Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu các nguyên nhân gây biến thiên hàng ngày đối với sự phát triển của spread F xích đạo

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:162

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của làm sáng tỏ phương pháp trích lọc thông tin từ thăm dò thẳng đứng (điện ly đồ) nhằm mô tả gián tiếp và quan trắc hai hình thái vào giai đoạn đầu tiên và cuối cùng của spread Ftrong hoàn cảnh không có số liệu mô tả trực tiếp, là cấu trúc dạng sóng quy mô lớn và bong bóng plasma xích đạo (Equatorial Plasma Bubble –EPB).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu các nguyên nhân gây biến thiên hàng ngày đối với sự phát triển của spread F xích đạo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _______________________ Nguyễn Thu Trang NGHIÊN CỨU CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY BIẾN THIÊN HÀNG NGÀY ĐỐI VỚI SỰ PHÁT TRIỂN CỦA SPREAD F XÍCH ĐẠO LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2016
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _______________________ Nguyễn Thu Trang NGHIÊN CỨU CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY BIẾN THIÊN HÀNG NGÀY ĐỐI VỚI SỰ PHÁT TRIỂN CỦA SPREAD F XÍCH ĐẠO Chuyên ngành: Vật lý địa cầu Mã số: 62440101 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. LÊ HUY MINH 2. TS. ROLAND TAKUYA TSUNODA Hà Nội – 2016
LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả, số liệu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Thu Trang
LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu sinh chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các Thầy hướng dẫn, TS. Lê Huy Minh và TS. Roland Takuya Tsunoda, đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức và kỹ năng chuyên môn, nghề nghiệp trong toàn bộ khóa học và những khi nghiên cứu sinh gặp khó khăn, cần sự trợ giúp. Nghiên cứu sinh cũng xin tỏ lòng biết ơn Quý Thầy Cô trong Bộ môn Vật lý Địa cầu và Khoa vật lý đã nhiệt tình giảng dạy và động viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho nghiên cứu sinh trong toàn bộ khóa học. Sự cảm ơn chân thành cũng xin được gửi đến Quý Thầy Cô, anh, chị đang công tác tại các Phòng – Ban chức năng khác đã nhiệt tình giúp đỡ và hỗ trợ nghiên cứu sinh trong một số vấn đề liên quan đến khóa học. Nghiên cứu sinh cảm ơn Ban lãnh đạo và bạn bè, đồng nghiệp tại Viện Vật lý TP. HCM, Viện Vật lý địa cầu đã luôn bên cạnh cổ vũ, trợ giúp chuyên môn, tạo điều kiện và động viên nghiên cứu sinh vượt qua các khó khăn trong quá trình học tập, công tác. Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn sự hỗ trợ chuyên môn và cổ vũ tinh thần của Quý Thầy Cô, bạn bè, đồng nghiệp tại các cơ quan khác qua trao đổi học thuật, số liệu, tài liệu và các thảo luận hữu ích. Nghiên cứu sinh tri ân sự cung cấp số liệu và hỗ trợ chương trình xử lý miễn phí từ các tổ chức, website và dự án, chương trình hợp tác và đồng nghiệp cho toàn bộ quá trình nghiên cứu trong luận án. Nghiên cứu sinh biết ơn gia đình, người thân và những người bạn đã luôn tin tưởng và cổ vũ cho sự lựa chọn của nghiên cứu sinh trong công việc và cuộc sống. Hà Nội, tháng 6 năm 2016 Nghiên cứu sinh Nguyễn Thu Trang
MỤC LỤC Trang Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN LY VÙNG XÍCH ĐẠO VÀ SPREAD F 1.1. Điện ly vùng xích đạo .......................................................................................... 5 1.1.1. Tầng điện ly Trái Đất ...................................................................................... 5 1.1.2. Điện động lực học plasma điện ly xích đạo .................................................... 7 1.1.2.1. Đặc tính chuyển động của plasma điện ly ................................................. 7 1.1.2.2. Dòng điện xích đạo và dynamo lớp E...................................................... 11 1.1.2.3. Dynamo lớp F khu vực xích đạo vào ban đêm ........................................ 12 1.2. Spread F xích đạo............................................................................................... 13 1.2.1. Spread F xích đạo và quan trắc spread F xích đạo ....................................... 13 1.2.2. Sự hình thành và phát triển spread F ............................................................ 16 1.3. Hai nguyên nhân gây biến thiên hàng ngày của sự xuất hiện spread F ............. 18 1.3.1. Sự nâng lên sau hoàng hôn (PSSR) của lớp F .............................................. 18 1.3.1.1. Cơ chế khả dĩ gây ra sự nâng lên sau hoàng hôn của lớp F .................... 18 1.3.1.2. Tính chất của sự nâng lên sau hoàng hôn của lớp F ................................ 19 1.3.1.3. Nghiên cứu mối quan hệ giữa sự nâng lên sau hoàng hôn của lớp F và spread F ..................................................................................................................... 21 1.3.2. Nguồn kích thích - cấu trúc dạng sóng quy mô lớn ...................................... 23 1.3.2.1. Cơ chế gây ra cấu trúc dạng sóng quy mô lớn......................................... 23 1.3.2.2. Đặc tính của cấu trúc dạng sóng quy mô lớn........................................... 25 1.3.3. Cơ chế điều khiển xuất hiện hàng ngày của spread F................................... 25
1.3.3.1. Sự kết hợp giữa sự nâng lên sau hoàng hôn của lớp F và cấu trúc dạng sóng quy mô lớn ........................................................................................................ 25 1.3.3.2. Ảnh hưởng từ hoạt động của sóng trọng lực và triều trong khí quyển Trái Đất .. 27 1.4. Các phương pháp thăm dò khí quyển - điện ly sử dụng trong luận án .............. 28 1.4.1. Thăm dò thẳng đứng ..................................................................................... 28 1.4.1.1. Nguyên lý ................................................................................................. 29 1.4.1.2. Spread F trên điện ly đồ........................................................................... 29 1.4.1.3. Dấu hiệu điện ly đồ của cấu trúc dạng sóng quy mô lớn ......................... 30 1.4.2. Tính toán nồng độ điện tử tổng cộng (TEC) từ vệ tinh C/NOFS ................. 31 1.4.2.1. Nguyên lý ................................................................................................. 31 1.4.2.2. Cấu trúc dạng sóng quy mô lớn từ TEC .................................................. 32 1.4.3. Đo bức xạ sóng dài (OLR) phát ra từ Trái Đất ............................................. 33 1.4.3.1. Nguyên lý ................................................................................................. 33 1.4.3.2. Bản đồ tổng bức xạ sóng dài phát ra từ Trái Đất ..................................... 34 1.5. Các thông tin sử dụng trong luận án .................................................................. 35 1.5.1. Thông tin về độ hoạt động Mặt Trời ............................................................. 35 1.5.2. Thông tin về độ hoạt động bão từ toàn cầu................................................... 35 1.5.3. Tính toán các thời điểm hoàng hôn lớp E và lớp F ...................................... 36 1.5.4. Tính toán thời điểm xảy ra hoàng hôn lớp E tại hai vùng liên kết ............... 36 1.5.5. Thông tin trích lọc cho hoạt động spread F .................................................. 39 1.5.5.1. Thông tin từ các công trình đã công bố ................................................... 39 1.5.5.2. Thông tin từ điện ly đồ ............................................................................ 43 1.5.6. Thông tin trích lọc cho hoạt động nâng lên sau hoàng hôn của lớp F ......... 44 1.5.6.1. Thông tin từ các công trình đã công bố ................................................... 44 1.5.6.2. Thông tin từ mô hình ............................................................................... 45 1.5.6.3. Thông tin từ điện ly đồ ............................................................................ 46 1.5.7. Thông tin về gió trung hòa ............................................................................ 46 1.5.8. Thông tin về hoạt động đối lưu ..................................................................... 47
CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC DẠNG SÓNG QUY MÔ LỚN TỪ ĐIỆN LY ĐỒ VÀ VAI TRÒ CỦA NÓ ĐỐI VỚI SPREAD F 2.1. Đặt vấn đề .......................................................................................................... 48 2.1.1. Tồn tại của các nghiên cứu trước đây ........................................................... 48 2.1.2. Hướng giải quyết trong luận án .................................................................... 48 2.1.3. Khu vực và số liệu nghiên cứu...................................................................... 49 2.2. Kết quả và thảo luận ........................................................................................... 51 2.2.1. Vết phản xạ nhiều lần - dấu hiệu điện ly đồ của cấu trúc dạng sóng quy mô lớn .............................................................................................................................. 51 2.2.1.1. Đặc tính của tầng điện ly đêm 24/04/2011 .............................................. 51 2.2.1.2. Tính chất của vết phản xạ nhiều lần ........................................................ 53 2.2.1.3. Tính chất của biến thiên nồng độ điện tử tổng cộng................................ 56 2.2.2. Vai trò của cấu trúc dạng sóng quy mô lớn với spread F ............................. 61 2.2.2.1. Mối quan hệ cấu trúc dạng sóng quy mô lớn – spread F ......................... 61 2.2.2.2. Tính chất của cấu trúc dạng sóng quy mô lớn ......................................... 63 2.3. Kết luận .............................................................................................................. 68 CHƯƠNG 3: VAI TRÒ CỦA SỰ NÂNG LÊN SAU HOÀNG HÔN CỦA LỚP F VÀ CẤU TRÚC DẠNG SÓNG QUY MÔ LỚN VỚI SPREAD F 3.1. Đặt vấn đề .......................................................................................................... 69 3.1.1. Tồn tại của các nghiên cứu trước đây ........................................................... 69 3.1.2. Hướng giải quyết trong luận án .................................................................... 69 3.1.3. Khu vực và số liệu nghiên cứu, tài liệu trích lọc .......................................... 70 3.2. Kết quả và thảo luận ........................................................................................... 71 3.2.1. Kết quả quan trắc spread F ........................................................................... 71 3.2.1.1. Spread F từ thăm dò vệ tinh .................................................................... 71 3.2.1.2. Spread F từ thăm dò thẳng đứng ............................................................. 81 3.2.2. Kết quả quan trắc sự nâng lên sau hoàng hôn của lớp F .............................. 82 3.2.2.1. Kết quả về sự nâng lên sau hoàng hôn của lớp F từ thăm dò vệ tinh ...... 82 3.2.2.2. Kết quả tính vận tốc nâng lên cực đại từ mô hình Scherliess-Fejer ........ 84
3.2.2.3. Kết quả về sự nâng lên sau hoàng hôn của lớp F từ thăm dò thẳng đứng ............................................................................................................................... 85 3.2.3. Sự nâng lên sau hoàng hôn của lớp F và spread F ....................................... 87 3.2.4. Kết quả nghiên cứu cấu trúc dạng sóng quy mô lớn..................................... 89 3.2.4.1. Đặc điểm biến thiên mùa của vết phản xạ nhiều lần ............................... 89 3.2.4.2. Phân bố theo thời gian của sự xuất hiện vết phản xạ nhiều lần .............. 91 3.2.4.3. Vùng hoạt động đối lưu và vết phản xạ nhiều lần ................................... 93 3.2.5. Thảo luận....................................................................................................... 94 3.2.5.1. Các kết quả chính..................................................................................... 94 3.2.5.2. Giả thiết kiến nghị.................................................................................... 96 3.3. Kết luận ............................................................................................................ 102 CHƯƠNG 4: CẤU TRÚC BONG BÓNG PLASMA XÍCH ĐẠO QUAN TRẮC TẠI VIỆT NAM 4.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................ 104 4.1.1. Tồn tại của các nghiên cứu trước đây ......................................................... 104 4.1.2. Hướng giải quyết trong luận án .................................................................. 104 4.1.3. Khu vực và số liệu nghiên cứu................................................................... 105 4.2. Kết quả và thảo luận ......................................................................................... 106 4.2.1. Spread F khu vực xa xích đạo và bong bóng plasma khu vực xích đạo từ ............................................................................................................................... 106 4.2.2. Quan hệ giữa spread F tại Phú Thụy và cấu trúc bong bong plasma xích đạo ..... 109 4.2.3. Giải thích mới về dạng spread F tại Phú Thụy ........................................... 114 4.2.4. Tìm hiểu về nguồn gốc có thể gây ra spread F tại Phú Thụy ..................... 118 4.3. Kết luận ............................................................................................................ 125 KẾT LUẬN ............................................................................................................ 126 KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .................................. 128 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ............................................................................................................... 129 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 130
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Ký hiệu, chữ Từ Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt viết tắt AGW Atmospheric Gravity Wave Sóng trọng lực khí quyển ALTAIR ARPA Long-Range Radar theo dõi và đo đạc ở Tracking and phạm vi rộng của ARPA Instrumentation Radar C/NOFS Communication/Navigation Hệ thống dự báo sự gián đoạn Outage Forecasting trong thông tin liên lạc/dẫn System đường DMSP Defense Meteorological Chương trình vệ tinh khí Satellite Program tượng quốc phòng EPB Equatorial Plasma Bubble Bong bóng plasma xích đạo ESF Equatorial Spread F Spread F xích đạo EEJ Equatorial ElectroJet Dòng điện xích đạo GRBR GNU Radio Beacon Thiết bị thu tín hiệu vô tuyến Receiver dẫn đường sử dụng bộ công cụ phần mềm miễn phí GNU GWBA Gravity Wave - B Sự thẳng hàng của đường sức Alignment trường từ B và mặt đầu sóng trọng lực LSWS Large-Scale Wave Cấu trúc dạng sóng quy mô Structure lớn LT Local Time Thời gian địa phương MRD Multi-Reflected Doublet Vết kép phản xạ nhiều lần MRE Multi-Reflected Echo Vết phản xạ nhiều lần OLR Outgoing Long-wave Bức xạ sóng dài phát ra từ Radiation Trái Đất POF Percentage Of Frequence Phần trăm tần suất xuất hiện PSSR Post Sunset-Rise F layer Lớp F nâng lên sau hoàng hôn PTEC Perturbation TEC Nhiễu loạn nồng độ điện tử tổng cộng RSF Range Spread F Spread F trải rộng độ cao ROCSAT-1 Republic Of China Vệ tinh số 1 của Cộng Hòa SATellite 1 Trung Hoa
SSN SunSpot Number Số vết đen mặt trời SSE E-region sunset Hoàng hôn lớp E SSF F-region sunset Hoàng hôn lớp F ST Satellite Trace Vết phụ STBA ⃗ Solar Terminator - 𝐵 Sự thẳng hàng của đường sức Alignment ⃗ và đường ranh trường từ 𝐵 giới ngày – đêm TEC Total Electron Content Nồng độ điện tử tổng cộng TID Traveling Ionospheric Nhiễu loạn điện ly di chuyển Disturbance UT Universal Time Thời gian quốc tế VTEC Vertical TEC Nồng độ điện tử tổng cộng theo phương thẳng đứng
Danh mục các bảng Trang Bảng 1: Nguồn thông tin trích lọc cho ESF/EBP và nhấp nháy điện ly ................... 40 Bảng 2: Các kết quả đã công bố về PSSR................................................................. 44 Bảng 3: Các địa điểm có số liệu sử dụng trong luận án ............................................ 50
Danh mục các hình vẽ, đồ thị Trang Hình 1.1: a) Tốc độ sinh ion theo độ cao với các nguồn ion hóa khác nhau; b) tuyến mật độ ion; c) tuyến mật độ electron ........................................................................ 5 Hình 1.2. Các tuyến độ dẫn và mật độ điện tử theo độ cao ...................................... 10 Hình 1.3. Mô hình đơn giản mô tả dòng điện xích đạo phía trên xích đạo từ .......... 11 Hình 1.4: Mô tả trong mặt phẳng kinh tuyến từ của dynamo lớp F ......................... 13 Hình 1.5: Vết trải rộng theo độ cao (bên trái) và theo tần số (bên phải) ................. 14 Hình 1.6: Cấu trúc vòm nâng ở đáy lớp F ................................................................ 14 Hình 1.7: Biểu đồ thời gian – khoảng cách – mật độ của tín hiệu tán xạ ngược từ mảng bất ổn định spread F quan trắc tại Jicamarca ................................................ 15 Hình 1.8. Bong bóng plasma xích đạo quan trắc tại Hawaii bằng thiết bị quang học chụp toàn cảnh bầu trời đêm (bộ lọc 630nm – bên trái và 557,7nm – bên phải) ... 16 Hình 1.9: Mô tả quá trình xảy ra bất ổn định trao đổi ở đáy lớp F .......................... 17 Hình 1.10. Biến thiên của vận tốc dịch chuyển thẳng đứng theo thời gian địa phương tại các khu vực kinh tuyến khác nhau vào hạ chí ............................................................ 19 Hình 1.11. Biến thiên mùa của thời điểm xảy ra cực đại vận tốc dịch chuyển tại Jicamarca ................................................................................................................. 20 Hình 1.12. Vận tốc dịch chuyển thẳng đứng tại Jicamarca (Kp
Hình 1.19. Spread F theo độ cao (bên trái) và theo tần số (bên phải) ...................... 30 Hình 1.20. Nguyên lý hình thành vết phản xạ nhiều lần (bên trái) và vết phụ (bên phải) ....................................................................................................................... 31 Hình 1.21. TEC thẳng đứng tương đối và độ nhiễu loạn TEC ................................ 33 Hình 1.22. Bản đồ bức xạ sóng dài phát ra từ Trái Đất nội suy toàn cầu tính trung bình trong 3 tháng hạ chí cho thấy vị trí của các vùng hoạt động đối lưu liên quan đến spread F xích đạo ............................................................................................ 34 Hình 1.23. Độ hoạt động Mặt Trời trong một số năm nghiên cứu ........................... 35 Hình 1.24. Vị trí quan trắc (K) và hai lớp E liên hợp, điểm cắt xích đạo từ của kinh tuyến từ chứa EE’ (Q) biểu diễn trên mô phỏng Trái Đất như hình tròn đơn vị .... 37 Hình 1.25: Nút hoàng hôn lớp E tại Kwajalein trong giai đoạn 01/2011 – 01/2012; các đường liền nét thể hiện biến thiên theo ngày của thời điểm hoàng hôn lớp E, các đường đứt nét cho lớp E liên hợp ..................................................................... 38 Hình 1.26. Vết phản xạ bị khuếch tán tại vùng tần số thấp được xác định là spread F trải rộng về độ cao ................................................................................................... 43 Hình 2.1: Bản đồ các vị trí có thiết bị quan trắc sử dụng trong luận án (thêm trạm Baguio trong so sánh ở chương 4) .......................................................................... 50 Hình 2.2: Diễn biến của tầng điện ly tại Kwajalein đêm 24/04/2011 với sự xuất hiện của sự nâng lên sau hoàng hôn, vết phản xạ nhiều lần, vết phụ và spread F mạnh ................................................................................................................................. 53 Hình 2.3. Ví dụ về vết kép phản xạ nhiều lần xuất hiện lúc 18h47 LT ngày 22/03/2011 .............................................................................................................. 54 Hình 2.4. Hình vẽ lại tổng hợp sự xuất hiện của vết 1F và MRE từ 07h30 đến 08h15 UT đêm 24/04/2011 ................................................................................................ 55 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) .... 58 Hình 2.6. Đáy điện ly giả định từ tính toán theo đường cong thành phần nhiễu loạn TEC thu được lúc 19h28 LT ................................................................................... 60
Hình 2.7. Mô hình xoáy điện ly buổi chiều tối và dịch chuyển ngang của cấu trúc dạng sóng quy mô lớn ............................................................................................. 64 Hình 3.1. Kết quả quan sát nhấp nháy điện ly từ vệ tinh TACSAT (đường màu xanh lá cây – năm 1972, màu đỏ - năm 1971, màu vàng – năm 1970 và màu xanh nước biển – trung bình tháng trong 3 năm), vệ tinh MARISAT (dấu X màu cam) và vệ tinh INTERSAT (dấu X màu đen) .......................................................................... 72 Hình 3.2. Kết quả quan sát nhấp nháy điện ly từ vệ tinh WIDEBAND ................... 74 Hình 3.3: Tần suất xuất hiện EPB vào (a) năm 2000 (độ hoạt động mặt trời cao) và (b) năm 2011 (độ hoạt động mặt trời thấp) từ số liệu vệ tinh DMSP ..................... 75 Hình 3.4. Khả năng xuất hiện bong bóng plasma tại Kwajalein trong các năm độ hoạt động mặt trời cao từ vệ tinh DMSP .............................................................. 77 Hình 3.5. Khả năng xuất hiện bong bóng plasma tại Kwajalein trong các năm độ hoạt động mặt trời thấp từ vệ tinh DMSP ............................................................. 78 Hình 3.6. Khả năng xuất hiện bất ổn định điện ly quan trắc từ vệ tinh ROCSAT-1 79 Hình 3.7. Kết quả quan sát bất ổn định điện ly từ vệ tinh AE-E .............................. 81 Hình 3.8. Sự xuất hiện spread F xích đạo tại Kwajalein trong thời gian 01/2011 – 01/2012 từ thăm dò thẳng đứng .............................................................................. 82 Hình 3.9: Tổng hợp kết quả quan trắc sự nâng lên sau hoàng hôn của lớp F từ vệ tinh và thiết bị khác ................................................................................................ 83 Hình 3.10. Kết quả tính VPSSR từ mô hình Scherliess-Fejer cho 2 năm độ hoạt động mặt trời cao (năm 2000) và thấp (năm 2011) ......................................................... 85 Hình 3.11. Vận tốc nâng lên thẳng đứng cực đại quan trắc bằng thăm dò thẳng đứng tại Kwajalein và Trivandrum .................................................................................. 86 Hình 3.12. So sánh hoạt động spread F và sự nâng lên sau hoàng hôn của lớp F .... 87 Hình 3.13. (a) Tần suất xuất hiện spread F (POFESF), khi có vết phản xạ nhiều lần (POFESF+MRE ) và khi không có vết phản xạ nhiều lần (POFESF-MRE ), (b) Tần suất xuất hiện vết phản xạ nhiều lần (POFMRE), khi có spread F (POFMRE+ESF) và khi không có spead F (POFMRE-ESF ).............................................................................. 89
Hình 3.14. Tần suất xuất hiện theo thời gian của vết phản xạ nhiều lần trong các tháng 4, 7 và 8/2011 ...................................................................................... 91 Hình 3.15. Biểu đồ tần suất xuất hiện vết phản xạ nhiều lần trong mối liên hệ với spread F tại các thời điểm liên quan đến sự nâng lên sau hoàng hôn của lớp F..... 92 Hình 3.16. Bản đồ OLR cho khu vực Kwajalein từ tháng 01/2011 đến tháng 01/2012.................................................................................................................... 93 Hình 3.17. So sánh tổng hợp giữa (a) biến thiên theo độ cao của thành phần vĩ hướng hướng Đông của vận tốc gió trung hòa từ mô hình HWM93 và (b) vận tốc nâng lên sau hoàng hôn quan trắc tại Kwajalein năm 2011, tại Trivandrum năm 2004 và tính từ mô hình SF99 năm 2011 ................................................................ 98 Hình 3.18. Biến thiên theo kinh độ và theo mùa của cực đại vận tốc dịch chuyển thẳng đứng trước đảo chiều trong điều kiện yên tĩnh từ ....................................... 100 Hình 4.1. Hình vẽ lại mặt cắt theo kinh tuyến từ với các ký hiệu bổ sung cho biết vị trí của trạm Phú Thụy, 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 ............................................................. 108 Hình 4.2. So sánh tổng hợp giữa EPB từ vệ tinh C/NOFS (a, b, c), vệ tinh DMSP (d, e, f) trong khoảng kinh tuyến qua khu vực Việt Nam, POFSF tại Phú Thụy các năm 2007–2010 và tại Baguio các năm 1953–1955 (g) ............................................... 110 Hình 4.3. Cực đại xuất hiện spread F tại Baguio các năm 1953 – 1955 (a) và tại Phú Thụy các năm 2007 – 2010 (b-e) .......................................................................... 113 Hình 4.4. Spread F tại trạm ngoài vùng xích đạo (Agua Verde - 110S vĩ độ từ) có dạng giống như vết xuất hiện tại trạm xích đạo .................................................... 115 Hình 4.5. 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) ............... 117 Hình 4.6. Các diễn biến xảy ra trong tầng điện ly quan trắc tại Phú Thụy trong đêm 24/06/2007 (hình a) và vị trí đánh dấu bằng vòng tròn màu đỏ cho biết nơi quan trắc thấy spread F trong cùng đêm (hình b) ........................................................ 119
Hình 4.7: Một vài điện ly đồ biểu diễn trình tự xuất hiện spread F tại (a) Bạc Liêu và (b) Chumphon .................................................................................................. 120 Hình 4.8. Các diễn biến xảy ra trong tầng điện ly quan trắc tại Phú Thụy trong đêm 25/07/2010 (hình a) và vị trí đánh dấu bằng vòng tròn màu đỏ cho biết nơi quan trắc thấy spread F trong cùng đêm (hình b) .......................................................... 122 Hình 4.9. Một số điện ly đồ vào cuối chuỗi xuất hiện spread F tại Phú Thụy đêm 25/07/2010 ............................................................................................................ 124
MỞ ĐẦU Spread F xích đạo (Equatorial Spread F – ESF, hay gọi tắt là spread F) 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 từ điện ly 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, đặc biệt trong thông tin liên lạc - định vị bằng vệ tinh. Cho đến hiện nay, vẫn chưa có lý thuyết hoàn chỉnh về nguyên nhân gây hoạt động ESF hàng ngày. Các nghiên cứu vẫn đang đi theo hướng tìm hiểu vai trò của hai yếu tố điều khiển ESF là sự nâng lên sau hoàng hôn của lớp F (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 khác giúp mô tả LSWS là rất cần thiết trong hướng nghiên cứu về yếu tố điều khiển này nói riêng và nghiên cứu ESF nói chung. Là một trong những chủ đề quan trọng trong hướng nghiên cứu “thời tiết không gian – Space Weather”, nghiên cứu ESF tại nước ta càng trở nên cấp thiết hơn khi kết quả quan trắc toàn cầu bằng vệ tinh cho thấy sự xuất hiện của hiện tượng tại khu vực bao gồm Việt Nam – Indonesia - Philippines có đặc tính khác biệt chưa thể giải thích bằng các lý thuyết hiện có đối với các khu vực khác. Tuy nhiên, ESF là vấn đề mới và chưa được nghiên cứu thỏa đáng ở nước ta do thiếu thiết bị và cơ sở vật chất chuyên dụng. Mặc dù đã từng có ba máy thăm dò điện ly và một hệ thu tín hiệu 1
GRBR (GNU Radio Beacon Receiver - thiết bị thu tín hiệu vô tuyến dẫn đường sử dụng bộ công cụ phần mềm miễn phí GNU) từ vệ tinh C/NOFS (Communication/Navigation Outage Forecasting System - hệ thống dự báo sự gián đoạn trong thông tin liên lạc/dẫn đường) hoạt động tại ba đài quan trắc trên toàn lãnh thổ Việt Nam, hiện nay chỉ còn duy nhất một thiết bị thăm dò thẳng đứng hoạt động tại Bạc Liêu. Dựa trên số liệu từ thiết bị thăm dò thẳng đứng tại Hóc Môn (giai đoạn 2002 – 2006) và Phú Thụy (giai đoạn 1962 – 1979), một số đặc tính thống kê về biến thiên theo mùa, theo giờ địa phương, theo hoạt động mặt trời và sự xuất hiện trong thời gian xảy ra bão từ của ESF, và khác biệt trong so sánh giữa ESF tại Việt Nam và Brazil đã được báo cáo [1, 2, 3, 4, 59]. Số liệu thu thập trong giai đoạn ngắn nhờ GRBR đã được phân tích trong một số bài báo của nhóm các nhà khoa học Việt Nam và Nhật Bản, Mỹ, Ấn Độ nhằm bước đầu xác định đặc tính xuất hiện của ESF tại Việt Nam và khẳng định vai trò của LSWS đối với hiện tượng này, đặc biệt trong so sánh với ESF tại khu vực Châu Phi [116, 134, 142]. Có thể thấy, bên cạnh việc thiếu số liệu nghiên cứu, vấn đề đặt ra là khả năng 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 là 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 về số liệu quan trắc tại Việt Nam? Nghiên cứu sinh chọn giải pháp là nghiên cứu ESF tại khu vực khác (khu vực đảo Kwajalein - 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 ở nước ta nhằm từng bước nâng cao khả năng khai thác số liệu để nghiên cứu ESF tại Việt Nam tốt hơn. Trên cơ sở các phân tích vừa trình bày, 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 2
phát từ nhu cầu tiếp cận hướng nghiên cứu đang rất được quan tâm về ESF, nhằm 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 lần đầu tiên kết hợp nghiên cứu đồng thời hai nguồn điều khiển với bản thân ESF trong việc tìm kiếm thêm đặc tính hình thành - xuất hiện ESF và đánh giá vai trò của hai yếu tố này ở quy mô thời gian hàng tháng - là một bước hướng đến mục tiêu cuối cùng là nghiên cứu biến thiên ESF hàng ngày. Mục đích của luận án: - Làm sáng tỏ phương pháp trích lọc thông tin từ thăm dò thẳng đứng (điện ly đồ) nhằm mô tả gián tiếp và quan trắc hai hình thái vào giai đoạn đầu tiên và cuối cùng của spread F trong hoàn cảnh không có số liệu mô tả trực tiếp, là cấu trúc dạng sóng quy mô lớn và bong bóng plasma xích đạo (Equatorial Plasma Bubble – EPB). - Đóng góp thêm một vài bằng chứng nhằm tiếp tục làm sáng tỏ các quan điểm hiện tại về nguyên nhân gây biến thiên và đánh giá vai trò của các yếu tố điều khiển ESF tại khu vực nghiên cứu. Đối tượng nghiên cứu của luận án: - 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 - Spread F - cấu trúc bong bóng plasma xích đạo tại Việt Nam và khu vực lân cận. Ý nghĩa khoa học của luận án: 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: từng bước mở ra khả năng áp dụng kết quả nghiên cứu vào dự báo spread F xích đạo trong mối quan hệ với hoạt động công nghệ truyền thông - định vị vệ tinh. Những điểm mới của luận án: - Khẳng định bằng chứng mới về vết phản xạ nhiều lần (đơn và kép) là dấu hiệu điện ly đồ của cấu trúc dạng sóng quy mô lớn. 3
- Nghiên cứu đồng thời vai trò của hai yếu tố điều khiển đối với spread F ở quy mô thời gian hàng tháng không những cho thấy vận tốc nâng lên thẳng đứng cực đại của lớp F đóng vai trò quan trọng hơn gradient độ dẫn (nút hoàng hôn) đối với biến thiên hoạt động spread F mà còn chỉ ra rằng có thể tồn tại hai nguồn khác nhau điều khiển biến thiên giá trị cực đại vận tốc 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 - trong đó: - Chương một: giới thiệu tổng quan về tầng điện ly, hiện tượng spread F và hai nguồn điều khiển spread F, các phương pháp chính thăm dò khí quyển - điện ly để thu thập số liệu và thông tin được trích lọc cho đề tài nghiên cứu trong luận án. - Chương hai: giới thiệu kết quả nghiên cứu vai trò của cấu trúc dạng sóng quy mô lớn đối với spread F nhằm khẳng định phương pháp trích lọc thông tin cho yếu tố điều khiển này từ số liệu thăm dò thẳng đứng trong bối cảnh không có nhiều số liệu từ thăm dò vệ tinh. - Chương ba: giới thiệu kết quả nghiên cứu về vai trò của hai yếu tố điều khiển đối với spread F nhằm nêu bật vai trò của từng yếu tố ở quy mô thời gian tháng – bước trung gian giữa các nghiên cứu biến thiên hiện tượng theo mùa và biến thiên hàng ngày. - Chương bốn: giới thiệu kết quả nghiên cứu cấu trúc bong bóng plasma khu vực Việt Nam, sử dụng điện ly đồ quan trắc tại trạm xa xích đạo để nghiên cứu bản thân hiện tượng này tại khu vực xích đạo từ. Kết quả của luận án đã được công bố trong 3 bài báo (2 tạp chí quốc tế -Journal of Atmospheric-Solar Terrestrial Physics và Journal of Geophysical Research, 1 tạp chí trong nước - Các Khoa học về Trái Đất) và 1 báo cáo poster tại hội nghị chuyên đề quốc tế về Cao không xích đạo lần thứ 13 (ISEA 13). 4