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RADIO
RADIO
OBSERVATORIO
OBSERVATORIO
DE
DE
JICAMARCA
JICAMARCA
INSTITUTO
INSTITUTO
GEOFÍSICO
GEOFÍSICO
DEL
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PERÚ
PERÚ
PRINCIPALES
PRINCIPALES
VARIACIONES
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GEOMAGNETICAS
GEOMAGNETICAS
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CORTO
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REGISTRADO
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HUANCAYO,
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PERU
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DOMINGO
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ROSALES
ROSALES
ERICK
ERICK
VIDAL
VIDAL
SILVANO
SILVANO
ORIHUELA
ORIHUELA
GEOMAGNETISMO
GEOMAGNETISMO
Diciembre
Diciembre
2011
2011
RESUMEN
Uno de los principales productos de un observatorio geomagnético son los datos de los
elementos geomagnéticos. Una revisión critica de la gran cantidad de datos acumulados debido al
registro continuo de muchos años puede ser obtenido por medio de una evaluación mediante la
técnica de análisis de la serie temporal, con la finalidad de adquirir una completa imagen de la
evolución de los elementos geomagnéticos en el tiempo. Se realiza el análisis de serie temporal a
los datos geomagnéticos registrados en el Observatorio de Huancayo con la finalidad de identificar
los diversos tipos de periodos y sus respectivos harmónicos que corresponden a las distintas
fuentes de variación del campo Geomagnético clasificados dentro de las dos principales tipos de
fuentes (fuentes internas y fuentes externas).
Esto debería de ser de interés de los productores de datos geomagnéticos
(observadores) que desean un mejor control de sus datos así como de los investigadores
(usuarios de datos) que requieran un conocimiento mas detallado de dichos datos.
Apartado 130207, Lima 13, Perú
Teléfonos (+51-1)317-2313 - Fax (+51-1)317-2312
2
ÍNDICE
1 INTRODUCCIÓN.......................................................................................................................... 4
2 Análisis de la serie temporal de los datos geomagnéticos de huancayo...............................5
2.1 Micropulsaciones Geomagnéticas.............................................................................................................. 6
2.1.1 Pulsaciones continuas (pc)...................................................................................................................... 7
2.1.2 Pulsaciones irregulares (pi)..................................................................................................................... 9
2.2 Variaciones Estacionarias......................................................................................................................... 11
2.2.1 Variación diaria y sus harmónicos......................................................................................................... 11
2.2.2 Variación de 27 días y sus harmónicos................................................................................................. 11
2.2.3 Variación anual y semi – anual.............................................................................................................. 13
2.3 Variaciones Cíclicas.................................................................................................................................. 14
2.3.1 Variación de 11 y 22 años..................................................................................................................... 14
2.4 Variaciones no periódicas......................................................................................................................... 14
2.5 Variaciones Seculares.............................................................................................................................. 16
2.5.1 Cambio Secular..................................................................................................................................... 16
2.5.2 Variación Secular (velocidad secular).................................................................................................... 16
2.5.3 Aceleración Secular............................................................................................................................... 17
2.5.4 Jerks geomagnéticos............................................................................................................................. 18
2.5.5 Deriva hacia el Oeste.............................................................................................................................19
3 INVERSIONES MAGNETICAS...................................................................................................20
4 CONCLUSIONES....................................................................................................................... 21
5 RECOMENDACIONES...............................................................................................................21
Apartado 130207, Lima 13, Perú
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PRINCIPALES VARIACIONES GEOMAGNETICAS DE PERIODO
CORTO Y PERIODO LARGO REGISTRADO EN OBSERVATORIO DE
HUANCAYO, PERU
1 INTRODUCCIÓN
Uno de los principales productos de un observatorio geomagnético son los datos de
los elementos geomagnéticos como son promedio de minuto, horario, diario, mensual y
anual expresados en valores absolutos, además del índice de actividad magnética (índice
K). Una revisión critica de la gran cantidad de datos acumulados debido al registro continuo
de muchos años puede ser obtenido por medio de una evaluación mediante la técnica de
análisis de la serie temporal, con la finalidad de adquirir una completa imagen de la variación
de los elementos geomagnéticos en el tiempo. Esto debería de ser de interés de los
productores de datos geomagnéticos (observadores) que desean un mejor control de sus
datos así como de los investigadores (usuarios de datos) que requieran un conocimiento
mas detallado de dichos datos.
A diferencia del campo gravitacional de la Tierra, el campo magnético varia con el
tiempo. Sus variaciones son diversos, las mas importantes son [Udias y Mezcua, 1986],[De
Vuyst and De Meyer, 1973]:
•Micropulsaciones Geomagnéticas: Variaciones temporales cortas en el campo
magnético de la Tierra con frecuencias en el rango de milihertz (mHz) a varios hertz.
Se clasifican como “pulsaciones continuas” de forma casi sinusoidal pc1, pc2, pc3,
pc4 ,pc5, pc6 y “pulsaciones irregulares” pi1, pi2, pi3 [Jacobs, 1970]. Las pulsaciones
magnéticas pueden ser de origen externo (controlados por el viento solar) o pueden
ser de origen interno, las cuales son excitados principalmente por cambios abruptos
y transitorios del plasma ambiental magnetizado y/o la energía almacenada en la
magnetosfera [Yumoto, 1986].
•Variaciones Estacionarias: También conocidos como “variaciones periódicas”, que
comprenden variaciones dentro de un año, entre las principales tenemos variaciones
de 8 horas, 12 horas, un día, veintisiete días, seis meses y un año, originados por
fuentes externas como el Sol y la Luna en los que esta comprendido periodos de las
orbitas de estos astros, la rotación del Sol y la rotación de la Tierra.
•Variaciones Cíclicas: Este tipo de variaciones se suele referir a ciclos grandes que
duran varios años, son de origen externo, las principales son el ciclo de 10.7 años
(ciclo de actividad solar), ciclo de 21.3 años (ciclo magnético solar), ciclo de 42.7
años (ciclo de predominancia).
•Variaciones no Periódicas: También llamadas “variaciones aleatorias”, son
movimientos irregulares, entre las mas representativas tenemos las “tormentas
magnéticas”, que son producidos por efectos externos.
•Variación Secular: Son variaciones temporales muy lentas del campo geomagnético
con periodos muy largos, son de origen interno, que solo se aprecian al comparar
valores medios anuales durante varios años, reciben el nombre genérico de
“variación secular” pero para fines de estudio se distingue las siguientes variaciones:
Cambio Secular, Variación Secular y Aceleración Secular, donde se pueden
distinguir los fenómenos como la “deriva hacia el oeste” y los “jerks geomagnéticos”.
•Inversiones Geomagnéticas: Es el cambio en orientación del campo magnético
terrestre donde la posición del polo norte y sur magnético se intercambian, son
variaciones que duran de cientos a miles de años. También son de origen interno.
La representación de las lineas espectrales mas importantes de las variaciones del
campo geomagnético son dados en la figura 1.
Figura 1 Esquema del espectro de las variaciones del campo geomagnético
Para determinar los distintos tipos de variaciones del campo geomagnético se
aplica un análisis de serie temporal a los distintos tipos de datos registrados, lo que
comprende filtro por bandas y Análisis espectral. Un análisis espectral es básicamente, una
descomposición de una señal determinada, en la suma de sus componentes, sinusoidales,
conocida como serie de Fourier. Todas las señales, se pueden descomponer como la suma
de señales sinusoidales múltiplo de la frecuencia fundamental conocidas como sus
armónicos. Ahora bien un Análisis espectral representará la señal a cuantificar, en sus
respectivos armónicos con amplitudes de señal.
2 ANÁLISIS DE LA SERIE TEMPORAL DE LOS DATOS GEOMAGNÉTICOS DE
HUANCAYO
Un análisis de serie temporal es aplicado a los datos registrados en el Observatorio
Geomagnético de Huancayo (HUA) cuya ubicación geográfica es la siguiente:
Latitud: 12º 02' 28.69'' Sur
Longitud: 75º 19' 14.11'' Oeste
Altitud: 3314 metros sobre el nivel del mar
Inicio: 1 de Marzo 1922
Los datos a ser analizados son valores de las componentes D, H, Z y F dados de la
siguiente manera:
•Datos de 1 segundo a resolución de 0.01 nT, día quieto (Q1) 10 de Diciembre 2010 y
día perturbado (D1) 14 de Diciembre 2010, componentes D, H y Z.
•Datos de promedio de minuto, horario y diario, rango de 11 años (Enero 2000 –
Diciembre 2010), componentes D, H, Z y F.
•Datos de promedio mensual y anual, rango de 88 años (Marzo 1922 – Diciembre
2010), componentes D, H, Z y F.
•Datos de índice de actividad magnética (índice K), rango de 8 años (Enero 2002 –
Diciembre 2010).
2.1 Micropulsaciones Geomagnéticas
Las micropulsaciones geomagnéticas son importantes firmas de los procesos
electromagnéticos que ocurren en la magnetosfera, su estudio es muy importante para
entender la dinámica y el comportamiento de estos procesos.
La clasificación de las pulsaciones geomagnéticas fue establecido en 1973 por la
Asociación Internacional de Geomagnetismo y Aeronomía (IAGA) en Kyoto, Japón. Las
pulsaciones geomagnéticas se dividieron en dos clases pulsaciones continuas (pc) y
pulsaciones irregulares (pi), a su vez cada uno de estas clases se subdividieron en en seis y
tres grupos respectivamente (tabla 1) [Kaufman et al, 1990].
Clases de pulsaciones Periodo (segundos) Frecuencia (Hz) Frecuencia (mHz)
pc1 0.2 a 5 0.2 a 5 200 a 5000
pc2 5 a 10 0.1 a 0.2 100 a 200
pc3 10 a 45 0.022 a 0.1 222.2 a 100
pc4 45 a 150 0.006 a 0.022 6.6 a 222.2
pc5 150 a 500 0.002 a 0.006 2 a 6.6
pc6 500 a mas (~1000) 0.001 a 0.002 1 a 2
pi1 1 a 40 0.025 a 1 25 a 1000
pi2 40 a 150 0.006 a 0.025 6.6 a 25
pi3 150 a mas (~1000) 0.001 a 0.006 1 a 6.6
Tabla 1 Clasificación de las pulsaciones.
Cada uno de estos tipos de de pulsaciones están caracterizados por su propia
naturaleza física como se vera mas adelante.
El observatorio Geomagnético de Huancayo cuenta con un magnetómetro fluxgate
con registro de componentes D, H y Z, a 16 Hz de muestreo promediado a un segundo, y
salida a 1 Hz, con resolución 0.01 nT, precisión 0.01 nT, nivel de ruido menor a 0.02 nT. Lo
que nos permite registrar micropulsaciones con periodos mayores a 2 segundos (0.5 Hz).
Se ha tomado los días 10 y 14 de Diciembre 2010, que corresponden al día más
quieto (Q1) y más perturbado (D1) del mes de Diciembre, con la finalidad de poder comparar
las pulsaciones en dos distintos tipos de día de actividad geomagnética (figura 2). A partir de
los datos presentados en la figura 2, se extrae los distintos tipos de micropulsaciones
establecidos en la tabla 1.
Figura 2 Datos crudos registro componentes H, D, y Z en nT.
2.1.1 Pulsaciones continuas (pc)
Son variaciones continuas rápidas de pequeña amplitud con periodos de 0.2 a 1000
segundos.
Figura 3 Pulsaciones pc1.
Figura 4 Pulsaciones pc2.
Figura 5 Pulsaciones pc3.
Figura 6 Pulsaciones pc4.
Figura 7 Pulsaciones pc5.
Figura 8 Pulsaciones pc6.
2.1.2 Pulsaciones irregulares (pi)
Son variaciones rápidas que tienen forma irregular, con periodos desde 1 a más de
150 segundos. Están ligados como características de condiciones de perturbación de la
magnetosfera. La existencia de las pulsaciones pi representa una parte de la micro
estructura de las subtormentas, y su generación ocurre en condiciones especificas durante
el proceso de desarrollo de una subtormenta [Raspopov et al, 1972]. Una de las pulsaciones
de especial interés de estudio son las pulsaciones pi2, estos son típicamente observados en
las noches y con frecuencia durante el día local en los observatorios de bajas latitudes y es
mas común y claro su ocurrencia cerca al ecuador magnético.
Figura 9 Pulsaciones pi1.
Figura 10 Pulsaciones pi2.
Figura 11 Pulsaciones pi3.
2.2 Variaciones Estacionarias
2.2.1 Variación diaria y sus harmónicos
Dentro de las variaciones estacionarias diarias se distinguen la principal variación
de 1 día y su harmónico de 12, 8, 6, 4.8, 4, 3.43 y 3 horas. La figura 12 ilustra el espectro de
frecuencias para las tres componentes (H, D y Z) obtenidos a partir de los promedios
horarios de los datos del año 2010.
Figura 12 Espectro de frecuencias de la variación diaria y sus harmónicos.
2.2.2 Variación de 27 días y sus harmónicos
El periodo de 27 días puede ser debido parcialmente a la tendencia de las
tormentas magnéticas y perturbaciones que se repiten después de una rotación solar y
también puede ser parcialmente relacionado con las mareas causado por el movimiento
orbital de la Luna.
El Sol posee las siguientes periodos de rotaciones:
•En el ecuador : 27 días 6 horas 36 minutos = 27.28 días
•A 30º de latitud: 28 días 4 horas 48 minutos = 28.20 días
•A 60º de latitud: 30 días 19 horas 12 minutos = 30.80 días
•A 75º de latitud: 31 días 19 horas 12 minutos = 31.80 días
La Luna gira al rededor de su eje aproximadamente en 27.32 días (mes sidéreo) y
se traslada alrededor de la Tierra en el mismo intervalo de tiempo, de ahí que siempre
observamos la misma cara. Además nuestro satélite completa una revolución relativa al Sol
en aproximadamente 29.53 días (mes sinódico), periodo en el cual comienzan a repetirse
las fases lunares.
La figura 13 muestra el Análisis espectral para las tres componentes de las
variación principal periodo de 27.3 días y sus respectivos harmónicos de 13.6, 9.1, 6.8 y 5.5
días, obtenidos a partir de los promedios diarios de los datos del año 2010. De los datos de
minuto se extrae el índice de actividad magnética (índice K) entre los años 2002 al 2010, el
análisis espectral de la actividad magnética diaria es mostrado en la figura 14
identificándose el periodo principal de 27.3 días y sus respectivos cuatro harmónicos (13.5,
9.1, 6.8 y 5.5. días).
Figura 13 Espectro de frecuencias de la variación de 27-dias y sus harmónicos, a partir de
promedios diarios del año 2010
Figura 14 Espectro de frecuencias de la variación de 27-días y sus harmónicos, a partir de
datos de índice K diarios desde el año 2002 al 2010.
2.2.3 Variación anual y semi – anual
Los resultados del espectro de frecuencias puede verse en la figura 15, obtenidos a
partir de los promedios mensuales desde el año 1922 al 2010. Se verifica el periodo
principal de 1 año y sus harmónicos los periodos de 6, 4 y 3 meses.
Figura 15 Espectro de frecuencias de la variación de 1-año y sus harmónicos.
2.3 Variaciones Cíclicas
2.3.1 Variación de 11 y 22 años
Variaciones producidos por fuentes externas principalmente por el Sol. El Sol posee
distintos ciclos entre los que podemos identificar el ciclo de 10.7 años (ciclo de actividad
solar), ciclo de de 21.3 años (ciclo magnético solar), ciclo de 42.7 años (ciclo de
predominancia) y ciclo de 85.3 años (ciclo de asimetría). Así mismo identificamos los
harmónicos del ciclo principal de 10.7 años de 5.35 y 3.57 años. El espectro de frecuencia
es obtenido a partir de los promedios anuales desde el año 1922 al 2010, ver figura 16.
Figura 16 Espectro de frecuencias de los ciclos solares.
2.4 Variaciones no periódicas
Fenómeno conocido como “tormentas magnéticas”, con intensidades de hasta 600
nT, producidos por efectos externos (campo magnético externo). Su origen se deben a la
interacción de las partículas emitidas por el Sol durante erupciones solares con el campo
magnético terrestre. El Sol tiene un ciclo de actividad solar de 10.7 años periodo en el cual
se incrementa y disminuye las erupciones solares.
También se observa una relación entre la actividad magnética y la intensidad de
radiación cósmica que llega a la Tierra. Ocurre que cuando el flujo de plasma es mayor y
mas energético el numero de rayos cósmicos que nos alcanza disminuye, en consonancia
con las tormentas magnéticas, a este fenómeno es llamado “efecto Forbush”.
Una de las tormentas mas intensas del año 2010 fue la producida el 4 de Agosto
del 2010. El día 1 de Agosto se produjo una erupción solar y gran cantidad de material solar
fue arrojado al espacio, dos días después arribarían estas partículas a la Tierra, para el día
3 de Agosto los reportes de la NASA indicaban que seria una tormenta G1, el pronostico
quedo invalido a las 23:00 horas UT cuando el arribo fue tan extremo que alcanzo
rápidamente la categoría G3 (clasificación NOAA). Estábamos en presencia de la tormenta
magnética mas violenta de los últimos 5 años.
Figura 17 Tormenta magnética del día 04 de Agosto del 2010.
2.5 Variaciones Seculares
2.5.1 Cambio Secular
Figura 18 Cambio secular 1922 - 2010.
2.5.2 Variación Secular (velocidad secular)
La razón de cambio respecto al tiempo del “cambio secular” es conocido como
“variación secular”. La variación secular V(t) en un intervalo de tiempo Δt, se puede
determinar a partir de los valores medios anuales obtenidos en un observatorio
Geomagnético, en la forma [Udias y Mezcua, 1986]:
V(t)=(1/ Δt){B(t+Δt/2)-B(t-Δt/2)} [nT/year] (1)
Figura 19 Variación secular.
2.5.3 Aceleración Secular
La razón de cambio respecto al tiempo de la “variación secular” es conocido como
“aceleración secular”. La aceleración secular A(t) en un intervalo de tiempo Δt, se
determina a partir de la variación secular, en la forma [Udias y Mezcua, 1986]:
A(t)=(1/ Δt){V(t+Δt/2)-V(t-Δt/2)} [nT/year2] (2)
Figura 20 Aceleración secular.
2.5.4 Jerks geomagnéticos
Los jerks geomagnéticos son cambios abruptos observados en la variación secular,
ello delinea cambios opuestos a la tendencia normal de la variación secular. Generalmente
es aceptado que ocurre en tiempos de escala de meses a pocos años y representa una
reorganización de la tendencia de la variación secular y es de origen interno por lo que su
manifestación es observado a escala global y muchos otros a escala regional. Estos
cambios son observados principalmente en la variación secular de la componente D y
componente Y, y en otras componentes dependiendo de la localización geográfica.
El registro de la variación secular de la componente D figura 20, muestra los jerk
geomagnéticos producidos en los años 1934, 1972, 1983 y 2002. En la componente H figura
21 se muestra los jerks producidos en los años 1934, 1966 y 1976.
Figura 21 Variación secular componente D, las flechas indican la fecha de ocurrencia de los
jerks.
Figura 22 Variación secular componente H, las flechas indican la fecha de ocurrencia de los
jerks.
2.5.5 Deriva hacia el Oeste
Es un fenómeno del cambio secular que solo se aprecian al comparar valores
medios anuales durante varios años, hace referencia a que la distribución del campo
Geomagnético se mueve lentamente hacia el Oeste, este fenómeno es observable en la
componente D, su marcha hacia el oeste se deben a causas localizadas en el interior de la
Tierra. En el Observatorio de Huancayo desde el año 1922 al 2010 (en 88 años) la
Declinación se ha desplazado 9.96 grados en dirección hacia el Oeste, pasando en Julio de
1997 por norte geográfico respecto al Observatorio de Huancayo.
Figura 23 Desplazamiento angular de la Declinación.
Al año 2009 la velocidad de avance de la Declinación hacia el Oeste registrado en
el Observatorio de Huancayo es de ω = 9.65 [minutos/año] y una aceleración en la misma
dirección de la velocidad de α = 0.325 [minutos/año2].
Si consideramos α = 0, se tiene que la distribución del campo daría una vuelta
completa a la Tierra en unos 2238 años. Considerando α = 0.325, y ω = 9,65 como
velocidad inicial daría una vuelta completa en solo unos 336 años. Como se puede observar
en la figura 21 la velocidad de desplazamiento de la Declinación se ha ido incrementando
desde 1922.
3 INVERSIONES MAGNETICAS
Por los registros paleomagneticos se sabe que hace 780 mil años se produjo la
ultima inversión magnética de nuestro planeta. La fuerza de campo magnético terrestre se
encuentra disminuyendo gradualmente, especial atención de este debilitamiento es
observado en la región del Atlántico Sur conocido como “anomalía sudatlántica”. Este
debilitamiento de la fuerza magnética evoca la posibilidad de que el campo magnético
terrestre pueda llegar a desaparecer y aparecer nuevamente pero con la polaridad invertida.
En el Observatorio de Huancayo en el año 1922 el promedio anual de la intensidad
total (F) fue 29736 nT, en el 2010 es de 25379 nT, en 88 años ha disminuido 4357 nT (figura
18). Desde 1922 la velocidad de debilitamiento del campo magnético se ha ido
incrementando, en 1923 fue -9 [nT/año] y en el 2009 es de -74 [nT/año] (figura 19), si se
mantendría a esta velocidad de debilitamiento en tan solo 343 años la intensidad total del
campo magnético registrado en el Observatorio de Huancayo seria 0 nT, pero esto no
significaría que el campo geomagnético desapareciera totalmente en la Tierra, puesto que
así como en Huancayo se debilita en otras regiones del planeta se hacen mas fuerte. Los
modelamientos de las fuentes internas del campo magnético terrestre muestran que su
representación dipolar va disminuyendo mientras que su representación no dipolar se esta
incrementando, lo que indicaría que el campo Geomagnético no desaparecerá totalmente.
Estimaciones de la energía total del campo geomagnético esta mostrando que año a año se
va debilitando, de seguir la progresión actual el campo magnético terrestre podría llegar a un
mínimo dentro de 1500 a 2000 años mas, por lo que deberán pasar muchos siglos antes de
que vuelva a producirse una inversión magnética.
Estas estimaciones predicativas puede tener un ingrediente especulativo pero ella
pone un desafío para desarrollar nuevos sistemas de registro y nuevas herramientas en los
observatorios geomagnéticos.
4 CONCLUSIONES
El registro continuo de datos geomagnéticos en el Observatorio de Huancayo
desde 1922 ha permitido verificar e identificar sus fuentes de los distintos tipos de
variaciones presentes en los datos registrados. Dependiendo del tipo de variación que se
desea estudiar se ha seleccionado los datos como son datos de segundo, promedios de
minuto, promedios horarios, promedios diarios, promedios mensuales, promedios anuales y
el índice K.
Se ha verificado en los registros la presencia de los distintos tipos de
micropulsaciones geomagnéticas así como también las variaciones estacionarias y
periódicas con sus respectivos harmónicos, lo que podemos resumir en la siguiente tabla:
Variación principal Periodos & Harmónicos Magnitudes
Diarias Periodos (horas) 24 12 8 6 4.8 4 3.4 3
Harmónicos (1 día) 1/1 1/2 1/3 1/4 1/5 1/6 1/7 1/8
27 días Periodos (días) 27.3 13.6 9.1 6.8 5.5
Harmónicos (27.3 días) 1/1 1/2 1/3 1/4 1/5
Anual Periodo (meses) 12 6 4 3
Harmónicos (años) 1/1 1/2 1/3 1/4
11 años Periodos (años) 85.3 42.7 21.3 10.7 5.3 3.6
Harmónicos (10.7 años) 8/1 4/1 2/1 1/1 1/2 1/3
Tabla 2 Variaciones magnéticas y sus harmónicos en el Observatorio de Huancayo.
Así mismo se ha verificado las variaciones no periódicas y las variaciones seculares
con sus respectivas características como son la deriva hacia el oeste y los jerks
geomagnéticos.
Se debe señalar que las distintas variaciones verificados en los datos registrados
en el Observatorio de Huancayo también son verificados en los distintos observatorios
geomagnéticos del mundo con sus características propias regionales y locales de cada
observatorio.
5 RECOMENDACIONES
•Se recomienda realizar un trabajo de análisis de la serie temporal de los datos
definitivos al finalizar cada año, con la finalidad de ir verificando la evolución del
campo geomagnético en el tiempo, lo que permite un mejor control en la calidad
de datos que se viene produciendo.
BIBLIOGRAFíA
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