Embed Size (px)
Citation preview
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
_______________________
Nguyễn Thu Trang
NGHIÊN CỨU CÁC NGUYÊN NHÂN
GÂY BIỀN THIÊN HÀNG NGÀY ĐỐI VỚI
SỰ PHÁT TRIỂN CỦA SPREAD F XÍCH ĐẠO
Chuyên ngành: Vật lý địa cầu
Mã số: 62 44 15 01
(DỰ THẢO) TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
Hà Nội – 2015
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Khoa học Tự
nhiên (ĐHQG Hà Nội)
Người hướng dẫn khoa học : TS. Lê Huy Minh
TS. Roland Takuya Tsunoda
Phản biện: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Phản biện: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Phản biện: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia
chấm luận án tiến sĩ họp tại . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
vào hồi giờ ngày tháng năm 20...
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
- Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội
1
MỞ ĐẦU
Spread F xích đạo (Equatorial Spread F - ESF) là hiện tượng
bất ổn định theo phương ngang của cấu trúc plasma điện ly lớp F
vào ban đêm. Hiện tượng gây ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu
vô tuyến phản xạ hay truyền xuyên qua tầng điện ly. Do không
có biện pháp kỹ thuật giúp giảm thiểu tác hại này, bài toán đặt ra
là nâng cao khả năng dự báo sự xuất hiện của hiện tượng để thiết
lập và điều khiển chế độ phát – truyền thông tin thích hợp nhằm
tránh các khu vực bất ổn định điện ly. Vì vậy, việc mô tả đúng
bản chất của ESF là mục tiêu cơ bản nhất - đã và đang là câu hỏi
cho các nhà khoa học toàn cầu trong hơn tám thập kỷ qua và ngày
càng trở nên cấp thiết do sự phát triển nhanh chóng của nhu cầu
ứng dụng công nghệ không gian vào cuộc sống.
Cho đến hiện nay, vẫn chưa có lý thuyết hoàn chỉnh về nguyên
nhân gây hoạt động ESF hàng ngày tại một vị trí địa lý cụ thể.
Các nghiên cứu vẫn đang đi theo hướng tìm hiểu vai trò của hai
yếu tố điều khiển ESF là sự nâng lên của lớp F sau hoàng hôn
(Post-SunSet Rise of F layer – PSSR) và cấu trúc dạng sóng quy
mô lớn (Large-Scale Wave Structure - LSWS). Trong khi PSSR
có lịch sử nghiên cứu khoảng 80 năm với nguồn số liệu dồi dào
từ thăm dò mặt đất (máy thăm dò điện ly) và nhiều vệ tinh thì
LSWS mới được chú ý trong 10 năm gần đây với nguồn số liệu
hạn chế từ quan trắc trong khoảng thời gian ngắn của một thiết
bị mặt đất (radar ALTAIR) và vệ tinh chuyên dụng (C/NOFS).
Vì thế, việc tìm kiếm các nguồn số liệu giúp mô tả gián tiếp
LSWS là rất cần thiết trong hướng nghiên cứu về yếu tố điều
khiển này nói riêng và nghiên cứu ESF nói chung.
2
ESF là chủ đề khá mới và chưa được nghiên cứu thỏa đáng ở
nước ta do thiếu thiết bị và cơ sở vật chất cần thiết, mặc dù kết
quả nghiên cứu toàn cầu đã chỉ ra một số đặc tính khác biệt chưa
thể giải thích của hoạt động spread F tại khu vực quanh Việt
Nam. Có ba đài - trạm quan trắc trên lãnh thổ Việt Nam đã từng
có các máy thăm dò điện ly và hệ thu tín hiệu vệ tinh GRBR
(GNU Radio Beacon Receiver) từ C/NOFS hoạt động; tuy nhiên,
hiện nay chỉ còn duy nhất 1 thiết bị thăm dò thẳng đứng tại Bạc
Liêu, được vận hành và khai thác bởi các nhà khoa học Nhật Bản.
Do vậy, cần có biện pháp khai thác hiệu quả số liệu hiện có ở
nước ta theo các hướng nghiên cứu mới, đặc biệt là số liệu từ máy
thăm dò điện ly thẳng đứng. Lợi ích của nghiên cứu ESF không
chỉ giúp tìm kiếm thêm hiểu biết cơ bản về hiện tượng mà còn
hướng đến mục tiêu từng bước ứng dụng vào thực tiễn trong nước
nhằm nâng cao hiệu quả của truyền thông - định vị vệ tinh. Tuy
nhiên, câu hỏi đặt ra là làm cách nào tham gia vào quá trình
nghiên cứu hiện tượng này với điều kiện thực tế với số liệu quan
trắc tại Việt Nam? Nghiên cứu sinh chọn giải pháp là nghiên cứu
ESF tại khu vực khác (Trung tâm Thái Bình Dương), nơi có nhiều
nguồn số liệu - đặc biệt dồi dào về số liệu thăm dò thẳng đứng -
để hiểu rõ hơn hiện tượng và sau đó áp dụng phương pháp nghiên
cứu với số liệu trong nước.
Đề tài “Nghiên cứu các nguyên nhân gây biến thiên hàng ngày
đối với sự phát triển của spread F xích đạo” được chọn xuất phát
từ nhu cầu tiếp cận hướng nghiên cứu đang rất được quan tâm về
ESF, bước đầu trang bị và nâng cao năng lực nghiên cứu chủ đề
này bằng việc sử dụng tất cả các nguồn số liệu, tài liệu hiện có
thu thập được tại cùng một khu vực để nghiên cứu đồng thời hai
3
nguồn kích thích trong việc tìm kiếm thêm đặc tính hình thành -
xuất hiện ESF ở quy mô thời gian ngắn hơn so với tất cả các báo
cáo đã công bố. Đây là bước trung gian hướng đến mục tiêu cuối
cùng là nghiên cứu biến thiên ESF hàng ngày.
Mục đích của luận án: bao gồm hai phần. Thứ nhất, luận án
làm sáng tỏ phương pháp trích lọc thông tin từ thăm dò thẳng
đứng (điện ly đồ) cho việc nghiên cứu cấu trúc dạng sóng quy
mô lớn và cấu trúc bong bóng plasma xích đạo (Equatorial
Plasma Bubbles - EPB). Đây là điểm quan trọng trong phương
pháp sử dụng điện ly đồ cho mô tả gián tiếp hai hình thái phát
triển ESF vào giai đoạn đầu tiên và cuối cùng trong bối cảnh khan
hiếm số liệu quan trắc trực tiếp. Thứ hai, luận án đóng góp thêm
một vài bằng chứng nhằm tiếp tục làm sáng tỏ các quan điểm
hiện tại về nguyên nhân gây biến thiên hoạt động ESF hàng ngày
tại khu vực nghiên cứu và đánh giá vai trò của các yếu tố điều
khiển ESF.
Đối tượng nghiên cứu của luận án: bao gồm hiện tượng
spread F và hai nguồn gây ra sự biến đổi hoạt động này theo thời
gian trong phạm vi các đảo thuộc Trung tâm Thái Bình Dương
và hoạt động của spread F - cấu trúc bong bóng plasma xích đạo
tại Việt Nam và khu vực lân cận.
Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án: là góp
phần làm sáng tỏ lý thuyết về yếu tố điều khiển hoạt động ESF ở
quy mô thời gian hàng tháng, hướng đến việc áp dụng phương
pháp nghiên cứu cho các quy mô thời gian ngắn hơn; ý nghĩa
thực tiễn của luận án là khả năng áp dụng kết quả nghiên cứu vào
dự báo ESF trong mối quan hệ với hoạt động của hệ thống truyền
thông - định vị vệ tinh tương lai.
4
Những điểm mới của luận án:
- Khẳng định bằng chứng mới về vết phản xạ nhiều lần là dấu
hiệu điện ly đồ của cấu trúc dạng sóng quy mô lớn.
- Nghiên cứu đồng thời vai trò của hai yếu tố kích thích đối
với spread F ở quy mô thời gian hàng tháng cho thấy vận tốc
nâng lên thẳng đứng cực đại của lớp F đóng vai trò quan trọng,
trong đó có thể tồn tại hai nguồn kích thích khác nhau gây ra giá
trị vận tốc cực đại là sự biến đổi độ lớn của dòng điện xích đạo
vào phân điểm và lực triều số sóng 2 vào chí điểm.
- Dấu hiệu điện ly đồ của cấu trúc bong bóng plasma xích đạo
là các dạng spread F phức hợp quan trắc tại các trạm xa xích đạo
phân biệt với các dạng spread F xảy ra tại khu vực xích đạo từ.
Cấu trúc của luận án gồm bốn chương - ngoài phần mở đầu,
kết luận và kiến nghị về các nghiên cứu tiếp theo.
- Chương một: giới thiệu tổng quan về đặc tính của plasma
khu vực xích đạo từ, hiện tượng spread F và thiết bị nghiên cứu.
- Chương hai: giới thiệu kết quả nghiên cứu vai trò của cấu
trúc dạng sóng quy mô lớn đối với spread F.
- Chương ba: giới thiệu kết quả nghiên cứu về vai trò của hai
yếu tố điều khiển đối với spread F.
- Chương bốn giới thiệu kết quả nghiên cứu cấu trúc bong
bóng plasma cho khu vực Việt Nam theo hướng mở rộng và bổ
sung các nghiên cứu đã có.
Kết quả của luận án đã được công bố trong 1 báo cáo poster
tại hội nghị chuyên đề quốc tế, 2 bài báo quốc tế và 1 bài báo
trong nước.
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN LY VÙNG XÍCH
ĐẠO VÀ SPREAD F
5
1.1. Điện ly vùng xích đạo
Tầng điện ly của Trái Đất là khu vực khí quyển bị ion hóa một
phần nằm ở khoảng độ cao từ 60 đến 1000 km trên mặt đất. Vào
ban đêm, chỉ còn lớp F tồn tại ở khoảng độ cao 250 – 500 km.
1.2. Spread F xích đạo
1.2.1. Spread F xích đạo và quan trắc spread F xích đạo
Hình 1.5: Vết trải rộng độ cao (bên trái) và tần số (bên phải)
ESF (phát hiện năm 1934, bắt đầu được nghiên cứu từ năm
1938) trong báo cáo về các vết F “khuếch tán” về độ cao và tần
số qua số liệu thăm dò thẳng đứng thay vì là một vết mảnh bình
thường. Hiện nay, ESF được chứng minh là hiện tượng bất đồng
nhất plasma lớp F theo phương ngang (cấu trúc từ dưới 11 cm
đến hơn 3000 km).
1.2.2. Sự hình thành và phát triển spread F xích đạo
Giả sử có điện trường nhiễu loạn nhỏ ở vùng đáy đang ổn
định, làm các ion di chuyển theo hướng của nó gây ra sự tích tụ
điện tích tại rìa của khu vực có điện trường nhiễu loạn này. Điện
trường phân cực cảm ứng ngay lập tức được hình thành để đảm
bảo dòng jo liên tục. Điện trường này cùng với từ trường làm
plasma dịch chuyển theo hướng như được chỉ ra trong hình 1.9.
Kết quả của quá trình trao đổi plasma làm điện trường nhiễu loạn
6
ban đầu ngày càng mạnh và cả hệ thống càng bất ổn thêm. Tốc
độ phát triển bất ổn định có giá trị càng lớn khi gradient mật độ
điện tử tăng càng nhanh và vận tốc hấp dẫn càng lớn. Hai điều
kiện này đồng thời được thỏa mãn khi độ cao của lớp điện ly càng
tăng. Hai yếu tố điều khiển sự xuất hiện ESF là:
- Mầm mống nhiễu loạn (nguồn kích thích).
- Vận tốc dịch chuyển thẳng đứng cực đại của lớp F.
Hình 1.9: Mô tả quá trình xảy ra bất ổn định trao đổi ở đáy lớp
F
1.3. Hai nguyên nhân gây biến thiên sự xuất hiện spread F
xích đạo hàng ngày
1.3.1. Sự nâng lên của lớp F sau hoàng hôn (PSSR): ngay
trước khi sự đảo chiều chuyển động thẳng đứng của lớp F xảy ra,
vào khoảng sau hoàng hôn, vận tốc dịch chuyển hướng lên trên
tăng đột ngột (PSSR).
1.3.1.3. Nghiên cứu mối quan hệ giữa sự nâng lên của lớp F
sau hoàng hôn và spread F xích đạo
c. Lý thuyết về biến thiên spread F xích đạo theo mùa: khi
đường phân cách ngày – đêm thẳng hàng với đường sức từ trường
thì hoàng hôn xảy ra đồng thời trên hai lớp E liên hợp ở hai nửa
bán cầu. Lý thuyết STBA giải thích được hầu hết đặc tính biến
7
thiên theo mùa và theo kinh độ của sự xuất hiện ESF, trừ ba khu
vực Nam Mỹ, Châu Phi và Trung tâm Thái Bình Dương.
1.3.2. Nguồn kích thích - mầm mống nhiễu loạn: Cấu trúc dạng
sóng quy mô lớn (LSWS) là những biến điệu dạng sóng theo độ
cao của các đường đẳng mật độ plasma điện ly đáy lớp .
c. Lý thuyết về vai trò của cấu trúc dạng sóng quy mô lớn: độ
lớn của sự kích thích plasma phụ thuộc vào kết quả kết hợp ion
– hạt trung hòa, trong đó nhiễu loạn của gió trung hòa được
chuyển thành điện trường phân cực mà đến lượt nó lại giúp vận
chuyển plasma trượt thẳng đứng lên phía trên để tạo thành mầm
mống nhiễu loạn. Lý thuyết được gọi tên là “sự thẳng hàng theo
đường sức từ của mặt đầu sóng trọng lực”. Lý thuyết chưa áp
dụng được cho vấn đề ESF yếu tại Việt Nam.
1.3.3.1. Sự kết hợp giữa sự nâng lên của lớp F sau hoàng hôn
và cấu trúc dạng sóng quy mô lớn
Việc cả hai lý thuyết dựa chủ yếu vào vai trò điều khiển của
riêng PSSR hoặc LSWS không hoàn toàn giải thích được biến
thiên mùa của ESF đã gợi ý đến khả năng kết hợp của cả hai yếu
tố, trong đó LSWS xuất hiện và phát triển trong quá trình diễn ra
PSSR (theo Tsunoda, 2015).
1.4. Các phương pháp thăm dò khí quyển - điện ly sử dụng
trong luận án
1.4.1. Thăm dò thẳng đứng
1.4.1.1. Nguyên lý: Gồm một máy phát và máy thu. Thiết bị phát
thẳng đứng sóng vô tuyến tần số cao (1- 30 MHz). Các sóng có
tần số trùng với tần số plasma điện ly sẽ bị phản xạ lại, sóng có
tần số cao hơn sẽ truyền qua. Thiết bị thu đo thời gian tín hiệu từ
lúc phát đi đến khi nhận về sẽ cho biết độ cao biểu kiến nơi sóng
8
bị phản xạ trên tầng điện ly. Đường biểu diễn tần số sóng vô
tuyến phát đi theo độ cao phản xạ gọi là điện ly đồ.
1.4.1.2. Spread F xích đạo trên điện ly đồ: là vết trải rộng độ
cao/tần số khi độ dày của vết phản xạ lớn hơn 30 km và 0,3 MHz.
1.4.1.3. Dấu hiệu điện ly đồ của cấu trúc dạng sóng quy mô
lớn: là các vết phản xạ nhiều lần (Multi-reflected Echo – MRE)
và vết phụ (Satellite Trace – ST). Các vết được ghi nhận từ những
năm 1970 nhưng chỉ mới được nghiên cứu gần đây (năm 2008)
bằng một vài công trình công bố.
1.4.2. Tính toán nồng độ điện tử tổng cộng (TEC) từ vệ tinh
C/NOFS
1.4.2.2. Cấu trúc dạng sóng quy mô lớn từ TEC: sự biến điệu
quan trắc được trong biểu diễn TEC theo phương ngang được
xem như thành phần nhiễu loạn tương tự với cấu trúc LSWS.
1.4.3. Đo bức xạ sóng dài (OLR) phát ra từ Trái Đất: giá trị
thông lượng OLR 230 W/m2 có thể được sử dụng như ngưỡng để
phân biệt khu vực có hoặc không có hoạt động đối lưu.
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC DẠNG SÓNG
QUY MÔ LỚN TỪ ĐIỆN LY ĐỒ VÀ VAI TRÒ CỦA NÓ
ĐỐI VỚI SPREAD F
2.1. Trọng tâm nghiên cứu, khu vực và số liệu nghiên cứu
2.1.1. Trọng tâm nghiên cứu
Làm rõ hai điểm cơ bản:
- Khẳng định mối liên quan MREs – LSWS.
- Tính chất của MREs để đại diện cho sự xuất hiện LSWS.
2.1.2. Khu vực và số liệu nghiên cứu
9
hChương 2 và 3 của luận án sử dụng số liệu thu thập tại khu
vực trung tâm Thái Bình Dương. Vị trí (tọa độ địa lý và vĩ độ từ
niên đại 2011) và thiết bị hiện có tại các địa điểm Bảng 1 và minh
họa ở hình 2.1. Chương này sử dụng điện ly đồ và thông số TEC
cho đêm 24/04/2011.
Hình 2.1: Bản đồ các trạm có thiết bị quan trắc mô tả trong
Bảng 1 (thêm trạm Baguio trong so sánh ở Chương 4)
Bảng 1: Các địa điểm có số liệu sử dụng trong luận án
STT Tên trạm
(viết tắt)
Quốc gia
(Vùng lãnh
thổ)
Kinh
độ địa
lý -
Đông
Vĩ độ
địa lý -
Bắc
Vĩ độ
từ -
Bắc
Thiết bị
1 Kosrae
(KOS) Liên bang
Micronesia
1630 5,30 - 0,50 GRBR
2 Pohnpei
(PNI) 158,20 6,960 0,40 - Thăm dò
thẳng đứng
- GRBR 3 Kwajalein
(KWA) Cộng hòa
Marshall
167,40 90 4,30
4 Majuro
(MAJ) 171,50 7,10 2,90 GRBR
10
5 Phú Thụy
(PTH) Việt Nam
21,030 105,90 14,3
70
Thăm dò
thẳng đứng
6 Bạc Liêu
(BCL) 105,710 9,30 1,60
7 Chiang Mai
(CMU) Thái Lan
98,930 18,760 11,80
8 Chumphon
(CPN) 99,370 10,720 30
2.1.3. Các thông tin sử dụng trong nghiên cứu
2.1.3.2. Thông tin từ điện ly đồ
Sử dụng điện ly đồ từ 05h00 UT (16h10 LT) đến 11h00 UT
(22h10 LT) với các thông tin về: vết phản xạ bình thường (chiều
cao biểu kiến (h’) ứng với mỗi tần số nhất định 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
và 10 MHz), MRE (thời gian và tần số nhỏ nhất - lớn nhất của
vết), ST (thời gian xuất hiện), vận tốc trượt thẳng đứng cực đại,
ESF mạnh (ESF(5 MHz)).
2.1.3.3. Thông tin từ vệ tinh C/NOFS: vận tốc dịch chuyển
ngang của ion điện ly và LSWS tính từ nhiễu loạn TEC qua 3
đường bay.
2.2. Kết quả và bàn luận
2.2.1. Vết phản xạ nhiều
lần - dấu hiệu điện ly đồ
của cấu trúc sóng quy mô
lớn
2.2.1.1. Đặc tính cùa tầng
điện ly đêm 24/04/2011
11
Hình 2.2: Diễn biến của tầng điện ly tại Kwajalein trong đêm
24/04/2011; các đường nối với chấm tròn cho biết sự thay đổi độ
cao theo thời gian của các tần số phản xạ (từ 3 đến 10 MHz), hai
đường thẳng đứng màu xanh cho biết hai thời điểm hoàng hôn,
MREs xảy ra trong vòng tròn đánh dấu xanh đậm, các thành màu
nâu thẳng đứng cho biết RSF tại 5 MHz và ba thanh màu xanh
nằm ngang cho biết thời gian có đường bay C/NOFS với LSWS
xảy ra ở 2 đường đầu tiên.
Đêm hoạt động ESF điển hình với PSSR mạnh, MRE và ST.
2.2.1.2. Tính chất của vết phản xạ nhiều lần
MREs xuất hiện liên tục trên điện ly đồ từ 18h40 - 19h25 LT
ở khoàng 3-6 MHz, đa số là vết kép.
2.2.1.3. Tính chất của biến thiên nồng độ điện tử tổng cộng
a. Kết quả quan trắc
Hình 2.5. Ba đường
bay của C/NOFS (a)
và thành phần nhiễu
loạn TEC tương ứng
từ ba đường bay
(theo giờ địa
phương) lúc 17h47
(b), 19h31 (c) và
21h15 (d)
- LSWS xuất hiện
và phát triển với bước
sóng khoảng 270 -
410 km.
12
- Sự suy giảm TEC không định xứ ngay trên vị trí quan trắc
mà xuất hiện về hai phía, gợi ý cho mô hình đáy điện ly mới giải
thích sự tạo thành vết kép phản xạ nhiều lần.
b. Minh giải về biến thiên nồng độ điện tử tổng cộng
Hình 2.6. Đáy điện ly giả định từ tính toán theo đường cong
thành phần nhiễu loạn TEC thu được lúc 19h28 (giờ địa phương)
Xây dựng thành công mô hình đơn giản đáy điện ly có biên
độ nhiễu loạn 6 km để tạo thành các vết phản xạ nhiều lần bậc 5
đến 7, chứng minh mối liên hệ LSWS – MRE.
2.2.2.2. Tính chất của cấu trúc dạng sóng quy mô lớn
a. Dịch chuyển ngang: gần bằng không trong giai đoạn ban đầu
b. Sự hình thành và phát triển của cấu trúc sóng quy mô lớn:
LSWS xuất hiện vào chiều muộn và phát triển trong quá trình
diễn ra PSSR.
c. So sánh với nhiễu loạn điện ly di chuyển: hai cấu trúc hoàn
toàn khác biệt về cơ chế hình thành và phương thức dịch chuyển.
2.3. Kết luận
- MREs và STs bậc cao nhiều khả năng liên quan đến LSWS.
- LSWS là cấu trúc không biến đổi theo không gian trong suốt
quá trình phát triển ban đầu của nó.
13
- Chúng tôi đề nghị quá trình bao gồm mầm mống nhiễu loạn
do LSWS xuất hiện trước thời gian xảy ra PSSR theo sau bởi sự
phát triển ESF (EPB).
CHƯƠNG 3: SỰ NÂNG LÊN CỦA LỚP F SAU HOÀNG
HÔN, CẤU TRÚC DẠNG SÓNG QUY MÔ LỚN VÀ
SPREAD F XÍCH ĐẠO
3.1. Trọng tâm nghiên cứu, khu vực và số liệu nghiên cứu
3.1.2. Trọng tâm nghiên cứu
- Vai trò điều khiển của PSSR, đặc biệt vào điểm chí?
- Vai trò của LSWS đối với ESF và PSSR (nếu có)
3.1.3. Khu vực và số liệu nghiên cứu
Số liệu thăm dò thẳng đứng và bản đồ OLR ở Kwajalein, thời
gian 1/2011 - 1/2012. Các kết quả tham khảo khác dùng trong so
sánh được mô tả trong Bảng 2 và 3.
Bảng 2: Kết quả đã công bố về ESF/EBP và nhấp nháy điện ly
STT Vệ tinh Chuỗi số liệu SSN
1 TACSAT 11/197 – 06/1972 67 - 69
2 Wideband 10/1976-10/1977 28
3 AE-E 01/1978 – 9/1980 93
4 DMSP
1989–1992
1993
1998
1999–2002
2000
2003
2011
135
55
64
107
120
64
50
5 ROCSAT-1 03/1999 – 6/2004 89
14
2000
2003
120
64
6 CHAMP 01/2001 – 2/2004 104
7 INTERSAT 09/1970 – 10/1971 67
8 MARISAT 02/197 – 12/1979 155
Bảng 3: Các kết quả đã công bố về PSSR
STT Thiết bị Chuỗi số liệu SSN
1 AE-E 5,6,7,8/1978-1979 93
2 ROCSAT-1
03/1999 – 6/2004
2000
2003
89
120
64
3 ALTAIR 07-08/1990 143
24/7/1979 125
3.2. Các thông tin sử dụng trong nghiên cứu
3.2.1. Tính toán thời điểm xảy ra hoàng hôn lớp E tại hai vùng
liên kết: phát triển từ Tsunoda (1985) cho Kwajalein.
3.2.2. Thông tin về spread F xích đạo
3.2.2.1. Thông tin từ các công trình đã công bố: bảng 2
3.2.2.2. Thông tin từ điện ly đồ: RSF (3MHz) trong giai đoạn
trước nửa đêm, tính trung bình tháng.
3.2.3. Thông tin về sự nâng lên sau hoàng hôn của lớp F
3.2.3.1. Thông tin từ các công trình đã công bố: bảng 3
3.2.3.2. Thông tin từ điện ly đồ: cực đại vận tốc dịch chuyển
VPSSR (18h10–20h10 LT).
3.2.3.4. Thông tin từ mô hình: mô hình toàn cầu cho giá trị
VPSSR cực đại được xây dựng bởi Scherliess và Fejer (1999), ký
hiệu là SF99 trong hình vẽ.
15
3.2.4. Thông tin về vết phản xạ nhiều lần: tần suất xuất hiện
tính trung bình tháng.
3.2.5 Thông tin về gió trung hòa; về vận tốc của thành phần vĩ
hướng của gió trung hòa tính từ mô hình tính vận tốc của thành
phần nằm ngang- HWM93.
3.2.6. Thông tin về độ hoạt động mặt trời: số vệt đen mặt trời
trung bình tháng trong thời gian khảo sát.
3.2.7. Thông tin về hoạt động đối lưu: sử dụng bản đồ OLR
trung bình tháng (1/2011 – 1/2012).
3.3. Kết quả và bàn luận
hHình 3.6: Kết quả
so sánh tổng hợp:
tỉ lệ EPB từ DMSP
(a-f); ESF, nhấp
nháy điện ly, vận
tốc trượt thẳng
đứng cực đại (g)
Hình 3.6 thể
hiện kết quả quan
trắc và trích lọc từ
tất cả các công
trình đã công bố
liên quan đến
ESF/EPB/nhấp
nháy điện ly và vận
tốc trượt thẳng
đứng cực đai. Hình
3.7 thể hiện kết quả so sánh vận tốc trượt thẳng đứng đại quan
16
trắc và từ các công trình công bố, đồng thời với MRE. Hình 3.10
cho biết sự xuất hiện của vùng hoạt động đối luu.
Hình 3.7. So sánh
tổng hợp giữa (a) vận
tốc cực đại PSSR từ
mô hình của Scherliss
và Fejer (1999), (b) tỉ
lệ phần trăm sự xuất
hiện RSF trong mối
quan hệ với MRE và
(c) tỉ lệ phần trăm sự
xuất hiện MRE trong
mối quan hệ với RSF
Hình 3.10. Bản đồ
OLR cho khu vực
Kwajalein từ tháng
01/2011 đến tháng
01/2012
3.3.6.1. Các kết quả chính
a) Biến thiên của tần suất xuất hiện spread F xích đạo theo
tháng: cực đại phân điểm (xung quanh hạ chí) giai đoạn độ hoạt
động mặt trời mạnh (yếu).
17
b) Mối liên hệ giữa POFESF với VPSSR: sự không thẳng hàng của
biến thiên POFESF và VPSSR. Phát hiện này dẫn đến hai giải thích:
(1) VPSSR không hoàn toàn điều khiển POFESF và (2) sự khác biệt
trong thể hiện của VPSSR vào phân điểm và hạ chí chỉ ra hai nguồn
khác nhau gây ra biến thiên VPSSR.
c) Cấu trúc sóng quy mô lớn: mầm mống kích thích: Cực đại
rõ rệt của POFMRE vào tháng 7 phù hợp với sự hiện diện của vùng
hoạt động đối lưu sâu. POFRSF+MRE cho thấy sự liên quan đến hoạt
động EPBs và nhấp nháy ở dải siêu cao tần. POFMRE+RSF có ưu
thế trong giai đoạn diễn ra PSSR trong khi POFMRE-RSF có ưu thế
vào các giờ sau khi PSSR kết thúc.
3.3.6.2. Giả thuyết kiến nghị
a. Biến thiên theo tháng của POFESF tại Kwajalein: biến thiên
của POFESF ở khu vực KWA thể hiện kết quả của ảnh hưởng bởi
hai quá trình.
b. Vai trò của lực triều và thời điểm xảy ra nút hoàng hôn
vào thời kỳ phân điểm: kết quả về sự không thẳng hàng của hai
cực đại đang xét với nút hoàng hôn – là điểm không phù hợp với
kết quả dự báo từ lý thuyết. Từ đây có thể suy ra rằng giá trị nền
của VPSSR không phải bất biến theo tháng; thay vào đó, nó có thể
thay đổi và đạt cực đại tại các thời điểm không trùng với nút
hoàng hôn: biến thiên theo độ lớn dòng điện xích đạo.
c. Lực triều vào hạ chí: lực triều số so1ng 2 giải thích cực đại
ESF vào hạ chí, tương ứng với khu vực đang xét và Châu Phi.
d. Vai trò của vùng đối lưu và cấu trúc sóng quy mô lớn: liên
quan chặt chẽ.
3.5. Kết luận
18
- Nguồn gây ra ESF vào giai đoạn chí điểm: giá trị VPSSR lớn
đồng thời với sự xuất hiện cấu trúc sóng quy mô lớn.
- VPSSR không có tác động hoàn toàn đến POFESF.
- Các nguồn khác nhau gây ra các giá trị VPSSR khác nhau vào
chí điểm (lực triều số sóng 2) và phân điểm (sự biến đổi độ lớn
của dòng điện xích đạo).
- LSWS ảnh hưởng đến POFESF
- LSWS có khả năng gây ảnh hưởng đến giá trị đo đạc của
VPSSR.
CHƯƠNG 4: CẤU TRÚC BONG BÓNG PLASMA XÍCH
ĐẠO QUAN TRẮC TẠI VIỆT NAM
4.1. Trọng tâm nghiên cứu, khu vực và số liệu nghiên cứu
4.1.1. Trọng tâm nghiên cứu
-Sự phát triển và dịch chuyển của EPB từ xích đạo đến các
vùng vĩ độ cao hơn.
- Làm rõ sự xuất hiện EPB ở vị trí quan trắc.
4.1.2. Khu vực và số liệu nghiên cứu
Số liệu thăm dò thẳng đứng tại Việt Nam (Phú Thụy, Bạc
Liêu), Thái Lan (Chiang Mai, Chumphon), so sánh với kết quả
tại Philippines (Baguio giai đoạn 1953 – 1955) và quan trắc EPB
từ vệ tinh (DMSP, C/NOFS) cho khu vực kinh độ qua Việt Nam
(1050E). Các giai đoạn độ hoạt động mặt trời thấp, yên tĩnh từ
trong khoảng thời gian 18h00 – 05h45 LT.
4.2. Kết quả và bàn luận
4.2.1. Spread F tại khu vực xa xích đạo và bong bóng plasma
tại khu vực xích đạo từ
19
Chúng tôi tính được giá trị độ cao EPB khoảng 761 km để có
thể thấy SF tại Phú Thụy.
Hình 4.1. Hình 2b trong Whalen et al. (1997) với các ký hiệu bổ
sung cho biết vị trí của trạm Phú Thụy trong mặt phẳng kinh
tuyến từ, mũi tên màu đỏ chỉ hướng của tín hiệu thăm dò thẳng
đứng, mũi tên màu xanh lá cây chỉ hướng của dịch chuyển với
các đường sức từ của cấu trúc plasma điện ly ngay trên xích đạo
từ
Hình vẽ mô tả mặt phẳng kinh tuyến từ. Nhận thấy rằng thông tin
ta thu được từ tia phản xạ không giống như trường hợp đối với
hướng mũi tên màu xanh do cấu trúc điện ly theo hai hướng này
là hoàn toàn khác nhau - đặc biệt trong trường hợp có EPBs định
xứ trong khu vực lân cận.
4.2.2. Quan hệ giữa spread F tại Phú Thụy và cấu trúc bong
bong plasma xích đạo
Hình 4.2 biểu diễn tổng hợp tất cả các kết quả quan trắc biến
thiên theo tháng của EPBs và SF cho khu vực kinh tuyến qua Phú
Thụy. Các hình a-c là kết quả từ C/NOFS (05/2007 – 03/2009),
các hình d-f là từ DMSP (2007 - 2009) và hình g tổng hợp kết
quả cho SF từ thiết bị tại Phú Thụy (2007 - 2010) và kết quả công
bố của Marasigan. Kết quả cho thấy rõ cực đại nổi bật của cả
POFEPB và POFSF vào xung quanh hạ chí, với SF tại Phú Thụy ít
20
nhất. Có thể nhận xét rằng các kết quả thăm dò thẳng đứng tại
chỗ phù hợp với giải thích về sự phụ thuộc của hoạt động của
EPBs theo độ cao, tương ứng với sự phụ thuộc của hoạt động SF
vào vĩ độ từ - vĩ độ từ càng cao, hoạt động SF càng thấp.
Hình 4.2. So sánh tổng hợp giữa EPBs từ C/NOFS (a, b, c),
DMSP (d, e, f) trong khoảng kinh tuyến khu vực Việt Nam, POFSF
tại Phu Thuy các năm 2007–2010 và tại Baguio các năm 1953–
1955 (g)
4.2.3. Giải thích mới về dạng spread F tại Phú Thụy
Các kết quả đã công bố đều sử dụng kiểu phân loại đặc trưng
cho vùng xích đạo từ trong định dạng SF quan trắc tại trạm xa
xích đạo. Vì thế, câu hỏi đặt ra là, dạng trải rộng độ cao thực sự
21
tại trạm xa xích đạo có hình thái thế nào. Và, liệu rằng còn những
dạng SF nào khác được quan trắc tại trạm ngoài xích đạo?
Hình 4.4. Một vài điện ly đồ cho thấy các cấu trúc plasma
phức hợp khác nhau quan trắc ở Phú Thụy (các vết phụ được tô
đậm bằng vệt tương tự màu đỏ)
Vì EPBs có thể đến Phú Thụy bằng cả hai đường (trượt dọc
theo đường sức từ trường từ xích đạo, dịch chuyển tới từ hướng
Tây) nên tia phản xạ nghiêng quay trở lại máy thăm dò có thể đã
bị phản xạ trước đó bởi hai mặt phản xạ nghiêng tương ứng theo
hướng Đông – Tây và Bắc – Nam, tạo ra hình thái SF phức hợp.
Ba điện ly đồ tiêu biểu có sự xuất hiện đồng thời của vết chính
(SF và không SF) cho thấy trải rộng độ cao bị nghiêng, có khi
xuất hiện 2 vết phụ hoàn toàn khác nhau “dấu hiệu EPB”.
4.2.4. Ví dụ về nguồn gây spread F tại Phú Thụy
Chúng tôi xác định các kiểu SF tại Phú Thụy (độ cao, tần số,
hỗn hợp và “dấu hiệu EPB”), kết quả thể hiện trong hình 4.5 cho
biết diễn biến chính của tầng điện ly trong 2 đêm khảo sát với
dạng SF mới chỉ thị sự hoạt động của EPBs.
Đêm 24/06/2007, có khả năng tồn tại 3 mảng hoạt động EPBs
– hình thành tại phía Đông Chumphon - đi qua khu vực Phú Thụy
trong suốt thời gian xảy ra SF trên điện ly đồ, phù hợp với ESF
tại Bạc Liêu và chỉ có vết phụ yếu tại Chumphon.
22
Đêm 25/10/2010, có thể tồn tại hai nhánh EPB hình thành phía
Đông Chiang Mai, phù hợp với việc không quan trắc thấy ESF ở
Bạc Liêu và Chiang Mai.
Hình 4.5. Các diễn biến xảy ra trong tầng điện ly quan trắc
tại Phú Thụy trong hai đêm 24/06/ 2007 (a) và 25/10/2010 (b).
Các thanh màu ngắn thẳng đứng cho biết: vết phụ – màu vàng,
kiểu trải rộng độ cao – màu đỏ, kiểu hỗn hợp – màu tím, kiểu
trải rộng tần số – màu xanh dương, kiểu khác (dấu hiệu EPB) –
màu đen
4.3. Kết luận
23
- Cực đại sau nửa đêm địa phương và xung quanh hạ chí của SF
cho thấy bằng chứng chắc chắn về mối liên hệ giữa SF tại Phú
Thụy với EPB phát triển tại vùng xích đạo từ.
- SF dạng trải rộng độ cao tại các trạm xa xích đạo là kết quả
của sự kết hợp phức tạp các phản xạ nghiêng do cấu trúc EPB
định xứ tại điểm quan trắc hoặc tồn tại trong khu vực lân cận.
- Chúng tôi đề nghị một dạng SF mới với tên gọi “dấu hiệu
EPB” xuất hiện trên điện ly đồ xa khỏi vùng xích đạo từ và phải
được phân biệt với ESF - hiện tượng ở vùng xích đạo.
- Để tiến đến dự báo sự xuất hiện EPB tại một vị trí cụ thể, cần
tính đến sự dịch chuyển của cấu trúc nhiễu loạn từ phía Đông.
KẾT LUẬN
Sử dụng số liệu quan trắc từ thiết bị thăm dò thẳng đứng, từ
thiết bị thu tín hiệu vệ tinh C/NOFS, kết hợp với các tài nguyên
sẵn có trong cộng đồng nghiên cứu thế giới (bản đồ OLR, mô
hình về gió trung hòa, mô hình về vận tốc dịch chuyển thẳng
đứng cực đại), đồng thời trích lọc và so sánh tổng hợp với tất cả
các kết quả nghiên cứu đã công bố về hoạt động ESF và EPB tại
xích đạo, hoạt động SF tại các trạm xa xích đạo, chúng tôi đi đến
các kết luận sau:
Việc trích lọc thông tin điện ly đồ cho nghiên cứu biến
thiên hoạt động spread F cho các kết quả sau:
- Các vết phản xạ nhiều lần (đơn hoặc kép) ở khu vực xích
đạo từ là dấu hiệu cho thấy có sự xuất hiện của biến điệu đáy điện
ly liên quan đến cấu trúc dạng sóng quy mô lớn.
- Spread F mạnh trên điện ly đồ vùng xích đạo cho biết sự
phát triển của cấu trúc bong bóng plasma và liên quan đến spread
F ở vùng xa xích đạo.
24
- Vận tốc dịch chuyển thẳng đứng cực đại tính từ biến thiên
theo thời gian của độ cao đáy điện ly vùng xích đạo từ là tham số
tốt cho quá trình nâng lên của lớp F sau hoàng hôn.
Hai yếu tố điều khiển biến thiên hoạt động spread F
thể hiện vai trò trong các kết quả sau:
- Cấu trúc dạng sóng quy mô lớn: có mối liên hệ rõ ràng giữa
ESF với hoạt động đối lưu sâu trong lớp khí quyển bên dưới vào
các tháng mùa hè giai đoạn độ hoạt động mặt trời thấp khi quá
trình nâng lên của lớp F sau hoàng hôn không thể hiện vai trò chủ
đạo.
- Sự nâng lên của lớp F sau hoàng hôn: sự biến thiên của cực
đại vận tốc dịch chuyển thẳng đứng có vai trò quan trọng trong
biến thiên hoạt động theo tháng của spread F với nguồn gây ra
giá trị cực đại có thể khác nhau vào chí điểm (tác dụng của lực
triều số sóng 2) và phân điểm (biến thiên của độ lớn dòng điện
xích đạo).
- Sự kết hợp của cả hai yếu tố điều khiển thể hiện trong trường
hợp nghiên cứu cụ thể khi cấu trúc dạng sóng quy mô lớn xuất
hiện và tiếp tục phát triển trong bối cảnh có hoạt động nâng lên
của đáy lớp F.
Việc nghiên cứu sự xuất hiện của spread F tại vị trí
cụ thể (khu vực xích đạo và ngoài xích đạo) là bài toán tổng
hợp của sự kết hợp hai yếu tố điều khiển địa phương (sự
nâng lên của lớp F sau hoàng hôn và cấu trúc dạng sóng quy
mô lớn) và sự dịch chuyển hoặc xuất hiện của cấu trúc nhiễu
loạn trong khu vực lân cân.
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ
LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
1. Nguyen T. T., R. T. Tsunoda, and M. Yamamoto (2012), “On
the relationship of multi-reflected echoes to large-scale wave
structure and equatorial spread F”, poster presented at 13th
International Symposium on Equatorial Aeronomy, Inst.
Geofis. del Peru, Paracas, Peru, 12–16 March 2012.
2. Roland T. Tsunoda, Smitha V. Thampi, Thu Trang Nguyen,
and Mamoru Yamamoto, (2013), “On validating the
relationship of ionogram signatures to large-scale wave
structure”, Journal of Atmosphere and Solar-Terrestrial
Physics 103 (30), pp 30-35,
http://dx.doi.org/10.1016/j.jastp.2012.11.003.
3. Roland T. Tsunoda, Trang T. Nguyen, and Minh Huy Le,
(2015), “Effects of tidal forcing, conductivity gradient, and
active seeding on the climatology of equatorial spread F over
Kwajalein”, Journal of Geophysical Research: Space Physics
120, pp 632–653, doi:10.1002/2014JA020762.
4. Nguyen T. T., R. T. Tsunoda, M. H. Le, (2015), “On new
detailed ionogram signatures of equatorial plasma bubbles from
non-equatorial station during low solar activity”, Vietnam
Journal of Earth Sciences (đã chấp nhận đăng).
