Correlation between multiple elves and storm dynamics at the Pierre Auger Observatory

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dc.contributor.advisorMussa, Roberto
dc.contributor.advisorNúñez de Villavicencio Martínez, Luis Alberto
dc.contributor.advisorArnone, Enrico
dc.contributor.authorVásquez Ramírez, Adriana Carolina
dc.contributor.evaluatorBertaina, Mario
dc.contributor.evaluatorMarisaldi, Martino
dc.contributor.evaluatorVan der Velde, Oscar
dc.contributor.evaluatorSanabria Gómez, José David
dc.contributor.evaluatorTsygankov, Petr
dc.date.accessioned2024-11-14T21:26:49Z
dc.date.available2024-11-14T21:26:49Z
dc.date.created2024-11-05
dc.date.issued2024-11-05
dc.description.abstractLos ELVES son eventos luminosos transitorios (TLEs) que ocurren encima de tormentas eléctricas intensas. La luz, emitida en forma de un anillo que se expande rápidamente en la base de la ionosfera, es generada por el pulso electromagnético de un rayo que se propaga como una onda esférica desde el canal del rayo. Los multi-elves son eventos que consisten en dos y hasta cuatro anillos concéntricos de luz que se expanden sucesivamente con una diferencia temporal de decenas de microsegundos. El Detector de Fluorescencia (FD) del Observatorio Pierre Auger ha estado detectando elves desde 2013. El observatorio fue desarrollado para detectar rayos cósmicos, pero el FD resultó ser un detector extraordinario en la observación de elves en comparación con las cámaras comunes de TLEs. La alta resolución temporal de 100 ns del FD permite un registro detallado de los eventos, proporcionando una descripción completa de la evolución espacial y temporal de los mismos. En esta investigación, mejoramos el procesamiento de las trazas de los elves desarrollando un nuevo código. El algoritmo anterior se centraba principalmente en analizar elves simples, mientras que el nuevo código identifica los picos más prominentes en la señal, realiza un ajuste gaussiano para obtener el tiempo promedio de cada pico y calcula la diferencia temporal entre ellos. Gracias a este nuevo enfoque, ahora podemos identificar y reportar elves dobles y triples a una tasa nunca observada antes. Durante el periodo 2014-2020, se detectaron 6737 elves en Auger, de los cuales el 27% son multi-elves. El origen de los multi-elves aún no se comprende completamente, y los mecanismos de producción propuestos incluyen la reflexión en el suelo del pulso electromagnético del rayo y los tiempos de subida y de bajada de los pulsos de las formas de onda del rayo. Gracias a la gran cantidad de datos de Auger, presentamos un número sin precedentes de 63 elves dobles y 30 elves triples en cuatro tormentas distintas en la región de Córdoba, Argentina, para probar los mecanismos propuestos actualmente. Estudiamos los tiempos base de las formas de onda de los rayos (proporcionados por la red Earth Networks) correlacionados con los elves detectados en el FD, y observamos que aquellos correlacionados con elves simples son más cortos que los correlacionados con multi-elves. Además, encontramos una relación lineal entre el tiempo base y la separación temporal de los multi-elves; es decir, a medida que el pulso se ensancha, los anillos de estos eventos se separan más. Además, nuestras observaciones muestran que la diferencia de tiempo entre los anillos no varía al aumentar la distancia de arco entre el punto de emisión en la ionosfera y la ubicación del rayo. Esto contrasta con el mecanismo de rebote del pulso electromagnético, que parece quedar descartado para nuestra muestra. Finalmente, observamos que los elves detectados en el observatorio Auger fueron inducidos por rayos que ocurrieron en las regiones más activas de la tormenta y con las nubes más altas, como se evidenció en las imágenes del satélite GOES-16, sin diferencias claras entre elves simples y multi-elves.
dc.description.abstractenglishElves are transient luminous events occurring above intense electrical storms. The light, emitted in the form of a rapidly expanding ring at the base of the ionosphere, is generated by the electromagnetic pulse of extreme lightning that propagates as a spherical wave from the lightning channel. Multi-elves are events consisting of two and up to four concentric rings of light expanding in succession with a time difference of tens of microseconds. The Fluorescence Detector (FD) at the Pierre Auger Observatory has been detecting elves with a dedicated trigger since 2013. The observatory was developed to detect cosmic rays but proved to be an extraordinary advancement in the observation of elves as compared to commonly adopted ground cameras. The FD's high temporal resolution of 100 ns allows for detailed event trace recording, therefore, leading to a full description of both the spatial and temporal evolution of the events. We enhanced trace processing by developing a new code as the previous algorithm primarily focused on analyzing single elves. This code identifies the most prominent peaks in the signal, performs Gaussian fitting to obtain the mean time of each peak, and calculates the temporal difference between them. Thanks to this new approach, we can now identify and report both double and triple elves at a rate never observed before. During the period 2014-2020, 6737 elves were detected by Auger, 27% of which are multi-elves. The origin of multi-elves is as yet not fully understood, with proposed production mechanisms including the reflection to the ground of the lightning's electromagnetic pulse and the rise and fall times of lightning's waveforms. Thanks to the Auger large sample, we present an unprecedented number of 63 double and 30 triple elves across four different storms of the Cordoba region, Argentina, to test the currently proposed mechanisms. We studied the base times of the lightning waveforms (provided by Earth Networks) correlated with the elves detected at the FD, and we observed that those correlated to single elves are shorter than those correlated to multi-elves. Moreover, we found a linear relationship between the base time and the time gap of multi-elves, i.e., as the pulse widens, the rings of these events become more separated. Furthermore, our observations show that the time difference between rings does not vary with increasing the arc distance between the emission point in the ionosphere and the lightning location. This is in contrast with the electromagnetic pulse bouncing mechanism, which therefore appears to be ruled out for our sample. Eventually, we observed that elves detected at the Auger observatory were induced by lightning occurring in the most active regions of the storm and with the highest cloud tops, as evinced by GOES-16 satellite images, with no clear differences between single and multi-elves.
dc.description.cvlachttps://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0000122875
dc.description.degreelevelDoctorado
dc.description.degreenameDoctor en Física
dc.description.googlescholarhttps://scholar.google.com/citations?hl=es&user=x4QEa34AAAAJ
dc.description.orcidhttps://orcid.org/0000-0001-7499-9302
dc.format.mimetypeapplication/pdf
dc.identifier.instnameUniversidad Industrial de Santander
dc.identifier.reponameUniversidad Industrial de Santander
dc.identifier.repourlhttps://noesis.uis.edu.co
dc.identifier.urihttps://noesis.uis.edu.co/handle/20.500.14071/44727
dc.language.isoeng
dc.publisherUniversidad Industrial de Santander
dc.publisher.facultyFacultad de Ciencias
dc.publisher.programDoctorado en Física
dc.publisher.schoolEscuela de Física
dc.rightsinfo:eu-repo/semantics/openAccess
dc.rights.accessrightsinfo:eu-repo/semantics/openAccess
dc.rights.coarhttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2
dc.rights.creativecommonsAtribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)
dc.rights.licenseAtribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombia (CC BY-NC-ND 2.5 CO)
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subjectEventos luminosos transitorios
dc.subjectELVES
dc.subjectOrigen de los multi-elves
dc.subjectAlta resolución temporal
dc.subjectForma de onda de rayos
dc.subject.keywordTransient luminous events
dc.subject.keywordELVES
dc.subject.keywordMulti-elves origin
dc.subject.keywordHigh temporal resolution
dc.subject.keywordLightning's waveforms
dc.titleCorrelation between multiple elves and storm dynamics at the Pierre Auger Observatory
dc.title.englishCorrelation between multiple elves and storm dynamics at the Pierre Auger Observatory
dc.type.coarhttp://purl.org/coar/resource_type/c_db06
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dc.type.localTesis/Trabajo de grado - Monografía - Doctorado
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