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1. INTRODUCCIÓN
Las descargas atmosféricas también conocidas como rayos, siempre estuvieron presentes en la historia de la humanidad. Es por ello que una de las manifestaciones más llamativas de las tormentas son las descargas eléctricas, generadas ya sea entre nubes o de nube a tierra.
Benjamín Franklin marcó un hito en la historia de la humanidad, en el año de 1 752 y como resultado de uno de sus experimentos llegó a la conclusión, de que los rayos son descargas eléctricas. Posteriormente afirmó que la colocación de una punta metálica (pararrayos) en la parte superior de cualquier estructura atraería a los rayos que luego serían conducidos a tierra y finalmente toda la estructura estaría protegida.
Ahora bien, en el país se tiene un nivel ceráunico significativo como es el caso de la Amazonía con un valor de 120 y no cuenta con una red de detección de descargas atmosféricas. Entonces por seguridad y prevención es necesario una red que ayude de manera fidedigna con la detección anticipada de la formación de las tormentas, disponiendo de información fiable y en tiempo real sobre su cercanía pues de esta manera permite tomar medidas de carácter temporal que eviten riesgos y asegurar los servicios de prioridad.
Para este análisis se considera las descargas atmosféricas como un fenómeno natural de características físicas y eléctricas debido a la presencia de una diferencia de potencial de elevada magnitud en la atmósfera. Este fenómeno da origen a problemas en los sistemas eléctricos de transmisión y distribución de energía, provoca cuantiosas pérdidas de equipos eléctricos y electrónicos, destruye bienes materiales y es el causante de muertes de personas y animales.
En la actualidad se disponen de redes globales, una de ellas es la red denominada World Wide Lightning Location Network (WWLLN) en tiempo real, que permite disponer de información global sobre las descargas atmosféricas. Estas redes de detección consisten en antenas y sensores los cuales pueden ser de campo eléctrico o campo electrostático, los cuales se encuentran ubicados en tierra o en satélites que perciben la presencia de las descargas de manera instantánea.
Partiendo de estas referencias y sabiendo que las descargas atmosféricas son fenómenos de la naturaleza absolutamente imprevisibles y aleatorios, el interés de obtener información útil para la protección de diferentes campos de la actividad se vuelve urgente, con lo que se podría garantizar la seguridad de las personas al momento de una descarga.
El objetivo es aportar mediante, la difusión de información y avisos meteorológicos como mecanismos de acción preventiva antes de que ocurra una descarga. Para ello se propone el establecimiento de una red de detección de rayos en el Ecuador mediante la instalación de sensores en puntos geográficos estratégicos que permitan la medición del campo eléctrico ambiental desde la etapa inicial de la tormenta y la captura de la radiación electromagnética generada por descargas atmosféricas. Buscando así tener la máxima cobertura y permitir la detección anticipada de la presencia de una nube de tormenta electrificada.
Finalmente, se establecerá dos propuestas de una red de sensores distribuidos equilibradamente e interconectados con una red de transmisión de datos que permita enviar la información a los usuarios finales. Teniendo por base el equilibrio entre la eficiencia y el bajo costo. Se indicará su respectivo costo de implementación.
2. CARACTERÍSTICAS DEL ÁREA DE ESTUDIO
2.1 Localización
Ecuador, es un país latinoamericano ubicado al noroccidente de Sudamérica. Limita al norte con Colombia, al sur y al este con Perú. El océano Pacífico rodea la costa y al oeste se encuentran las Islas Galápagos que están ubicadas a aproximadamente 1 000 km de la Costa.
2.2 Geografía
La cordillera de los Andes divide el territorio de norte a sur, dejando a su límite occidental el golfo de Guayaquil (Costa) y una llanura boscosa al oriente (Amazonía). El país tiene un área de 283 561 km², con 16 776 977 habitantes según el Instituto Nacional de Estadísticas y Censos (Censos, 1976)10.
2.3 Clima
Debido a la presencia de la cordillera de los Andes y por la influencia del mar (la Corriente del Niño, la corriente de Humboldt) (Cedeño & Donoso, 2010), el Ecuador es climatológicamente variado. El país cuenta dos estaciones definidas: la húmeda y la seca, conocidas como invierno y verano respectivamente. A continuación, se detallan características generales en cada region:
-
Amazonia: tiene un clima cálido, húmedo y lluvioso constante todo el año. La temperatura promedio varía entre los 23 y los 26 ºC. Corresponde a los territorios ubicados por debajo de los 1 300 m.s.n.m. en las derivaciones orientales de los Andes, incluyendo todas las cordilleras y tierras bajas hacia el Este, constituye la parte occidental de la cuenca amazónica (Instituto Oceanográfico de la Armada, 2005).
Sierra: En los Andes las temperaturas varían desde los 0 ºC hasta los 24 ºC en dependencia de la altitud la cual varía desde los 500 msnm hasta sobrepasar los 5 000 msnm y la época del año. Presenta dos cadenas montañosas que corren paralelas de norte a sur y encierran concavidades intermedias, de aproximadamente 40 km de ancho, en las que se forman valles separados por cadenas transversales denominadas nudos.
Costa: El clima es muy cálido con temperaturas que varían entre 25 y 31 ºC durante todo el año. Es una región alargada, de entre 100 y 200 km de ancho, con una superficie relativamente plana. Se encuentra situada bajo los 1 300 m.s.n.m. en las derivaciones occidentales de los Andes y El Océano Pacífico, incluyendo las cordilleras costeras y las tierras bajas.
Islas Galápagos: El clima está definido por las corrientes oceánicas. Por lo general, de junio a diciembre, la fría Corriente de Humboldt llega del sur que genera una niebla húmeda y fría conocida garúa cerca del océano, lo cual crea un clima frío y seco. Por lo general cuenta con una temperatura promedio de 22 a 25 ºC y los meses lluviosos corresponden a febrero, marzo y abril (Instituto Oceanográfico de la Armada, 2005)4.
Según el Instituto Nacional de Meteorología e Hidrografía (INAMHI) las brisas marinas que nacen del océano Pacifico y nubosidades provenientes del Brasil, han provocado las variaciones climáticas presentes en el país tales como: disminución de temperatura y lluvias intermitentes en la región Litoral. Mientras que en la Amazonía se producen las tormentas eléctricas (Secretaria de Gestion de Riesgos, 2017). Es por ello que gran parte de la región Amazónica y parte de la provincia de Esmeraldas por tener un clima tropical húmedo tienen mayor probabilidad para la ocurrencia de las descargas atmosféricas. Por consiguiente, son los lugares más favorables para la colocación de los sensores
2.4 Precipitación y temperatura
La precipitación si bien es cierto es un indicador indirecto de la probabilidad de la ocurrencia de los rayos. En las gráficas 1 y 2 se presentan la precipitación mensual y anual respectivamente, datos proporcionados por el INAMHI de donde se puede concluir cuales son los lugares más tendenciosos según este parámetro para la ocurrencia de descargas atmosféricas.
De los mapas anteriores resulta que, las zonas en donde se tiene una mayor precipitación según las escalas propuestas por el INAMHI, en el gráfico 3 es la Amazonia en su gran mayoría con el valor más alto de precipitación en la provincia de Pastaza. Análogamente, en la gráfica 4 en cuanto a la precipitación anual se tiene una cifra elevada en la parte central y norte de la región Amazónica, además de una parte de la provincia de Esmeraldas al norte del país.
3. INDICADORES DE LA OCURRENCIA DE RAYOS
Existen actualmente algunos indicadores (directos o indirectos) además de parámetros que muestran las zonas de Ecuador donde son registrados o potencialmente los mayores índices de ocurrencia de rayos, entre ellos están los siguientes:
3.1 Base de datos del satélite LIS (lightning imagine sensor)
En la Figura 3 se presenta un mapa en donde se muestra la información del satélite (LIS) que posee la NASA, en donde mediante una escala de colores se indica el número promedio anual de descargas por km².
Según la escala de colores se puede constatar que en la región amazónica es en donde hay una mayor presencia de descargas, presentándose para esta zona aproximadamente entre 10 a 20 descargas anuales por km².
3.2 Nivel ceráunico
El nivel ceráunico se puede definir como el número promedio de días al año en los que se presenta una tormenta, es decir se escucha un trueno y cae al menos un rayo. Se suelen expresar por medio de mapas con curvas de nivel isoceráunico como se muestra en la Figura 4.
De acuerdo a la Figura 3, para el Ecuador la densidad de descargas a tierra es cerca de 20 tormentas con descargas anuales (National Weather Service, s.d.). Sin embargo, mediante la gráfica 4 se puede tener una idea más clara de los lugares en donde se tiene un mayor número de descargas.
Por lo tanto, se tiene un mayor nivel ceráunico en la provincia de Pastaza, específicamente en la ciudad de Puyo con una cantidad aproximada de 100 a 120 días al año en los que se presenta una tormenta. Seguido de las provincias: Pichincha, Esmeraldas, Guayas y Loja que de igual forma presentan un nivel ceráunico significativo en el país.
3.3 Número de muertes a causa de los rayos
Se tomó como referencia el número de muertes originadas por los rayos como ayuda para la distribución de los sensores, para ello se averiguó en publicaciones web la cifra de muertes en Latinoamérica. El país que encabeza esta lista es Brasil con 130 personas/año y Ecuador con un número de 5 personas.
Luego se buscó información procedente de medios de comunicación locales para conocer los lugares en donde se tiene muertes a causa de este fenómeno natural, en donde se tiene lo siguiente para los años (2014 – 2016):
4. PROPUESTA DE LA RED
A partir del análisis de los diferentes parámetros descritos anteriormente para ubicar los lugares idóneos para la colocación de los sensores, se debe considerar que lo que se pretende es equilibrar gastos para no colocar los sensores en donde no exista actividad humana. Por consiguiente, de la información presentada por (Información estadística, 2011) en donde se muestra la densidad poblacional en el Ecuador se puede validar si el lugar establecido es el correcto, dado que en la región Amazónica existen zonas de muy baja densidad poblacional.
Entonces se puede concluir que los lugares aptos para la colocación de los sensores son en su mayoría la región amazónica debido a su clima y a todos los factores que presenta el lugar y que hacen favorable la formación de tormentas eléctricas. Sin embargo, hay otros parámetros que se deben tomar en cuenta tales como la densidad poblacional, actividades desarrolladas en la zona (petroleras, mineras, hidroeléctricas, aeropuertos, etc.) con el fin de ubicar los sensores en lugares estratégicos tales como las grandes ciudades, con lo que se garantizaría la protección ciudadana y del medio ambiente. Tomando en cuenta esos parámetros los lugares adecuados siguiendo el principio de reducir costos, serían los presentados en la Figura 5.
Cabe recalcar que bajo condiciones de buen tiempo, es decir cuando no estén presentes precipitaciones ni vientos, el campo eléctrico presente en la superficie terrestre tiene un valor aproximado de 120 (V/m) con dirección positiva. A medida que las condiciones climáticas varían y la nube de tormenta se aproxima el campo eléctrico aumenta pero en este caso con sentido contrario, esto se debe a que las nubes de tormenta tienen centros de carga negativa los cuales inducen en la superficie terrestre (suelo) cargas positivas. A continuación en la Figura 6, se puede visualizar la variación del campo eléctrico al momento de la descarga, el mismo que puede alcanzar variaciones de entre ≈ 15 – 20 (kV/m) hasta que luego se neutralicen las cargas y se estabilice nuevamente el campo eléctrico (Magina, 2016).
Cabe resaltar que mientras se produce la descarga atmosférica como ya se mencionó se generan corrientes muy grandes ≈ 20 000 Amperios, las cuales que generan campos electromagnéticos. Es por ese motivo que se darán a conocer los sensores que nos serán de ayuda para medir tanto el campo eléctrico como el campo electromagnético presentes durante el proceso de la descarga.
Ahora bien, una vez establecidos los lugares en donde serán colocado los sensores, se procede a indagar acerca de su disponibilidad en el mercado. En el transcurso de los últimos años los sistemas de monitoreo y detección detormentas eléctricas han evolucionado a nivel mundial, estos dispositivos monitorean las variables que identifican los ciclos de vida de la tormenta, así como características propias de su desplazamiento, intensidad, entre otras.
En la Tabla 1 se muestran sensores con sus aspectos más relevantes. De ahí que para el establecimiento de la red se debe considerar el sensor que presente las mejores características de todas las especificadas con el fin de presentar un caso óptimo. Al mismo tiempo se planteará una segunda red con el objetivo de tener dos opciones estratégicas. De forma general los componentes que estructuran la Red son:
Por lo general, la manera de ubicar los rayos es utilizando un sistema de localización o LLS (ligthning Location System) el cual trabaja con un mínimo de 4 a 5 sensores y un procesador central. Este sistema una vez que una descarga es detectada por los sensores se utiliza dos procesos ya sea el Time of Arrival (TOA) o el Magnetic Direction Finding (MDF). TOA para la localización de la descarga utiliza un mínimo de 3 sensores en donde cada para de sensores determinan una hipérbola y la intersección de esas hipérbolas serán las que de una referencia de donde ocurrió la descarga, mientras que el método MDF triangula los resultados de los sensores mediante un procesador central y un algoritmo determina el ángulo con un error mínimo ubicando el origen de la descarga (Atallah, 2016).
Por lo tanto, para el establecimiento de la primera red se proponen los sensores: LS 7002 y BTD 300 de campo electromagnético y de campo eléctrico respectivamente.
Tabla 1. Costo de la primera propuesta de Red.
| CARATE-RISTICAS | EFM 550 | ATSTORM v2 | EFM 100 | BTD - 300 | LS 7001 | LS 7002 | TSS928 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| TIPO | VAISALA (Campo eléctrico atmosférico) | at3w (sensor electrométrico de campo controlado) | BOLTEK (campo eléctrico) | Biral UK (campo eléctrico) | VAISALA (campo electromagnético) | VAISALA (campo electromagnético) | VAISALA (campo electromagnético) |
| Radio de cobertura | 5km | 20 km | 38 km | 83 km | 350 km | 350 km | 0 - 56 km |
| Eficiencia rayos CG | x | x | x | 95% | > 90% | 95% | > 90% |
| Eficiencia rayos CC | x | x | 10 - 30% | 50% | x | ||
| Calibración | manual | automática | manual | automática | manual y automática | automático y manual | |
| Peso | 0,68 kg | 9,10 kg | 5,75 kg | 25 kg | 37,40 kg | 37,40 kg | |
| Altura | 61 cm | 350mm+ mástil 2m | 17 cm | 2,46 m | 2,20 m | 2,20 m | 1,57 m |
| Ancho | 22,90 cm | 26 cm | 13 cm | 68 cm | 40 cm | 40cm | 30,50 cm |
| Componen-tes | tiene partes mecánicas | electrónicos | sin piezas móviles | sin piezas móviles | sin piezas móviles | ||
| Funciona-miento | (-23 a +46 ºC) | (-40 a 85 °C ) | (-40 a 60 C / -40 a 140 F) | (-40 a 60 °C ) | (-40 °C a +55 °C) | (-40 °C to +55 °C) | -50°C to +50°C ( |
| Consumo de energía | 2,3W | 15W | 4 W | 10 W | 100W máx. | ||
| Manteni-miento | mantenimiento mínimo | no es necesario un mantenimiento continuo | mantenimiento mínimo | mantenimiento mínimo | mantenimiento mínimo | mantenimiento mínimo | mantenimiento mínimo |
| Observacio-nes | Servicio de calibración de fábrica una vez cada tres años | táctil (4niveles de alarma de acuerdo a las necesidades del cliente) se puede conectar a una red informática | 4 Altos niveles de alarma de campo | Posee un módulo opcional que permite detectar a distancia y la dirección de la caída del rayo. | Compatible con sus predecesores, los sensores Vaisala IMPACT | min 4 para la red 15 a 350km entre los sensores recomendada | El formato de datos admite la interfaz directa con los sistemas de comunicación comunes y autodiagnóstico para comprobar el estado de la función del sensor. |
La segunda opción estaría compuesta por los sensores de campo eléctrico BTD 300.
En cuanto a la primera opción el sensor LS 7002 trabaja con una base de datos específica es decir constaría de un software y un procesador de datos concreto para su funcionamiento al cual se le conectaría los datos del sensor BTD 300, el costo de implementación de esta red en dólares es el presentado en la Tabla 2.
Tabla 2. Costo de la primera propuesta de Red.
| PRIMER CASO (USD) | ||||
| Ítem | Cant. | Dispositivo | Precio Unitario ($) | Precio Total ($) |
| 1 | 4 | Sensor LS7002 | 94.451,00 | 377.804,00 |
| 2 | 1 | Procesador TLP-100 | 226.533,00 | 226.533,00 |
| 3 | 1 | Software LTS2005 | 5.800,00 | 5.800,00 |
| 4 | 1 | Registro de salida de datos en formato ASCII para otras aplicaciones de Software | 2.175,00 | 2.175,00 |
| 5 | 1 | Sistema de almacenamiento de imágenes | 2.899,00 | 2.899,00 |
| 6 | 2 | Sistema de notificación de alerta TWX300 | 3.683,00 | 7.366,00 |
| 7 | 2 | Pantallas de 24" para el display del Sist. Alerta | 920,00 | 1.840,00 |
| 8 | 4 | Sensor BTD 300 | 11.600,00 | 46.400,00 |
| 9 | 4 | Computadoras | 700,00 | 2.800,00 |
| TOTAL | 673.617,00 | |||
Para este caso los sensores de campo electromagnético por tener un mayor radio de cobertura estarían distribuidos en el país de tal forma que se cubra el mayor parte del territorio ecuatoriano, es decir estarían ubicados en las provincias (Pichincha, Guayas, Loja y Pastaza) mientras que los sensores de campo eléctrico estarían ubicados en las provincias (Azuay, Cotopaxi, Pastaza y Manabí) como se observa en la Figura 7.
Para la segunda opción el costo se reduce considerablemente (≈ $575 000) por el hecho de que se utilizaría sólo sensores de campo eléctrico (BTD 300) ubicados en los puntos ya establecidos anteriormente.
Para este caso lo que se propone es que de ser favorable su implementación se considere el conectarse una red existente por ejemplo una red meteorológica para la transmisión de datos, su costo (dólares) de implementación se indica en la Tabla 3.
Tabla 3. Costo de la segunda propuesta de Red.
| SEGUNDO CASO (USD) | ||||
| Item | Cantidad | Dispositivo | Precio Unitario ($) | Precio Total ($) |
| 1 | 8 | Sensor BTD 300 | 11.600,00 | 92.800,00 |
| 2 | 8 | Computa-doras | 700,00 | 5.600,00 |
| TOTAL | 98.400,00 | |||
Con estas dos propuestas se tiene un punto de partida para la implementación de una red de detección de rayos en el país, la cual sería de ayuda para los siguientes usuarios finales:
-
Meteorología,
Aviación,
Minería,
Sector Marítimo,
Seguros,
Incendios Forestales,
Eventos Deportivos,
Playas,
Operaciones al Aire libre,
Energía (Generación, Transmisión, Distribución).
Finalmente, la entidad dentro del país que gestionaría esta red sería la Secretaria Nacional de Riesgos la cual se encarga de garantizar la protección de personas y colectividades de los efectos negativos de desastres de origen natural o antrópico, mediante la generación de políticas, estrategias y normas que promuevan capacidades orientadas a identificar, analizar, prevenir y mitigar riesgos para enfrentar y manejar eventos de desastre; así como para recuperar y reconstruir las condiciones sociales, económicas y ambientales afectadas por eventuales emergencias o desastres (Secretaria de Gestión de Riesgos, s.d.).
5. CONCLUSIONES
Entre los fenómenos naturales que se producen cotidianamente está el rayo, el que según su intensidad puede ser más o menos peligroso. Existen medidas de prevención objetivo de este estudio que pueden evitar accidentes e incluso la muerte por exposición al mismo. Es por ello que para concluir este estudio a continuación se exponen las conclusiones obtenidas.
Debido a que el radio de cobertura de los sensores LS 7002 a utilizarse es hasta 350 km, disminuye el número necesario para la implementación de la red y por ende el costo de implementación.
Se debería considerar que una red híbrida (Primera Propuesta) permitiría obtener información relevante sobre el fenómeno de las descargas atmosféricas (localización, tiempo, amplitud, etc.). Además esta red cuenta con su propio software para el procesamiento de datos y utiliza dos métodos para la ubicación de la descarga (TOA y MDF), procesos que no todos los sensores poseen.
En cuanto a la segunda opción de red indicada en la sección 4.6, no debería ser desmerecida por el hecho de que su costo es relativamente menor comparado con la primera red o por el radio de cobertura que presentan. Hay que considerar que para una protección preventiva eficaz, es necesario detectar la tormenta antes de que se produzca este incremento brusco del campo eléctrico en la zona a proteger. Consecuentemente estos sensores presentan un nivel de eficiencia alta además de ayudar a identificar una tormenta desde su etapa inicial.
Con las dos propuestas de red, lo que se pretendió es utilizar detectores de tormentas con tecnologías actuales que proporcionen información de la actividad eléctrica atmosférica fiable en tiempo real y monitorizada. Además que permitan tomar medidas de carácter temporal que eviten riesgos y aseguren los servicios más importantes.
Para la implementación de una red de detección de rayos se recomienda utilizar sensores con un rendimiento superior al 90% como se especifica en la norma internacional IEC 62793. Pues la localización de la actividad nube-tierra es importante para las acciones preventivas.
Pues dicha red al estar ubicada en la frontera disminuiría el número de sensores a utilizarse en el Ecuador ya que se podría compartir la información existente con el vecino país.
Finalmente, en cuanto a la ubicación de los sensores el objetivo principal fue buscar lugares estratégicos es decir, se consideró diferentes factores como: labores que se desarrollan en el área y el impacto económico que ocasionaría el efecto de las descargas atmosféricas. Más sin embargo los lugares establecidos son sólo puntos de partida para las personas que tengan interés en la futura implementación de este proyecto.
