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Statistical Analysis of the Relationship Between Traveling Ionospheric Disturbances and Equatorial Ionospheric Irregularities Over Addis Ababa, Ethiopia, During the 2023–2024 Equinox Seasons

Este estudio analiza datos de GNSS de Addis Abeba durante las estaciones de equinoccio de 2023–2024 para establecer una asociación temporal positiva y estadísticamente significativa donde las amplitudes de las Perturbaciones Ionosféricas Viajeras generalmente preceden a la actividad de irregularidades ionosféricas de pequeña escala por aproximadamente 5 minutos, aunque la amplitud de la TID solo explica parcialmente la variabilidad observada.

Autores originales: Tesfay Ljalem Weldeslassie, Tesfau Hagos Tadesse, Yikdem Mengesha Gebrehiwot, Gebregiorgis Abraha Fikade

Publicado 2026-10-08

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CC BY 4.0

Autores originales: Tesfay Ljalem Weldeslassie, Tesfau Hagos Tadesse, Yikdem Mengesha Gebrehiwot, Gebregiorgis Abraha Fikade

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Muy por encima de la Tierra, una delgada capa cargada eléctricamente de la atmósfera conocida como ionosfera actúa como un puente crítico para nuestro mundo moderno. Esta región, donde la radiación del sol desprende los electrones de los átomos, es esencial para rebotar señales de radio alrededor del globo y para la sincronización precisa que permite que los sistemas de navegación por satélite funcionen. Sin embargo, esta capa rara vez está tranquila. Está constantemente ondulada por ondas de energía y perturbada por repentinos y caóticos parches de turbulencia. Cuando estas perturbaciones crecen demasiado o son demasiado frecuentes, pueden desordenar las señales de los satélites, causando errores de navegación o incluso apagones completos para los sistemas de comunicación. Los científicos han sabido durante mucho tiempo que dos tipos específicos de perturbación suelen ocurrir en los mismos lugares: grandes ondas rodantes que viajan a través del cielo, y parches más pequeños y dentados de turbulencia que dispersan las señales. Durante décadas, los investigadores se han preguntado si estos dos fenómenos ocurren simplemente al mismo tiempo por azar, o si las grandes ondas realmente ayudan a crear la turbulencia más pequeña y peligrosa.

Un equipo de investigadores con sede en Etiopía ha analizado ahora de cerca esta relación sobre la ciudad de Addis Abeba. Se centraron su estudio en las estaciones de equinoccio de 2023 y 2024, una época del año en la que el sol brilla directamente sobre el ecuador y la ionosfera es conocida por ser particularmente activa. Utilizando una red de receptores de satélite en tierra, el equipo rastreó la cantidad total de electrones en el cielo sobre la ciudad. Al filtrar cuidadosamente los cambios lentos y predecibles de la atmósfera, aislaron las ondas rápidas y rodantes conocidas como perturbaciones ionosféricas viajeras. Al mismo tiempo, midieron las fluctuaciones dentadas y caóticas en la señal que indican la presencia de irregularidades de pequeña escala. El objetivo era ver si un aumento en el tamaño de las grandes ondas era seguido consistentemente por un aumento en la intensidad de la turbulencia de pequeña escala.

Los investigadores encontraron un vínculo claro y positivo entre ambos. Cuando las grandes ondas rodantes se volvían más fuertes, la turbulencia de pequeña escala tendía a aumentar también. Esta conexión se mantuvo constante en todos los meses que estudiaron, desde marzo hasta octubre, en ambos años. El análisis estadístico mostró que el tamaño de las grandes ondas podía explicar aproximadamente entre el 17 y el 29 por ciento de los cambios observados en la turbulencia de pequeña escala. Esto significa que, si bien las grandes ondas son un factor significativo, no son la única causa; otras fuerzas, como la actividad solar y los patrones climáticos locales en la atmósfera superior, también desempeñan papeles importantes en la creación del caos. Los datos revelaron que las grandes ondas solían aparecer primero, con la turbulencia de pequeña escala siguiendo unos minutos después. En la mayoría de los casos, el retraso fue de unos cinco minutos, aunque en un mes, la demora se extendió a 35 minutos. Este cronometraje sugiere que las grandes ondas pueden actuar como un detonante, preparando el escenario para que se formen los parches más pequeños y disruptivos, pero no controlan todo el proceso por sí solas.

El estudio también destacó cuánto cambia la ionosfera de un año a otro. Las condiciones en 2024 fueron notablemente más activas que en 2023, con ondas más fuertes y una turbulencia más intensa. Esta diferencia concuerda con el hecho de que la actividad solar fue mayor en 2024, a medida que el sol se movía hacia un pico en su ciclo natural. Los investigadores observaron que la fuerza de la conexión entre las grandes ondas y la pequeña turbulencia variaba dependiendo del mes específico y del nivel de actividad solar y magnética. A veces el vínculo era fuerte, y otras veces era más débil, indicando que la relación es compleja y sensible al entorno cambiante del clima espacial.

En última instancia, este trabajo proporciona un mapa estadístico detallado de cómo interactúan los diferentes tipos de perturbaciones atmosféricas sobre África Oriental. Confirma que las grandes ondas rodantes suelen preceder a los parches más pequeños y caóticos, ofreciendo una ventana a cómo evoluciona la ionosfera. Sin embargo, el estudio no llega a afirmar que uno cause directamente al otro en cada instancia. En su lugar, dibuja la imagen de un sistema donde múltiples factores trabajan juntos. Las grandes ondas son una pieza clave del rompecabezas, pero no son la imagen completa. Al comprender esta relación, los científicos pueden predecir mejor cuándo la ionosfera podría volverse inestable, ayudando a proteger los sistemas satelitales en los que la sociedad confía para la navegación y la comunicación. Los hallazgos subrayan que el cielo sobre nosotros es un sistema dinámico e interconectado donde una ondulación en un lugar puede desencadenar una cadena de eventos, pero el resultado final depende de una mezcla compleja de fuerzas.

Resumen Técnico: Análisis Estadístico de la Relación entre las Perturbaciones Ionosféricas Viajeras y las Irregularidades Ionosféricas Ecuatoriales sobre Addis Abeba, Etiopía

Planteamiento del Problema
Las perturbaciones ionosféricas viajeras (TID, por sus siglas en inglés) y las irregularidades ionosféricas de pequeña escala son formas críticas de variabilidad ionosférica que degradan las señales de radio transionosféricas, afectando los sistemas de navegación satelital y de comunicación. Mientras que las TID representan perturbaciones en propagación del fondo ionosférico y las irregularidades reflejan fluctuaciones rápidas de pequeña escala, su relación estadística en la región de baja latitud de África Oriental permanece insuficientemente caracterizada. Específicamente, no está claro si las variaciones en la amplitud de las TID están asociadas sistemáticamente con las variaciones en la intensidad de las irregularidades ionosféricas y, de ser así, cuál es el desfase temporal entre estos fenómenos. Esta brecha es particularmente significativa durante las estaciones de equinoccio, cuando las irregularidades ionosféricas ecuatoriales exhiben una fuerte variabilidad estacional y de hora local impulsada por complejas interacciones electrodinámicas y atmosféricas.

Metodología
El estudio utilizó observaciones de GNSS multiconstelación, de doble frecuencia y de 30 segundos, de la estación de Servicio de IGS de la Internacional de Addis Abeba (ADIS), ubicada en 9.03°N, 38.74°E. Los datos se recolectaron durante los meses de equinoccio (marzo, abril, septiembre, octubre) de 2023 y 2024. Para minimizar los efectos de multitrayectoria (multipath), solo se retuvieron las observaciones satelitales con ángulos de elevación ≥50°.

La metodología consistió en los siguientes pasos de procesamiento:

Derivación de TEC: El Contenido Electrónico Total vertical (VTEC) se calculó a partir del TEC oblicuo utilizando una función de mapeo ionosférico.
Cuantificación de TID: Las perturbaciones de las TID se aislaron mediante la eliminación de tendencias (detrending) del VTEC usando un intervalo de fondo de 60 minutos. La amplitud absoluta de la TID ( $A_{TID}$ ) se definió como la magnitud de estas perturbaciones.
Cuantificación de Irregularidades: Se calculó el Índice de la Tasa de TEC (ROTI), una desviación estándar de la tasa de cambio del TEC (ROT) en intervalos de 5 minutos, para caracterizar la actividad de las irregularidades ionosféricas de pequeña escala.
Análisis Estadístico:
- Correlación y Regresión: Se utilizaron coeficientes de correlación de Pearson y regresión lineal para cuantificar la relación entre $A_{TID}$ y ROTI. Se calculó el coeficiente de determinación ( $R^2$ ) para evaluar la fracción de la varianza de ROTI explicada por la amplitud de la TID.
- Correlación Cruzada: Se realizó un análisis de correlación cruzada temporal sobre un rango de desfase de −120 a +120 minutos (en incrementos de 5 minutos) para identificar el desfase óptimo donde la asociación entre la amplitud de la TID y el ROTI es más fuerte.
Parámetros Contextuales: Se examinaron los índices solar (F10.7) y geomagnético (Dst, Kp) para proporcionar contexto a la variabilidad observada, pero no se utilizaron para establecer una causalidad directa.

Contribuciones Clave y Resultados
El estudio proporciona evidencia cuantitativa de una asociación estadística y temporal entre las TID y las irregularidades ionosféricas sobre Addis Abeba durante las estaciones de equinoccio de 2023–2024.

Asociación Estadística Positiva: Se encontró una relación consistentemente positiva entre la amplitud de la TID y el ROTI en todos los meses investigados. Los coeficientes de correlación de Pearson oscilaron entre 0.416 (octubre 2024) y 0.534 (septiembre 2023). Los valores de $R^2$ correspondientes oscilaron aproximadamente entre 0.17 y 0.29, lo que indica que la amplitud de la TID por sí sola explica alrededor del 17–29% de la variabilidad observada en las irregularidades ionosféricas.
Comportamiento de Adelanto-Retraso Temporal: El análisis de correlación cruzada reveló que las variaciones en la amplitud de la TID generalmente preceden a las variaciones de ROTI. En siete de las ocho combinaciones de mes-año, la correlación máxima ocurrió en un desfase positivo de +5 minutos. Se observó una excepción en abril de 2024, que exhibió un desfase óptimo más largo de +35 minutos. Esto sugiere una asociación temporal donde las perturbaciones de gran escala pueden influir en el desarrollo posterior de irregularidades de pequeña escala, aunque el tiempo de respuesta varía según las condiciones geofísicas.
Variabilidad Interanual y Estacional: La fuerza de la relación y el desfase óptimo variaron entre 2023 y 2024, y entre los diferentes meses. Por ejemplo, 2024 presentó un flujo solar (F10.7) más fuerte y perturbaciones geomagnéticas más intensas (Kp más alto y Dst más bajo) en comparación con 2023, coincidiendo con una actividad de ROTI generalmente más alta y variaciones en la fuerza de la correlación.
No Unicidad de los Motores: Las correlaciones moderadas demuestran que la amplitud de la TID no es el único determinante de la actividad de las irregularidades ionosféricas. La variabilidad es probablemente impulsada por una combinación de factores, incluyendo la actividad solar, el forzamiento geomagnético, la dinámica atmosférica y los procesos electrodinámicos locales.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma proporcionar la primera evaluación estadística sistemática de la relación TID–ROTI sobre Addis Abeba durante las estaciones de equinoccio. La significancia principal radica en establecer un vínculo estadístico y cuantitativo entre las perturbaciones viajeras de gran escala y las irregularidades de pequeña escala en la ionosfera de baja latitud de África Oriental.

Los autores declaran explícitamente que sus hallazgos demuestran una "asociación estadística y temporal" en lugar de una relación causal directa. Los resultados sugieren que, si bien las variaciones en la amplitud de las TID suelen preceder a la actividad de las irregularidades, la correlación moderada indica que las TID son uno de varios factores en interacción. El estudio enfatiza que la relación observada es una asociación estadística variable sensible al entorno ionosférico y electrodinámico predominante, más que una ley física fija. En consecuencia, el trabajo contribuye a una mejor comprensión de la variabilidad ionosférica durante los equinoccios, pero reconoce las limitaciones respecto a la generalización espacial (estación única) y la necesidad de datos de múltiples instrumentos para dilucidar completamente los mecanismos físicos subyacentes.

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