Modelización del campo geomagnético principal y su variación secular en el Atlántico Norte mediante el uso de datos de naturaleza heterogénea

Abstract

En aquesta tesi doctoral es presenta un estudi detallat de l’ús i utilitat de la tècnica regional de modelització basada en el Anàlisi Harmònic sobre un Casquet Esfèric (SCHA). L’esmentada tècnica, y sobre tot, la seva revisió posterior (R-SCHA), van ser desenvolupades especialment per modelar les longituds d’ona curtes de les components geomagnètiques. Aquest fet ens deixa una qüestió a resoldre: l’ús del R-SCHA per a modelar longituds d’ona llargues pròpies del camp geomagnètic principal i la seva variació secular. Amb la intenció de explorar aquesta opció per primer cop s’han desenvolupat diverses estratègies que es plasmen al present treball. La distribució espacial i temporal de les dades emprades (dades escalars i vectorials provinents d’observatoris, estacions seculars, marines i de satèl·lit) ha permès constrènyer la zona d’estudi de l’Atlàntic Nord, entre 1960 i 2000. Fent imprescindible el desenvolupament, per primer cop, de la norma espaciotemporal del camp geomagnètic en termes de la tècnica R-SCHA, propiciant l’obtenció de longituds d’ona espacial i temporal més realistes. El model obtingut, NAGRM, es capaç d’ajustar amb gran precisió les dades emprades, especialment el camp principal i la seva variació secular proporcionat per les mitges anuals i mensuals dels observatoris geomagnètics. Fet que ressalta la bondat del NAGRM, al se capaç de reproduir amb precisió les dades geomagnètiques més fiables sobre la superfície terrestre. A més, el model regional mostra una adequada i continua descripció en altura per als diferents elements geomagnètics. Amb la finalitat d’augmentar el valor i la utilitat del NAGRM, aquest es constreny al final del seu període mitjançant el model global CHAOS-6, permetent una continuïtat suau entre ambdós models per a l’any 2000. Durant el procés de modelització s’ha posat de rellevància les avantatges d’emprar dades marines de creuament en grans zones oceàniques per a èpoques sense dades geomagnètiques de satèl·lit. Per aquest motiu el període temporal seleccionat ha estat de 1960 a 2000, època a partir de la qual es disposa d’una bona cobertura espacial gracies a les dades de satèl·lits como el Ørsted, el CHAMP i els de la constel·lació Swarm. Per mostrar les esmentades avantatges s’ha generat un model regional de variació secular de la intensitat geomagnètica a la zona de l’Atlàntic Nord, NAGSVM-F. En aquest cas particular totes les dades emprades estan localitzades sobre la superfície terrestre, pel que la tècnica utilitzada ha estat el SCHA. Per a la correcta aplicació, de la mateixa forma que per al model NAGRM, s’ha desenvolupat la norma del camp geomagnètic en termes del SCHA. Els models regionals obtinguts, NAGRM i NAGSVM-F, permeten determinar les incerteses gracies a l’aplicació del mètode bootstrap. A més, ambdós models poden ser emprats per detectar els jerks geomagnètics succeïts dintre de la finestra temporal de 1960 - 2000. Aquests fenòmens queden registrats al sintetitzar la variació secular al voltant dels anys on s’han produït. En aquesta tesi es constata que la tècnica R-SCHA proporciona models regionals de camp geomagnètic principal i de la seva variació secular comparables amb els proporcionats pels models globals.

En esta tesis doctoral se presenta un estudio detallado del uso y utilidad de la técnica de modelización regional basada en el Análisis Armónico sobre un Casquete Esférico (SCHA). Dicha técnica, y sobre todo su posterior revisión (R-SCHA), fueron especialmente desarrolladas para modelar cortas longitudes de onda de los elementos geomagnéticos. Esto dejó, por tanto, una cuestión a resolver: el uso del R-SCHA para modelar largas longitudes de onda características del campo geomagnético principal y su variación secular. Para explorar por primera vez esta opción, se ha desarrollado diferentes estrategias que se plasman en el presente trabajo. La distribución espacial y temporal de los datos usados (datos escalares y vectoriales procedentes de observatorios, estaciones seculares, marinos y de satélite) ha permitido constreñir el área de estudio en la zona del Atlántico Norte, entre 1960 y 2000. Haciendo necesario el desarrollado, por primera vez, de la norma espaciotemporal del campo geomagnético en términos de la técnica R-SCHA, propiciando la obtención de longitudes de onda espacial y temporal más realistas. El modelo obtenido, NAGRM, es capaz de ajustar con alta precisión los datos usados, especialmente el campo principal y su variación secular proporcionados por las medias anuales y mensuales de los observatorios geomagnéticos. Hecho que resalta la bondad de NAGRM, al ser capaz de reproducir con precisión los datos geomagnéticos más fiables sobre la superficie terrestre. Además, el modelo regional también muestra una adecuada descripción continua en altura para los diferentes elementos geomagnéticos. Con la intención de aumentar el valor y la utilidad de NAGRM, éste se constriñó en su periodo final mediante el reciente modelo global CHAOS-6 permitiendo una continuidad suave entre ambos modelos en el año 2000. Durante el proceso de modelización se ha puesto de manifiesto las ventajas de emplear datos marinos de cruce en grandes zonas oceánicas para épocas desprovistas de datos geomagnéticos de satélites. Por ese motivo, la ventana temporal seleccionada ha sido de 1960 hasta 2000, época a partir de la cual ya se dispone de buena cobertura espacial gracias a los datos de satélites como el Ørsted, el CHAMP y los de la constelación Swarm. Para mostrar dichas ventajas, se ha generado un modelo regional de variación secular de la intensidad geomagnética de la zona del Atlántico Norte, NAGSVM-F. En este caso particular todos los datos empleados se localizan sobre la superficie terrestre, por lo que la técnica utilizada ha sido el SCHA. Para su aplicación se ha requerido, de la misma forma que para el modelo NAGRM, desarrollar la norma del campo geomagnético en términos SCHA. Los modelos regionales obtenidos, NAGRM y NAGSVM-F, permiten también determinar sus incertidumbres gracias a la aplicación del método bootstrap. Cabe destacar que ambos modelos pueden ser usados para detectar los jerks geomagnéticos acontecidos en la ventana temporal 1960 - 2000. Dichos fenómenos se ven plasmados al sintetizar la variación secular alrededor de los años en que estos eventos se han producido. Todo lo mostrado en este trabajo constata que la técnica R-SCHA proporciona modelos regionales del campo geomagnético principal y su variación secular que se comportan comparablemente con los modelos globales.

This thesis presents a detailed study of the regional modelling technique based on Spherical Cap Harmonic Analysis (SCHA). This technique, and especially its later revision (R-SCHA), were developed to model geomagnetic short wavelengths. Therefore, this fact leads to an issue yet to be resolved: the use of the R-SCHA to model characteristic long wavelengths of the main geomagnetic field and its secular variation. In order to explore this option, this study aims to introduce different strategies that have been developed. The spatial and temporal data distribution (scalar and vector data from observatories, repeat stations, and marine and satellite surveys) enables us to study the North Atlantic area between 1960 and 2000. Thus, it was necessary to develop a spatiotemporal norm of the geomagnetic field in terms of the R-SCHA technique, which provided more realistic spatial and temporal wavelengths. The developed model, NAGRM, is able to reproduce with high accuracy the data used, specially the main field and its secular variation provided by the observatory annual and monthly means. This fact highlights the efficiency of NAGRM, being able to reproduce accurately the most reliable geomagnetic data on the Earth's surface. In addition, the regional model also shows a suitable continuous description in height for the different geomagnetic components. In the interest of increasing the value of NAGRM, at the end of its period of validity it was constrained to the recent global model CHAOS-6. This gave a smooth continuity between both models. During the modelling process, the advantages of using marine crossover data in large oceanic zones when having poor geomagnetic satellite data distribution have been demonstrated. As a consequence, the time chosen is from 1960 to 2000. During these years a good spatial coverage was available thanks to satellite data provided by Ørsted, CHAMP and Swarm constellation. A secular variation regional model of the geomagnetic intensity for the North Atlantic area, NAGSVM-F, has been generated to show these advantages. In this particular case, the data come from the Earth surface and, therefore, the technique used was the SCHA. As for the NAGRM model, a spatiotemporal norm of the geomagnetic field in terms of SCHA was developed. The regional models NAGRM and NAGSVM-F use the bootstrap algorithm to predict uncertainty. It should be pointed out that both models can be used to detect geomagnetic jerks that occurred between 1960 and 2000 time interval. These phenomena are captured when the secular variation are synthesized around the time these events have occurred. This study shows that the R-SCHA technique provides regional models which behave as global models for the main geomagnetic field and its secular variation.