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Introducción
Estudios demuestran que de los 500 hotspots o lugares de mayor actividad de rayos en el globo terrestre, 283 de ellos se ubican en África, 87 en Asia, 67 en Suramérica, 53 en Norteaérica y 10 en Oceanía. Sin embargo, el sitio con mayor tasa de densidad de rayos (FRD) se encuentra sobre el lago de Maracaibo, al norte de Venezuela, en donde se registran en total 233 descargas km2/año (Albrecht et al., 2016), seguido por el hotspot hallado en la cuenca del Congo con un total de 205 descargas km 2 año (Christian et al., 2003). Siete de los 10 sitios de mayor actividad de rayos en Suramérica se encuentran en Colombia, ya que su territorio se ubica en la zona de convergencia intertropical, donde confluyen los vientos alisios del sureste y del noreste, para los cuales las tres cordilleras que atraviesan la superficie del país sirven como barrera natural (Albrecht et al., 2016), lo que favorece la formación de tormentas eléctricas a altitudes entre 500 y 1500 m s. n. m., en donde se presentan los valores máximos de densidad de descargas a Tierra (DDT) (Aranguren et al., 2017).
De esta manera, en la totalidad del territorio nacional se presentan alrededor de 8 millones de descargas atmosféricas nube-tierra al año (Torres, 1991). A pesar de que la densidad de descargas a Tierra varía de un año a otro, los lugares con alta actividad de rayos en Colombia se ubican siempre en regiones como el valle central del río Magdalena, el Catatumbo y el valle del río Cauca, en donde se registraron entre 1999 y 2013 valores máximos promedio de 34,6 descargas km2 año (Herrera et al., 2018).
Las descargas atmosféricas son uno de los fenómenos naturales de mayor impacto en la sociedad en general, dado que hacen vulnerables a sistemas de soporte y asistencia vital y edificaciones con gran afluencia de personas o que contengan equipos frágiles (Ibáñez et al., 2005); ocasionan salidas de líneas de distribución y transmisión (Avendaño e Ibáñez, 2000); causan daños en sistemas eléctricos y generadores eólicos (Avendaño et al., 2003), y problemas de compatibilidad electromagnética en los sistemas de comunicaciones y afectación directa a sistemas de aviación (Rakov y Uman, 2003). Con lo que se producen pérdidas económicas y de vidas humanas y se afectan los indicadores de calidad de energía eléctrica como el SAIDI y el SAIFI. Por ello, el entendimiento de este fenómeno natural y su caracterización son de suma importancia para poder diseñar sistemas de protección más robustos, y elaborar planes encaminados a proteger vidas humanas y a mitigar daños materiales y pérdidas económicas (Del Río Trujillo, 2018).
Las estructuras elevadas tienen más probabilidad de ser impactadas por rayos que sus alrededores (Rachidi et al., 2008), dado que responden con líderes ascendentes de captura a los líderes escalonados que descienden de la atmósfera (Rakov y Uman, 2003). Así mismo, mientras que en las tormentas de invierno en latitudes medias se observa claramente cómo las estructuras elevadas inician líderes ascendentes, formando puntos de muy alta actividad de rayos (Montanyà et al., 2014; Mostajabi et al., 2018; Candela Garolera et al., 2015), las regiones tropicales como Colombia presentan DDT muy elevadas, por lo que es difícil que la actividad en un punto concreto, o sobre alguna estructura, pueda sobrepasar la media de la región y por tanto no resulta evidente la identificación de hotspots y tampoco la influencia de estructuras elevadas allí ubicadas en la cantidad de impactos de rayo. Hasta el momento, los sitios de alta actividad de rayos se han determinado con base en la ocurrencia espacial de descargas nube-tierra a través del parámetro de la DDT. La metodología planteada se basa en la ocurrencia temporal de descargas nube-tierra (CG, por su sigla en inglés); es decir, para que una región sea un hotspot, se debe repetir el número de rayos y conservarse en el tiempo, o lo que es igual, se debe presentar de manera recurrente.
En este trabajo se determinan los lugares y las estructuras elevadas con mayor cantidad de impactos de rayo en los municipios de Barrancabermeja y Yondó, a partir de información proporcionada por la Red Colombiana de Detección Total de Rayos, con tecnología LINET y se estudia la influencia de estructuras elevadas como torres de transmisión, antenas de telecomunicaciones y edificaciones en la actividad de rayos en esta región. Luego, presenta la metodología usada para la determinación de hotspots y estructuras, los cuales se agrupan en la sección de resultados. Por último, a modo de conclusiones, se da el número de sitios de mayor actividad de rayos por municipio y la presencia de estructuras elevadas en cada uno de ellos. Se espera que los sitios en donde se ubica alguna estructura elevada correspondan a un hotspot o que, en general, tengan un número significativo de impactos de rayo.
Metodología
Base de datos: Red Colombiana de Detección Total de Rayos con tecnología LINET
En 2011 entra en operación la red de localización y detección de rayos (LINET), propiedad de Keraunos S. A. S. Esta red opera en rangos de frecuencia VLF/LF y es un sistema Total Lightning que entrega parámetros para cada stroke como el tiempo de ocurrencia, latitud, longitud, amplitud de la corriente de retorno, polaridad, tipo de descarga y altura de emisión, usando técnicas de tiempo de arribo (TOA, por su sigla en inglés) (Aranguren et al., 2013). Para la obtención de estos datos, se ubicaron 19 sensores en lugares estratégicos del territorio nacional, como se muestra en la figura 1, donde la separación entre sensores varía entre 90 km y 140 km (Aranguren et al., 2017).
Con esta distribución se logra una eficiencia en la detección de descargas nube-tierra del 99 % en zonas centrales del país; del 95 %, para regiones más alejadas como el Pacífico, la Caribe, la Orinoquía occidental y el bajo Cauca; del 90 %-80 %, para la Orinoquía oriental y el suroeste del país, y del 60 %, para la Amazonía. Para descargas intranube, estos valores de eficiencia disminuyen considerablemente y varían entre el 80 % y el 20 %.
Cuando ocurre una descarga eléctrica, cada estación registra la forma de onda del campo magnético y su estampa de tiempo. Los datos de la detección son enviados en tiempo real por cada estación a una Unidad de Procesamiento Central, en la cual se ejecuta el algoritmo de detección de rayos que realiza la identificación y determinación de los parámetros de la descarga. Cada estación de medida se conforma de una antena de campo magnético que opera en las frecuencias VLF/LF, una antena GPS y una unidad de procesamiento de señal (Aranguren et al., 2013).
Procesamiento de datos de la Red LINET
La Red LINET cataloga las descargas nube-tierra como tipo 1, y las intranube como tipo 2. En este estudio solo se tuvieron en cuenta las descargas tipo 1 (strokes), lo que permite encontrar los sitios y estructuras elevadas con mayor cantidad de impactos de rayo. Teniendo en cuenta que hay zonas en el país en donde la amplitud mínima detectable de la corriente pico de descarga es de 10 kA (Aranguren et al., 2013; Williams, 2001), no se consideraron los impactos con corrientes menores a este valor. Los datos procesados de la Red LINET se encuentran desde enero de 2016 hasta febrero de 2020.
Estructuras elevadas, clasificación y radio de influencia
Mediante Google Earth y Google Street View se encontraron las coordenadas geográficas de un total de 616 estructuras elevadas ubicadas en los municipios de Barrancabermeja y Yondó. La totalidad de estructuras halladas se dividió en cuatro grupos: torres de transmisión de más de 20 m, antenas de telecomunicaciones de más de 30 m, edificios de más de 10 pisos de altura y otras estructuras como tanques elevados y reflectores de estadio. Para cada estructura se establece un radio de influencia de 300 m, teniendo en cuenta el error medio de localización la Red LINET; entonces, si una descarga CG se ubica dentro de dicho radio, se considera que impactó la estructura. La totalidad de estructuras halladas se encuentran dentro de la zona de alta eficiencia en la detección de la red Lightning Mapping Array (LMA), instalada en Barrancabermeja en 2018 y que detecta fuentes de radio en VHF emitidas por líderes de rayo en sus procesos de ionización. De esta manera, es posible reconstruir la propagación espacial y temporal de descargas atmosféricas (Rison et al., 1999) y establecer su interacción con alguna estructura elevada. La red está compuesta por 6 estaciones, 4 de ellas ubicadas en campos petroleros de Ecopetrol, como Lisama, La Cira, Llanito y Casabe, y 2 en universidades como la Unipaz y la sede UIS Barrancabermeja, desde donde se establece la zona de alta eficiencia que corresponde a un radio de 45 km; en esta se pueden mapear las fuentes emitidas en los procesos de propagación de líderes de rayo y por tanto se minimiza el error en la localización de estas.
Localización de impactos y recuadros de 600 m de lado en los municipios a analizar
Para la caracterización de las zonas con mayor incidencia de rayos nube-tierra se ubicó cada stroke registrado por la Red LINET como un punto en el espacio, y se creó una cuadrícula de 600 m de lado sobre la superficie de los municipios de interés donde cada recuadro se aproxima a circunferencias con radio de 300 m que corresponde a la exactitud promedio de la Red LINET en la zona de estudio. Se evita el uso de circunferencias, ya que al ubicar círculos tangentes entre sí quedarían zonas por fuera de ellos, las cuales no se analizarían; en cambio, se traza una cuadrícula donde se circunscribe cada círculo y también se analiza la zona que queda por fuera de este. La figura 2 ilustra la metodología utilizada.
Fuente: Elaboración propia
Figura 2 Área de análisis usando a) recuadros de 600 m de lado; b) círculos tangentes de 300 m de radio
Además, la cuadrícula da resultados más exactos, dado que el área del recuadro es menor que la que se ha usado en la determinación de la DDT, lo que muestra con menor incertidumbre la influencia de la topografía del terreno en la actividad de rayos
Determinación del total de impactos por cuadrícula y por estructura
Mediante la herramienta análisis de puntos del programa QGIS, que permite cuantificar la cantidad de puntos dentro de cada polígono rectangular, se determina el número de impactos por cuadrícula, de esta manera se localizan mediante un centroide las zonas de mayor cantidad de impactos de rayo o hotspots.
En cuanto al análisis de estructuras elevadas, la información de la Red LINET se procesó diariamente para así determinar los días en que hubo una mayor interacción de descargas atmosféricas con estructuras elevadas. Para cada día se determinaron y cuantificaron las descargas que estuvieron dentro del radio de influencia de cada estructura y, finalmente, se escogieron las veinte estructuras elevadas con mayor cantidad de impactos.
Resultados
Estructuras elevadas
La figura 3 muestra la ubicación de las 616 estructuras elevadas encontradas en los municipios de Barrancabermeja y Yondó, entre las que se encuentran 549 torres de transmisión con alturas entre 40 m y 70 m, 31 torres de telecomunicaciones con alturas que varían entre 60 m y 70 m, 22 edificaciones de más de 30 m y 4 estructuras de iluminación de estadios de 50 m.
La mayoría de las torres de transmisión forman parte del Sistema de Transmisión Nacional (STN) y corresponden a líneas de extra alta tensión como Barranca-Comuneros 230 kV, Comuneros-La Cira 230 kV, Comuneros-Meriléctrica 230 kV y de alta tensión como Barranca Lizama 115 kV, Barranca-San Silvestre 115 kV, San Silvestre-Lizama 115 kV y Barranca-Puerto Wilches 115 kV. Así mismo, las antenas de telecomunicaciones se ubican en el casco urbano de Barrancabermeja y en el costado oriental de Yondó. La figura 4 ilustra la caracterización de estructuras elevadas según la cantidad de impactos de rayo en el periodo de tiempo de estudio.
Fuente: Elaboración propia
Figura 4 Caracterización de estructuras elevadas según la cantidad de impactos de rayo recibidas
De acuerdo con la figura 4, las estructuras que se ubican en el casco urbano de Barrancabermeja, como edificaciones y antenas de telecomunicaciones, y la mayoría de las de Yondó, presentan una alta interacción con descargas atmosféricas, siendo la estructura de mayor número de impactos una torre de transmisión de 70 m de altura localizada en Yondó al finalizar el puente que cruza el río Magdalena. Se observa un aumento en la actividad de rayos en límites de los dos municipios en mención, especialmente en las torres de transmisión de 230 kV ubicadas cerca de la central termoeléctrica Termobarranca (dentro de la circunferencia negra) y en las estructuras de las líneas de extra alta tensión que salen de esta subestación como la línea Barranca-Comuneros 230 kV.
Así mismo, algunas estructuras de las líneas que llegan a la subestación Lizama 115 kV provenientes de Barranca 115 kV y San Silvestre 115 kV presentan una importante interacción con descargas atmosféricas, como se observa en los puntos de coloración oscura a la derecha de la figura anterior. La figura 5 ilustra las veinte estructuras elevadas con mayor cantidad de impactos de rayo.
Estas estructuras, sus características, ubicación e impactos de rayo se muestran en la tabla 1, donde aparecen torres de transmisión (TRANS), antenas de telecomunicaciones (TELECO), edificaciones (EDIF), tanques elevados (TANQUE) y reflectores de estadio (REFL).
Tabla 1 Estructuras con mayor número de impactos en Barrancabermeja-Yondó
| Torre | Lat. | Long. | Tipo | Altura [m] | Impact |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 7,076 | -73,898 | TRANS | 70 | 46 |
| 583 | 7,077 | -73,830 | TANQUE | 50 | 41 |
| 585 | 7,077 | -73,852 | TELECO | 50 | 41 |
| 184 | 7,044 | -73,932 | TRANS | 60 | 39 |
| 609 | 7,077 | -73,853 | EDIF | 50 | 39 |
| 182 | 7,051 | -73,929 | TRANS | 60 | 37 |
| 23 | 7,070 | -73,824 | TRANS | 60 | 36 |
| 587 | 7,076 | -73,852 | TELECO | 50 | 36 |
| 209 | 7,076 | -73,851 | EDIF | 40 | 35 |
| 598 | 7,058 | -73,861 | EDIF | 40 | 35 |
| 106 | 7,091 | -73,894 | TRANS | 70 | 34 |
| 183 | 7,047 | -73,930 | TRANS | 60 | 34 |
| 605 | 7,068 | -73,858 | EDIF | 40 | 34 |
| 607 | 7,076 | -73,853 | EDIF | 40 | 34 |
| 64 | 7,10 | -73,880 | TRANS | 60 | 33 |
| 75 | 7,089 | -73,866 | TRANS | 60 | 33 |
| 91 | 7,097 | -73,890 | TRANS | 60 | 33 |
| 105 | 7,092 | -73,894 | TRANS | 70 | 33 |
| 198 | 7,06 | -73,855 | EDIF | 40 | 33 |
| 616 | 7,072 | -73,864 | REFL | 40 | 33 |
Fuente: Elaboración propia
El 50 % de estructuras elevadas con mayor número de impactos de rayo corresponden a torres de transmisión debido a que son las que presentan alturas mayores, las cuales varían entre 60 m y 70 m. La segunda estructura en la lista corresponde a un tanque elevado ubicado en el casco urbano de Barrancabermeja. Así mismo, aparecen dos antenas de telecomunicaciones de 50 m y seis edificaciones con alturas promedio de 40 m. Las estructuras 182, 183 y 184 corresponden a una línea de transmisión de 115 kV en Yondó en donde, según estudios como Aranguren et al. (2017), se registra un aumento de la DDT.
Partiendo de la información de descargas nube-tierra suministrada por la Red LINET, se realizó un análisis diario para cada estructura entre noviembre de 2018 y noviembre de 2019. La figura 6 muestra la actividad de rayos el 23 de noviembre de 2018. Los puntos amarillos corresponden a descargas nube-tierra detectadas por la Red LINET, de los cuales los puntos rojos corresponden a descargas dentro del radio de influencia de la Red LMA, y por último, los puntos azules corresponden a descargas directas sobre alguna estructura elevada. Para este día en particular hubo 233 impactos (strokes) sobre estructuras elevadas, que alcanzaron una corriente máxima de -119,7 kA, de esta manera se pueden determinar las fechas de mayor interacción de impactos de rayo y estudiar su propagación a través de las fuentes mapeadas por la Red LMA en estudios posteriores.
Fuente: Elaboración propia
Figura 6 Impactos de rayo en estructuras elevadas el 23 de noviembre de 18
Con base en lo anterior, en la tabla 2 se determinan los impactos de rayo en estructuras y la cantidad de impactos dentro del radio de influencia de la Red LMA por mes.
Tabla 2 : Impactos de rayo en estructuras y dentro del radio de influencia de la Red LMA entre noviembre de 2018 y 2019.
| Mes | Imp. estruct. | Imp. inf. LMA |
|---|---|---|
| Nov. 18 | 748 | 14587 |
| Dic. 18 | 3 | 374 |
| Ene. 19 | 3 | 755 |
| Feb. 19 | 37 | 5221 |
| Mar. 19 | 195 | 5794 |
| Abr. 19 | 162 | 10600 |
| May. 19 | 787 | 14567 |
| Jun. 19 | 393 | 10420 |
| Jul. 19 | 283 | 7549 |
| Ago. 19 | 243 | 11955 |
| Sep. 19 | 487 | 13482 |
| Oct. 19 | 488 | 12640 |
| Nov. 19 | 685 | 14994 |
Fuente: Elaboración propia
En mayo y noviembre se presenta una alta interacción de descargas atmosféricas con estructuras elevadas. Septiembre y octubre tienen una interacción media alta; junio, julio y agosto, un nivel medio; marzo y abril, un nivel medio-bajo, y diciembre, enero y febrero una baja interacción de rayos con estructuras elevadas. Este mismo comportamiento se presenta con las descargas dentro del radio de influencia de la Red LMA.
Haciendo un estudio más detallado, la tabla 3 muestra los días con mayor cantidad de impactos de rayo sobre estructuras elevadas.
Hotspots
Los sitios con mayor cantidad de impactos de rayo se muestran en la figura 7, en donde las tonalidades oscuras indican una mayor actividad de rayos.
Fuente: Elaboración propia
Figura 7 Sitios con mayor cantidad de impactos de rayo en los municipios de Barrancabermeja y Yondó
Teniendo en cuenta el periodo de estudio estipulado en la metodología, se encontraron 269 sitios con más de 40 impactos de rayo en los municipios de Barrancabermeja y Yondó, siendo una zona boscosa ubicada al oriente de este último (con coordenadas geográficas 6.978, -73.976) el sitio con mayor cantidad de impactos con un total de 68.
De la totalidad de hotspots, 34 se ubican en el municipio de Barrancabermeja y 235 en Yondó, esto último coincide con mapas de DDT realizados en la zona en donde se evidencia una alta la actividad de rayos en Yondó, en comparación con Barrancabermeja. Los recuadros en tonalidades oscuras que se muestran en la figura 5 (de 56 a 68 descargas) coinciden con los sitios de mayor cantidad de descargas por kilómetro cuadrado por año, o DDT, los cuales tienen entre 40,4 y 53,9 descargas km2 año.
Para el caso de Yondó, la mayoría de sitios de alta actividad de rayos en la región occidental corresponden a zonas boscosas, y algunos de ellos se ubican cerca de la ribera del río Magdalena. En la región central se observa una zona de alta densidad de hotspots comprendida entre latitudes de 7.0 y 7.1 grados, y longitudes de -74.1 y -74.2 grados. En el costado oriental, los sitios de mayor actividad hallados se distribuyen ampliamente, algunos de ellos se hallan en campos petroleros cercanos al casco urbano de Yondó. Esta zona es la que presenta la mayor actividad de rayos ya que se encontraron al menos 7 sitios en donde hubo entre 59 y 68 impactos.
Para el caso de Barrancabermeja, se encontraron 9 hotspots en el casco urbano del municipio; otros 2, cercanos a la ciénaga de San Silvestre; 2, en la central de generación térmica Barranca, y los restantes, en zonas boscosas o en cercanas a la ribera del río Magdalena, como se observa en los costados norte y sur del municipio. De la totalidad de hotpots hallados, solo 4 de ellos presentan más de 45 impactos y en los sitios remanentes se registran al menos 40 impactos. La tabla 4 muestra los 20 sitios con mayor cantidad de impactos de rayo en los municipios de estudio.
Tabla 4 Sitios con mayor cantidad de impactos de rayo
| Hotspot | Impactos | Latitud | Longitud |
|---|---|---|---|
| 1 | 68 | 6,978 | -73,976 |
| 2 | 62 | 7,022 | -73,889 |
| 3 | 60 | 6,756 | -74,307 |
| 4 | 59 | 6,908 | -74,307 |
| 5 | 59 | 7,038 | -73,889 |
| 6 | 58 | 6,929 | -74,252 |
| 7 | 58 | 7,076 | -73,899 |
| 8 | 58 | 6,956 | -74,252 |
| 9 | 58 | 7,065 | -74,138 |
| 10 | 56 | 6,978 | -73,970 |
| 11 | 56 | 7,032 | -73,921 |
| 12 | 56 | 7,043 | -73,921 |
| 13 | 55 | 7,005 | -73,948 |
| 14 | 55 | 7,060 | -74,117 |
| 15 | 54 | 6,777 | -74,312 |
| 16 | 54 | 7,070 | -74,138 |
| 17 | 53 | 7,060 | -74,133 |
| 18 | 53 | 7,022 | -73,921 |
| 19 | 53 | 7,060 | -74,111 |
| 20 | 52 | 6,875 | -74,366 |
Fuente: Elaboración propia
Lo anterior se muestra en la figura 8 donde se evidencia que la totalidad de estos sitios se ubican en el municipio de Yondó, lo que es coincidente con mapas de DDT como el mostrado en Aranguren et al. (2017), donde se evidencia una amplia zona de mayor actividad de rayos en este municipio, en comparación con Barrancabermeja.
Ahora bien, de la totalidad de hostpots hallados se determinó en cuántos de ellos se ubicó alguna estructura elevada, de las que se muestran en la figura 2, con el fin de estudiar su influencia en la cantidad de impactos de rayo en determinada región. En la figura 9 se evidencia lo expuesto anteriormente, se observan nueve torres de transmisión presentes en algún hotspot, las cuales, debido al elevado número de impactos, registran la más alta probabilidad de flameos inversos hacia los conductores de fase, lo que ocasiona salidas de las líneas. Así mismo se observa una importante influencia del urbanismo en la determinación de los sitios con mayor cantidad de impactos de rayo, esto se demuestra dado que en el casco urbano de Barrancabermeja se ubican 7 hotspots, de los cuales en 4 se localizan antenas de telecomunicaciones y en tres edificaciones.
Conclusiones
Se localizaron 616 estructuras elevadas en los municipios de Barrancabermeja y Yondó, de las cuales se escogieron las 20 con mayor cantidad de impactos de rayo que corresponden en un 50 % a torres de transmisión, siendo la estructura de mayor número de impactos una torre de transmisión de 70 m de altura localizada en límites de los dos municipios de estudio, con un total de 68 impactos. Estructuras elevadas presentes en el casco urbano de Barrancabermeja y la totalidad de las halladas en Yondó registran una importante interacción con descargas atmosféricas, así como las torres de transmisión cercanas a la central de generación térmica Termobarranca.
Se encontraron los sitios con mayor actividad de rayos, de los cuales, 34 se ubican en Barrancabermeja y 235 en Yondó, lo que concuerda con mapas de densidad de descargas a Tierra (DDT) hechos en la zona en donde se presenta un aumento en la cantidad de descargas por kilómetro cuadrado por año en Yondó, en comparación con Barrancabermeja.
De las 27 estructuras elevadas encontradas en Yondó, solo 6 se ubican en algún hotspot, lo que muestra que en este municipio la presencia de alguna estructura elevada no garantiza un hotspot y que los sitios de mayor actividad de rayos no se ven influenciados por la presencia de estructuras elevadas. Ahora bien, para el caso de Barrancabermeja, se hallaron 10 estructuras elevadas en algún hotspot, de las cuales 7 se ubican en el casco urbano donde se encontraron 9 hotspots, de donde se infiere que en este municipio el urbanismo y la presencia de estructuras elevadas sí aumenta la actividad de rayos.
