1. Introducción

El área de estudio está ubicada en la ciudad de Arequipa, que comprende el Volcán Misti, Complejo volcánico Chachani y Complejo volcánico Pichupichu, geológicamente está ubicados en la zona volcánica de la cordillera de los Andes, y expuestos a sismos tectónicos, porque están ubicados en la zona de subducción de la placa de Nazca y la Placa continental Sudamericana. y los cerros circundantes están ubicados en la zona sur y suroeste con respecto a la estación del Observatorio de Characato. Los volcanes de la ciudad de Arequipa son de mayor interés, la ciudad de Arequipa alberga 1 millón 382 mil 730 habitantes (INEI 2018). El motivo del interés de estos es debido al peligro potencial que representa el Volcán Misti porque es considerado un volcán activo, que puede eventualmente ocasionar un desastre de grandes magnitudes, al hacer erupción o causar un deslizamiento de las capas de tierra y escombros, tanto como el volcán Misti y los complejos volcánicos Chachani y Pichupichu, ya que estos están expuestos a procesos de erosión y sismos, que puedan dañar a la población que actualmente se encuentran en crecimiento año tras año acercándose cada vez más cerca de las faldas de los volcanes.

Objetivo General

• Monitoreo aplicando Geodesia espacial a los volcanes y cerros circundantes en la ciudad de Arequipa, para determinar deformación y Riesgo.

Objetivos Específicos

• Realizar el estudio de la topografía y Geomorfología, y ubicación de los puntos de monitoreo en el Volcán Misti, Complejo Volcánico Chachani y Complejo Volcánico Pichupichu.

• Diseñar e implementar el prototipo del pilar de monitoreo.

• Implementar un sistema de instrumentación de datos meteorológicos y GNSS.

• Realizar mediciones experimentales con el Laser TLR-3.

• Evaluar la Adquisición y procesamiento de datos.

Ubicación

Arequipa es uno de los veinticuatro departamentos y con 1 382 730 habitantes en 2017, y se encuentra ubicado en el sur del país. Su capital y ciudad más poblada es Arequipa. Y tiene una densidad demográfica de 21,8 hab/km². Está ubicado en el sur del país, limitando al norte con Ica, Ayacucho, Apurímac y Cuzco, al este con Puno, al sureste con Moquegua, al oeste con el océano Pacífico y al noroeste con Ica. Con 63 345 km² es el sexto departamento más extenso por detrás de Loreto, Ucayali, Madre de Dios, Cuzco y Puno (Fig. 01). Cuenta con 528 km de costas en el océano Pacífico el litoral regional más extenso, la zona costera es una de las porciones más secas del desierto costero, entretanto la región interior andina presenta valles escarpados y cañones.

2. Estudio de la topografía y Geomorfología del Volcán Misti, Complejo Volcánico Chachani y Pichupichu.

El área de estudio está ubicada entre los cuadrángulos de Characato y el cuadrángulo de Arequipa, se encuentra dentro de la Región Sur y está comprendida entre las coordenadas, (219300mE, 8210900mN) y (264200mE, 8168500mN), y políticamente se encuentra, casi en su totalidad, dentro de la Región Arequipa, el Volcán Misti (5822m.s.n.m.) está ubicado en la zona volcánica de los andes centrales, el Volcán Misti tuvo varios tipos de erupciones como Vulcaniano y de tipo Pliniano, (Cobeñas and Thouret 2012). El Complejo Volcánico Chachani, está conformado por 12 edificios volcánicos, el grupo de los edificios antiguos, construidos entre ~1 Ma y 642 Ka, conformado por las lavas del Chachani Base, los estratovolcanes Chingana, Estribo y Nocarane, y el domo El Colorado. Los edificios jóvenes (463 Ka - 56 Ka) conformados por los conos compuestos El Ángel y El Rodado, el cúmulo domo La Horqueta, los domos del Aeropuerto de Arequipa, los flujos de lava Uyupampa, (Aguilar and Thouret 2016). El Pichu Pichu es un complejo volcánico de edad plio - pleistocénica que corresponde a los volcánicos Chila y Barroso, localmente el volcánico Chila se halla discordantemente sobre el volcánico Llallahui estando constituido litológicamente por una alternancia de andesitas, brechas y conglomerados. El volcánico Barroso yace con discordancia erosional sobre el volcánico Chila y se halla cubierto por los flujos de barro y demás depósitos clásticos cuaternarios, litológicamente el volcánico Barroso está constituido por lavas y brechas en bancos (Portugal 2018). Los aparatos volcánicos formados por el volcanismo Plio-Pleistocenico, fueron considerablemente destruidos por la glaciación del Pleistoceno, actualmente se observa, como producto de ese proceso, extensos depósitos morrenicos y fluvioglaciares emplazados principalmente en las laderas bajas de las montañas (Guevara 1969).

3. Diseño del Prototipo de los Pilares de Monitoreo

Los pilares de monitoreo constan de una estructura de acero y de concreto de 1.80m de altura, y una base cuadrada de 1m por 1m, como se observa en la (Fig. 04). Estos prototipos se construirán en puntos específicos en lo flancos de los volcanes, en este pilar se instalará los instrumentos de medición GNSS en la parte superior y un prisma reflector, la instalación de sensores meteorológicos, el cual va estar adaptado a un módulo computacional para la transferencia de datos, Para desarrollar el prototipo se realizó la construcción en las instalaciones del Instituto de Investigación Astronómico y Aeroespacial Pedro Paulet. (IAAPP).

4. Adquisición de Datos GNSS y Datos Meteorológicos

Para desarrollar la adquisición de datos se implementó un sistema de control y transmisión vía GSM, instalados en el pilar de monitoreo conectados a los instrumentos de medición GNSS y los sensores Meteorológicos Humedad Presión y temperatura (Fig. 05).

Adquisición Datos GNSS

Un sistema global de navegación por satélite (Global Navigation Satellite System, GNSS) es una constelación de satélites que transmite rangos de señales utilizados para el posicionamiento y localización en cualquier parte del globo terrestre, ya sea en tierra, mar o aire. Estos permiten determinar las coordenadas geográficas y la altitud de un punto dado como resultado de la recepción de señales provenientes de constelaciones de satélites artificiales de la Tierra para fines de navegación, transporte, geodésicos, hidrográficos, agrícolas, y otras actividades afines. Un sistema de navegación basado en satélites artificiales puede proporcionar a los usuarios información sobre la posición y la hora (cuatro dimensiones) con una gran exactitud, en cualquier parte del mundo (Fig. 06), las 24 horas del día y en todas las condiciones climatológicas.

Las adquisiciones de datos se realizan vía remota desde los pilares donde estarán ubicados el GNSS hasta la estación del Observatorio, los datos serán almacenados en el servidor del IAAPP. Existen diferentes tipos de medidas, como el desplazamiento Doopler, es la variación aparente entre el valor de la frecuencia en función de la velocidad de acercamiento / alejamiento de la fuente emisora. Sí la fuente emisora de un tren de ondas: se acerca a un observador, entonces la frecuencia recibida es aparentemente mayor que la real. Si se aleja de un observador, entonces la frecuencia es menor. La pseudodistancia se obtiene calculando el tiempo que tarda una señal electromagnética emitida por el satélite en llegar hasta el dispositivo receptor, multiplicando por la velocidad de la luz, Medida de fase (diferencia de fase): Permite la máxima precisión, la base del método es que se controla en fase una emisión radioeléctrica hecha desde el satélite con frecuencia conocida y desde posición conocida.

Antena GNSS Choke Ring

Son instrumentos cuyo funcionamiento se basa en el sistema de posicionamiento satelital. son capaces de medir la posición de un lugar varias veces por segundo con una precisión que, dependiendo del método que se utilice, fluctúa entre milímetros y unos pocos centímetros. Con ellos es posible calcular desplazamientos del terreno en una amplia escala temporal y espacial, obteniendo registros de desplazamientos permanentes y de movimiento producido por el paso de ondas sísmicas provenientes de grandes terremotos. A diferencia de los sismómetros, los instrumentos de posicionamiento satelital no poseen nivel de saturación. Estos sensores pueden ser fijos o como puntos de control de deformación distribuidos (Fig. 07).

Adquisición de datos meteorológicos

Sistemas de medición meteorológicas modelos MET4 y MET4A suministran información de alta exactitud desde sensores que miden la humedad relativa, temperatura y presión barométrica. La medición de la presión es realizada con una resolución superior a 1 microbar con una exactitud total mejor que +/- 0.08 hPa sobre un rango barométrico extendido de 500 a 1100 hPa. La medición de temperatura es realizada con una resolución superior a 0.01ºC. Estos sistemas meteorológicos están totalmente integrados en el interior de una caja apta para intemperie, permitiéndose el montaje en el interior de ambientes o fuera de ello. El software y el hardware de instalación están incluidos y junto con los instrumentos, una interface opcional a través de cableado también está disponible. Una pantalla protectora protege a los sensores de humedad y temperatura de la precipitación y la radiación solar. Tanto el modelo MET4 como el modelo MET4A utilizan una conexión de presión de alta performance a fin de reducir los errores de la presión dinámica causada por el efecto del viento.

Un microprocesador electrónico suministra una salida lineal y totalmente compensada por temperatura a través de una salida de interfase bidireccional RS232/485. Esta interfase serie permite una configuración remota completa y control de todos los parámetros operacionales (Fig. 08). Incluyendo resolución, tipo de muestreos, selección de la unidad de ingeniería, tiempo de integración y comandos del muestreo. Las configuraciones opcionales incluyen un registro de datos internos y funciones barométricas especiales. Las funciones barométricas incluyen: presión de campo, presión del lugar de operación, calibración del altímetro barométrico, presión a nivel de mar, densidad en altitud y presión en altitud. El registro de datos internos puede almacenar alrededor de 200.000 puntos de datos de información en alta resolución. El barómetro Digiquartz utilizados en los modelos MET4 y MET4A tienen una garantía de estabilidad de 3 años, garantizándose que la misma es superior a 0,1 hPa por año e incluye una garantía limitada por el término de 5 años, siendo los primeros 2 años cubiertos al 100%. El sistema incluye una garantía limitada por 1 año. El sensor de temperatura es totalmente reemplazable en el campo de operación y la performance barométrica puede ser verificada utilizándose el patrón de presión portátil Paroscientific modelo 765-16B a través de la conexión de presión de alta performance, que poseen los instrumentos.

5. Mediciones Experimentales con el LASER TLRS-3

El sistema tiene un láser verde, longitud de onda de 532 nm, 100mJ de energía y pulsos de 150-200 picosegundos. Se dispara a 5 pps, rastreando un satélite con un error de 10 miligrados. Los datos del rastreo, que inicialmente eran enviados con Inmarsat System, ahora se envían por Internet. Al principio como referencia de tiempo era usado un Reloj Atómico de Cesio, pero en el año 2001 fue reemplazado por un reloj de Rubidio asociado a un receptor GPS, que tiene una precisión de 300 nanosegundos. La estación está actualmente en funcionamiento con 3 turnos diarios, obteniendo un rastreo de 24 horas al día por 5 días a la semana. La precisión obtenida es de 5 mm hasta 6000 km de distancia.

(Trasnporter Laser Ranging System), que está ubicado en las instalaciones del Instituto de investigación Astronómico Aeroespacial Pedro Paulet, utiliza láser de pulso corto y receptores ópticos de última generación y electrónica de sincronización para medir el tiempo de vuelo bidireccional, desde las estaciones terrestre hasta la matriz de retro-reflectores del satélite que está orbitando la tierra. Los productos científicos derivados del uso de datos incluyen posiciones de la órbita de satélites, Los sistemas de alcance láser ya miden la distancia unidireccional a los receptores ópticos remotos en el espacio y pueden realizar transferencias de tiempo muy precisas entre sitios muy alejados. Las actividades de alcance láser están organizadas bajo el Servicio Internacional de Alcance Láser (ILRS) que proporciona datos globales de alcance satelital y sus productos de datos derivados para respaldar la investigación en geodesia, geofísica, constantes fundamentales. Esto incluye productos de datos que son fundamentales para el Marco de Referencia Terrestre Internacional (ITRF), que es establecido y mantenido por el Servicio de Sistemas de Referencia y Rotación de la Tierra Internacional (IERS). El ILRS desarrolla los estándares / especificaciones globales necesarios para las actividades de alcance láser y fomenta la adhesión internacional a sus convenciones (Fig. 09). Las estaciones SLR operan como parte de una red global organizada bajo el International Laser Ranging Service (ILRS), un servicio de la IAG (Asociación Internacional de Geodesia). El Servicio incluye más de 40 estaciones, todas ubicadas con GNSS y algunas con VLBI y DORIS. El ILRS establece los estándares para el funcionamiento de la red, recopila y valida los datos y los pone a disposición de los usuarios a través de sus dos centros de datos oficiales en CDDIS (Goddard) y EDC (DGFI) (Fig. 10).

Este rastreo es de interés de Agencias Espaciales o Proyectos de Investigación que colocan sus satélites equipados con re-troreflectores en órbita y que solicitan los servicios de la Organización Mundial de Rastreo de Satélites por Láser (ILRS), a la cual pertenece la NASA con ocho estaciones distribuidas en el mundo.

La estación de Arequipa funcionó desde 1958, bajo Convenio de cooperación entre el Smithsonian Institution con la Universidad Nacional de San Agustín (UNSA) se financia la adquisición de un terreno en distrito de Characato, especialmente destinado para el funcionamiento del Observatorio.

Ya bajo un convenio directo de NASA y UNSA, vigente desde 1983, se precisa que la UNSA designe profesionales para las labores de Operación y Mantenimiento, bajo la supervisión constante de expertos de NASA, institución que la proporciona el financiamiento y renueva constantemente los equipos. La decisión de instalar esta estación en Arequipa obedeció a su buen clima, altura y a su cielo siempre despejado, condiciones que son necesarias para el desarrollo de sus actividades.

Mediciones Experimentales con el Laser (TLRS-3)

En las instalaciones del Observatorio se construyó los pilares de monitoreo, para realizar mediciones con láser, el proceso de medición se realizó durante un determinado tiempo, se generó una base de datos, para llevar el registro y luego ser procesada, se tomó en consideración, el pilar A como el complejo Volcánico Chachani, El pilar B se consideró como análogo de Volcán Misti, y el pilar C como análogo de Complejo Volcánico Pichupichu (Fig. 11).

6. Evaluación de Resultados

El procesamiento de los datos, se mostrarán en la página web del instituto de Investigación Astronómico y Aeroespacial Pedro Paulet, cuyo link es: datos meteorológicos.