Resumen de Statistical analysis of elf signals' temporal segments measured in high sensibility station
Manuel José Soler Ortiz
- español
El espectro ELF (Extremely Low Frequency) es el rango de frecuencias contenidas entre 3 y 300 Hz. En este rango se encuentra la resonancia de Schumann; un fenómeno electromagnético presente en la parte baja de la atmósfera terrestre, concretamente en el espacio entre la baja ionosfera y la corteza terrestre que actúa como guía de onda. El impulso electromagnético que principalmente alimenta la señal resonante son los rayos producidos por las tormentas alrededor de todo el globo terrestre, aunque son muchos los factores que adicionalmente contribuyen a la señal, o influencian el estado de la cavidad resonante.
Desde que W.O. Shumann pred¿o teóricamente el fenómeno en 1952, las resonancias de Schumann han sido objeto de estudio debido al papel central que tienen en el circuito eléctrico global, así como por sus vínculos con el clima terrestre. No obstante, pocos son los estudios que se centran en analizar la señal en el tiempo, ya que la investigación de la resonancia se ha basado principalmente en la descomposición espectral en frecuencia de esta.
Existen en el campo de las telecomunicaciones metodologías que estudian los aspectos temporales de señales electromagnéticas. Dichas metodologías surgen de la "Mathematical Theory of Communication" de Claude Shannon, que trabajan con la información de una señal tratándola como una variable estadística. En esta tesis se recurren a métodos estadísticos para analizar cinco años de datos de las Resonancias de Schumman capturadas en el observatorio de señales ELF que tiene el grupo de investigación TIC-019 de la Universidad de Almería en la Sierra de los Filabres.
De este trabajo surge una nueva metodología para trabajar con fenómenos electromagnéticos naturales, permitiendo segmentar los registros de las resonancias de Schumann y clasificar cada segmento bajo la distribución estadística que mejor se ajusta a los datos de dicho segmento. Esta metodología presenta un modo adicional de extraer información de los registros ELF que complementa los estudios en frecuencia comúnmente utilizados.
El análisis de los resultados de aplicar esta metodología muestra como cada distribución está relacionada con estados identificables en la señal, consiguiendo de forma efectiva una clasificación automática que permite discernir los eventos contenidos en cada segmento analizado.
Adicionalmente se ha desarrollado una técnica para cuantificar la variabilidad de la señal en el tiempo basada en la distancia de Kolmogorov-Smirnov. Ésta ofrece una forma de controlar la estabilidad de la señal, permitiendo seleccionar segmentos específicos para estudios que requieran alta precisión. También revela evidencia de una nueva forma de extraer información sobre la actividad electroatmosférica a partir de la señal.
- English
The Extremely Low Frequency (ELF) spectrum is the range of frequencies contained between 3 Hz and 300 Hz. In this range, the Schumann resonance (SR) can be measured;
an electromagnetic phenomenon that manifests in Earth’s lower atmosphere, with the space between the ionosphere and Earth’s crust acting as a waveguide. The main source of the resonant signal is lightning activity distributed all over the globe, although many other factors contribute to the signal or influence the resonant cavity.
Since W. O. Schumann predicted the phenomenon theoretically in 1952, the Schumann resonance has been studied for its central role in the global electric circuit and its links with Earth’s climate. Nonetheless, the number of modern studies that analyze the temporal component of the signal are scarce, relying primarily on spectral decomposition to carry on the research.
In the field of telecommunications, a number of methodologies that study the temporal aspect of electromagnetic signals are applied. These methodologies span from Shannon’s "Mathematical Theory of Communication", that deal with the information content of the signal as a statistical variable. On this thesis, statistical methods have been applied to analyze over 5 years of Schumann resonance data captured by the Extremely Low Frequency observatory that research group TIC-019 of Universidad de Almería has installed in Sierra de los Filabres.
A new methodology to work with natural electromagnetic signals emerges from this work, allowing to automatically segment the records and classify each segment under the statistical distribution that best fits the chosen data segment. This methodology represents an additional way to extract information from the ELF records, complementing the commonly used frequency based approaches.
Analyzing the methodology results shows that each distribution is related to identifiable states of the signal, effectively performing an automatic classification that allows to discern the events within the segments.
A technique to quantify the signal variation over time based on Kolmogorov-Smirnov distance was also tested, showing a way of measuring the signal stability to select specific segments in high precision studies and hinting at a different, automated way to measure lightning activity changes from the signal.
