas del clima espacial, que
describen el comportamiento de algunas perturbaciones en la magnetosfera,
como, por ejemplo, las tormentas geomagnéticas, las cuales se clasifican por la
Escala de la NOAA en función del valor del Índice Kp, que se representa en 5
niveles con la letra G, de la siguiente manera:
Categoría Escala NOAA Valor de Kp
Extremo G 5 9
Grave G 4 8, 9-
Fuerte G 3 7
Moderada G 2 6
Menor G 1 5 Tabla 3. Clasificación de las Tormentas Geomagnéticas en función del Índice Kp
Tomado de: (“NOAA Space Weather Scales”, 2016)
30
En este proyecto, se tuvieron en cuenta 15 fechas de tormentas geomagnéticas y
6 fechas de quietud magnética entre los años 2009 a 2014, de las cuales se
determinaron 11 como Tormentas Intensas, según la clasificación en función del
Índice Dst; entre estas tormentas, 5 se encuentran en categoría Moderada, según
la clasificación del Índice Kp; Existen diversos factores que pueden incurrir en que
las clasificaciones entre los índices no concuerden, como las diferencias en las
secuencias de toma de datos, la localización de los observatorios y el objetivo de
estudio de la clasificación y demás. En la tabla 4. se enumera las tormentas
geomagnéticas entre los años 2009 a 2014 de mayor relevancia con su
correspondiente valor Dst y Valor Kp
N° Fecha Índice Dst Índice Kp
Valor Categoría Valor Categoría
DIA
S D
E
QU
IET
UD
1 18/07/2009 0 / 9 Quieto 0+ Quieto
2 21/08/2010 -7 / 3 Quieto 1- Quieto
3 21/08/2011 -4 / 5 Quieto 1 Quieto
4 21/10/2012 -5 / 4 Quieto 1- Quieto
5 03/07/2013 -7 / 0 Quieto 1+ Quieto
6 02/02/2014 -2 / 9 Quieto 2 Quieto
DIA
S D
E P
ER
TU
RB
AC
IÓN
1 22/07/2009 -51 / -83 Moderada 5 Menor
2 05/04/2010 -50 / -61 Moderada 5 Menor
06/04/2010 -54 / -81 Moderada 5- Menor
07/04/2010 -50 / -65 Moderada 4+ Menor
3 11/10/2010 -52 / -75 Moderada 4+ Menor
4 05/08/2011 -82 / -96 Moderada 6 Moderada
06/08/2011 -53 / -115 Intensa 5 Menor
07/08/2011 -50 / -54 Moderada 3+ Menor
5 26/09/2011 -52 / -118 Intensa 6 Moderada
27/09/2011 -51 / -102 Intensa 4 Menor
28/09/2011 -53 / -68 Moderada 4 Menor
29/09/2011 -50 / -56 Moderada 6- Moderada
6 26/10/2011 -55 / -147 Intensa 6- Moderada
27/10/2011 -50 / -54 Moderada 1+ Menor
7 09/03/2012 -65 / -131 Intensa 6 Moderada
10/03/2012 -52 / -66 Moderada 4- Menor
8 23/04/2012 -65 / -95 Moderada 4 Menor
24/04/2012 -50 / -108 Intensa 5 Menor
9 15/07/2012 -59 / -127 Intensa 5+ Menor
16/07/2012 -50 / -102 Intensa 5- Menor
17/07/2012 -51 / -70 Moderada 4 Menor
31
10 01/10/2012 -52 / -119 Intensa 5- Menor
11 08/10/2012 -54 / -95 Moderada 5+ Menor
09/10/2012 -54 / -105 Intensa 5- Menor
12 17/03/2013 -66 / -132 Intensa 6- Moderada
18/03/2013 -50 / -97 Moderada 3- Menor
13 01/06/2013 -50 / -119 Intensa 5+ Menor
14 19/02/2014 -52 / -116 Intensa 5 Menor
20/02/2014 -52 / -91 Moderada 5- Menor
21/02/2014 -51 / -53 Moderada 3 Menor
22/02/2014 -50 / -60 Moderada 3 Menor
15 12/04/2014 -50 / -81 Moderada 4 Menor
13/04/2014 -53 / -58 Moderada 4- Menor Tabla 4. Días de Perturbación y Quietud Magnética objeto de estudio con índices geomagnéticos.
Fuente: Autoría Propia
2.3 Estaciones Geomagnéticas
También conocidos como observatorios geomagnéticos, se encargan de registrar
de manera continua y precisa los valores de las componentes del campo
geomagnético y campo total en función del tiempo, con una resolución de un
minuto o menos, estos datos permiten el estudio de los fenómenos geomagnéticos
y su relación con la actividad solar. Mediante el proceso de los datos obtenidos en
los observatorios se provee información como los índices geomagnéticos, la
variación secular y variaciones con escalas temporales, como la variación diaria y
anual.
En el mundo existen alrededor de 180 observatorios geomagnéticos, pero en
América Latina solo operan cerca de 15 observatorios, solo 6 de ellos hacen parte
de la Red Internacional de Observatorios Geomagnéticos INTERMAGNET, los
observatorios restantes aun no cumplen con las características requeridas para
hacer parte de esta Red, uno de ellos es el Observatorio Geomagnético de
Fúquene en Colombia, el cual se encuentra en proceso de modernización con el
fin de incorporarse a la red INTERMAGNET.
2.3.1 Estaciones geomagnéticas INTERMAGNET
INTERMAGNET es una Red Internacional de Observatorios Magnéticos en
Tiempo Real, creada a finales de los 80´s por un grupo de institutos físicos de todo
el mundo, promoviendo observatorios magnéticos con estándares modernos y
especificaciones normalizadas en la infraestructura para el intercambio y la
gestión de datos en tiempo real, de igual manera han ayudado a expandir la
32
capacidad global de monitoreo geomagnético, contando hoy en día con 57
institutos de 40 países que prestan apoyo a 120 observatorios.
Los datos de INTERMAGNET consisten en series temporales del vector
geomagnético, muestreadas alrededor del minuto y cuidadosamente filtradas.
Estos datos son recogidos en las OMIs, abreviatura que se utiliza para indicar un
Observatorio Magnético INTERMAGNET, los cuales se localizan alrededor del
mundo, como se muestra en la figura 9.
Para este estudio, se consideran los datos de 3 observatorios INTERMAGNET,
cuya ubicación está dada en la tabla 4, y para lo cual se utilizan las 3
componentes (X, Y, Z) del campo geomagnético registrado durante una tormenta
geomagnética.
Observat. Sigla IAGA
Lat.geog. Long.geog Elevación País
Huancayo HUA 12°02,3’S 75°19,4’O 3313 m Perú
Kourou KOU 05.21° N 52.76° O 10 m Guyana Francesa
San Juan SJG 18.11° N 66.149°O 424 m Puerto Rico
Tabla 5. Observatorios geomagnéticos INTERMAGNET involucrados en el estudio. Fuente: Autoría Propia
Figura 11. Localización Observatorios Geomagnéticos (IMO´s) INTERMAGNET Tomado de: (INTERMAGNET, 2011)
33
2.3.2 Estación geomagnética de Fúquene (FUQ)
El observatorio geomagnético de Fúquene, se creó en el año de 1953 con el fin de
poder orientar las mediciones geodésicas con respecto al norte, que para ese año
se hacían en el país. Este observatorio se ubicó en la isla de El Santuario, la cual
se encuentra en la laguna de Fúquene, en la tabla 2 se encuentran las
características físicas y la ubicación del observatorio de manera detallada. Hace
unos años el observatorio hizo parte de la red mundial de observatorios
geomagnéticos, siendo así pieza importante en cuanto al tema de suministro de
información para la Asociación Internacional de Geomagnetismo y Aeronomía
(IAGA).
PAIS Colombia
DEPARTAMENTO Cundinamarca
MUNICIPIO Fúquene
ISLA El santuario
COORDENADAS GEOGRAFICAS
Latitud: 5°28’12’’ N Longitud: 72°44’14’’ w
ALTURA 2543 m.s.n.m
AREA DE LA ISLA 3.75 Hectáreas Tabla 6. Localización geográfica del observatorio magnético de Fúquene (FUQ).
Tomado de: (Aguirre, 2012)
Uno de los acontecimientos que marco la historia de este observatorio fue
convertirse en la primera sede de la escuela latinoamericana de geomagnetismo
en el año de 1993, lo cual fue hecho realidad gracias a la gestión que para ese
año realizo el Instituto Panamericano de Geografía e Historia.
Una de las tareas que trata de realizar de manera detallada el observatorio es
presentar los resultados de las mediciones realizadas del campo total, fuerza
horizontal, fuerza vertical, declinación e inclinación magnética a las instituciones
internacionales de geomagnetismo que soliciten esos datos, pero en especial a
World Data Center con el fin de generar los modelos geomagnéticos globales. Con
la respectiva modernización del observatorio, se busca que se convierta en uno de
los más importantes de la parte sur del continente americano, por lo que a largo
plazo se espera que haga parte de la red global de observatorios conocido como
INTERMAGNET. (IGAC, 2016)
2.4 International Geomagnetic Reference Field (IGRF)
El Campo Geomagnético de Referencia Internacional (IGRF), corresponde a una
seria de modelos armónicos esféricos acorde al campo magnético de la tierra,
34
cuyas fuentes están en el núcleo de la tierra; se han elaborado desde la época
1900 al presente, los cuales se deben revisar periódicamente con el fin de seguir
los cambios temporales continuos del campo geomagnético generados en el
núcleo externo de la Tierra; Por tal razón se genera un modelo IGRF cada 5 años,
bajo los auspicios de la Asociación Internacional de Geomagnetismo y Aeronomía
(IAGA).
En la actualidad, cada generación del IGRF comprende varios modelos
constituyentes, uno de ellos se designa como un Campo Definitivo de Referencia
Geomagnética (DGRF) y por ser definitivo no se revisa en generaciones
posteriores del IGRF; El modelo constituyente final, hace referencia a la variación
secular (VS), la cual se provee para predecir la variación en el tiempo del campo
geomagnético en gran escala para los 5 años después de la última revisión de la
IGRF (Thébault et al., 2015).
Para nuestro estudio, haremos uso de la última generación del IGRF, la cual se
relaciona en la tabla 7, con su respectiva descripción:
Nombre Completo
Abreviatura Valido para la época:
Definido para la época:
Fuente de los datos:
IGRF 12ª Generación
IGRF-12 1900,0 – 2020,0
1945,0 - 2010,0 (“IAGA - División V-MOD Modelado campo geomagnético”)
Tabla 7. Descripción Generación IGRF-12 Fuente: Autoría Propia
El modelo matemático del IGRF se basa en una expansión de armónicos esféricos
del potencial escalar, teniendo en cuenta que, en regiones libres de fuente en la
superficie terrestre, el campo principal, con fuentes internas en la tierra, es el
gradiente negativo de un potencial escalar V, el cual se describe en el capítulo
2.1.2.
En la figura 12 se muestra el mapa de Intensidad Total del Campo Geomagnético
de Referencia Internacional (IGRF) en Colombia para el 22 de Julio de 2009, a
partir de datos obtenidos en la NOAA (https://www.ngdc.noaa.gov/geomag-
web/#igrfgrid).
35
Figura 12. Mapa de la Intensidad Total del modelo IGRF el 22 de Julio de 2009 en Colombia Realizado con información de: https://www.ngdc.noaa.gov/geomag-web/#igrfgrid
2.5 Earth Magnetic Anomaly Grid (EMAG2)
La grilla de la anomalía magnética mundial de la tierra es un compilado de
información satelital, marina y mediciones magnéticas aéreas. EMAG2 es una
actualización significativa sobre la primera grilla de la anomalía magnética
mundial, EMAG3, donde la resolución espacial mejoro de 3 minutos de arco a 2
minutos de arco y la altura se redujo de 5 km a 4 km por encima del geoide,
además, Se adicionaron mallas adicionales y conjuntos de datos de línea de
seguimiento para mejorar la cobertura de datos sobre las áreas terrestres y
oceánicas. En la figura 13 se muestra el mapa de anomalía magnética en
36
Colombia EMAG2, basado en la información disponible en:
http://www.geomag.org/models/emag2.html
Los mapas de anomalía magnética permiten analizar la estructura del subsuelo y
la composición de la corteza terrestre, de igual manera, las variaciones
magnéticas en las líneas isócronas (de igual edad) en los océanos proporcionan
evidencia de la evolución temporal de la corteza oceánica; Además estos mapas
se pueden utilizar para el estudio de la caracterización geodinámica individual,
para la identificación de zonas de provincias volcánicas en tierra y en alta mar, y
para el análisis de las características regionales reflejadas en las anomalías
magnéticas con longitud de onda larga.
Figura 13. Mapa de la Anomalía Magnética de Colombia, según Modelo EMAG2. Realizado con información de: http://www.geomag.org/models/emag2.html
37
2.5 Anomalía de la intensidad del Campo Magnético Total
La magnitud escalar del campo magnético, F, registrada en un levantamiento
aeromagnético en cualquier punto dado, no contiene información sobre la
dirección del campo. Sin embargo, puede considerarse como la suma vectorial del
IGRF ( ) en ese punto y un componente anómalo, ΔF. El componente IGRF
estará orientado en la dirección del campo principal de la tierra en ese punto
mientras que el campo magnético debido a una fuente local, ΔF, puede, en
principio, tener cualquier orientación.
Los dos componentes pueden dibujarse sin duda en un plano, sin embargo, F es
normalmente al menos dos órdenes de magnitud mayor que ΔF. Siempre que se
cumpla esta última condición, el valor escalar ( - ) normalmente
registrado en un levantamiento aeromagnético no difiere significativamente del
valor del componente ΔF en la dirección de . Por lo tanto, los mapas de
anomalías magnéticas de campo total registran los componentes de las anomalías
locales en la dirección del campo principal de la Tierra (Reeves, 2005).
Las prospecciones aeromagnéticas apuntan a registrar las variaciones de F a
partir de las variables X y en un área de levantamiento mientras se eliminan todas
las variaciones basadas en el tiempo; Dado que el mapeo de las variaciones
locales en F atribuible a la geología de la corteza es el propósito de los estudios
Aeromagnéticos, se ha encontrado que La magnitud de F caerá entre 20.000 y
70.000 nT en todo el mundo y se puede esperar que tenga variaciones locales de
varios cientos de nT impuestas por los efectos de la magnetización de la corteza.
Para el mapeo de las anomalías magnéticas del campo total en Colombia, La
Agencia Nacional de Hidrocarburos (ANH) adquirió una considerable cantidad de
información magnética, la cual permitió determinar la anomalía de intensidad
magnética total de Colombia, como se muestra en la figura 14. Los rangos de
anomalías fueron normalizados por diferencias de alturas y luego graficados para
obtener el mapa de Anomalías Magnéticas de Colombia, MAM. Este mapa
presenta variaciones entre -113 nT y +104 nT.
El mapa, que refleja esencialmente variaciones de la susceptibilidad magnética de
las rocas corticales, muestra en valores positivos en áreas cordilleranas,
principalmente en la Cordillera Occidental y en los departamentos de Santander y
Boyacá, además Valores positivos de la anomalía también están presentes en
gran parte de la Orinoquía y la Amazonía, asociados con la superficialización del
basamento cratónico.
Los Valores negativos se asocian a la cuenca de la Sabana de Bogotá y gran
sector del Piedemonte Llanero, Se resalta una interesante anomalía negativa que
38
se extiende en dirección NW a SE desde el límite de los departamentos de
Guaviare y Caquetá hacia la frontera con Brasil. Otras posibles cuencas sugeridas
por anomalías negativas se analizan en su aplicación a la geología económica.
(Agencia Nacional de Hidrocarburos, 2010)
Figura 14. Mapa de Anomalía de Intensidad Magnética Total en Colombia Tomado de: (Agencia Nacional de Hidrocarburos, 2010)
39
Capítulo 3. Influencia Tormentas Geomagnéticas en el Sistema Eléctrico
3.1 Campo Magnético Interplanetario
Las tormentas geomagnéticas son producto de un incremento de la presión que
los vientos solares ejercen sobre campo magnético de la tierra, de igual manera
también se debe a cambios de energéticos que se dan en el núcleo del sol. Para
entender el fenómeno de las tormentas geomagnéticas, se hace indispensable las
siguientes descripciones el sol, la tierra, vientos solares, tormentas solares.
El sol es una estrella compuesta de hidrógeno (73.46%), helio (24.85%) y el 1.69
% son elementos pesados tales como Oxigeno, hierro, Carbono, Neón, Nitrógeno,
Silicio, Magnesio y Azufre. Se encuentra a 149’597.871 kilómetros. Tiene rotación
y los campos magnéticos que tiene son variables, pero que al ignorarlos se
pueden llegar a calcular, componentes químicos, presión, densidad y temperatura
con base a la distancia al centro del sol. (Bachiller, 2009)
Figura 15. Fotomontaje estructura del sol. - Imagen en el UV compuesta obtenida por dos instrumentos a bordo de SOHO – NASA. Tomado de: (Vega, 2014)
3.1.1 Estructura del Sol
En la figura No. 15 se muestra la estructura del sol la cual se organiza de la
siguiente manera: Núcleo, zona Radiactiva, zona conectiva, fotósfera, cromósfera
y corona.
Existen tres maneras de expulsar la energía que se genera al interior del sol de
manera radiactiva, conectivo y conductivo. El primero funciona por medio de
40
fotones, el segundo es mediante el movimiento de gases y transporte el tercero el
cual funciona como un producto de las colisiones entre partícula, lo que
desencadena en una transferencia de energía entre las partículas en contacto.
Pero estas maneras de expulsión de energía dieron origen a dos zonas del sol, la
radiactiva y conectiva.
En la zona radiactiva se da en un radio de 485.000 kilómetros, aproximadamente
en la mitad del sol. El ambiente que se presenta en esta zona es altamente
ionizado, formado por un gas denso el cual facilita el movimiento de las partículas
en forma de fotones, pero estos solo pueden recorrer distancias muy cortas antes
de que sean absorbidos o rechazados por otra partícula.
En cuanto a las zonas conectivas del sol, se da cuando la temperatura de la parte
superior de la zona radiactiva desciende, lo suficiente para que se dé la formación
de átomos parcialmente ionizados y neutros, lo que aumenta las probabilidades de
absorber fotones, ampliando así la opacidad del medio. La opacidad un valor que
permite realizar la medición, de cómo la materia afecta el movimiento de fotones al
interior del sol. Siendo esto ampliando en la zona conectiva, por lo que se da una
disminución muy rápida de la temperatura con respecto a la distancia desde el
centro del sol, por la falta de radiación de fotones hacia el exterior.
3.1.2 Zonas Conectivas del Sol
El régimen conectivo que se da en la parte exterior del sol, propicia la generación
de las tres capas de la atmosfera solar: La fotosfera, cromosfera y corona.
La fotosfera, es la superficie visible del sol, es allí donde los fotones hallan un
espacio libre para poder viajar por el espacio. Esta capa cuenta con un espesor
aproximado de 100 km hasta 500 km y el límite de esta capa se da en la parte final
el globo solar visible. Es en esta zona donde el viaje de los fotones por el espacio,
los expulsa para que estos lleguen a la tierra, es por esto el nombre de esta capa.
En la parte superior de la fotosfera se encuentra la corona y cromosfera, esto
debido a que en esta parte en el límite de la fotosfera se encuentra un gas tenue
que permite el perfecto equilibrio entre estas capas.
La zona de transición que se extiende a unos 2000 km por encima de la fotosfera,
es la cromosfera. Esta capa es mucho más caliente que la fotosfera debido a que
en esa zona se da ondas electromagnéticas y de compresión. Esta zona presente
una emisión de energía, la cual se puede llegar a considerar de tipo constante. Es
aquí donde los fenómenos más interesantes que suceden en el sol se dan, tales
como: las mottles, espiculas, plages y prominencias.
41
La Corona es la parte final del sol y en donde se da uno de los fenómenos más
importantes, como los vientos solares, es una superficie con una extensión de
cuatro millones de km, con una temperatura aproximada de 2 millones de grados
kelvin, está formada principalmente por plasma lo que es el catalizador para la
generación de las tormentas solares, debido a su constante flujo de plasma sobre
el medio interplanetario, esto se da de forma de viento solar. Y es con este
fenómeno que se da la principal interacción del sol con la tierra. En la figura No.16
se muestra la corona del sol, por medio de fotografías tomadas por el satélite
SOHO. (Vega, 2014)
Figura 16. Corona del Sol. Tomado de: (Vega, 2014)
El viento solar, son eyecciones de plasma de la masa coronal a través del espacio
hasta que golpea la magnetosfera de la tierra, es por esto que su principal objetivo
es esta. Este viento puede llegar a alcanzar velocidades de 800 km/seg. Este
viento solar, tiene forma de nube, las cuales contienen toneladas de materia.
Pueden darse un promedio de tres eyecciones de masa por cada día, y la
afectación sobre la tierra se da unas 20 horas después de que se da este
fenómeno. Este es el principal factor para que se den las tormentas
geomagnéticas.
Durante las eyecciones de masa coronal, conocidas como vientos solares, a la vez
se presente otro fenómeno de no menor importancia, las llamaradas solares.
Estas se caracterizan por expulsar una gran cantidad de radiación
electromagnética, también expulsan rayos gamma hasta los ultravioletas. Son
fenómenos que ocurren al mismo tiempo, pero los cuales se consideran distintos.
3.2 Magnetosfera
Los estudios con respecto al campo magnético de la tierra se han aumentado
desde que se inició todo el programa espacial, y más cuando se inició la puesta en
órbita de satélites con fines comerciales, se podría decir que es desde los años 80
que se está dando este caso. La coordinación de estas misiones se da entre la
42
NASA, la ESA y la ISAS, bajo la institución internacional ISTP (International Solar-
Terrestrial Physics Science Initiative) que en ingles traduce Iniciativa Internacional
de ciencia y física solar-terrestre.
Los fenómenos magnetosféricos entonces se han podido representar con gran
precisión debido al incremento de las observaciones multipunto de alta calidad,
como se observa en la figura No.17, donde muestra con gran precisión y como se
ha mencionada con alta calidad los fenómenos magnetosféricos y por ende
también se puede llegar a tener sus interrelaciones y sus evoluciones temporales
durante todo el ciclo solar. La manera que se ha empleado para la representación
de estos procesos ha sido los representaciones analíticas y modelos
fenomenológicos. Los nuevos modelos se validan de manera interna, es decir, que
se validan al interior de magnetosfera durante condiciones de extrema actividad, lo
que infiere directamente en los efectos de las partículas energéticas solares, sus
concentraciones, los rayos X y el movimiento de los vientos solares.
Figura 17. Eyecciones de la superficie activa del Sol observadas por SOHO en el año 2002. La luz del disco solar ha sido bloqueada y su imagen ha sido reemplazada con una imagen ultravioleta tomada simultáneamente.
Tomado de: (Bachiller, 2009)
Se ha podido observar el comportamiento de la magnetosfera, la cual funciona
como una lente que focaliza las variaciones del viento solar en una sola zona de la
tierra al lado contrario de donde se da la mayor concentración de actividad
magnética y esas dinámicas se han podido representar en tres dimensiones
mediante los modelos MHD. Uno de los avances que se ha tenido en este campo
es el desarrollo de un método que predice la intensidad y la ocurrencia de estas
tormentas, esto se hace por medio del análisis de los datos temporales de la
43
magnetosfera como sistemas dinámicos no lineales, estos también funcionan
como herramientas de predicción de meteorología espacial.
Las ondas ULF en la magnetosfera juegan un papel importante durante estos
fenómenos, ya que estas ondas guardan una directa relación con las
subtormentas, también por su relación con la física de plasma, con el
acoplamiento que se da entre, la ionosfera y la magnetosfera y la producción y
pérdida de iones y electrones en los anillos de radiación. Estas ondas son las
responsables de acelerar a los electrones asesinos en el cinturón de radiación de
la tierra, estos son electrones altamente cargados y durante las tormentas solares
este tipo de electrones aumenta su tamaño en unas diez veces para luego ser
expulsados, afectando así los satélites. (Camacho & Manuel, 2015)
3.3 Tormentas Geomagnéticas
Estas tormentas se conocen como perturbaciones del campo magnético terrestre.
Las perturbaciones son consecuencia, como ya se mencionó, del aumento de
presión de los vientos solares, dependiendo de la magnitud que tenga el viento
solar que se vea involucrado con la tierra, este también afectara la ionósfera, esto
se conoce como tormenta ionosférica.
3.3.1 Antecedentes Geomagnéticos
Para la época en la que se evidencio la primera tormenta, se notó la gran
amenaza que estas representan, debido a los daños. Con el pasar de los años los
sistemas de comunicaciones han avanzado y con los estudios realizados a los
daños que estas causan, dieron cuenta de que otro tipo de infraestructura se
afectan por este fenómeno, como son: posicionamiento, navegación y
comunicaciones, produciendo el colapso de recursos tan diferentes como el tráfico
aéreo y marítimo, los sistemas de seguridad y vigilancia y las operaciones
bancarias.
3.3.1.1 Tormenta De Carrington
La importancia de realizar estudios sobre este tipo de fenómenos, inicio los
primeros días del mes de septiembre de 1859 cuando se produjo una tormenta
solar clasificada como extrema, esta tormenta se denominó “el evento de
Carrington”, en honor al astrónomo ingles que observo este fenómeno. Esta
tormenta es el fenómeno de mayor magnitud e importancia que ha sido registrada.
Para esa época la tormenta produjo daños en los sistemas de comunicación, tales
como, el telegrama y en la mayoría de los casos ocasionando que estos equipos
se quemaran.
44
3.3.1.2 Tormenta De Quebec
El 13 de marzo de 1989, se produjo la segunda tormenta de mayor magnitud de la
cual se tiene registros, conocida como “la tormenta de Quebec”. En este caso los
daños se cuantificaron con mejor precisión, alrededor de 5 millones de personas
se quedaron sin electricidad por nueve horas, el costo para el cambio y/o
reparación de los transformadores afectados se estimó en unos 12 millones de
dólares y en unos 1600 satélites se perdió control, quedando temporalmente por
fuera de órbita.
Las tormentas geomagnéticas se estudian desde la meteorología espacial, que se
inició desde los años 90 y estudia los tres actores principales de las tormentas
geomagnéticas: El sol y su estructura, los vientos solares y su medio de
propagación del espacio interplanetario, la tierra y su estructura interna. Esta rama
tiene como función principal objetivo generar un mejor y mayor conocimiento sobre
estos fenómenos, también del diseño y generación de sistemas de alerta
temprana, con el fin de mitigar los posibles daños que se lleguen a presentar.
(Herraiz Sarachaga et al., 2014)
3.3.1.3 Evento de Halloween
Dos eyecciones de masa coronal fueron expulsadas desde el sol, la primera el 28
de octubre de 2003, la cual golpeo la tierra alrededor de 19 horas después, y la
otra fue expulsada unas 9 horas después desde el sol y alcanzo la tierra unas 10
horas luego de la primera. Este evento trajo una gama amplia de consecuencias
para los sistemas tecnológicos, en la parte eléctrica se produjo un apagón el 30 de
octubre que duro entre 20 y 50 minutos dependiendo del sector y afecto a unos
50000 usuarios en Malmö (Suecia) y los alrededores. Al mismo tiempo se
reportaron más de 15 transformadores dañados en Sudáfrica, algunos de ellos sin
posibilidad de reparación.
3.3.2 Formación de las tormentas geomagnéticas
La magnitud de las tormentas que afectan a la tierra, por lo general, son pequeñas
y no tiene mayor incidencia. Las tormentas pueden clasificarse de menor a
extrema como se muestra en la tabla No. 2 y 3 del capítulo anterior. Estas
tormentas se forman en tres fases:
1. Fase inicial: Se caracteriza por un aumento en la densidad de líneas de
campo debido al incremento de la presión del viento solar, esto hace que el
valor de la componente horizontal del campo magnético terrestre, aumente
entre 30 – 50 nanoteslas (nT) su valor inicial antes de la tormenta.
45
2. Fase principal: En esta fase tiene lugar una inyección de plasma energizado
en el anillo de corriente ecuatorial que provoca su aumento y se caracteriza por
una brusca disminución de H.
3. Fase de Recuperación: Es la etapa de regreso de la situación de equilibrio.
Conforme se da las tormentas magnéticas, también se presentan las auroras
boreales, en la figura No. 18 se puede observar un claro ejemplo de este
fenómeno natural. El sitio donde estas se presentan también dependerá de la
magnitud de la tormenta. En el hemisferio norte se presentan con mayor
frecuencia las auroras boreales en los países de la zona nórdica, tales como,
Islandia, Groenlandia, Noruega, Suecia y Finlandia, debido a que cuentan con
altas latitudes, esto se debe a que el campo magnético es de carácter dipolar.
Esta condición del campo magnético también hace que se produzcan auroras
boreales en el hemisferio sur más frecuente de lo que se supone, este fenómeno
se conoce como auroras australes. Entre los 50 y 55 grados de latitud
geomagnéticos, es el sitio donde más ocurren la mayoría de las tormentas
magnéticas. (Camacho & Manuel, 2015)
Figura 18. Aurora Boreal. Tomado de: (Herraiz Sarachaga et al., 2014)
3.4 Sistema de Transmisión Nacional
Las condiciones climáticas que se vivió durante el año 2012 dificulto la operación
del Sistema Interconectado Nacional (SIN) y del Mercado de Energía Mayorista
(MEM). El fenómeno del niño que por esas fechas afecto al país provoco que los
aportes hídricos en los embalses del país del Sistema Interconectado Nacional
(SIN) fueran de los de un año promedio, esto causo que lea generación de energía
46
eléctrica en el país fuera de un 2% más que de la registrada en el año 2011, esto
causo que la demanda de energía se incrementará. La capacidad efectiva del SIN
esta conformada por 64% hidráulica, 30% térmica y un 4,8 de plantas menores y
cogeneradores. (Ministerio de Minas y Energía, 2013)
La demanda de energía también proviene del exterior, siendo Ecuador uno de los
países a los cuales se exporto más energía, reportando ventas por más de 800
millones de dólares en un periodo de 10 años.
Los grandes proveedores de energía del país, se agrupan o se encuentran en el
Mercado de Energía Mayorista (MEM), el cual fue creado durante el año de 1994
con el fin de crear un mercado mucho más competitivo. Estopas competidores son
los encargados de las actividades de generación, transmisión, distribución y
comercialización. Para el sistema de transmisión se clasifican estos proveedores
en transmisores y distribuidores.
La transmisión de energía se define, como el transporte de energía eléctrica por
medio de un conjunto de líneas, con sus respectivos conectores, para el sistema
de transmisión nacional, estos conectores manejan tensiones iguales o superior
de 220 kV. En la figura No.19 se muestra las regiones por las que atraviesa todo
este sistema.
El Sistema de transmisión Nacional (STN) ha generado el 72.9% de los ingresos
partiendo de la red existente, de igual manera, también se han realizado un 16.9%
de convocatorias para la expansión de la infraestructura para la transmisión. El
mantenimiento, conservación y actualización de las herramientas dentro de la
estructura física, junto con una adecuada administración y operación de las
empresas encargadas de este aspecto dentro del sistema nacional, se tiene
previsto que los agentes comercializadores y generadores, aprovechen de este
beneficio para que se apoyen en la infraestructura de transmisión nacional para el
desarrollo del mercado. Lo cual se comprobó durante el año 2016, donde se
evidencio que un 7.5% de los ingresos totales fueron debido a la buena conexión
que se tiene entre oferentes, comerciantes y el STN, dando acceso a que los
grandes consumidores, generadores y distribuidores se les permitiera recibir,
entregar y transportar energía eléctrica.
El STN trae consigo ciertos servicios, como consecuencia de la prestación del más
básico de todos, como es el transporte o transmisión de energía, lo cual
represento para los ingresos de las empresas encargadas de esto el incremento
de sus ingresos en un 2.7% sobre el total de sus ingresos. Los servicios que se
destacan son: administración, operación y mantenimiento; estudios eléctricos y
energéticos; arrendamiento de infraestructura eléctrica, servicios de
gerenciamiento y corporativos a empresas del grupo.
47
Figura 19. Mapa del Sistema de Transmisión Nacional. Fuente: Autoría Propia Realizado con información de la Unidad de Planeación Minero Energética UPME.
Como ya se mencionó, los agentes encargados de la distribución de la energía se
clasifican como proveedores y transmisores, dentro de este grupo se puede
destacar las siguientes empresas de origen público. Estas empresas son las
encargadas de la planeación de la expansión y de las inversiones, también de la
operación y mantenimiento de la gran mayoría del Sistema de transmisión regional
(STR) o de distribución local (SDL). Para el STN las empresas encargadas
manejan de 230 kV – 500 kV, para conectarse entre sí.
En la figura No. 20 se explica el funcionamiento o estructura del modelo de
negocios que se tiene para la comercialización de energía Toda la infraestructura
se pone a disposición para el funcionamiento del mercado energético, como se
comporta la cadena de valor de cada uno de los agentes en la cadena de energía,
y se aprecia entonces, el contexto de las entradas y salidas para la prestación de
servicio.
48
Figura 20. Cadena de valor de la Energía. Tomado de: (Intercolombia, 2016)
Para que exista un correcto funcionamiento para la transmisión de energía, se
debe tener en cuenta la ubicación geográfica de los centros de transmisión de
energía (CTE). Son cuatro centros ubicados estratégicamente en el país. En la
parte central (Bogotá), en el Oriente (Floridablanca), noroccidente (Sabaneta) y
suroccidente (Palmira), en los cuales se opera y mantiene alrededor de 10.518
km, manejando tensiones entre 500 y 110 kV, cruzando aproximadamente unos
356 municipios de Colombia. Dentro de los 10.518 km mencionados, se dividen
por voltaje, existe unos 2.489 km de líneas con tensión de 500 kV, 7.856 km de
líneas con tensiones de 220 – 230 k y unos 171 km de corrientes menores a los
200 kV. Uno de los aspectos a resaltar, entre el año 2015 a 2016 se aumentó la
instalación de líneas de tensión de 220 – 230 kV, pasaron de unos 7.647 km a
unos 7.856 km. Para la conexión con el SIN se debe contar con una gran
infraestructura de subestaciones eléctricas, con el fin de que se preste un
adecuado servicio. (Intercolombia, 2016)
3.5 Riesgos por Tormentas Geomagnéticas en el Sistema de Transmisión
Nacional
El sol tiene un ciclo de 11 años, conocido como el ciclo solar. Durante este periodo
de tiempo se pueden presentar alrededor de unas 4 tormentas clasificadas como
extremas, unas 100 clasificadas como severas y unas 200 como fuertes, este dato
presentado por la NOAA. Por lo que se puede concluir que es un fenómeno más
común de lo que se cree, pero a la cual no se le ha prestado la atención que
requiere, de igual manera, tampoco se dimensiona su importancia y las
consecuencias que estas traen. (Herraiz Sarachaga et al., 2014)
49
3.5.1 Corrientes Inducidas Geomagnéticamente (GIC)
Estas tormentas tienen una incidencia directa en las corrientes eletrojet, debido a
la gran cantidad de nubes de plasma que llegan y que interactúan con este tipo de
corriente, generando también cambios en el campo magnético. Estos cambios se
describen con gran precisión en la ley de inducción de Faraday, la cual explica la
generación de un campo eléctrico en el suelo.
Las corrientes electrojet, se inician desde el momento en que partículas cargadas
del viento solar atraviesan los polos del campo magnético de la tierra dirigiéndose
a zonas de latitudes altas, por lo que se puede explicar por qué es en estas zonas
en donde más se producen corrientes geomagnéticas inducidas. La alta intensidad
de corriente se debe a la geometría del campo geomagnético, la cual viaja sobre
todo el ecuador magnético en una franja de 500 km de ancho donde las líneas del
campo magnético son paralelas a las líneas de la tierra, por lo que la
conductividad es mucho mayor.
Algo que se ha notado, al haber variaciones en el campo magnético durante el
desarrollo de una tormenta, se crean campos eléctricos y estos son capaces de
inducir corrientes eléctricas en sistemas conductores (cables, suelo, conducciones
metálicas, etc.), y estas corrientes se conocen como GICs (Corrientes Inducidas
Geomagnéticamente) y son muy peligrosas para sistemas de conducción metálico
(tuberías), como tuberías empleadas en la industria del petróleo y de energía,
provocando así el deterioro de toda la infraestructura, afectando a millones de
personas en el eventual caso en el que estas tuberías o sistemas conductores
empleados por las empresas proveedoras de servicios básico ya no soporten o
estén en condiciones adecuadas para su funcionamiento. En zonas donde los
suelos presenten resistividades bajas, este tipo de corriente fluirá con mayor
facilidad, a comparación de los suelos con resistividades altas, dado que el
material del suelo que compone este tipo de suelos sirve como aislante a lo que la
corriente no podrá fluir.
El campo eléctrico de la tierra está en función de las fluctuaciones de las
corrientes electrojet y de la conductividad del suelo, al haber un incremento en las
corrientes electrojet y una disminución de la conductividad del suelo el campo
geoelectrico de la tierra aumenta, de donde se puede concluir que este en función
de esas dos variables, pero de manera inversa. El campo eléctrico lleva consigo
corrientes por las estructuras conductoras, como las líneas de transmisión.
50
3.5.2 Susceptibilidad de Riesgo en las líneas de alta tensión.
Riesgo se define como la probabilidad y los efectos adversos que un clima
altamente agitado puede causar en sistemas eléctricos. El objetivo de los
operadores de energía es la producción, transmisión y distribución, por lo que la
aparición de un clima altamente agitado eleva las probabilidades de daños sobre
estos tres objetivos. Por lo que la evaluación del riesgo se basa en la toma de
decisiones acerca de la necesidad y definir que prioridad se debe tener para el
tratamiento de los riesgos.
La evaluación de la susceptibilidad de un sistema que pueda llegar a ser afectado
por las tormentas solares, se debe realizar con base en:
La latitud geomagnética.
La conductividad del suelo.
La topología del sistema y sus propiedades eléctricas.
Las características geográficas.
Una de las variables que no se tiene en cuenta en la mayoría de los estudios, es el
efecto costero. Este se refiere a una mejoría importante en el campo eléctrico
terrestre por la alta conductividad del agua de mar. Esto se da debido a la carga
que tiene el agua de mar y si está cerca de algún transformador, esto proporciona
un medio para que la corriente fluya (Maynard, Smith, & Gonzalez, 2013).
Estas variables se pueden emplear para la realización de simulaciones con el fin
de identificar las probabilidades de riesgo que estas infraestructuras tengan.
El objetivo de todo sistema eléctrico es la producción, transmisión y distribución de
energía, pero la incertidumbre de la aparición de un ambiente altamente agitado
que afecte las líneas de transmisión siempre va a estar presente, por lo que
comprender las consecuencias que se pueden llegar a dar tras una tormenta
geomagnética puede ofrecer a los operadores soluciones más rápidas y efectivas
ante un evento de estos.
El propósito de la evaluación es dar sustentos necesarios para la toma de
decisiones sobre la necesidad y cuáles son las prioridades en el tratamiento de los
riesgos, para lo cual se debe crear una lista de los riesgos basado en los eventos
que pueden crear, mejorar, prevenir, degradar, acelerar o retrasar el cumplimiento
de los objetivos.
Las consecuencias que se pueden llegar a dar a nivel de sistema se refieren más
que todo al daño de las líneas de transmisión, los daños que se pueden llegar a
producir son: corte de energía a nivel local y colapso de voltaje.
51
La configuración que tiene el sistema de transmisión es por lo general mallada,
para que en el caso que se dé una desconexión de la línea el resto del sistema se
mantenga con un aumento en el nivel de la tensión, pero el corte de energía se da
en el caso que haya agua debajo de los sistemas protectores de la red de
distribución. Los grandes niveles de voltajes están orientados para las largas
distancias, y esto hace que sean más susceptibles a daños por tormentas.
El aumento en el consumo de energía se da por una perturbación geomagnética,
esto al aumento de la tensión en el sistema, especialmente en los periodos de
tiempo en la que se da una mayor demanda, de igual manera va en conjunto con
el sobrecalentamiento de transformadores y eso puede desencadenar un colapso
en el voltaje sino se cuenta con los elementos de protección adecuadamente
calibrados.
52
Capítulo 4. Metodología
El estudio de susceptibilidad de riesgo por tormentas geomagnéticas adopta dos
enfoques: cuantitativo y cualitativo, con el objetivo de estimar los daños por parte
del fenómeno en el sistema de transmisión de energía y por ende a las entidades
involucradas con el mercado de energía; a partir de la caracterización espacial y
dimensionamiento físico y social, de las relaciones y vínculos espaciales entre
variables geofísicas y variables del comportamiento del sistema eléctrico en el
territorio colombiano.
Este proyecto se basa en un estudio descriptivo de enfoque cuali-cuantitativo, en
el cual se recolectan los datos de las diferentes variables involucrados en la
hipótesis de la influencia del fenómeno en el sistema de energía, para un análisis
minucioso y completo de la información de manera independiente, que permita
estudiar los aspectos de manera conjunta y obtener resultados con la mayor
precisión posible, esto, orientado a evaluar la susceptibilidad del riesgo
geomagnético en las redes de alta tensión.
Para ello se empleó una metodología de tipo descriptivo retrospectivo, en la que
se analizó el comportamiento del campo geomagnético en épocas de tormentas
geomagnéticas ocurridas entre los años 2009 y 2014, evaluando su impacto en las
redes de alta tensión.
La información empleada para el desarrollo del proyecto fue la siguiente:
Datos de los 21 eventos de perturbación geomagnética, obtenidos de la
NOAA según el índice geomagnético.
Datos de INTERMAGNET y del observatorio de Fúquene en las épocas en
las cuales se presentaron eventos, estos suministrados por el IGAC.
Datos de las componentes del Campo Geomagnético Internacional de
Referencia (IGRF) y la Grilla de Anomalía Magnética Terrestre (EMAG2)
Capas geográficas de la infraestructura del Sistema de Transmisión
Nacional (STN), proporcionados por UPME.
Mapas y/o Capas geográficas de variables a analizar, obtenidas del SIGOT,
SGC, e IGAC.
En el desarrollo del proyecto, se hace uso del Software ArcGis 10.3 de ESRI y
Oasis Montaj 6.4.2 de Geosoft para la generación de cartografía y análisis
espacial. A continuación, se muestra la estructura metodológica que permitirá
cumplir con los objetivos propuestos:
Factores Condicionantes
Descargas
Atmosféricas
Características
Geográficas
Campo
Observado
SUSCEPTIBILIDAD DE RIESGO POR
TORMENTAS GEOMAGNETICAS SOBRE LAS
REDES DE ALTA TENSION
Observatorios
Geomagnéticos
Permanentes
Aspecto Geofísico
Resistividad
del suelo
IGRF
Días Perturbados Días Quietud
IGRF
EMAG2
Red de Alta Tensión
Líneas Alta Tensión
Subestaciones
Riesgo por tormenta
Geomagnética
Transmisión de Energía
Densidad
Poblacional
Magnetogramas
Caracterización Física
Figura 21. Diagrama Metodológico del Proyecto Fuente: Autoría Propia
Inicialmente, se realizó una amplia revisión bibliográfica, con el fin de investigar
sobre los siguientes temas más relevantes como el Geomagnetismo, las
tormentas geomagnéticas y los sistemas de transmisión de energía, así como
estudios de casos presentados alrededor del mundo relacionados con la influencia
de las tormentas geomagnéticas sobre las redes de alta tensión, de esta manera
se logró reconocer el alcance de un fenómeno geomagnético y los riesgos que
esto puede conllevar. De igual manera esta recopilación de información permite
tener una idea clara del procedimiento apropiado para llegar a cumplir con los
objetivos propuestos inicialmente.
Posteriormente, se establecieron procesos para un óptimo desarrollo del proyecto,
los cuales están enfocados para la descripción y relación de cada uno de los
bloques de estudio propuestos, como el aspecto geofísico, la transmisión de
Energía y la caracterización física. Para el desarrollo de la metodología planteada,
se tendrán como factores condicionantes: El campo magnético Observado,
Descargas atmosféricas y la resistividad del suelo, enmarcado dentro de un
análisis heurístico, con una combinación de información subjetiva e información
observada.
Finalmente, para obtener el mapa de susceptibilidad de riesgo por tormenta
geomagnética sobre las redes de alta tensión, se realiza un algebra de mapas con
los factores anteriormente mencionados, los cuales se manejan como imágenes
en formato raster, los cuales fueron evaluados con puntajes en un rango de 1 a 6,
siendo 1 la mayor susceptibilidad de riesgo y 6 la menor susceptibilidad de riesgo
del fenómeno, estos puntajes fueron asignados a criterio propio de acuerdo a una
investigación previa sobre el tema objeto de estudio.
4.1 Aspecto Geofísico
Para el aspecto geofísico, como primera medida, se realizó la selección de los
Días Perturbados y Días Quietos entre los años 2009 y 2014, esto a partir de
información reportada en el World Data Center for Geomagnetism, de la
Universidad de Kyoto teniendo como referencia los valores de los índices
geomagnéticos. Posteriormente, se recolecto los datos geomagnéticos de cada
uno de los Observatorios Geomagnéticos Permanentes que hacen parte del
proyecto, para los días previamente seleccionados, esta información fue aportada
por INTERMAGNET y el Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC) según el
observatorio que correspondiese. Además, se seleccionaron los Modelos
Geomagnéticos pertinentes para el desarrollo de este proyecto, siendo el IGRF el
modelo del campo principal magnético, y EMAG2 el modelo de la grilla de la
corteza, de los cuales se obtuvieron sus correspondientes componentes para así
55
determinar los modelos geomagnéticos del territorio colombiano en la época de
estudio.
Los datos registrados por el observatorio de Fúquene permitió conocer la
intensidad total del campo sobre el territorio colombiano, como bien conocemos,
es el único observatorio magnético permanente en el país, por tal razón, se
decidió comparar los datos de los valores de intensidad de campo con los de los 3
observatorios más cercanos a Colombia que hacen parte de la red
INTERMAGNET, es decir, Huancayo (HUA) en Perú, San Juan (SJG) en Puerto
Rico, y Kourou (KOU) en la Guyana Francesa, para los días previamente
seleccionados; Teniendo en cuenta que la magnitud del campo magnético está en
función de la latitud y del tiempo, se procesaron los datos de cada observatorio
magnético, y como resultado se obtuvieron magnetogramas para los días objeto
de estudio, estos en función del tiempo y la intensidad total con el fin de visualizar
las variaciones de intensidad del campo en cada fecha de tormenta geomagnética
y así reconocer las fases de la tormenta; La comparación de los datos es
sustancial ya que los valores observados en todas las estaciones son diferentes,
por tal razón en los magnetogramas se compara los valores de intensidad total
con el IGRF para la fecha, y así poder realizar un análisis comparativo del
comportamiento espacio-temporal del campo geomagnético en todo el territorio.
En la Figura 22. Se muestra la distribución espacial de cada una de los
observatorios de donde se obtuvo información.
Figura 22. Mapa Localización geográfica de las Estaciones Geomagnéticas. Fuente: Autoría Propia
56
La Anomalía de la intensidad del campo magnético terrestre se obtiene a partir de
los modelos geomagnéticos IGRF y EMAG2 para un espacio temporal definido,
este factor se adopta con el fin de analizar el comportamiento del campo
magnético terrestre en Colombia, a partir de las observaciones del campo; la
especialización de esta variable se realiza a partir de la sumatoria de la anomalía
magnética, la cual se obtiene por el modelo EMAG2, y el campo geomagnético,
obtenido del modelo IGRF; este factor fue uno de los de mayor ponderación al
momento de realizar el álgebra de mapas para obtener los niveles de
susceptibilidad de riesgo, estableciendo unos rangos de intensidad del campo de
acuerdo con los objetivos del proyecto, como se presentan en la Tabla 8.
Factor Campo Magnético Terrestre
Anomalía de la Intensidad del campo (nT)
Puntaje
0 – 870 6
870 – 930 4
930 – 990 2
>990 1 Tabla 8. Clasificación del Factor Campo Magnético Terrestre
Figura 23. Factor Campo Magnético Terrestre, Territorio Nacional Fuente: Autoría Propia
57
4.2 Transmisión de Energía
Las líneas de alta tensión y subestaciones de energía del Sistema de Transmisión
Nacional (STN) son componentes indispensables para analizar la influencia de las
tormentas geomagnéticas sobre el tendido eléctrico. La información geográfica del
STN para la época de estudio, fue suministrada por la Unidad de Planeación
Minero Energético, quienes suministraron una ubicación aproximada de la
trayectoria de las líneas de alta tensión, debido a motivos de seguridad que dicha
entidad maneja.
Ahora bien, teniendo en cuenta que las líneas es el medio por el cual se transmite
la energía con tensiones iguales o superiores a 220 kV, lo cual mantiene una
relación con la longitud total de la línea al momento de medir el impacto de las
tormentas sobre las redes de alta tensión; Para este caso, se establece que las
líneas de alta tensión hagan parte de un análisis espacial, con el fin de comprobar
que las zonas de mayor susceptibilidad de riesgo se vean afectadas por esta clase
de fenómeno natural.
En el Sistema de Transmisión Nacional, además del factor de las líneas de alta
tensión, se encuentra el factor de descargas atmosféricas, el cual tiene relación
con el Nivel Isoceraunico, que se refiere al número de descargas que ocurren por
unidad de superficie y unidad de tiempo, siendo representativo para analizar la
relación del fenómeno geomagnético con la infraestructura del sistema de
transmisión, razón por lo cual se le asignó una ponderación considerada en el
álgebra de mapas como factor condicionante para determinar los niveles de
susceptibilidad de riesgo, esto se realizó debido a que en las zonas con mayores
alturas se presenta mayor probabilidad de descarga electrica por día, que en
zonas más cercanas al mar. Para definir los niveles isoceraunicos en el territorio
nacional, se tuvo en cuenta la Norma Técnica Colombia NTC 4552 (Protección
contra descargas eléctricas atmosféricas) donde se muestran los niveles
isoceraunicos para el año 1999 en Áreas de 30 km x 30 km con base en el
Sistema de Información de Descargas de ISA S.A. De tal manera, se procedió a
realizar la respectiva calificación a los niveles Isoceraunicos con su
correspondiente puntaje como se muestra en la Tabla 9:
Factor Descargas Atmosféricas Nivel Isoceraunico Área (Ha) % Puntaje
10 1093327,64 0,95 6
30 16646500,94 14,58 5
60 35964293,44 31,51 4
90 15545998,89 13,62 4
120 8641902,38 7,57 3
150 6823056,76 5,97 3
180 9692484,49 8,49 2
58
210 7440607,784 6,52 2
240 9659775,012 8,46 1
250 2605679,818 2,28 1 Tabla 9. Calificación del Factor de Descargas Atmosféricas. Fuente. Autoría Propia.
Figura 24. Factor Descargas Atmosféricas, Territorio Nacional. Fuente: Autoría Propia
4.3 Caracterización Física
La geología, como variable física es indispensable para entender la susceptibilidad
de riesgo, puesto que los suelos que rodean o que son parte de la cimentación de
una subestación, darán a esta cierta capacidad de resistividad, por lo general son
valores bajos de entre 100 y 2000 ohmios, dependiendo a la localización de las
subestaciones.
La conductividad del suelo es un factor complementario para entender la magnitud
de la tormenta, debido a que esta por sí sola no denota que las afectaciones en
las estructuras de servicios sean causadas por este fenómeno. Las variables para
59
entender la conductividad del suelo son basadas en el tipo de roca, contenido de
fluidos y la composición mineral de estas Los suelos juegan un papel importante
debido a que las corrientes geomagnéticas inducidas, son la principal causa para
que alguna estructura por tormenta se vea afectada, por lo que las corrientes se
van a desplazar de manera más fácil o complicada dependiendo del tipo de
mineral con el que se encuentre, dado que las resistividad eléctrica que los suelos
tiene por naturaleza depende del mineral, ya que si son minerales con
resistividades bajas estos van a actuar con aislantes, por lo que la corriente no se
va a desplazar por ese medio, y la estructura no sufrirá daños relacionadas o
producidas por este tipo de corrientes, por tal razón, la resistividad de los suelos
también será un factor condicionante en la medición de la susceptibilidad de
riesgo.
Los datos fueron obtenidos del Servicio Geológico Colombiano (SGC), del cual se
obtuvo la información de las unidades cronoestratigrafías, en donde estaba
relacionado las edades de los suelos con su respectiva descripción estratigráfica.
Posteriormente se realizó una clasificación de esta información según la edad,
como se muestra en la Figura 25.
Figura 25. Mapa de Clasificación según la Edad estratigráfica, Territorio Nacional, Fuente: Autoria Propia
60
Con la clasificación realizada, se procedió a revisar la descripción de la
estratigrafía, de cual se pudo obtener una relación de las edades de los suelos con
los minerales que ellos reposan. Para poder determinar la resistividad del suelo,
se tuvo en cuenta la tabla No.10, en la cual se relacionan el tipo de resistividad
que tienen los minerales según la edad, esta tabla fue empleada para la
clasificación de los minerales según su resistividad y obtener el mapa de
resistividades del suelo como se muestra en la Figura No. 26. Debido a la
obtención y clasificación de esta información, y debido a la escasez de la misma,
se puede decir que el mapa fue obtenido de manera indirecta.
Edad Geológica
Arena marina, Pizarra,
Grauwaca.
Arenas terrestres,
Argilita, Arcosa.
Rocas Volcanicas, Basaltos, Riolitas, Tobas.
Granito, Gabro.
Caliza, dolomia, anhidrita,
sal.
Cuaternario, terciario
1 – 10 15 – 50 10 - 200 500 - 2000 50 - 5000
Mesozoico 5 – 20 25 – 100 20 - 500 500 - 2000 100 - 10000
Carbonífero 10 – 40 50 – 300 50 - 1000 1000 - 5000 200 - 100000
Paleozoico, hasta el fin de carbonífero.
40 -200 100 – 500 100 - 2000 1000 - 5000 10000 - 100000
Precámbrico. 100 – 2000 300 – 5000 200 - 5000 5000 - 20000 10000 - 100000
Tabla 10. Valores de resistividad específica en Ωm para tipos de litología Tomado de: https://www.geovirtual2.cl/EXPLORAC/TEXT/070elect.htm
Debido a lo anterior, se procedió a realizar la respectiva puntuación a la
resistividad de los suelos, con su correspondiente puntaje como se muestra en la
Tabla 11:
Factor Resistividad
Nivel de Resistividad
Características del suelo Puntaje
Bajo Arenas, Pizarra, Grauwaca, argilita, arcosa
6
Medio Rocas Volcanicas como basaltos, riolitas, tobas,
Granito y gabro
3
Alto Caliza, Dolomia, anhidrita y sal
1
Tabla 11. Calificación Factor Resistividad del Suelo
61
Figura 26. Factor Resistividad del Suelo, Territorio Nacional, Fuente: Autoría Propia
Factor Res
62
Capítulo 5. Análisis y resultados
La metodología fue desarrollada para todas las tormentas geomagnéticas objeto
de estudio, sin embargo, se hizo un análisis detallado de la tormenta ocurrida el 26
de octubre de 2011, debido a que fue la tormenta con mayor magnitud entre los
años 2009 – 2014 alcanzando una Intensidad de Dst = -147 nT, la cual se
comparó con el comportamiento en un día de Quietud Magnética (22 de agosto de
2011).
La Figura 28. Muestra la intensidad total registrada durante la tormenta
geomagnética del 26 de octubre de 2011, y el comportamiento magnético en un
día de quietud magnética para el mismo año, observado desde la Estación
Magnética de Fúquene; de igual manera se muestra cómo se comportó el IGRF
para las fechas a analizar en concreto, para así poder analizar las variaciones del
campo magnético terrestre.
Figura 27. Tormenta Geomagnética de 26 de octubre de 2011 Vs. Dia de Quietud Magnética de 22 de agosto de 2011 en el Observatorio de Fúquene.
El día de Tormenta Magnética se alcanzaron valores de 31750 nT, con variaciones
con respecto al IGRF en el transcurso del día, se puede visualizar en la Figura 29.
Donde se detalla únicamente el comportamiento de la tormenta magnética, que no
hubo un comportamiento constante en ese día, desde la fase inicial de la tormenta
la intensidad tuvo tendencias decrecientes y crecientes. Por otro lado, en el día de
Quietud Magnética se alcanzaron valores de 31600 Nt, sin registrar variaciones
exuberantes, y en cambio mantuvo la tendencia como el comportamiento
31450
31500
31550
31600
31650
31700
31750
31800
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Inte
nsi
dad
d T
ota
l F (
nT)
Tiempo (hora)
Fúquene (FUQ) Dia perturbado 26/10/2011 Vs Dia Quietud 22/08/2011
26 deOctubre de2011IGRF26/10/2011
22 deAgosto de2011IGRF22/08/2011
IGRF = 31735,22957
IGRF = 31579,3462
63
registrado por el IGRF para la ubicación del observatorio Geomagnético de
Fúquene.
Figura 28. Fases de la Tormenta Geomagnética del 26 de octubre de 2011
31580
31600
31620
31640
31660
31680
31700
31720
31740
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Inte
nsi
dad
d T
ota
l F (
nT)
Tiempo (hora)
Fúquene (FUQ) Tormenta Geomagnetica 26/10/2011
26 deOctubre de2011
IGRF25/10/2011
IGRF = 31735,22957
31560
31580
31600
31620
31640
31660
31680
31700
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Inte
nsi
dad
d T
ota
l F (
nT)
Tiempo (hora)
Fúquene (FUQ) Tormenta Geomagnetica 27/10/2011
27 deOctubre de2011
IGRF27/10/2011
IGRF =
64
La llegada de la Tormenta Magnética se registra en el observatorio de Fúquene,
como se muestra en la Figura 29, en el cual se aprecia las observaciones de inicio
a fin de la tormenta, de lo cual se observa que la mayor perturbación magnética se
registró el 26 de Octubre de 2011 en las primeras horas del día siendo la fase
inicial, en un periodo corto, y en la fase principal puede observarse que la
intensidad total decrece en el transcurso de la fecha de mayor perturbación por
cerca de 24 horas, Sin embargo, se retoma la intensidad al final de las horas de la
tarde del 27 de Octubre de 2011, y posteriormente entra en su fase de
recuperación en las horas de la tarde del 27 de octubre de 2011, de lo cual se
puede visualizar estas variaciones con respecto a la tendencia del comportamiento
del IGRF calculado a partir de la coordenada geográfica del observatorio de
Fúquene.
Para complementar el análisis del comportamiento del campo magnético terrestre
en días de perturbación magnética y Quietud Magnética, se tuvieron en cuenta las
observaciones magnéticas de las estaciones en Huancayo, Kourou y San Juan,
por ser las más cercanas al territorio Colombiano. Como se puede observar en las
Figuras. 30, 31 y 32, las observaciones en estas estaciones difieren de la
observación en la estación de Fúquene en Colombia, esto debido a su ubicación
geográfica con respecto al polo magnético. Sin embargo, en estas observaciones
de los días de quietud tuvo una tendencia similar al día de perturbación magnética.
Para el caso de Huancayo, el modelo IGRF predijo un valor del campo entre los
22250 y 22300 nT, sin tener mayor diferencia entre día perturbado y día de
quietud, alcanzando el mayor valor de intensidad el 26 de octubre de 2011 en las
horas de la tarde, como se muestra en la Figura 30.
Figura 29. Tormenta Geomagnética de 26 de octubre de 2011 Vs. Dia de Quietud Magnética de 22 de agosto de 2011 en el Observatorio de Huancayo
25100
25150
25200
25250
25300
25350
25400
25450
16
11
21
18
12
41
30
13
61
42
14
81
54
16
01
66
17
21
78
18
41
90
19
61
10
21
10
81
11
41
12
01
12
61
13
21
13
81
Inte
nsi
dad
To
tal (
F) n
T
Tiempo (minutos)
Huancayo (HUA) Dia perturbado 26/10/2011 Vs Dia Quietud 22/08/2011
26 deOctubrede 2011
IGRF26/10/2011
22 deAgostode 2011
65
En el observatorio de Kourou en Puerto Rico, observo un comportamiento
diferente como se muestra en la figura 31., el modelo IGRF predijo un valor del
campo entre los 22100 y 22120 nT, sin tener una tendencia de diferencia entre día
perturbado y día de quietud, pero en caso opuesto a los anteriores se alcanzó el
mayor valor de intensidad el 22 de agosto de 2011 en las horas de la tarde, esto
debido a que su posición geográfica tiene más cercanía al polo magnético.
Figura 30. Tormenta Geomagnética de 26 de octubre de 2011 Vs. Dia de Quietud Magnética de 22 de agosto de 2011 en el Observatorio de Kourou
En la Figura 32. Se observa lo detectado en la fecha de estudio en la estación
magnética de San Juan en la Guyana Francesa, se observó un comportamiento
similar al observatorio de Kourou, donde el día de quietud y perturbación tuvieron
la misma tendencia en su comportamiento, solamente que la intensidad fue
diferente entre estos días, el modelo IGRF predijo un valor del campo entre los
37540 y 37580 nT, sin tener una tendencia de diferencia entre día perturbado y día
de quietud, pero en caso similar a Kourou se alcanzó el mayor valor de intensidad
el 22 de Agosto de 2011 en las horas de la tarde, pero de igual manera no se
registraron grandes variaciones con respecto a la tendencia del IGRF.
29040
29060
29080
29100
29120
29140
29160
29180
29200
29220
29240
15
91
17
17
52
33
29
13
49
40
74
65
52
35
81
63
96
97
75
58
13
87
19
29
98
71
04
51
10
31
16
11
21
91
27
71
33
51
39
3
Inte
nsi
dad
d T
ota
l F (
nT)
Tiempo (minutos)
Kourou (KOU) Dia perturbado 26/10/2011 Vs Dia Quietud 22/08/2011
26 deOctubrede 2011
IGRF26/10/2011
22 deAgostode 2011
IGRF22/08/2011
66
Figura 31. Tormenta Geomagnética de 26 de octubre de 2011 Vs. Dia de Quietud Magnética de 22 de agosto de 2011 en el Observatorio de San Juan
El valor obtenido en la Anomalía de la Intensidad del Campo Magnético Total se
encuentra en un rango entre 800 y 1120 nT; como se puede observar en la figura
33. Los altos niveles de intensidad del campo tienden al norte del país, siendo
valores magnéticos intermedios donde se encuentra localizado el observatorio del
campo magnético de Fúquene, el cual se encuentra en un lugar libre de
anomalías, se puede determinar que los valores más bajos se encuentran al sur
del país y en una parte del departamento del meta, esto debido a su ubicación con
respecto al ecuador, por el contrario los valores más altos se reflejan al norte del
país y la parte alta del área andina, teniendo en cuenta que es en la zona donde
se encuentra la mayoría de las subestaciones de energía que hacen parte del
sistema de transmisión nacional.
Para la obtención del mapa de la anomalía de la intensidad del campo magnético
total (Figura. 33) se empleó el método de interpolación de mínima curvatura, en el
cual se tuvo en cuenta que era la más adecuada para el procesamiento de valores
observados en adquisiciones geofísicas, el cual se realizó en el software Oasis
Montaj. Ahora bien, cabe resaltar que dicho mapa guarda una relación directa con
37500
37520
37540
37560
37580
37600
37620
37640
1
61
12
1
18
1
24
1
30
1
36
1
42
1
48
1
54
1
60
1
66
1
72
1
78
1
84
1
90
1
96
1
10
21
10
81
11
41
12
01
12
61
13
21
13
81
Inte
nsi
dad
To
tal (
F) n
T
Tiempo (minutos)
San Juan (SJG) Dia perturbado 26/10/2011 Vs Dia Quietud 22/08/2011
26 deOctubrede 2011
IGRF26/10/2011
22 deAgosto de2011
IGRF22/08/2011
67
el factor de campo magnético el cual se representa en la Figura 23. que se basa
en el valor de Anomalía Magnética obtenida con el IGRF y EMAG2.
Figura 32. Mapa de la Anomalía de la Intensidad del Campo Magnético Total para el territorio colombiano
Finalmente, se obtuvo el mapa de susceptibilidad de riesgo por tormentas
geomagnéticas sobre las redes de alta tensión, una vez se calcularon y calificaron
los factores, se realizó un cruce de los factores detonantes mediante algebra de
mapas, según la ponderación asignada para cada uno de los factores como se
muestra en la tabla 12:
68
Criterios Para identificación de zonas de susceptibilidad de riesgo por tormentas geomagnéticas
sobre las redes de alta tensión
Campo Magnetico Terrestre 40%
Descargas Atmosféricas 30%
Resistividad del suelo 30%
Tabla 12. Criterios para determinar la susceptibilidad de riesgo por el fenómeno geomagnético.
El factor de mayor ponderación para el fenómeno de tormentas geomagnéticas,
fue el campo magnético terrestre, dado que según los niveles de intensidad es
más susceptible a la ocurrencia del fenómeno; Por consiguiente, los factores de
Descargas Atmosféricas y Resistividad del Suelo tienen un peso porcentual de un
30% cada uno debido a que según estos factores se medirá la influencia de las
tormentas sobre las redes de alta tensión, esto basado en estudios realizados
anteriormente en el tema.
Figura 33. Mapa de Susceptibilidad de Riesgo por Tormentas Geomagnéticas sobre las redes de alta tensión
69
Figura 34. Mapa de Susceptibilidad de Riesgo por el fenómeno geomagnético con la sobre posición del Sistema de Transmisión Nacional
En la figura 19 se muestra el trayecto y voltaje de cada una de las líneas, como se
mencionó en el capítulo 3 ítem 3.5.2, las líneas con mayor longitud siempre serán
asociadas a las líneas con mayor voltaje y estas a su vez son las que mayor
susceptibilidad de riesgo presentan. En todo el sistema de transmisión las líneas
que mayor longitud y voltaje tiene están localizadas sobre todo el centro
desplazándose hacia las costas, partiendo desde el departamento de Antioquia
hacia los departamentos de (Córdoba, Sucre, Magdalena, Santander y Cesar), de
igual manera, también existe dos líneas de este tipo que se dirigen hacia el sur
(Valle del Cauca y Cundinamarca). Son los departamentos mencionados los que
mayor se vería afectados en la eventualidad de uno de estos fenómenos
naturales.
Las líneas con voltajes de 220 Kv tienen una mayor presencia en los
departamentos del sur (Huila, Nariño, Putumayo, Valle del Cauca) y del centro
70
(Caldas, Cundinamarca, Santander y Boyacá), en los departamentos de la costa
atlántica, también hay presencia de estas líneas, pero no con la misma densidad
como en los departamentos del centro y sur del país. Las líneas de 230 Kv, son
líneas que se encuentran de manera transversal a las de 220 Kv, es decir, que se
encuentran en los mismos departamentos y tienen un trazado paralelo a estas. En
la región de la costa atlántica existe un riesgo alto, son líneas de este tipo de
voltaje las que más se verían afectado, esto debido a que en las zonas costeras o
zonas donde hay una gran presencia de agua, dado que los transformadores con
los que estas trabajan se afectarían o dañarían por la concentración de agua o
sodio sobre su estructura, afectando así su funcionamiento, por lo tanto, la
prestación del servicio. Las zonas en donde las líneas de 220 Kv y 230 Kv, tienen
una mayor presencia tiene un riesgo clasificado entre bajo y medio, en primera
medida porque son zonas donde las resistividades están entre los 15 - 50 Ohmios,
son suelos de la época cuaternaria, por lo que las corrientes geomagnéticas
inducidas, podrán viajar con gran facilidad aumentando la probabilidad de daño a
este tipo de estructuras. Por otro lado, la longitud de cada una de estas líneas, en
caso de verse afectado por este tipo de fenómenos, seria reparado con mayor
rapidez que una de 550 Kv, por lo que la prestación del servicio se podría
reanudar más rápidamente.
Figura 35. Mapa de Densidad Poblacional en el Territorio Colombiano. Información Suministrada de: Departamento Nacional de Estadística DANE
71
Como se observa en la figura No.31, es la región central del país la que más
probabilidades presenta de riesgo, departamentos como Antioquia, Santander,
Cundinamarca, Sucre, Boyacá y Risaralda, los que más se verían afectados ante
un fenómeno natural de este tipo. Las líneas de alta tensión con voltajes de 550
Kv son las que más pueden llegar a presenta daños por este fenómeno, debido a
la región en la que se encuentran y el tipo de suelos, los cuales tienen una
resistividad entre los 100 - 10000 Ohmios y son de la época triásica y cretácico
superior. En la tabla No. 13, se muestra un valor aproximado de la población por
departamento que se vería más afectado por este fenómeno.
Departamento Población
ANTIOQUIA 5.152.192,58
BOLÍVAR 104.201,75
BOYACÁ 224.081,05
CALDAS 339.284,02
CHOCÓ 30.558,02
CÓRDOBA 166.110,78
CUNDINAMARCA 205.103,39
RISARALDA 76.214,07
SANTANDER 518.593,90 Tabla 13. Población por Departamento afectada por una tormenta Geomagnética.
72
CONCLUSIONES
La mayoría de los suelos a nivel nacional, son suelos de la edad del cuaternario y
del holoceno, los cuales cuentan con minerales cuya resistividad son entre los 10 -
200 ohmios, por lo que la propagación de GIC en un medio de transmisión a causa
de una tormenta geomagnética, se ven altamente reducidas, es decir se tendría
una baja susceptibilidad de riesgo por tormenta magnética que coincide con gran
parte de las zonas de los departamentos que se ubican en su mayoría en las
zonas del amazonas y la región del Orinoco, mientras que se tiene una moderada
susceptibilidad en los departamentos ubicados en la costa pacífica y atlántica,
siendo muy importante los resultados obtenidos en las zonas de alta
susceptibilidad por tormenta magnética que se localiza en los departamentos
ubicados en la zona andina y en el eje cafetero, que coinciden con las zonas de
mayor densidad poblacional, lo que implica para las entidades de gestión
encargadas realizar los planes de mitigación correspondiente en el caso de
presentarse este fenómeno natural de alto impacto en zonas ecuatoriales como el
territorio Colombiano.
El sistema de transmisión nacional cuenta con la mayoría de sus subestaciones en
el centro del país, donde los suelos tienen resistividades de hasta 10.000 Ohmios,
por lo que, es la zona del país que más susceptible es en el caso de una tormenta
geomagnética.
Las zonas donde se presenta una mayor susceptibilidad de riesgo son zonas en
donde se ubican las líneas con mayor voltaje y longitud, a lo que, en el momento
de experimentar un fenómeno magnético, el sistema se vería gravemente
afectado, por lo que los costos de reparación y puesta en marcha del servicio
serían muy altos para las empresas prestadoras del servicio, de ahí la importancia
de los resultados obtenidos para que las entidades responsables realicen la
gestión correspondiente.
Las líneas de transmisión que se ubiquen en las zonas costeras del país
presentan una mayor amenaza, debido a la concentración de sales marinas en las
estructuras electricas, por lo que el riesgo de daño por tormenta geomagnética
aumenta.
Colombia se encuentra en una zona cercana al ecuador magnético, por lo que las
descargas atmosféricas no suelen presentarse en estas zonas, dada la presencia
de corrientes geomagnéticas inducidas, esto no es una razón muy frecuente para
que una estructura de transmisión eléctrica no se vea afectada por esta clase de
fenómeno.
73
Debido a la falta de gestión, la carencia de un sistema de monitoreo, la falta de
correlación datos geomagnéticos y de tormentas electricas hace más vulnerable
nuestro sistema y los costos de reparación puede llegar a ser altos. Aunque
factores como la geología del territorio nacional, la ubicación espacial de las líneas
con respecto al campo magnético y la ubicación de Colombia, hacen que el
territorio nacional no sea tan vulnerable a sufrir daños por este fenómeno.
74
BIBLIOGRAFIA
- Agencia Nacional de Hidrocarburos. (2010). Anomalías intensidad magnética total., a
partir de http://www.anh.gov.co/Informacion-Geologica-y-Geofisica/Metodos-
Remotos/Paginas/Anomalias-intensidad-magnetica-total.aspx
- Aguirre, F. A. M. (2012). Antecedentes del estudio del campo magnético terrestre en
Colombia. Scientia et Technica, 2(50), 179–185.
- Azzarone, A. (2016). Elements of the geomagnetic field. Recuperado el 31 de marzo
de 2016, a partir de http://roma2.rm.ingv.it/en/research_areas/1/earth-
s_magnetic_field/8/elements_of_the_geomagnetic_field
- BGS British Geological Survey. (2016). An Overview of the Earth’s Magnetic Field., a
partir de http://www.geomag.bgs.ac.uk/education/earthmag.html
- Bolduc, L. (2002). GIC observations and studies in the Hydro-Québec power system.
Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 64(16), 1793–1802.
http://doi.org/10.1016/S1364-6826(02)00128-1
- Boteler, D. H., Pirjola, R. J., & Nevanlinna, H. (1998). The effects of geomagnetic
disturbances on electrical systems at the Earth’s surface. Advances in Space
Research, 22(1), 17–27. http://doi.org/10.1016/S0273-1177(97)01096-X
- Camacho, V., & Manuel, C. (2015). Análisis de las corrientes de inducción
geomagnética en sistemas eléctricos (Thesis). Quito, 2015. Recuperado a partir de
http://bibdigital.epn.edu.ec/handle/15000/11516
- Carmona, A., & Monsalve, J. (2004). Sistemas de información geográficos. Documento
de Internet. Disponible en: http://www. monografias. com/trabajos/gis/gis. shtml.
Visitado 26 de septiembre de 2005.
- Carreño Tibaduiza, M. L., Cardona Arboleda, O. D., & Barbat Barbat, H. A. (2005).
Sistema de indicadores para la evaluación de riesgos. Centre Internacional de
Mètodes Numèrics en Enginyeria (CIMNE).
- CENTRA Technology, Inc., O. (2011). Geomagnetic Storms. Office of Risk
Management and Analysis, United States Department of Homeland Security.
- CIER. (2013). Colombia - Regulación Sector Eléctrico (2013). Recuperado el 29 de
marzo de 2016, a partir de
https://sites.google.com/site/regulacionsectorelectrico/colombia
- Cutnell, J. (2004). Fisica. En J. Cutnell, & K. Johnson, Fisica (págs. 594-598). Mexico:
LIMUSA S..A.
- Demiray, T., Beccuti, G., & Andersson, G. (2013). Risk assessment of the impact of
geomagnetic disturbances on the transmission grid in Switzerland. En 2013 IEEE
Power and Energy Society General Meeting (PES) (pp. 1–5).
http://doi.org/10.1109/PESMG.2013.6672600
- DHS, D. O. of R. M. and A. (2011). Geomagnetic Storms: An Evaluation of Risks and
Risk Assessments.
- El geomagnetismo. (1997). Plaza y Valdes.
- Intercolombia (2016).. Recuperado el 29 de marzo de 2016, a partir de
http://www.intercolombia.com/Negocio/Paginas/transmision-energia-electrica.aspx
75
- Feldman, V., Bettucci, L. S., & de Aiguá, O. G. (2013). RELACIÓN ENTRE
TORMENTAS GEOMAGNÉTICAS E INCIDENCIAS EN LA RED ELÉCTRICA DEL
URUGUAY.
- Geomagnetic Storms. (2016). Recuperado el 14 de enero de 2016, a partir de
http://www.swpc.noaa.gov/phenomena/geomagnetic-storms
- Government of Canada, N. R. C. (2016). Geomagnetic Effects on Power Systems.
Recuperado el 1 de febrero de 2016, a partir de
http://www.spaceweather.gc.ca/tech/se-pow-en.php
- Gubbins, D., & Herrero-Bervera, E. (2007). Encyclopedia of Geomagnetism and
Paleomagnetism. Springer Science & Business Media.
- Herraiz Sarachaga, M., Rodríguez-Caderot, G., Rodríguez-Bouza, M., Rodríguez-
Bilbao, I., Sánchez-Dulcet, F., Moreno Monge, B., … Escayo Menéndez, J. (2014).
Tormentas Geomagnéticas y evaluación de su impacto en las infraestructuras de
España y Portugal. Recuperado a partir de http://digital.csic.es/handle/10261/114394
- ICONTEC. Norma Técnica Colombia NTC4552-1 (2008). Instituto Colombiano de
Normas Tecnicas y Certificacion. 35-36
- IGAC. (2016). Geomagnetismo. Recuperado el 29 de marzo de 2016, a partir de
http://www.igac.gov.co.
- JA CORTES, F. M. (2009). Diseño de un magnetometro asistido por computador.
Tesis en maestria, Universidad tecnologica de Pereira.Maynard, T., Smith, N., &
Gonzalez, S. (2013). Solar Storm Risk to the North American Electric Grid.
Lloyd’sMeissner, R. (2006). The Little Book of Planet Earth. Springer Science &
Business Media.
- Otaola, J., Mendoza, B., & Pérez, R. (2013). El Sol y la Tierra: Una relación
tormentosa. Fondo de Cultura Economica.
- Principios de magnetismo. (2015). Recuperado el 31 de marzo de 2016, a partir de
http://www.geociencias.unam.mx/~rmolina/Paleomagnetismo-html/magnetismo.html
- Reeves, C. (2005). Aeromagnetic surveys: principles, practice and interpretation.
Published by Geosoft, 155.
- Russell, C., & LUHMANN, J. (1997). TIERRA: El campo magnetico y la magnetosfera.
En C. Russell, & J. LUHMANN, TIERRA: El campo magnetico y la magnetosfera
(págs. 208-211). Nueva York: Chapman y Hall.
- Sarría, F. A. (2006). Sistemas de Información Geográfica. Universidad de Murcia.
- Serway, A. (1999). Electridad y Magnetismo. En A. Serway, Electridad y Magnetismo.
(págs. 243-245). Mexico: McGRAW-HILL.
- Thomson, A. W. P., McKay, A. J., Clarke, E., & Reay, S. J. (2005). Surface electric
fields and geomagnetically induced currents in the Scottish Power grid during the 30
October 2003 geomagnetic storm. Space Weather, 3(11), S11002.
http://doi.org/10.1029/2005SW000156
- Trasancos, J. G. (2006). INSTALACIONES ELÉCTRICAS EN MEDIA Y BAJA
TENSIÓN. Editorial Paraninfo.
- Trichtchenko, L., & Boteler, D. H. (2007). Effects of Recent Geomagnetic Storms on
Power Systems. En 2007 7th International Symposium on Electromagnetic
Compatibility and Electromagnetic Ecology (pp. 265–268).
http://doi.org/10.1109/EMCECO.2007.4371706.
76
- USGS. (2016). National Geomagnetic Program. Recuperado el 31 de marzo de 2016,
a partir de http://geomag.usgs.gov/about.php
- Waukesha. (2016). Large-Power Transformers - Waukesha Electric Systems.
Recuperado el 31 de marzo de 2016, a partir de
http://www.spxtransformersolutions.com/news/FERC_GIC_2.2014.html
- Wilson, J. D., Buffa, A. J., & Lo, L. (2007). FISICA. En J. D. Wilson, A. J. Buffa, & L.
Lo, FISICA (págs. 644-647). Mexico: PEARSON.
- Wolfgang Bauer, G. D. (2011). Fisica par ingenieria y ciencias Vol 2 . En G. D.
Wolfgang Bauer, Fisica par ingenieria y ciencias Vol 2 (págs. 866-868). McGraw Hill.
ANEXOS
Anexo 1. Topografía en Colombia, a partir de información de:
http://topex.ucsd.edu/cgi-bin/get_data.cgi.
Figura 1. Mapa de Topografía de Colombia
78
Anexo 2. Magnetogramas de las Tormentas Magnéticas entre el 2009-2014, a
partir de datos observados en la Estación Magnética de Fúquene en Colombia
Figura 2. Magnetogramas de Tormentas Geomagnéticas en el Año 2009 en FUQ
Figura 3. Magnetogramas de Tormentas Geomagnéticas en el Año 2010 en FUQ
79
Figura 4. Magnetogramas de Tormentas Geomagnéticas en el Año 2011 en FUQ
Figura 5. Magnetogramas de Tormentas Geomagnéticas en el Año 2012 en FUQ
80
Figura 6. Magnetogramas de Tormentas Geomagnéticas en el Año 2013 en FUQ
Figura 7. Magnetogramas de Tormentas geomagnéticas en el Año 2014 en FUQ