Luận văn tốt nghiệp đại học: Nghiên cứu bão từ năm 2003

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ

Cao Thị Vĩnh Phương

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2011

1 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ

CAO THỊ VĨNH PHƯƠNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. Trần Quốc Hà

Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ Mã số: 102

Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2011

2 2

Mục lục Mục lục ....................................................................................................................... 0 Danh mục các hình: ..................................................................................................... 4 Danh mục bảng số liệu: ............................................................................................... 6 Lời cảm ơn .................................................................................................................. 7 Mở đầu ........................................................................................................................ 8 Chương 1 : Tổng quan về bão từ. ............................................................................. 10 1.1. Bão từ và những tác hại của bão từ: ................................................................... 10 1.1.1. Bão từ là gì? ................................................................................................ 10 1.1.2.Tác hại của bão từ: ....................................................................................... 10 1.2. Từ trường Trái Đất: ............................................................................................ 11 1.2.1.Sự biến động của từ trường Trái Đất. .......................................................... 12 1.2.2.Từ quyển Trái Đất. ....................................................................................... 13 * Vành đai bức xạ Van Allen (Van Allen radiation belts):.................................. 15

Chương 2: Lý thuyết về bão từ. ................................................................................ 16 2.1. Mặt Trời – nguồn gốc của bão từ: ...................................................................... 16 2.1.1Vết đen MT: .................................................................................................. 16 2.1.2. Bùng nổ MT: ............................................................................................... 17 * Sự kiện proton (proton event): ........................................................................... 18 2.1.3. Sự phóng vật chất Nhật hoa (Coronal Mass Ejection – CME ): ................. 18 2.1.4.Gió MT: ........................................................................................................ 19 2.2.Một số giải thích và cơ chế gây bão từ: .............................................................. 20 2.2.1.Một số giải thích về bão từ: ......................................................................... 20 2.2.1.1.Lý thuyết của Chapman – Ferraro: ....................................................... 20 2.2.1.2. Lý thuyết mới – thời tiết của vũ trụ: .................................................... 22 2.2.2.Cơ chế hình thành bão từ và hạ bão từ: ....................................................... 23 2.3.Một vài chỉ số liên quan đến bão từ: ................................................................... 26 2.3.1.Chỉ số hành tinh Kp: .................................................................................... 26 2.3.2.Chỉ số Ap: .................................................................................................... 27 2.3.3.Chỉ số S – solar radiation storm: .................................................................. 28 2.3.4.Chỉ số R – radio blackout: ........................................................................... 28

Chương 3: Nghiên cứu bão từ trong năm 2003 ........................................................ 29 3.1. Mục đích: ........................................................................................................... 29 3.2. Phương pháp nghiên cứu: .................................................................................. 29 3.3. Nghiên cứu chu kỳ hoạt động 23 của MT: ........................................................ 29 3.4. Khảo sát hoạt động của MT từ ngày 19/10 – 05/11/ 2003................................. 31 3.4.1. Khảo sát vết đen MT từ ngày 19/10 – 05/11/ 2003: ................................... 31 3.4.1.1.Vùng 484: .............................................................................................. 32 3.4.1.2.Vùng 486: .............................................................................................. 33

3 3

3.4.1.3.Vùng 488: .............................................................................................. 34 3.4.2. Sự kiện proton (proton event): .................................................................... 35 3.4.3.Khảo sát sự phóng vật chất của Nhật hoa – CME từ 19/10 – 4/11/2003: ... 37 3.4.4. Khảo sát sự biến động của chỉ số Dst từ 1/10 – 31/11/2003: ..................... 40 3.5. So sánh cường độ bão từ trong năm 2003 và năm 2002 – 2004, 2005: ............. 44 3.6.Tình hình bão từ xảy ra tại nước Việt Nam ........................................................ 46 Chương 4: Kết luận và kiến nghị .............................................................................. 50 Phụ lục 1:Ảnh hưởng của bão từ lên hệ thống ống dẫn dầu ..................................... 51 Phụ lục 2:Ảnh hưởng của bão từ lên hệ thống tải điện ............................................. 53 Phụ lục 3: Các thiết bị dự báo bão Mặt Trời và bão từ ............................................. 55 Phụ lục 4: Dự đoán bão từ vào năm 2013 ................................................................. 58 Phụ lục 5: Chỉ số Dst tháng 10 – 11/2003. ............................................................... 61 Phụ lục 6: Các kí hiệu viết tắt. .................................................................................. 63 Tài liệu tham khảo. .................................................................................................... 64

4 4

Danh mục các hình: Hình 1.1. Hệ thống đường dây điện và hệ thống ống dẫn dầu. ................................ 11 Hình 1.2: Từ trường Trái Đất .................................................................................... 12 Hình 1.3: Hình dạng từ quyển Trái Đất. .................................................................. 13 Hình 1.4: Các vành đai bức xạ: màu đỏ - vành đai trong ; màu xám - vành đai

ngoài. ............................................................................................................................. 15 Hình 2.1. Số vết đen MT quan sát trung bình hàng năm từ năm 1900 – 2000 ......... 16 Hình 2.2: ảnh chụp CME ........................................................................................ 19 Hình 2.3: CME được phóng ra từ MT. ..................................................................... 19 Hình 2.4: Vòng điện bao quanh T Đ. ........................................................................ 20 Hình 2.5: Các lớp điện tích và các dòng điện trong từ quyển T Đ .......................... 22 Hình 2.6: Các đường sức từ của IMF ....................................................................... 23 Hình 2.8: IMF kết nối với từ trường Trái Đất .......................................................... 24 Hình 2.9: Quá trình đóng mở của các đường sức của T Đ dưới tác động của gió MT và IMF. ................................................................................................................... 25 Hình 2.10 : Các pha của hạ bão từ: .......................................................................... 25 Hình 2.11: Cực quang ở phía trên núi lửa Eyjafjallajökull tại Iceland ..................... 26 Hình 3.1: Nhóm vết đen 484 .................................................................................... 32 Hình 3.2: Sự thay đổi kích thước vùng 484 .............................................................. 32 Hình 3.3: Nhóm vết đen 486 .................................................................................... 33 Hình 3.4: Sự thay đổi kích thước vùng 486 .............................................................. 33 Hình 3.5: Nhóm vết đen 488 .................................................................................... 34 Hình 3.6: Sự thay đổi kích thước vùng 488. ............................................................. 34 Hình 3.7: Biểu đồ mô tả mật độ hạt và mức năng lượng tương ứng trong các ngày 28/10 – 6/11/2003 ......................................................................................................... 36 Hình 3.8: Tốc độ của CME từ 21/10 – 4/11/2003. ................................................... 39 Hình 3.9: Sự thay đổi vận tốc gió MT từ 19/10 – 4/11/2003.................................... 39 Hình 3.10 : Chỉ số Kp từ ngày 29/10 – 1/11/2003 .................................................... 39 Hình 3.11: Chỉ số Dst của từng ngày trong suốt tháng 10 và 11/2003 ..................... 41 Hình 3.12: Chỉ số GIC .............................................................................................. 42 Hình 3.13: Chỉ số Dst của tháng xuất hiện bão từ có cường độ mạnh nhất trong

năm 2002, 2004, 2005. .................................................................................................. 46 Hình 3.14: Sơ đồ vị trí các trạm dự báo bão từ Sapa, Phú Thụy, Đà Lạt, Bạc Liêu. 48 Hình 3.15 : Đồ thị mô tả sự biến thiên của thành phần H tại hai trạm Bạc Liêu và Phú Thụy trong năm 2005 ............................................................................................. 48 Hình 1: Mô hình dòng điện GIC chạy trong ống dẫn. .............................................. 51 Hình 2 : Mô hình thiết bị bảo vệ ống dẫn chống bị bào mòn do dòng GIC. ............ 52 Hình 3 : Trường địa từ và sự thay đổi điện thế giữa ống dẫn và đất quan sát tại

Canada vào tháng 6-7 năm 2000. .................................................................................. 52 Hình 4 : Mô hình điện thế bề mặt T Đ – ESP tạo dòng GIC chạy qua hệ thống tải điện. ............................................................................................................................... 53 Hình 5: SOHO spacecraft. ....................................................................................... 55

5 5

Hình 6: Vị trí điểm lagrangian ................................................................................. 55 Hình 7: ACE satelite ................................................................................................. 56 Hình 8 : Wind spacecraft. ......................................................................................... 56 Hình 9: GOES satelite ............................................................................................... 57 Hình 10 : IMAGE spacecraft. ................................................................................... 57 Hình 11: Chu kỳ 24 sẽ tương tự như chu kỳ đạt cực đại năm 1928. ........................ 58 Hình 12: số vết đen MT từ năm 2001 – 2016 ........................................................... 58 Hình 13: Số vết đen MT từ năm 2001 – 2019. Đường màu đỏ chỉ số vết đen dự đoán. .............................................................................................................................. 59

6 6

Danh mục bảng số liệu: Bảng 1: Các loại bùng nổ MT. .................................................................................. 17 Bảng 2: Mối liên hệ giữa chỉ số K và G ................................................................... 27 Bảng 3: Chỉ số S ........................................................................................................ 28 Bảng 4: Chỉ số R – radio blackout ............................................................................ 28 Bảng 5: Số vết đen làm trơn (SSN) trung bình trong thực tế của chu kỳ 23 : .......... 30 Bảng 6: Số vụ CME xảy ra trong chu kỳ thứ 23 ....................................................... 30 Bảng 7: Những vụ bùng nổ MT tiêu biểu trong chu kỳ 23 ....................................... 30 Bảng 8: Những nhóm vết đen có liên quan đến các vụ bùng nổ MT từ ngày 19/10 – 05/11/ 2003 ................................................................................................................. 31 Bảng 9: Sự kiện Proton ( năng lượng, mật độ) ........................................................ 35 Bảng 10: Gió MT (vận tốc, mật độ) cường độ IMF, vận tốc CME .......................... 38 Bảng 11 So sánh hoạt động MT trong các năm 2002, 2003, 2004, 2005: ............... 45 Bảng 12: So sánh cường độ bão từ trong năm 2003, 2004, 2005: ............................ 45 Bảng 13: Tọa độ địa lý các trạm dự báo, và tên các thiết bị nghiên cứu bão từ ....... 47 Bảng 14: Số trận bão từ xảy ra tại Việt Nam từ năm 1986 – 2008: .......................... 48 Bảng 15: Cường độ bão từ qua các năm: .................................................................. 48 Bảng 16: Mối liên hệ giữa cường độ dòng GIC và dòng AC .................................. 54

7 7

Lời cảm ơn Vật lý, môn học đã theo tôi suốt 10 năm từ khi tôi học lớp 7 cho đến khi tôi vào đại học.

Đến học kỳ I của năm ba, tôi được học môn thiên văn học. Nhiều điều mới lạ đã đến với

tôi. Vật lý không còn là những mảng cơ, nhiệt, điện, quang nằm một cách riêng rẻ nữa mà

tất cả đều nằm trong một thể thống nhất tác động qua lại, cái này là nguyên nhân đồng

thời là hệ quả của cái kia. Và tất cả nằm trong một vũ trụ kỳ bí mà bản thân tôi mới thật sự

chạm tay vào và bắt đầu từng bước đi trên con đường của khoa học. Lúc này tôi nhớ lại

một câu nói trong quyển sách thiên văn học đã gây cho tôi nhiều suy ngẫm: “Ai không biết

tí gì về thiên văn học hiện đại, người đó không thể được coi là đã học hành đầy đủ”. Vâng,

đúng thế! Con người đã khám phá được những điều bí ẩn trên Trái Đất, làm cho cuộc

sống của nhân loại văn minh, tiện nghi hơn. Từ đó lại dẫn dắt ta đến một cuộc chiến mới

với thiên nhiên để bảo vệ và phát triển nền văn minh ấy. Thiên văn học hiện đại chính là

một phương thức, một vũ khí để con người chống chọi trong cuộc chiến đó. Chính vì thế

thiên văn học đã cho tôi nhiều hứng khởi và thích thú.

Tôi nhận thấy khi làm luận văn tốt nghiệp này mình có hai điều may mắn. Thứ nhất, tôi

tình cờ được làm về mảng thiên văn học. Thứ hai, đề tài “nghiên cứu bão từ trong năm

2003” đối với tôi có một chút ẩn và một chút hiện, nó làm tôi không khỏi tò mò, suy nghĩ.

Một chút hiện – những điều tôi được biết qua báo chí về tầm ảnh hưởng của bão từ. Một

chút ẩn – những cơ chế nguyên nhân hình thành nên bão từ.

Bắt tay vào làm đề tài này mục đích của tôi muốn hiểu rõ về cơ chế và những nguyên

nhân gây nên bão từ cụ thể bão từ trong năm 2003. So sánh cường độ của bão từ với

những năm khác sau cực đại. Bên cạnh đó có thể rút ra nhận xét chung về tình hình bão từ

sau cực đại trong thời gian tới. Đồng thời tìm hiểu việc nghiên cứu bão từ tại nước Việt

Nam trong nhiều năm qua.

Em xin cảm ơn sự chỉ dẫn tận tình của cô Trần Quốc Hà và các thầy cô trong khoa lý

đã dạy dỗ em trong suốt bốn năm qua.

Cảm ơn các bạn trong lớp đã hỗ trợ tôi trong việc tìm kiếm tài liệu để tôi có thể hoàn

thành bài luận kịp thời gian. Với khả năng còn hạn chế chắc chắn bài luận còn gặp nhiều

sai sót, tôi hy vọng nhận thêm sự góp ý của thầy cô và các bạn.

Sinh viên thực hiện

Cao Thị Vĩnh Phương

8 8

Mở đầu Mặt Trời (MT) là một ngôi sao gần chúng ta nhất. Bên cạnh đó MT là một ngôi

sao hoạt động mạnh cung cấp không chỉ ánh sáng cho Trái Đất (TĐ) mà đồng thời

gây ra những thiên tai cho sự sống trên TĐ. Vì thế khi khoa học vũ trụ phát triển,

việc nghiên cứu MT và hoạt động của MT là một việc thiết yếu mang ý nghĩa thực

tiễn to lớn.

Bão địa từ hay còn gọi là bão từ là thời kỳ kim la bàn dao động đột ngột và mãnh

liệt. Người ta cho rằng nguyên nhân gây ra bão địa từ là do bão Mặt Trời gây nên.

Từ năm 1930 Chapman và Ferraro đã đưa ra lý thuyết về bão từ, tuy nhiên vẫn còn

chưa cụ thể và rõ ràng. Cho đến những năm 1960 vận tốc gió MT được đo chính

xác thì lúc này hình dạng từ quyển TĐ được mô phỏng một cách đầy đủ có dạng

“quả trứng gà đẻ non” do tác động của gió MT. Tới những năm 1970 bão từ được

định nghĩa theo lý thuyết mới – thời tiết của vũ trụ - là những nhiễu loạn của từ

quyển, do các nhiễu loạn trong vũ trụ gây nên. Những nhiễu loạn này là do hoạt

động của MT cụ thể là bão MT.

Bão MT bao gồm các hiện tượng bùng nổ MT và CME (Coronal Mass Ejection),

là một dạng hoạt động của MT diễn ra tại sắc cầu và Nhật hoa. Bão MT chính là sự

phóng thích đột ngột những bức xạ điện từ ở mọi bước sóng và bức xạ hạt với năng

lượng lớn vào không gian. Khi đi đến Trái Đất nó có thể tương tác với từ quyển TĐ

gây ra bão từ.

Nguyên nhân dẫn đến những hoạt động của MT là do thành phần cấu tạo nên MT

và sự tự quay của MT. MT là một khối khí với lớp khí trong nhân tồn tại dưới dạng

plasma ở nhiệt độ cao hàng chục triệu độ. Những hạt plasma này đóng băng vào các

đường sức từ của MT làm cho các đường sức từ như những sợi dây điện. Do MT tự

quay với chu kỳ khoảng 27 ngày, gây ra sự quay không đồng bộ của các lớp khí

trong MT làm cho các vùng dây điện bị xoắn lại tạo nên vùng hoạt động (active

region). Các dây xoắn trồi lên trên bề mặt MT như những vết đen MT – nơi từ

trường MT trở nên bất thường. Bên cạnh đó, các dây điện của MT bị chập mạch,

9 9

phóng ra ngoài vũ trụ những đợt năng lượng lớn kèm theo các tia bức xạ ở đủ mọi

bước sóng gọi là bùng nổ MT và CME. Hoạt động của MT biến thiên tuần hoàn

theo chu kỳ khoảng 11 năm. Tính đến nay đã được 23 chu kỳ (mốc từ năm 1749) và

bắt đầu sang chu kỳ 24 được hơn 2 năm (từ 2009 đến nay)

Nghiên cứu bão từ xảy ra trong các chu kỳ trên người ta nhận thấy những ngày

có bão từ mạnh diễn ra ngay sau các đợt bão MT với các vụ bùng nổ và CME có

cường độ và tốc độ lớn, tiêu biểu là trong chu kỳ 23 ( từ 5/1996 – 10/2008) vào năm

2003 ( khoảng thời gian từ 10 -11/2003). Vì vậy trong đề tài “Nghiên cứu bão từ

trong năm 2003” tôi tập trung nghiên cứu bão MT và bão từ trong thời gian từ 10-

11/2003 để tìm mối liên hệ giữa hai hiện tượng trên.

Đề tài gồm hai nội dung chính:

Thứ nhất: nghiên cứu nguyên nhân và cơ chế hình thành một cơn bão từ.

Thứ hai: khảo sát tình hình bão từ trong năm 2003 cụ thể như sau:

§ Tìm hiểu đặc điểm các hoạt động của MT trong thời gian xảy ra

bão từ (10-11/2003) ( kích thước các vết đen ).

§ Khảo sát những sự kiện bùng nổ MT, sự kiện proton ( mật độ, năng

lượng), CME (tốc độ), gió MT (tốc độ, mật độ ), từ trường liên

hành tinh IMF (cường độ, hướng).

§ Khảo sát sự biến động của chỉ số Dst; rút ra nhận xét về sự ảnh

hưởng của bão MT đối với sự xuất hiện và cường độ bão từ trên

TĐ.

§ Nhận xét về cường độ bão từ sau cực đại một chu kỳ qua việc so

sánh cường độ bão từ trong năm 2003 với năm 2002, 2004, 2005.

Đồng thời, đề tài còn tìm hiểu tình hình bão từ xảy ra tại Việt Nam (số trận bão

từ và cường độ bão từ mạnh nhất xảy ra trong một năm) và những ảnh hưởng mà

bão từ gây ra cho con người, cơ sở vật chất trên TĐ. Qua đó tôi có thể rút ra nhận

xét chung và đưa ra kiến nghị về tình hình nghiên cứu bão từ tại Việt Nam.

10 10

Chương 1 : Tổng quan về bão từ.

1.1. Bão từ và những tác hại của bão từ:

1.1.1. Bão từ là gì?: Bão địa từ hay còn gọi là bão từ là thời kỳ kim la bàn dao động đột ngột và rất

mạnh. Người ta cho rằng nguyên nhân gây ra bão địa từ là do bão Mặt Trời gây nên.

Từ năm 1930 đến nay nói chung có hai lý thuyết tiêu biểu giải thích về cơ chế hình

thành bão từ. Một trong những lý thuyết đó được chấp nhận hiện nay là lý thuyết

“thời tiết của vũ trụ” (xem phần 2.2.1)

Một cơn bão từ kinh điển có 3 pha:

Pha đầu: do sự nén ép của gió MT lên từ quyển làm cho từ trường TĐ tăng (cụ

thể là thành phần H, có thể tăng từ từ hoặc bất ngờ), kéo dài vài giờ.

Pha chính: sự giảm mạnh của thành phần từ trường H tạo thành cực tiểu kéo dài

vài ngày. Pha này có liên quan đến các vòng điện có trong vành đai bức xạ Allen

của từ quyển.

Pha phục hồi: sự trở lại chậm chạp của từ trường, kéo dài vài ngày. Pha này có

liên quan đến sự khuếch tán của các hạt tích điện cấu tạo nên vòng điện gây pha

chính.

1.1.2.Tác hại của bão từ: Ngày nay, với cuộc sống công nghệ cao, thiết bị điện tử hầu như có mặt phổ biến

ở nhiều nơi trên T Đ. Vì thế tác hại của bão từ ngày càng nghiêm trọng và thể hiện

rõ trong các lĩnh vực kinh tế và y tế sau:

-Thứ nhất, những cơn bão từ mạnh có thể làm tê liệt hệ thống dẫn điện gây mất

điện hàng loạt (xem phụ lục 2). Điển hình nhất là cơn bão từ vào ngày 13 tháng 3

năm 1989 đã làm tê liệt hệ thống điện ở Quebec, Canada và một phần nước Mỹ.

Ngoài ra vào ngày 30 tháng 10 năm 2003 một trận bão từ lớn gây ra sự mất điện

khoảng 1 tiếng ở Malmö thuộc miền nam Sweden.

11 11

-Thứ hai, bão từ có thể làm tăng quá trình ăn mòn ống dẫn dầu được lắp đặt

trong lòng đất (xem phụ lục 1).

-Thứ ba, bão từ cũng có tác động lớn đối với sức khoẻ con người, đặc biệt là đối

với tim mạch và hệ thần kinh. Trong những ngày xuất hiện bão từ, đặc biệt là những

Hình 1.1. Hệ thống đường dây điện và hệ thống ống dẫn dầu.

(http://forum.bkeps.com)

(http://vnexpress.net)

cơn bão mạnh, đột ngột, bệnh nhân tim mạch có thể tăng lên 30%.

Ngoài ra, như ta đã biết hệ thống thông tin liên lạc tên mặt đất phụ thuộc nhiều

vào độ dẫn điện của tầng điện ly. Trong thời gian xảy ra bão từ trạng thái của tầng

điện ly thay đổi mạnh ( thay đổi độ dẫn điện, độ cao và bề dày) nên sự liên lạc sẽ bị

xấu đi, có khi bị gián đoạn hẳn.

1.2. Từ trường Trái Đất:

Trái đất được xem như là một thỏi “nam châm khổng lồ” với trục từ hợp với trục quay của T Đ một góc 11,20. Trục từ cắt T Đ tại hai cực gọi là cực từ Nam và cực từ

Bắc.

Hình dạng của từ trường TĐ cũng giống như từ trường của một thỏi nam châm.

Tuy nhiên các đường sức từ đi vào cực từ Bắc và đi ra ở cực từ Nam. Từ trường TĐ

có cường độ khoảng 0,5 G.

Hình 1.2: Từ trường Trái Đất

(http://vi.wikipedia.org)

12 12

Do T Đ tự quay làm cho các nguyên tố sắt nằm trong nhân ở trạng thái lỏng quay

theo, sinh ra dòng điện từ đó sinh ra từ trường. Từ trường này không đổi và chiếm

94% trong từ trường T Đ. Còn lại 6% là phần từ trường biến đổi do các yếu tố bên

ngoài gây ra chủ yếu là do hoạt động MT, Mặt Trăng, và các quá trình trong từ

quyển. Mặc dù phần biến đổi chiếm một tỉ lệ nhỏ trong từ trường T Đ tuy nhiên

thành phần này cũng gây ra những biến động không nhỏ.

Trong hệ tọa độ trụ, từ trường T Đ gồm các thành phần:

Thành phần nằm ngang H: là hình chiếu của B trên mặt phẳng nằm ngang.

Độ từ thiên D: là gốc giữa kinh tuyến từ và kinh tuyến địa lí có giá trị dương khi

kim la bàn chỉ sang phía Đông so với kinh tuyến địa lí.

Độ từ khuynh I: là góc hợp bởi B với mặt phẳng nằm ngang. Tại vùng cực từ, H = 0 và D không xác định, I = 900, kim nam châm sẽ không chỉ

phương từ trường.

Nơi có I = 0 gọi là xích đạo từ. Trong bản đồ nó có thể không phải là một đường

trơn mà có thể ngoằn ngoèo, thay đổi. Tại đây, từ trường chỉ có thành phần nằm

ngang, đường sức từ song song với mặt đất. Tại những nơi gần xích đạo từ, người

ta đặt các trạm địa từ để xác định chỉ số nhiễu loạn Dst (xem 2.2)

1.2.1.Sự biến động của từ trường Trái Đất: Từ trường T Đ không ổn định mà nó biến thiên theo ngày, mùa. Sự không ổn

định của từ trường T Đ gây ra do hoạt động của MT.

13 13

Hoạt động của MT sinh ra những hiện tượng như vết đen, bùng nổ, CME, … kết

quả của những hiện tượng này là sự biến động bức xạ MT đến TĐ. Những dòng hạt

mang điện tích này khi đến TĐ sẽ tương tác với từ quyển của TĐ gây ra sự biến

thiên từ trường.

Những ngày từ trường TĐ ít biến động gọi là những ngày yên tĩnh. Những ngày

từ trường TĐ biến đổi thất thường gọi là những ngày nhiễu loạn. Vào thời kỳ MT

hoạt động mạnh gây ra những nhiễu loạn từ trường lớn còn gọi là bão từ.

1.2.2.Từ quyển Trái Đất: Trái đất được bao bọc bên ngoài bởi một lớp khí quyển trải dài hàng chục km

(khoảng 68.000 km ∼ 10 RE). Lớp khí này không phải là một môi trường đồng nhất

mà nó bị phân ra làm 5 tầng khác nhau: tầng đối lưu, tầng bình lưu, tầng giữa, tầng

điên ly, và tầng ngoài cùng - từ quyển.

Là lớp ngoài cùng của TĐ nên nó sẽ tương tác trực tiếp với các hạt phát ra từ MT

bay đến TĐ (chủ yếu với các hạt trong gió MT) làm cho từ trường TĐ biến thiên,

các đường sức từ không còn là những đường khép kín mà bị duỗi ra một phía ( Hình

Hình 1.3: Hình dạng từ quyển Trái Đất. [1]

1.3)

14 14

Quá trình tương tác trên được mô tả như sau:

Khi gió MT thổi đến TĐ, plasma trong gió MT sẽ tương tác và bị từ trường TĐ

cản lại, tạo ra đường phân cách giữa từ trường và plasma, gọi là “magnetopause” (từ

quyển hạn). Từ quyển hạn ở phía hướng về MT đã bị dòng plasma nén lại, cách mặt (phần ban ngày). Trên từ quyển hạn có hai vị trí mà tại đó từ đất khoảng 5-10 RE

trường bằng 0 gọi là điểm trung hòa (neutral point – hay còn gọi là mũi họng, kẻ hở

vùng cực). Đây là hai điểm duy nhất kết nối bề mặt TĐ với từ quyển hạn, nó cho

các hạt trong lớp vỏ từ đi vào từ quyển một cách dễ dàng, gây ra hiện tượng cực

quang.

Mặt khác, gió MT với vận tốc lớn khi đến đụng lớp khí quyển TĐ sẽ gây ra sóng

chấn động ( shock wave), tạo thành cung va chạm (shock bow). Trong vùng này gió

MT bị chặn lại và nóng lên. Khi xuyên qua nó bị lệch đi và đi quanh TĐ trong một

vùng nhễu loạn gọi là mặt vỏ từ ( magneto sheath).

Dưới tác động của gió MT, một số đường sức của TĐ được vuốt thẳng ra phía

sau. Kết quả là từ quyển TĐ có dạng như “quả trứng gà đẻ non”: phần ban ngày từ

quyển T Đ cách bề mặt TĐ từ 5-10 RE , ở phần ban đêm của TĐ từ quyển kéo thành

một cái đuôi dài (magnetotail) có kích thước rất lớn (bằng 200 RE).

Trong đuôi từ, mặt phẳng chính giữa là một dải plasma (plasma sheet) chia đuôi

từ ra làm hai nửa. Nửa phía trên gồm các đường sức hướng về TĐ gọi là thùy Bắc,

nửa phía dưới gồm các đường sức hướng ra xa TĐ gọi là thùy Nam.

Đuôi từ là nơi xảy ra sự đóng mở của các đường sức từ, làm cho từ trường nơi

đây có nhiều thăng giáng, sinh ra nhiều dòng điện trong đuôi từ. Do đó, khi một cơn

hạ bão từ xảy ra chủ yếu là do sự thay đổi từ trường tại đuôi từ.

Trong từ quyển TĐ tồn tại hai vùng khá quan trọng vì nó có liên quan đến hiện

tượng cực quang xảy ra tại các vùng cực khi có bão từ đó là hai vành đai bức xạ

Van Allen.

15 15

* Vành đai bức xạ Van Allen (Van Allen radiation belts) : Các hạt mang điện trong từ quyển TĐ khi đi từ vĩ độ thấp đến vĩ độ cao nó bị

cuốn vào hai vùng, các vùng này do Van Allen phát hiện vào năm 1958 nên được

gọi là vành đai bức xạ Van Allen (Van Allen radiation belts). Hai vùng này còn

Hình 1.4: Các vành đai bức xạ: màu đỏ - vành đai trong ; màu xám - vành đai ngoài.

(http://www.crystalinks.com/vanallenbelt.html)

được gọi là vành đai trong và vành đai ngoài.(Hình 1.4 )

a.Vành đai trong : (inner radiation belt) cách bề mặt Trái Đất từ 100 – 10.000 km

(khoảng 0,01 – 1,5 lần RE ). Khi tia vũ trụ đi vào vùng này, nó sẽ va chạm với các

hạt nhân N, O sinh ra các hạt neutron. Các hạt neutron nhanh chóng bị phân rã

thành proton và electron mang năng lượng cao (100MeV).

Các hạt mang năng lượng trong vành đai trong góp phần tạo nên hiện tượng cực

quang ở hai vùng cực.

b.Vành đai ngoài: (outer radiation belt) : nằm cách bề mặt TĐ khoảng 3-10 RE.

Vành đai ngoài rộng hơn vành đai trong, gồm các electron với năng lượng 0.1–10

MeV, chúng bắt nguồn từ đuôi từ. Ngoài ra vành đai ngoài còn chứa các ion (phần lớn là O+)..Các hạt trong vành đai ngoài liên quan đến pha chính của bão từ.

Mật độ hạt ở hai vành đai thay đổi giữa ngày và đêm phụ thuộc vào chu kỳ hoạt

động của Mặt Trời.

16 16

Chương 2: Lý thuyết về bão từ.

2.1. Mặt Trời – nguồn gốc của bão từ:

MT là một khối khí với lớp khí trong nhân tồn tại dưới dạng plasma ở nhiệt độ

cao hàng chục triệu độ. Những hạt plasma này đóng băng vào các đường sức từ của

MT làm cho các đường sức từ như những sợi dây điện. Do MT tự quay với chu kỳ

khoảng 27 ngày, gây ra sự quay không đồng bộ của các lớp khí trong MT làm cho

các vùng dây điện bị xoắn lại tạo nên vùng hoạt động (active region). Các dây xoắn

trồi lên trên bề mặt MT như những vết đen MT – nơi từ trường MT trở nên bất

thường. Bên cạnh đó, các dây điện của MT bị chập mạch, phóng ra ngoài vũ trụ

những đợt năng lượng lớn kèm theo các tia bức xạ ở đủ mọi bước sóng gọi là bùng

nổ MT và CME.

Khi xét đến hoạt động của MT đầu tiên người ta thường tìm hiểu về sự xuất hiện

của các vết đen.

2.1.1Vết đen MT: Mức độ hoạt động của MT thể hiện qua số vết đen quan sát được. Số vết đen

k: hệ số tương quan do thực nghiệm quyết định.

f: tổng số vết đen đếm được trên quan cầu (đứng riêng hay quy tụ).

g: số nhóm vết đen.

Wmax: thời kỳ hoạt động mạnh; Wmin : thời kỳ Mặt Trời tĩnh.

Với k = 1 thì : Wmin = 0 :khi không có vết đen nào, Wmax = 11 : khi có 1 vết đen.

Hình 2.1. Số vết đen MT quan sát trung bình hàng năm từ năm 1900 – 2000.[12]

được tính theo công thức Rudoff Wolf: W = k(f+10g)

17 17

Dựa vào hoạt động của MT người ta có thể dự đoán sự xuất hiện của bão từ. MT

có chu kỳ khoảng 11 năm, bão từ cũng có khoảng chu kỳ 11 năm, trong 11 năm ấy

nó như một đồ thị hình sin lúc lên lúc xuống phụ thuộc vào mức độ hoạt động của

MT.

Đồng thời, bão từ còn thay đổi theo vị trí của các vết đen trên Mặt Trời.

Những vết đen đầu tiên của 1 chu kỳ mới ngay sau một cực tiểu diễn ra ở các vĩ độ Mặt Trời khoảng 35oB và 35oN. Khi những vết đen này biến mất, những vết đen

mới hình thành ở gần đường xích đạo. Tại thời kỳ cực đại vết đen, hầu hết vết đen nằm ở vĩ độ 15o B và 150 N, vào cuối chu kỳ ở xích đạo.

2.1.2. Bùng nổ MT: Bùng nổ MT là dạng hoạt động mãnh liệt của MT ở khu vực gần vết đen MT làm

bề mặt MT bùng sáng. Nó có thể xảy ra ở Sắc cầu và Nhật hoa, gây ảnh hưởng đáng

kể đến T Đ. Bùng nổ MT kéo dài từ vài giây đến vài giờ, nhiệt độ có thể đạt tới 2.107 K, tức nóng hơn cả Nhật hoa; đồng thời giải phóng ra một lượng lớn các bức

xạ điện từ (tia X, tia γ) và các bức xạ hạt (p. e-) có năng lượng cao, tổng năng lượng

của chúng tương đương với hàng ngàn tấn thuốc nổ TNT. Bùng nổ cũng có thể làm

bắn lên một lượng vật chất trong sắc cầu mà người ta có thể quan sát được.

Các vụ bùng nổ mang năng lượng kác nhau. Dựa vào năng lượng trong vùng

Bảng 1: Các loại bùng nổ MT.

bước sóng từ 1 -8 Å người ta chia bùng nổ MT thành các loại sau:

Loại

X Cường độ I (W/m2) I ≤ 10-5 10-5 ≤ I ≤ 10-4 10-4 ≤ I ≤ 10-3 10-3 ≤ I

Mỗi loại được chia làm 10 cấp nên cấp cao nhất của loại thấp ứng với cấp thấp

nhất của loại liền trên (vd: M10 = X1). Loại X có cả cấp trên 10. (vd X28).

18 18

-Loại X là loại mạnh nhất, nó có thể làm hư hỏng hệ thống lưới điện, gián đoạn

thông tin liên lạc, tạo ra các cơn bão trên các lớp khí quyển tầng cao của TĐ, làm

mở rộng lớp khí quyển này gây hư hại các vệ tinh và tàu không gian …

-Loại M là loại trung bình, thường ảnh hưởng đến thông tin liên lạc thỉnh thoảng

cũng tạo ra bão từ, bão điện ly.

-Loại C và B yếu, gây ảnh hưởng không đáng kể.

Bùng nổ MT và vết đen MT có mối liên hệ mật thiết qua công thức sau:

N = α (R – 10)

N là số lần bùng nổ MT trong một chu kỳ quay của MT (27 ngày); R : số vết đen

MT trong một chu kỳ quay, α là hằng số có giá trị từ 1,5 – 2.

* Sự kiện proton (proton event): Bùng nổ MT phát ra các bức xạ điện từ và các bức xạ hạt. Khi các bức xạ hạt loại

proton được gia tốc mạnh làm chúng có năng lượng cực cao gọi là sự kiện proton.

Ngoài ra sự kiện proton cũng xuất hiện khi CME tạo ra sóng chấn động trong không

gian liên hành tinh. Sự kiện proton có liên quan đến hiện tượng cực quang và hạ bão

từ.

2.1.3. Sự phóng vật chất Nhật hoa (Coronal Mass Ejection – CME ): CME là hiện tượng hàng tỷ tấn plasma đột ngột phóng ra, mang theo các đường

sức từ trong Nhật hoa. Trong CME plasma và các đường sức từ gắn chặt với nhau

như một đám mây từ (magnetic cloud), có kích thước lớn hơn các hành tinh khác

trong hệ MT, chúng thoát khỏi MT theo phương xuyên tâm với vận tốc từ 500 –

1000km/s. Một số hướng về TĐ và đến TĐ sau 1 – 3 ngày. Khi đến TĐ, nó sẽ tạo ra

những sóng xung kích nén các đường sức từ của từ trường TĐ, gây ra bão từ. CME

và bùng nổ MT có liên quan chặt chẽ với nhau, thường bùng nổ MT đi kèm với

CME, nhưng đôi khi CME xảy ra không có bùng nổ MT và diễn biến thường phức tạp hơn. Mỗi CME thường có khối lượng từ 1,4 – 2,1.10 13 kg và động năng từ 4,2 – 6,4.1025J.

Người ta quan sát CME bằng thiết bị LASCO. CME có dạng những vòng sáng

xuất hiện xung quanh một chiếc đĩa dùng để che khuất MT.

19 19

Hình 2.2: ảnh chụp CME (a) full halo (F); ( b) part halo (P) [9]

Hình 2.3: CME được phóng ra từ MT. (STEREO - ScienceDaily – 15.4. 2009)

(ScienceDaily / Solar Storms: Coronal Mass Ejections Viewed In Detail By NASA Spacecraft)

(a) (b)

2.1.4.Gió MT: Mặt trời là một khối khí gồm hai phần : phần bên trong (nhân, vùng trực xạ,

vùng đối lưu) và phần khí quyển (quang cầu, sắc cầu, vùng trung chuyển, nhật hoa).

Tại những lớp khác nhau có mật độ và nhệt độ khác nhau. Riêng nhật hoa –lớp khí quyển ngoài cùng của MT – có mật độ vật chất rất thấp (chỉ bằng 10-6 mật độ quang cầu ) nhưng nhiệt độ lại rất cao (khoảng 2.106K). Các nguyên tử ở lớp này

đều bị ion hóa bởi nhiệt độ cao của nhật hoa. Áp suất của chúng đủ để thắng lực hấp

dẫn của MT. Các khí dần dần được gia tốc ra ngoài tạo thành gió MT.

20 20

Gió MT thổi liên tục và phát xạ theo hướng xuyên tâm. Ở khoảng cách bằng 3

lần bán kính MT, gió có vận tốc cỡ 400km/s. Khi đến TĐ gió sẽ nén các đường sức

của TĐ làm cho từ quyển của TĐ bị kéo dài về phía sau tạo thành đuôi từ.

Như vậy, bình thường MT cũng đã có những ảnh hưởng đến lớp khí quyển của

TĐ. Bên cạnh đó những hoạt động của MT vào thời kỳ MT hoạt động mạnh đã có

những ảnh hưởng đáng kể lên TĐ, đặc biệt là bão MT (gồm bùng nổ MT và CME)

có liên quan đến hiện tượng bão từ.

2.2.Một số giải thích và cơ chế gây bão từ:

2.2.1.Một số giải thích về bão từ:

2.2.1.1.Lý thuyết của Chapman – Ferraro: Vào năm 1930, Chapman và Ferraro cho rằng các đám mây điện tích của MT khi

đi trực diện đến TĐ, dưới tác dụng của lực Lorentz, các hạt mang điện tích (chủ yếu là H+, He+, O+ ,và electron) sẽ dịch chuyển tròn theo hai hướng khác nhau tạo nên

vòng điện (ring current) bao quanh TĐ, cách bề mặt TĐ khoảng 2 - 7 R E.Vòng điện

này lại sinh ra một từ trường mới làm từ trường TĐ biến thiên và gây ra hiện tượng

Hình 2.4: Vòng điện bao quanh T Đ.[5]

bão từ.

Như vậy, cường độ của một cơn bão từ phụ thuộc vào cường độ của vòng điện. Trong thời gian xảy ra bão từ, các hạt mang điện tích dương (H+, O+) chiếm tỉ lệ

cao, vòng điện chủ yếu hướng theo chiều kim đồng hồ (nếu nhìn từ cực Bắc). Vì

21 21

vậy, từ trường do những vòng điện này sinh ra sẽ ngược chiều với từ trường của TĐ

Ngày nay, các nhà khoa học dùng chỉ số Dst ( Disturbance Storm Time Index) là chỉ số biểu

diễn sự biến đổi của thành phần nằm ngang H của từ trường TĐ, được đo chủ yếu từ các trạm địa

từ gần xích đạo từ. Về ý nghĩa vật lý nó cho biết thông tin về các vòng điện. Khi vòng điện được

tăng cường thì giá trị của Dst âm.

làm từ trường của TĐ giảm từ 1-2%.

Hiện tượng trên kéo dài từ 3-12 tiếng - đó là pha chính của bão từ. Sau đó, mật

độ hạt trong vòng điện sẽ giảm dần cho đến trạng thái ban đầu trước khi xảy ra bão

từ - đây là pha phục hồi, kéo dài khoảng 2-3 ngày.

Tại thời điểm này, các nhà khoa học cho rằng từ quyển TĐ là phần nằm bên

trong vòng điện. Đến những năm 1960 với sự phát hiện ra gió MT của các con tàu

Luniks 2,3 và Explorer 10, hình dạng từ quyển của TĐ được mô tả một cách chi tiết

và rõ ràng hơn dưới sự tương tác của gió MT và từ quyển của TĐ hình thành nên

một từ quyển hạn theo cơ chế cân bằng áp suất. Đó là sự cân bằng giữa áp suất động

học và áp suất từ được xác định theo công thức sau: Áp suất từ (magnetic pressure) : PB = B2 / 2µ0 . Áp suất động học ( dynamic pressure) : Pdyn = 2Nmv2 cos2ψ

(N : mật độ hạt có trong gió MT; m :khối lượng mỗi hạt; v : vận tốc các hạt; ψ :

góc hợp bởi vecto vận tốc và pháp tuyến mặt tiếp xúc).

Mặt khác, thuyết của Chapman – Ferraro chưa giải thích được cơ chế chuyển đổi

năng lượng giữa gió MT và các hạt trong từ quyển. Cho đến năm 1978 dựa vào

công thức

Alfven vA = E x B

vecto Poynting S = (E x B ) / µ0

( với E, B là điện từ trường liên hành tinh; µ0 là độ từ thẩm của chân không)

Perreault và Akasofu đã đưa ra công thức về sự chuyển đổi năng lượng giữa gió MT

và từ quyển TĐ:

ε = 4п sin 4 (θ/2) l2 v B2 / µ0

( l là tham số chạy từ 0 – 7 RE , tanθ = By / Bx)

22 22

Bên trong đường từ quyển hạn, từ quyển TĐ không chỉ đơn thuần gồm một vòng

điện mà nó bao gồm nhiều lớp mang mật độ hạt khác nhau (plasma sheet,

magnetotail, radiation belts),nhiều dòng điện với các hướng chuyển dời khác nhau

(magnetopause current, neutral sheet current, field – aligned current, ring current).

Khi các yếu tố này biến động nó sẽ gây ra những nhiễu loạn từ trên TĐ gọi là bão từ

Hình 2.5: Các lớp điện tích và các dòng điện trong từ quyển T Đ [9]

và các hiện tượng cực quang ở vùng cực.

2.2.1.2. Lý thuyết mới – thời tiết của vũ trụ: Dưới góc độ thời tiết của vũ trụ (space weather), bão từ được coi là những nhiễu

loạn của từ quyển, do các nhiễu loạn trong vũ trụ gây nên. Mặt khác những nhiễu

loạn này phụ thuộc vào hoạt động của MT.

Trước kia, người ta biết đến hoạt động của MT qua các vết đen MT. Lần lượt,

người ta tìm thấy các dạng hoạt động khác trong các lớp khác của khí quyển MT

như : trường sáng, tai lửa trong sắc cầu, bùng nổ MT và CME trong Nhật hoa. Cùng

với các hiện tượng này, gió MT đã gây nên sóng xung kích khi đập vào từ trường T

Đ. Áp lực của gió MT làm cho từ trường T Đ nơi bị ép tăng lên, từ trường biến

thiên gây ra các dòng cảm ứng, cứ thế làm cho từ trường TĐ biến thiên liên tục và

23 23

kim la bàn dao động mạnh. Sự kiện này chỉ xảy ra khi sóng xung kích đập thẳng

vào TĐ tức khi các cơn bão MT trực diện với TĐ. Hoặc nếu từ trường liên hành

tinh (IMF) hướng về phía Nam ( ngược hướng với từ trường TĐ ) nó sẽ liên kết với

từ trường TĐ gây ra bão từ.

Một cơn bão từ kinh điển có 3 pha như đã trình bày ở phần 1.1.1

Khi từ trường TĐ bị nhiễu loạn mạnh sẽ ảnh hưởng đến mọi vùng miền trên toàn

thế giới. Tuy nhiên, TĐ được chia làm hai phần: phần ngày (hướng về MT) và phần

đêm. Bão từ xảy ra ở phần đêm được gọi là “ hạ bão từ” (substorm).

2.2.2.Cơ chế hình thành bão từ và hạ bão từ: Ngoài tác động của gió MT, TĐ còn chịu tác động của từ trường liên hành tinh

IMF. Từ trường IMF đến TĐ theo một trong hai hướng: hướng Bắc hoặc hướng

Nam.

Nếu từ trường liên hành tinh IMF hướng về phía Bắc thì nó sẽ lướt qua TĐ,

Hình 2.6: Các đường sức từ của IMF (đường A) hướng về phía Bắc, các đường sức từ của TĐ

cũng hướng về phía Bắc. Lúc này, IMF sẽ lướt qua TĐ.[9]

không gây ảnh hưởng lớn đến từ trường TĐ (Hình 2.6).

Tuy nhiên, khi IMF hướng về phía Nam, nó kết hợp với từ trường TĐ tạo ra hai

đường sức dạng chữ X (X –line) - điểm N. Điểm này làm cho các đường sức từ

khép kín của T Đ bị gẫy, trở thành các đường sức mở (hoặc ngược lại) (Hình 2.7)

Hình 2.7: A là các đường sức của IMF; C,D là các đường sức mở và các đường sức khép kín

của TĐ; B là đường sức của IMF đã kết nối với từ trường TĐ; N xuất hiện khi IMF kết nối với từ

trường TĐ.[9]

24 24

Dưới tác động của gió MT, các đường sức mở ở phía MT sẽ liên tục bị nén ép

làm cho từ trường của TĐ ở phía này bị thay đổi, xuất hiện bão từ. Đồng thời, dưới

tác động của gió MT các đường sức mở của TĐ được vuốt thẳng về sau tạo thành

Hình 2.8: 0,7 các đường sức của IMF; 1- 6 các đường sức của từ trường TĐ. [9]

đuôi từ (Hình 2.8)

Tại đuôi từ, xuất hiện một quá trình tái kết nối của từ trường TĐ. Từ trường IMF

ở phía đuôi từ ép các đường sức mở của TĐ (1-6 hình 2.8 ) từ hai phía, làm cho

chúng tiến sát lại với nhau, hình thành một điểm N (X – line) mới. Tại điểm này các

đường sức từ mới kết nối sẽ phân thành hai phần: phần khép kín và phần mở. Phần

đường sức mở sẽ tách ra và đi vào từ quyển, còn phần đường sức khép kín sẽ co lại

về phía TĐ (Hình 2.9).

Mặt khác, trong từ trường liên hành tinh IMF và từ trường của TĐ có chứa một

lượng hạt mang điện tích. Do đó, phần đường sức mở bị tách khỏi từ trường TĐ

25 25

cũng có chứa một lượng hạt mang điện tích làm khuếch tán vòng điện, bắt đầu pha

phục hồi.

Như vậy, quá trình trên cứ tiếp diễn làm cho từ trường TĐ biến thiên liên tục dẫn

Hình 2.9: Quá trình đóng mở của các đường sức của TĐ dưới tác động của gió MT và IMF.

đến hiện tượng hạ bão từ vào ban đêm trên TĐ.

Hình 2.10 : Các pha của hạ bão từ: (a) growth phase (pha đầu); (b) expansion phase (pha

chính);(c) recovery phase (pha phục hồi).

(http://son.nasa.gov/tass/content/earthmagneto.htm)

Thực tế, một cơn hạ bão từ cũng có ba pha.[9]

Pha đầu : tại đuôi từ, dòng điện chạy ngang đuôi từ (cross – tail current) được

gia tăng, plasma sheet bị nén lại và các đường sức kín gần phía TĐ bắt đầu phình

lên. Giai đoạn này kéo dài khoảng 1 giờ.

26 26

Pha chính: dòng điện chạy ngang đuôi từ giảm dần, đồng thời các dòng electrojet

được gia tăng chạy theo hướng ngược chiều kim đồng hồ (westward). Các dòng

plasma co mạnh về phía TĐ, phía đuôi xuất hiện vùng plasmoid. Giai đoạn này kéo

dài khoảng 30 phút. Trong quá trình này, các hạt điện tích trong đó sẽ va chạm vào

nhau gây ra một hiện tượng cực quang thường được quan sát ở những vùng cực

Nam và Bắc địa lí của TĐ (Hình 2.11).

Pha phục hồi: vùng plasmoid (dạng hình elip ở phía đuôi từ - hình 2.10c) bị đẩy

ra khỏi đuôi từ và vùng plasma sheet bắt đầu phình lên trở về hình dạng trước khi

Hình 2.11: Cực quang ở phía trên núi lửa Eyjafjallajökull tại Iceland vào ngày 5/4/2010.

(http://vnexpress.net/gl/khoa-hoc/2010/04)

xảy ra substorm. Giai đoạn này kéo dài khoảng 2 giờ.

2.3.Một vài chỉ số liên quan đến bão từ:

2.3.1.Chỉ số hành tinh Kp: Chỉ số này biểu diễn mối liên hệ giữa gió MT và mức nhiễu loạn của trường địa

từ, có liên quan từ dòng electrojet cực quang (auroral electrojet). Chỉ số Kp lấy

trung bình từ một chuỗi các trạm địa từ trên thế giới. Chỉ số Kp được biểu diễn bằng

ball ( thang giả logirith), mỗi ball ứng với biên độ dao động từ trong 3 giờ và được

chia làm 5 ball. Chỉ số Kp liên hệ với vận tốc gió MT như sau:

v (km/h) = ( 8,44 ± 0,74) Σ Kp + (330 ± 17).

Với Σ Kp lấy trung bình của 8 giá trị Kp theo giờ quốc tế. Chỉ số này do Bartel

đưa ra vào năm 1930.

27 27

Ngoài ra người ta xây dựng thang đo G (G – scale) từ G0 – G5, mỗi giá trị của G

cho biết cường độ mạnh yếu của cơn bão từ, giá trị G5 là bão từ với cường độ cực

mạnh.

2.3.2.Chỉ số Ap: Khi cần phải đánh giá biến thiên địa từ của một ngày thì việc lấy trung bình của

một ngày là không có ý nghĩa, vì sự biến thiên từ đánh giá bằng K không phải là

tuyến tính. Cho nên phải xây dựng một thang tuyến tính, đó là thang A (hay a)

Người ta đánh giá bão từ qua chỉ số Ap như sau:

50 > Ap > 30: Bão từ nhỏ.

100 > Ap > 50 : Bão từ chính.

Ap > 100: Bão từ nghiêm trọng.

Như vậy, dựa vào bảng so sánh trên ta thấy bão địa từ với cường độ > 100 nT là

Bảng 2: Mối liên hệ giữa chỉ số K và G

Cường

độ

–

index

bão địa từ (nT)

scale

0 – 5

5 – 10

10 – 20

20 – 40

40 – 70

70 – 120

120 – 200

200 – 330

140

330 – 500

240

> 500

400

thuộc loại nghiêm trọng ứng với chỉ số G2.

28 28

2.3.3.Chỉ số S – solar radiation storm: Biểu diễn sự biến động mật độ hạt được phóng ra từ MT. Chỉ số này được chia

Bảng 3: Chỉ số S

thành các mức độ sau:

Solar radiation storm

Mật độ dòng hạt với năng lượng > 10 MeV (PF : particle flux) 10 102 103 104 105 S1 (yếu) S2 ( nhỏ) S3 ( trung bình) S4 ( mạnh) S5 ( rất mạnh)

2.3.4.Chỉ số R – radio blackout: Biểu diễn sự nhiễu loạn của tầng ion gây ra bởi tia X được phóng ra từ MT.

Bảng 4: Chỉ số R – radio blackout

Cường độ (Watts m-2) R – radio

-3

blackout

X20 (2x10

)

-3

R5 (rất mạnh)

)

X10 (10

-4

R4 (mạnh)

)

X1 (10

-5

R3 (trung bình)

)

M5 (5x10

-5

R2 (nhỏ)

M1 (10

)

R1 (yếu)

29 29

Chương 3: Nghiên cứu bão từ trong năm 2003.

3.1. Mục đích:

Trong khuôn khổ luận văn này tôi chủ yếu nghiên cứu bão từ xảy ra vào năm

2003 thuộc chu kỳ 23. Chu kỳ hoạt động MT thứ 23 bắt đầu từ tháng 5 – 1996, kéo

dài đến tháng 12 – 2008, tức khoảng 12 năm. Cực đại xảy ra vào tháng 4 – 2000.

Sau cực đại số vết đen MT giảm dần nhưng các vụ bùng nổ MT và CME lại diễn ra

rất quyết liệt. Năm 2003 được xem là năm xảy ra bão MT lớn, đặc biệt trong

khoảng thời gian từ tháng 10 đến tháng 11. Đồng thời cũng trong thời gian này bão

từ với cường độ lớn xuất hiện. Chính vì vậy tôi tập trung nghiên cứu bão MT và bão

từ xảy ra trong năm 2003 từ ngày 19/10 – 4/11, để tìm mối liên hệ giữa hai hiện

tượng này.

3.2. Phương pháp nghiên cứu:

MT là nguồn gốc gây ra những nhiễu loạn từ trên TĐ nên ở đây tôi sẽ nghiên cứu

hoạt động của MT thông qua việc khảo sát số liệu các vết đen MT trong thời gian từ

tháng 10 – 11 năm 2003. Đồng thời khảo sát cường độ các vụ bùng nổ MT và CME.

Sau đó khảo sát sự biến động từ trường TĐ qua chỉ số Dst . So sánh cường độ bão từ

trong năm 2003 với cường độ bão từ trong năm 2002 và 2004, 2005. Cuối cùng rút

ra kết luận về ảnh hưởng MT sau cực đại và nêu tình hình nghiên cứu, ảnh hưởng

của bão từ tại Việt Nam.

3.3. Nghiên cứu chu kỳ hoạt động 23 của MT:

Chu kỳ 23 của MT bắt đầu từ tháng 5 – 1996 và kết thúc vào tháng 12 – 2008,

đạt cực đại vào tháng 4 – 2000 với số vết đen làm trơn (SSN) là 120.8. So với chu

kỳ 21 ( kéo dài hơn 10 năm, SSN = 164.5 ) và chu kỳ 22 ( kéo dài hơn 9 năm, SSN

= 158.5 ) thì chu kỳ 23 này MT hoạt động không quá mạnh nhưng lại kéo dài hơn

12 năm. Mặt khác năm 2003 là năm sau cực đại của chu kỳ 23, tuy nhiên năm 2003

30 30

lại xảy ra ba vụ bùng nổ được xem là mạnh từ năm 1976 cho đến năm 2008, trong

đó vụ bùng nổ xảy ra vào ngày 4/11/2003 được xem là mạnh nhất trong giai đoạn

Bảng 5: Số vết đen làm trơn (SSN) trung bình trong thực tế của chu kỳ 23

Năm

1996

1997

1998

1999

2004

2005

2006

2007

2008

nói trên.

2000

2001

2002

2003

SSN

8.6

21.5

64.3

93.3

40.4

27.8

15.1

7.5

2.8

120.8

111

104

63.7

( http: // www.solarscience.msfc.nasa.gov)

Bảng 6: Số vụ CME xảy ra trong chu kỳ thứ 23

Năm

1996

1997

1998

1999

2004

2005

2006

2000

2001

2002

2003

Số vụ

10

21

16

8

CME

( http:// www.swpc.noaa.gov)

Bảng 7: Những vụ bùng nổ MT tiêu biểu trong chu kỳ 23

Thứ hạng Thời gian

1 Loại X 28+ 04/11/2003

2 02/04/2001 X 20

3 X17.2 28/10/2003

4 07/09/2005 X 17

5 15/04/2001 X 14.4

6 X 10 29/10/2003

7 06/11/1997 X 9.4

(http://www.spaceweather.com )

8 05/12/2006 X 9

X cao thể hiện bùng nổ MT thuộc loại nguy hiểm ( bảng 1)

Dựa vào các bảng số liệu trên ta thấy sau cực đại số vết đen MT và số vụ CME

giảm dần. Điều này chứng tỏ hoạt động của MT cũng giảm dần sau cực đại. Tuy

nhiên, sau cực đại lại xảy ra các vụ bùng nổ MT nghiêm trọng. Đặc biệt là năm

2003 – một năm sau cực đại - lại liên tiếp xuất hiện các cụ bùng nổ với cường độ

lớn như trong ngày 4/11 với cường độ X28 có thể coi là mạnh nhất trong chu kỳ 23.

31 31

Đồng thời trước đó vào ngày 28-29/10 cũng xảy ra bùng nổ MT với cường độ lớn

X17,2 và X10. Từ đây ta nhận thấy việc khảo sát hoạt động của MT trong năm 2003

vào khoảng thời gian từ 10 – 11/2003 là rất phù hợp. Trước tiên ta khảo sát sự xuất

hiện các nhóm vết đen MT, cụ thể tìm hiểu sự phát triển về mặt kích thước và thời

gian tồn tại của các nhóm vết đen, đồng thời tìm mối liên hệ giữa các nhóm vết đen

với các vụ bùng nổ MT trong thời gian khảo sát trên.

3.4. Khảo sát hoạt động của MT từ ngày 19/10 – 05/11/ 2003:

3.4.1. Khảo sát vết đen MT từ ngày 19/10 – 05/11/ 2003:

Bảng 8: Những nhóm vết đen có liên quan đến các vụ bùng nổ MT từ ngày 19/10 – 05/11/ 2003

Ngày

Loại

Nhóm

Vĩ độ Kinh độ

Radio

NOAA scales

vết đen

emissions

(km/s)

625

58 E

08 N

484

X 1.1

19/10

R1 G3

25 E

07 N

484

M 3.7

22/10

78 E

18 S

486 M 9.9

22/10

967

88 E

21 S

486

X 5.4

23/10

84 E

17 S

486

X 1.1

23/10

72 E

19 S

486 M 7.6

24/10

1302

44 E

15 S

486

X 1.2

26/10

R3 S2 G1

950

38 W

02 N

484

X 1.2

26/10

38 W

01 N

484 M 7.6

26/10

26 E

16 S

486

M 5.0

27/10

25 E

17 S

486

M 6.7

27/10

R4 S4 G5

1250

08 E

16 S

486 X 17.5

28/10

R4 S3 G5

775

02 W

15 S

486 X 11

29/10

R3 S3 G3

1691

56 W

14 S

486 X 8.3

02/11

1400

83 W

10 N

488

X 2.7

03/11

869

73 W

08 N

488

X 3.9

03/11

R5 S2 G2

1268

83 W

19 S

486 X 28

04/11

90 W

16 S

486

M 5.3

05/11

(http://spaceweather.com/archive.php)

(http://www.swpc.noaa.gov/alerts/archive.html)

32 32

Trong suốt giai đoạn này những bùng nổ MT chủ yếu xảy ra ở ba nhóm vết đen:

484, 486, 488. Đặc biệt các vụ bùng nổ mạnh xảy ra chủ yếu ở nhóm (vùng) 486.

Hình 3.1: Nhóm vết đen 484 [11]

Hình 3.2: Sự thay đổi kích thước vùng 484

3.4.1.1.Vùng 484:

Vùng 484 bắt đầu xuất hiện vào ngày 18/10 với kích thước 240 millionths ( chú

thích phụ lục 6). Ngay sau đó, kích thước của vùng này được gia tăng đáng kể. Chỉ

sau 3 ngày từ 18 - 22/10, kích thước đã đạt tới 1750 millionths. Đồng thời các tia X,

EUV cũng gia tăng. Đặc biệt từ 19 – 21/10 đã xuất hiện CME.

33 33

Hình 3.3: Nhóm vết đen 486 [11]

Hình 3.4: Sự thay đổi kích thước vùng 486

3.4.1.2.Vùng 486:

Từ ngày 23/10 trên MT xuất hiện thêm vùng vết đen 486 với kích thước khá lớn

khoảng 1160 millionths và sau đó vùng này vẫn tiếp tục phát triển rộng ra với kích

thước cực đại 2610 millionths vào ngày 29/10. Vùng này đã gây ra hai vụ bùng nổ

với cường độ lớn (X17, X10) vào ngày 28-29/10. Tuy nhiên ngay sau đó, ngày

30/10 thì vùng 486 dần dần yếu đi và chỉ tồn tại cho đến ngày 5/11. Trong khoảng

thời gian này, vùng 486 vẫn sinh ra những vụ bùng nổ có cường độ khá lớn (X28,

ngày 4/11) và chỉ trong vòng 11 ngày vùng 486 đã sinh ra 12 vụ bùng nổ.

34 34

Hình 3.5: Nhóm vết đen 488 [11]

Hình 3.6: Sự thay đổi kích thước vùng 488.

3.4.1.3.Vùng 488:

Vùng 488 bắt đầu xuất hiện từ ngày 26/10 và phát triển nhanh chóng trong 3

millionths (ngày 29). Đồng thời gia tăng các tia beta-gamma-delta. Vùng này tồn tại

ngày kế tiếp, kích thước vùng khoảng 800 millionths (ngày 28) tăng lên 1460

cho đến ngày 4/11.

Sự xuất hiện và tăng nhanh kích thước của ba vùng hoạt động ( ba nhóm vết đen)

trên bề mặt MT chính là nguyên nhân sinh ra các vụ bùng nổ lớn làm tăng cường

các bức xạ điện từ vào không gian gây nhiễu loạn tầng điện ly thể hiện cụ thể qua

thông số R nêu trong bảng 8. Từ đó ta thấy rõ rằng các vụ bùng nổ gây ảnh hưởng

35 35

trực tiếp đến hệ thống truyền thông liên lạc bằng sóng điện từ. Ngoài ra các nhóm

vết đen làm tăng cường lượng điện tích trong từ quyển qua việc phát ra các dòng

proton mang năng lượng cao gọi là sự kiện proton. Sự kiện này góp phần làm tăng

cường độ bão từ, gây ra hiện tượng cực quang.ở vùng cực.

3.4.2. Sự kiện proton (proton event): Hoạt động của MT làm gia tăng lượng điện tích do đó nó làm tăng cường độ

vòng điện (ring current). Một khi xảy ra nhiều sự kiện proton với cường độ lớn thì

sự biến thiên của vòng điện cũng gia tăng. Chính vì vậy, sự kiện proton có ảnh

Bảng 9: Sự kiện Proton ( năng lượng, mật độ) [11]

Ngày

Bùng

Nhóm

CME

> 10 Mev Proton event

> 100 Mev Proton event

tháng

nổ

vết

đen

(Halo

(PFU) Start

Peak

Kp Ap

type)

time

(UT)

484

X 1.1

19/10

484

M 3.7

22/10

486

M 9.9

22/10

486

X 5.4

23/10

486

X 1.1

23/10

486

M 7.6

24/10

466

26/2235

26/1825

486

X 1.2

26/10

484

X 1.2

26/10

484

M 7.6

26/10

486

M 5.0

27/10

486

M 6.7

27/10

29/0015

28/1150

186

29/0615

252

28/1215

486

hưởng lớn đến bão từ trên trái đất.

X 17.5

29525

28/10

90

29/2310

29/2150

110

29/2150

221

29/1935

486

X 10

3298

29/10

90

02/1905

02/1740

03/1345

02/1745

486

X 8.3

1570

02/11

70

488

X 2.7

03/11

488

X 3.9

03/11

05/0540

05/0535

1.3

05/0600

04/2225

486

353

X 28

04/11

486

M 5.3

05/11

36 36

Sự kiện proton đầu tiên phát ra từ vùng 484, tại vị trí 02N 38W, bắt đầu vào ngày

26/10 lúc 18:25 UT (universal time)và đạt cực đại lúc 22:35 UT với cường độ 466

PFU, kết thúc vào ngày 27/10 lúc 08:20 UT.

Vùng 486 xuất hiện gây ra vụ bùng nổ X17 tại vị trí 16S 08E lúc 11:10 UT vào

ngày 28/10. Vụ bùng nổ này sinh ra hai sự kiện proton có năng lượng >10 MeV và

>100 MeV với cường độ cực đại lần lượt 29525 PFU và 186 PFU

Vào ngày 29/10, lúc 20:49 UT tại vị trí 15S 02W vùng 486 tiếp tục gây ra vụ

bùng nổ X10 làm xuất hiện sự kiện proton với năng lượng >10 MeV đạt cực đại

3298 PFU lúc 19:35 UT vào ngày 30/10, kết thúc lúc 10:55 UT vào ngày 1/11

Bên cạnh đó, X10 cũng sinh ra sự kiện proton với năng lượng >100 MeV đạt cực

Hình 3.7: Biểu đồ mô tả mật độ hạt và mức năng lượng tương ứng trong các ngày 28/10 –

6/11/2003 [11]

đại 110 PFU lúc 23:10 UT vào ngày 29/10, kết thúc lúc 01:45UT ngày 31/10

Vụ bùng nổ M3 xuất phát từ vùng 486 tại vị trí 12S 60W vào ngày 1/11 lúc

22:38 UT sinh ra sự kiện proton với năng lượng >10 MeV đạt cực đại 30 PFU vào

ngày 2/11 lúc 14:15UT. Kế đó là vụ X8 tại vị trí 14S 56W lúc 17:25 UT cùng ngày

sinh ra sự kiện proton >10MeV đạt cực đại 1518 PFU lúc 13:45 UT ngày 3/11 và

kết thúc vào 4/11 lúc 21:20UT. Đồng thời X8 cũng sinh ra sự kiện proton >100MeV

37 37

vào ngày 2/11 lúc 17:40 UT đạt cực đại 49 PFU lúc 19:05UT và kết thúc vào 3/11

lúc 17:20 UT.

Cho đến ngày 4/11 lúc 19:50 UT vùng 486 gây ra vụ X28 làm sinh ra sự kiện proton >10MeV tại vị trí 19S 83W. Sự kiện này kéo dài 2h20’sau khi đạt cực đại

353 PFU lúc 06:00 UT ngày 5/11 và kết thúc lúc 21:15 UT ngày 7/11. X28 cũng sinh ra sự kiện proton >100 MeV kéo dài 3h20’sau khi đạt cực đại 1PFU lúc 05:40

UT, kết thúc lúc 07:05 UT ngày 5/11.

Như vậy với số liệu trên cho thấy vùng 486 là vùng hoạt động rất mạnh. Nó liên

tục sinh ra các vụ bùng nổ lớn X28, X17, X10 kéo theo các sự kiện proton với

cường độ lớn (29525 PFU, 3298PFU, 1570 PFU)diễn ra trong khoảng thời gian

tương đối dài (2 – 3 ngày).

Cũng với số liệu trên : sự kiện proton với cường độ 29525 PFU diễn ra ngày

28/10 cực đại vào lúc 06:15 UT ngày 29; sự kiện proton với cường độ 3298 PFU

diễn ra ngày 29 cực đại lúc 21:50 UT cùng ngày; đồng thời dựa vào chỉ số Dst của

hai ngày 29-30/10 ta thấy có một sự tương ứng. Hầu như sau khi sự kiện proton đạt

cực đại khoảng 2-3 giờ thì chỉ số Dst bắt đầu biến động mạnh (xem số liệu ở phụ

lục 5). Điều này chứng tỏ sự kiện proton có ảnh hưởng lớn đến bão từ.

Tuy nhiên sự kiện CME sẽ khảo sát phần sau lại có liên quan trực tiếp đến sự

nhiễu loạn tầng điện ly, ảnh hưởng các vệ tinh và góp phần làm biến thiên chỉ số

Dst này.

3.4.3.Khảo sát sự phóng vật chất của Nhật hoa – CME từ 19/10 –

4/11/2003:

Như đã trình bày ở mục 2.1.3 CME là một dạng hoạt động của MT. Trên đường

đi đến TĐ nó có thể kết hợp với các hạt năng lượng cao tạo ra những cơn bão hạt

mang năng lượng (energetic storm particle –ESP events ). Trong quá trình này,

CME có thể gây ra một sự chấn động – shock. Những cú shock đó lại góp phần gia

tốc cho các hạt mang năng lượng chứa trong nó. Bên cạnh đó, nếu xuất hiện thêm từ

trường liên hành tinh IMF với thành phần hướng nam thì có thể gây ra bão địa từ

nghiêm trọng.

Bảng 10: Gió MT (vận tốc, mật độ) cường độ IMF, vận tốc CME

38 38

Gió MT – solar wind Số vết IMF (nT) CME

Ngày Bùng đen speed(km/s)

nổ MT Start Speed Peak Btotal Bz

Density (proton/cm3) (km/s) (south/

north)

91 798 3,2 615,5 X 1.1 19/10 469

89 5,0 674,5 20/10 M 1

113 5,2 727,5 21/10 1484 M 1 824

144 3,1 547,7 22/10 666 M3.7 1163

117 2,5 423,0 23/10 656 X 5.4 1136

122 4,8 24/10 579,0 1055 M 7.6 399

160 1,2 25/10 685 471,9 M1 235

139 2,6 419 470,6 X 1.2 1537 26/10

191 0,8 481 480,2 M 6.7 990 27/10

8,9 238 48,7 602 1,7 S 281,3 X 17.5 2459 28/10

230 0,0 922 20,3S 698,2 X 11 29/10 23,1 2029

330 0,8 21,1S 282,7 30/10 31,9 X 10

293 2,6 0,0 856,0 31/10 2126 8,3 M 1 605

266 1,9 0,6N 584,6 01/11 246 5,7 M 1 899

277 4,6 0,2N 292,6 02/11 2036 5,6 X 8.3 2598

174 0,1 4,4N 320,1 6,0 X 3.9 641 03/11 827

(http:// spaceweather.com/archive.php)

(http://cdaw.gsfc.nasa.gov/CME_list)

76 1,7 594,0 5,2N 5,9 X 28 2657 04/11 1208

39 39

Hình 3.8: Tốc độ của CME từ 21/10 – 4/11/2003.

Gió Mặt Trời

900

856

800

698.2

717.5

700

674.5

594

615.5

600

584.6

579

547.7

470.6

500

480.2

471.9

423

400

) s m/ k ( c ố t n ậ V

320.1

300

282.7

281.3

292.6

200

100

19-Oct 20-Oct 21-Oct 22-Oct 23-Oct 24-Oct 25-Oct 26-Oct 27-Oct 28-Oct 29-Oct 30-Oct 31-Oct 1-Nov 2-Nov 3-Nov 4-Nov

Ngày

Hình 3.9: Sự thay đổi vận tốc gió MT từ 19/10 – 4/11/2003

Hình 3.10 : Chỉ số Kp từ ngày 29/10 – 1/11/2003; vào ngày 30-31 chỉ số Kp = 9 : bão từ trong

khoảng thời gian nay rất nghiêm trọng.[13]

40 40

Bảng 10 cho thấy từ 19/10 - 4/11 số vết đen tăng dần, đạt cực đại vào ngày 30/10

với 330 vết đen. Tốc độ của CME vào ngày 28 đạt cực đại 2459 km/s lúc 11:30 UT,

vào ngày 29 đạt cực đại 2029km/s lúc 20:54UT, ngày 2/11 đạt cực đại với 2598

km/s lúc 17:30 UT và đến ngày 4/11 đạt cực đại 2657 km/s lúc 19:54UT – có nghĩa

là vận tốc của CME vào những ngày này gấp từ 3-4 lần vận tốc bình thường. Điều

này cũng khá trùng hợp với các sự kiện proton mang năng lượng >10MeVcó cường

độ cực đại 29525 PFU, 3298 PFU và 1570 PFU vào các ngày 28-29/10, 2/11 xuất

hiện sau đó khoảng 1 giờ (xem bảng 8). Bên cạnh đó trong thời gian nói trên, từ

trường IMF cũng có giá trị cực đại Btotal = 31,9 nT, Bz=21,1 nT hướng về phía nam.

Cũng trong các ngày 28,29/10 – 2,4/11 cường độ bão từ ở mức rất cao G5, G3, G2

(bảng 8); chỉ số Kp vào các ngày 29, 30. 31/10 đạt mức cao nhất Kp = 9. Riêng

ngày 4/11 xảy ra bão từ có cường độ G2 và từ trường IMF với cường độ 5,2nT

hướng về phương Bắc. Điều này cũng không hẳn đã mâu thuẫn với lý thuyết đã

trình bày ở mục 2.2 vì cũng trong ngày 4/11 CME xuất hiện với tốc độ rất lớn

2657km/s và gió MT cũng có tốc độ không nhỏ 594km/s . Từ đây ta thấy rõ tầm ảnh

hưởng của CME đối với từ quyển T Đ.

Với những số liệu phân tích trên cho thấy bão từ có liên quan đến hoạt động của

MT. Bên trong hoạt động của MT lại gồm nhiều yếu tố khác nhau, nhưng tất cả

những yếu tố đó lại dễ dàng kết hợp lại với nhau gây ra những đợt bão từ lớn trên

TĐ (ngày 28, 29/10 – G5). Sau đây chúng ta sẽ khảo sát sự biến động của chỉ số Dst

để thấy rõ tầm ảnh hưởng của bão MT.

3.4.4. Khảo sát sự biến động của chỉ số Dst từ 1/10 – 31/11/2003: Trong phần 2.2.1.1 đã trình bày vài nét về chỉ số Dst, nó cho ta biết thông tin về

các vòng điện xung quanh TĐ cụ thể là cho biết về mật độ năng lượng của các hạt

mang điện có trong vòng điện

Trong tháng 10/2003 từ ngày 12 trở đi chỉ số Dst bắt đầu có sự dao động mạnh.

Bắt đầu từ ngày 28 thì chỉ số giảm rõ rệt và giảm mạnh trong hai ngày 29 - 30. Cho

đến khoảng 0100 – 0300 UT ngày 30/10 thì chỉ số Dst đạt cực đại -353 nT , điều

này tương ứng với vụ bùng nổ lớn X10 kèm theo là sự kiện proton >10 MeV với

41 41

cường độ 3298 PFU xảy ra ngày 29 (bảng 8). Cho đến cuối ngày 31/10 thì chỉ số

Dst tăng dần về 0. Ngày 1 - 4/11 chỉ số Dst biến động không mạnh như những ngày

trước đó. Đầu ngày 1/11 Dst có giá trị thấp nhất là -69nT ( lúc 0100 – 0300UT) và

tiếp tục biến động lên xuống trong khoảng -47nT đến -2nT. Vào ngày 4/11 Dst lại

có giá trị thấp nhất -69nT vào khoảng 1100 – 1200UT ( xem chi tiết số liệu ở phụ

(nose@kugi.kyoto-u.ac.jp)

Hình 3.11: Chỉ số Dst của từng ngày trong suốt tháng 10 và 11/2003

lục 5).

Trong khoảng thời gian từ 28- 4/11 dòng điện cảm ứng GIC (Geomagnetically

induced currents) cũng tăng giảm bất thường.

Trong những ngày 28-29 cường độ GIC dao động mạnh với cực đại lên đến 40A.

Mức độ tăng giảm xảy ra liên tục đặc biệt trong ngày 31/10 đến đầu ngày 1/11, tuy

nhiên cường độ dòng cảm ứng lúc này giảm rõ rệt từ 30A xuống khoảng 6A. Đến

ngày 2/11 thì sự biến động của dòng cảm ứng ít hơn và cho đến ngày 3/11 lại xảy ra

sự biến động mới với cường độ cao nhất trong ngày là 1A, và đến cuối ngày 4/11

thì gần như không xảy ra sự biến động nào đáng chú ý.

(a) (b)

Hình 3.12: (a) GIC ngày 28-29/10; (b) GIC ngày 30-31/10

(http://space.fmi.fi/cgi-bin/imagecgi/pipegram.cgi)

42 42

Như vậy dựa vào bảng 8, bảng 9 và các biểu đồ về sự biến động của chỉ số Dst

cho thấy chỉ số Dst phụ thuộc vào mật độ, cường độ của các sự kiện proton, CME.

Chỉ số này biến động mạnh sau khoảng 2 - 3 giờ khi CME và sự kiện proton với

cường độ lớn xuất hiện. Mặt khác biểu đồ của dòng cảm ứng địa từ GIC cho thấy sự

biến động đột ngột của dòng điện này cũng diễn ra xung quanh khoảng thời gian có

Dst biến động mạnh.

Đến đây có thể thấy rõ mối liên hệ mật thiết giữa bão từ và bão MT. Vì vậy

muốn dự đoán khi nào một cơn bão từ sắp xảy ra khoa học đã dựa vào việc xuất

hiện các vết đen trên MT. Từ đó có thể tính đến khả năng phát ra các bùng nổ, tia X,

43 43

tia EUV,… và cuối cùng là dự đoán được thời điểm một vụ CME sắp tấn công vào

T Đ gây ra bão từ.

Kết luận:

Các số liệu thống kê trên cũng chứng tỏ năm 2003 là một năm sau cực đại tuy

nhiên trong một thời gian ngắn từ 19/10 – 4/11 lại xuất hiện những đợt bão MT

mạnh (M9.9 và CME-1085km/s – 22/10; X17.5 và CME- 2459km/s – 28/10; X11

và CME-2029km/s – 29/10; X28 và CME- 2657km/s – 4/11) đã gây ra các đợt bão

từ lớn vào các ngày 28-29/10 (G5); 22/10 – 2/11 (G3); 4/11 (G2) dẫn đến những

hậu quả nghiêm trọng cho đời sống trên TĐ như: [7]

- Ảnh hưởng đến hệ thống điện ở trạm Sydkcralf Group thuộc Sweden.

- Cục quản lý hàng không liên bang FAA không thể điều khiển máy bay

qua hệ thống GPS gần 30h.

- Vệ tinh ADEOS-2 của Nhật bị mất liên lạc với cục không gian Nhật

(JAXA)

- Những cuộc khảo sát tại các bệnh viện tim mạch cho thấy vào giai đoạn

xảy ra bão từ số bệnh nhân nhập viện gia tăng lên 30%.

Như vậy so với lý thuyết đã trình bày về cơ chế hình thành bão từ ở mục 2.2 với

những số liệu khảo sát về hoạt động MT và cường độ bão từ ghi nhận được đã

chứng tỏ rằng bão MT là một nguyên nhân gây ra bão từ.

Các đợt bão từ mạnh thường xuất hiện sau cực đại của một chu kỳ ? Để trả lời

cho câu hỏi này ta sẽ so sánh các đợt bão từ khác xảy ra vào những năm sau cực

đại, cụ thể trong luận văn này tôi sẽ xét đến cường độ các cơn bão từ trong năm

2002, 2004, 2005.

44 44

3.5. So sánh cường độ bão từ trong năm 2003 và năm 2002 –

2004, 2005:

-Năm 2002 xảy ra nhiều vụ bùng nổ đặc biệt khoảng tháng 4 đến tháng 8. Riêng

tháng 8 liên tiếp xảy ra các vụ bùng nổ chủ yếu loại M, một vụ bùng nổ với cường

độ lớn X3 vào ngày 24/8 xuất phát từ vùng hoạt động 83, và một vụ với cường độ

X1 vào ngày 30/8 xuất phát từ vùng hoạt động 87. Các halo CME có tốc độ lớn

nhìn chung xuất hiện không gần nhau: 1585 km/s – 16/8; 998 km/s – 22/8; 1913

km/s – 24/8. Mặt khác, chỉ số Dst trong thời gian này khá ổn định, giá trị thấp nhất -

106 nT vào ngày 21/8 lúc 7:00 UT.

-Trong năm 2004 xảy ra một đợt bão từ với cường độ X2 vào 7/ 11 bắt nguồn từ

vùng hoạt động 696. Trong khoảng thời gian từ 6 -11/11 tốc độ của halo CME có

giá trị lớn: 818 km/s – 6/11; 1759 km/s – 7/11; 2000km/s – 9/11; 3387 km/s –

10/11. Trong thời gian này chỉ số Dst biến thiên mạnh, giá trị thấp nhất -373 nT

ngày 8/11 lúc 7:00 UT.

-Trong năm 2005 xảy ra hai đợt bão từ lớn vào tháng 1 và tháng 9.

+ Tháng 1/2005 các vụ bùng nổ bắt nguồn từ vùng hoạt động 720. Vụ bùng nổ

đầu tiên có cường độ lớn vào ngày 15/1, vụ bùng nổ cuối cùng vào ngày 20/1.

Trong thời gian từ 15 – 20/1 các halo CME có vận tốc lớn: 2861 km/s – 15/1; 2574

km/s – 17/1; 2020 km/s – 19/1; 882 km/s – 20/1. Chỉ số Dst so với đợt bão từ cuối

năm 2004 có giá trị thấp nhất -128 nT vào ngày 18/1 lúc 9:00 UT.

+ Tháng 9/2005 các vụ bùng nổ bắt nguồn từ vùng 808. Trong khoảng thời gian

từ ngày 5 – 15/9 có tất cả 10 vụ bùng nổ loại X, 24 vụ loại M, và nhiều vụ bùng nổ

với cường độ nhỏ hơn. Vụ bùng nổ đầu tiên bắt đầu ngày 7/9 với cường độ X17.

Trong thời gian 5 – 15/9 các halo CME đạt tốc độ: 2326 km/s – 5/9; 2257 km/s -

9/9; 1893 km/s – 10/9; 1922 km/s – 11/9; 1866 km/s – 13/9. Chỉ số Dst có giá trị

thấp nhất -147 nT vào ngày 11/9 lúc 11:00 UT

Bảng 11 So sánh hoạt động MT trong các năm 2002, 2003, 2004, 2005:

Solar flare Solar

Số vết đen

IMF (nT)

CME

Ngày

wind

speed

(km/s)

(max

Speed

Max

Btotal

type)

(km/s)

(south/

north)

1913

1,9N

4,7

207

337,1

24/08/02

1085

144

547.7

M3.3

22/10/03

2459

1,7S

8,8

238

281,3

X 17.5

28/10/03

230

X 11

45 45

2029

20,3S

23,1

698,2

29/10/03

5,2N

5,9

594

X28

04/11/03

2657

106

X 1

1759

43,1S

50,9

666,1

07/11/04

195

3,1S

5,2

392,8

X 17

07/09/05

(http// spaceweather.com/archive.php)

(http://cdaw.gsfc.nasa.gov/CME_list)

Bảng 12: So sánh cường độ bão từ trong năm 2003, 2004, 2005:

Ngày

Cường độ

K7 R1 G3

22/10/2003

K9 R4 S4 G5

28/10/2003

K9 R4 S3 G5

29/10/2003

K6 R5 S2 G2

04/11/2003

K8 S2 G4

08/11/2004

K8 R3 G4

10/11/2004

K7 S3 G3

20/01/2005

K6 G2

01/09/2005

K6 G2

03/09/2005

(http://www.swpc.noaa.gov/alerts/archive.html)

Dựa vào bảng số liệu cho thấy:

- Năm 2002 xuất hiện CME và gió MT có cường độ lớn nhưng thành phần Bz

khá nhỏ so với 10/2003, 11/2004. Còn đợt bão từ xảy ra vào tháng 9/2005 với CME

và IMF so với những năm còn lại không phải là cao. Do đó đợt bão từ xảy ra vào

năm 2002 và 2005 không mạnh như những đợt bão vào tháng 10/2003 và 11/2004.

46 46

- Nếu lấy vụ bùng nổ có cường độ cao nhất để xét thì năm 2003 có vụ bùng nổ

với cường độ lớn (X17, X 28). Tháng 11/2004 chỉ số Dst gần bằng chỉ số Dst của

tháng 10/2003 ( -373 nT – 2004; -353 nT – 2003), bão từ xảy ra trong tháng

10/2003 lại có cường độ cao hơn bão từ xảy ra tháng 11/2004 (10/2003 – G5;

11/2004 – G4). Bởi vì bên cạnh các vụ bùng nổ lớn vào tháng 10/2003 lại xuất hiện

CME có tốc độ lớn hơn nhiều so với tốc độ của CME trong tháng 11/2004 ( 2459

km/s – 10/2003; 1759 km/s – 11/2004) kèm theo đó là các sự kiện proton (S4,S3 –

(nose@kugi.kyoto-u.ac.jp)

Hình 3.13: Chỉ số Dst của tháng xuất hiện bão từ có cường độ mạnh nhất trong năm 2002, 2004,

2005. ( 8/2002; 11/2004; 1/2005; 9/2005)

10/2003) gây ảnh hưởng mạnh.

Như vậy có thể thấy một quy luật là sau cực đại của một chu kỳ thường có những

đợt bão từ lớn nhưng việc xuất hiện bão từ với cường độ mạnh còn phụ thuộc vào

hoạt động của MT đặc biệt là có liên quan chặt chẽ đến sự xuất hiện bão MT.

3.6.Tình hình bão từ xảy ra tại nước Việt Nam:

Việt Nam bắt đầu nghiên cứu bão từ từ năm 1957, nhưng cho đến năm 1998 khi

hệ thống đường dây tải điện 500KV được lắp đặt trong cả nước thì việc nghiên cứu

mới thật sự được quan tâm. Tính đến hiện nay, Việt Nam có 4 trạm dự báo bão từ,

hai trạm nằm ở phía Bắc và hai trạm ở phía Nam. Các đài sẽ thu thập dữ liệu, truyền

về Viện Vật lý địa cầu. Từ đó, dữ liệu được phân tích để phát hiện quy luật bão từ

nhằm kịp thời thông báo cho những ngành bị ảnh hưởng. Trong đó trạm Phú Thụy

còn có khả năng truyền dữ liệu trực tiếp đi quốc tế.

Bảng 13: Tọa độ địa lý các trạm dự báo, và tên các thiết bị nghiên cứu bão từ [8]

Trạm dự báo Vị trí

Độ cao

Thành lập

Thời gian lắp thiết bị

Tên thiết bị

(m)

1550

1957

-Askania (Germany)

1957

Sapa

22020’N

1968

-MBC Bobrov(Russia)

103050’E

1961

- MBC Bobrov (Russia)

21002’N

Phú Thụy

105057’E

- Scalar

Magnetometer

1993

SM90R

(Rez.:

0.01nT)

(France)

- Vector Magnetometer V312

(Rez.: 0.1nT)

- Digital recorder GEOMAG-

390

Scalar Magnetometer

2001

SM100(Rez.:

0.01nT)(France)

- Vector Magnetometer

VM300 D(Rez.: 0.1nT)

- Digital logger ENOII

- GPS

1988

-MBC Bobrov (Russia)

Bạc Liêu

90 17’ N

1998

- Fluxgate Magnetometer

FRG-601(0.01nT)

105044’E

- Digital Recorder DCR-3

MO (Japan)

1550

1981

MBC Bobrov (Russia)

Đà Lạt

11057’N

2003

-Scalar

Magnetometer

108029’E

SM100(Rez.:

0.01nT)(France)

- Vector Magnetometer

VM300 D(Rez.: 0.1nT)

- Digital logger ENOII

- GPS

47 47

Hình 3.14: Sơ đồ vị trí các trạm dự báo bão từ Sapa, Phú Thụy, Đà Lạt, Bạc Liêu.

Hình 3.15 : Đồ thị mô tả sự biến thiên của thành phần H tại hai trạm Bạc Liêu và Phú Thụy

trong năm 2005 – cường độ thành phần H của từ trường TĐ đạt cực đại tại Bạc Liêu ( > 100 nT)

vào khoảng tháng 4; tại Phú Thụy vào tháng 5 và tháng 11 (20 - 40 nT)

Bảng 14: Số trận bão từ xảy ra tại Việt Nam từ năm 1986 – 2008:

48 48

Năm 1986 1989 2000 2004 2006 2007 2008

trận 44 40 27 15 15 – 20 15-20 17

Bảng 15: Cường độ bão từ qua các năm:

Số bão từ (http// tin247.com)

Năm 1989 2001 2002 2003 2004

(http// tin247.com)

Cường độ 660 630 320 620 500 bão từ (nT) (Sapa) (Hà Nội)

49 49

Ở đây chưa đưa ra được số liệu cụ thể số trận bão từ xảy ra vào năm 2001-2003

nhưng vấn đề cần quan tâm hơn là cường độ bão từ vào những năm này.

Trong chu kỳ 23, năm 2003 cường độ bão từ cao nhất tại Việt Nam là 620 nT.

Đây là cơn bão từ mạnh so với trận bão từ xảy ra năm 2001. Tuy nhiên cơn bão từ

năm 2003 lại không gây thiệt hại nặng nề cho hệ thống thiết bị điện tử tại Việt Nam

như cơn bão từ xảy ra vào ngày 31/03/2001.( 630 nT).

Hình 3.15 cho biết tại hai trạm quan sát Phú Thụy và Bạc Liêu cho những số liệu

chênh lệch nhau về sự biến thiên từ trường nằm ngang H tại những thời điểm như

nhau của năm 2005. Do đó ở đây ta có thể nhận xét mặc dù bão từ xảy ra tác động

đến toàn cầu tuy nhiên tại những vùng khác nhau thì cường độ bão từ diễn ra cũng

khác nhau.

Như vậy Việt Nam là nước chịu nhiều ảnh hưởng của bão từ. Bão từ lại có liên

hệ đến bão MT do đó việc nghiên cứu dự đoán bão MT là một việc rất quan trọng.

Tuy nhiên Việt Nam chỉ có các thiết bị đo cường độ bão từ còn hệ thống dự báo bão

MT, Việt Nam lại chưa có điều kiện để lắp đặt những thiết bị dự đoán bão MT như

trên thế giới và còn phụ thuộc nhiều vào công tác dự báo của thế giới. Bên cạnh đó,

công tác phổ biến, thông báo về ảnh hưởng của bão từ tại Việt Nam còn hạn chế,

chưa được rộng rãi. Số liệu chi tiết về các đợt bão từ mạnh diễn ra trong những năm

trước chưa cụ thể gây nhiều khó khăn cho việc tìm hiểu, phân tích và nghiên cứu

bão từ xảy ra tại Việt Nam.

50 50

Chương 4: Kết luận và kiến nghị - Bão từ chính là một hiện tượng tự nhiên nằm ngoài tầm kiểm soát của con

người, có nguồn gốc từ hoạt động của Mặt Trời. Bão từ ảnh hưởng đến hệ

thống truyền tải điện, hệ thống ống dẫn dầu, các vệ tinh, tàu vũ trụ, thông tin

liên lạc bằng sóng vô tuyến… Nhìn chung, đời sống con người ngày một hiện

đại và công nghệ hóa, các thiết bị điện tử ngày một phổ biến và rộng khắp vì

vậy ảnh hưởng của bão từ đối với đời sống con người là một vấn đề không

nhỏ.Việc phát triển khoa học vũ trụ là một điều thiết yếu, đặc biệt là việc

nghiên cứu dự báo bão từ.

- Để nghiên cứu và dự báo bão từ thì khoa học phải nghiên cứu hoạt động của

MT. Hiện nay người ta đã dự đoán được hoạt động của MT dựa vào các thiết

bị dự báo MT.

- MT hoạt động theo chu kỳ 11 năm do đó bão từ cũng xuất hiện theo chu kỳ 11

năm.

- Cường độ của bão từ phụ thuộc vào các dạng hoạt động của MT đặc biệt là

bùng nổ MT và CME. Nếu trong cùng một khoảng thời gian ngắn các dạng

hoạt động như bùng nổ MT, CME, sự kiện proton, IMF xuất hiện với cường

độ cao thì sẽ gây ra bão từ lớn.

- Sau cực đại của một chu kỳ thường có những đợt bão từ lớn và nó phụ thuộc

vào cường độ bão MT

- Việt Nam là một nước đang phát triển, khoa học vũ trụ chưa phát triển cao.

Chính vì vậy đòi hỏi nước ta cần tăng cường hợp tác với các nước tiên tiến

trên thế giới để nắm bắt thông tin về bão từ kịp thông báo rộng rãi đến các

doanh nghiệp và cộng đồng nhân dân trong nước. Bên cạnh đó, nước ta cần

mở rộng việc truyền thông để người dân hiểu và biết cách phòng ngừa. Đồng

thời mở rộng việc nghiên cứu, giảng dạy một cách nghiêm túc trong trường

học để nâng cao nhận thức của học sinh sinh viên

51 51

Phụ lục 1:Ảnh hưởng của bão từ lên hệ thống ống dẫn dầu Dòng cảm ứng địa từ (GIC) được sinh ra do sự thay đổi từ trường của TĐ có tần

Hình 1: Mô hình dòng điện GIC chạy trong ống dẫn.[8]

số khoảng 1 Hz. Như vậy dòng GIC được xem như là dòng một chiều.

Bề mặt TĐ không phải là một lớp đồng nhất do đó khả năng dẫn điện của bề mặt

TĐ cũng thay đổi theo vị trí, tùy vùng có thể dẫn điện tốt hoặc yếu. Do đó khi dòng

GIC chạy trong bề mặt TĐ, đồng thời do hướng của các ống dẫn (pipe line) thay đổi

làm cho điện thế trong ống ở nhiều chỗ không như nhau từ đó xuất hiện trong ống

một dòng điện mới làm cho tốc độ phản ứng hóa học bào mòn ống dẫn diễn ra

nhanh hơn.

H2 O => H+ + OH –

(sự tạo thành gỉ sắt)

Fe++ + 2 (OH)– = Fe(OH)2 Fe+++ + 3 (OH)– = Fe(OH)3 Để hạn chế hư hại này, người ta lắp vào ống dẫn một thiết bị, cực âm (cathode)

nối với ống dẫn, cực dương nối với mặt đất. Hai cực này được nối vào một nguồn

52 52

điện một chiều, và hiệu điện thế giữa dất và ống dẫn được duy trì khoảng -0.85V

đến -1.35V.

Tuy nhiên nếu như bão từ xảy ra và dòng GIC thay đổi lớn làm cho điện thế trên

vượt mức quy định ( vùng an toàn – safe region) khi đó tuổi thọ của các ống dẫn sẽ

Hình 2 : Mô hình thiết bị bảo vệ ống dẫn chống bị bào mòn do dòng GIC.

Hình 3 : Trường địa từ và sự thay đổi điện thế giữa ống dẫn và đất quan sát tại Canada vào

tháng 6-7 năm 2000.

(http//Space Weather Canada/Geomagnetic Effects on Pipelines)

bị giảm.

53 53

Phụ lục 2:Ảnh hưởng của bão từ lên hệ thống tải điện Như đã trình bày ở phần trên, bề mặt TĐ là một lớp dẫn điện không đồng nhất.

Trong hệ thống điện ba pha, dây trung tính được nối với mặt đất. Tại hai điểm nối

đó xuất hiện một điện thế gọi là điện thế bề mặt TĐ (ESP – earth – surface

Hình 4 : Mô hình điện thế bề mặt T Đ – ESP tạo dòng GIC chạy qua hệ thống tải điện.[10]

potential). Vì thế dòng GIC sẽ theo dây trung tính chạy vào hệ thống điện 3pha.

Điện thế ESP chủ yếu nằm dọc theo hướng đông –tây, có thể đạt đến cường độ 6

V/km trong thời gian xảy ra bão từ mạnh ( hoặc ở những vùng gần cực quang) và

duy trì trạng thái này trong vài phút.

Cường độ dòng GIC biến thiên làm tăng biên độ dòng AC trong mạng ba pha.

Hiện nay, ngoài thực tế thường có các mạng 340 KV, 500KV, 760KV; trong đó

mạng 760 KV là chịu ảnh hưởng lớn nhất (mạng càng cao KV thì bị ảnh hưởng

càng nặng). Ngoài ra, đối với những đường dây tải càng dài thì càng bị ảnh hưởng

của dòng GIC.

Bảng 16: Mối liên hệ giữa cường độ dòng GIC và dòng AC [10]

54 54

Cường độ GIC Cường độ AC

90A 5 A/ phase

300A 25A/ phase

800A 100A/ phase

Thông thường những cơn bão từ nhỏ ( Kp < 4) thì ảnh hưởng ít hoặc không ảnh

hưởng đến hệ thống tải điện. Đối với những cơn bão từ có Kp > 5 nó có thể tạo ra

ESP với cường độ từ 2-3 V/km và bắt đầu gây ảnh hưởng đến hệ thống truyền tải.

Để hạn chế mức độ ảnh hưởng do dòng GIC gây ra, người ta đã lắp đặt các thiết

bị cản trở dòng một chiều GIC chạy vào hệ thống truyền tải. Tuy nhiên do mạng

lưới điện phân bố rộng khắp với số lượng lớn, việc lắp đặt thiết bị này đòi hỏi một

lượng tiền lớn. Chính vì vậy một phương án khả thi hơn đó là vào giai đoạn có bão

từ mạnh người ta sẽ giảm năng suất truyền tải của hệ thống xuống 95% so với năng

suất tối đa.

55 55

Phụ lục 3: Các thiết bị dự báo bão Mặt Trời và bão từ

1. Tàu vũ trụ SOHO (Solar and Heliospheric Observatory):

Tàu vũ trụ SOHO được phóng vào ngày 2/12/1995, nằm tại vị trí cách TĐ

khoảng 1,6 triệu km (điểm lagrangian L1 – tại điểm này lực hấp dẫn gữa TĐ và MT

cân bằng nhau) Tàu có nhiệm vụ thăm dò các bức xạ phóng ra từ MT, tia X, các hạt

mang năng lượng, mật độ proton, chỉ số địa từ và quan sát bề mặt MT.

Hình 5: SOHO spacecraft. [14]

Hình 6: Vị trí điểm lagrangian [3]

Trên tàu SOHO có chứa các thiết bị LACOS và EIT để quan sát CME .

2. Vệ tinh ACE (the Advanced Composition Explorer) :

Vệ tinh ACE được phóng vào ngày 25/8/1997. Vệ tinh này nằm tại vị trí L1; có

nhiệm vụ thu thập các thông tin về từ trường liên hành tinh IMF, mật độ plasma,

56 56

vận tốc và cả nhiệt độ của plasma; đồng thời còn cho biết các thông tin về năng

Hình 7: ACE satelite

(http://zseltvay.com/ace_satellite.htm)

lượng của các hạt proton, electron

3. Tàu vũ trụ Wind

Tàu vũ trụ Wind được phóng vào ngày 1/11/1994, nằm tại điểm L1. Nhiệm vụ

của tàu Wind là nghiên cứu các hạt mang năng lượng; plasma; từ trường IMF; vận

Hình 8 : Wind spacecraft.

(http://www-istp.gsfc.nasa.gov/wind.shtml)

tốc, áp suất gió MT; vận tốc proton.

4. Vệ tinh GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite):

Vệ tinh GOES có nhiệm vụ nghiên cứu những ảnh hưởng của hoạt động MT lên

hệ thống liên lạc trên TĐ. Những thiết bị trên vệ tinh GOES có thể đếm số hạt

proton, electron , alpha được phóng ra từ MT, đồng thời có thể cho biết thông tin về

từ trường và tia X

Hình 9: GOES satelite

(http://www.asc-csa.gc.ca/eng/educators/resources/orbital/geosynchronous.asp)

57 57

5. Tàu thăm dò IMAGE (Imager for Magnetopause to Aurora Global

Exploration):

Tàu thăm dò IMAGE được phóng vào ngày 25/3/2000, nằm tại vị trí cách TĐ

khoảng 45 922 km.

Tàu IMAGE có nhiệm vụ tìm hiểu cơ chế thâm nhập vào từ quyển của các hạt

plasma; kiểm tra sự dịch chuyển của các hạt plasma trong suốt thời kỳ xảy ra bão từ

và hạ bão từ; đồng thời tàu còn cho biết thông tin về sự biến động của từ quyển khi

Hình 10 : IMAGE spacecraft.

(http://www.daviddarling.info/encyclopedia/I/IMAGE_satellite.html)

tác động với gió MT.

58 58

Phụ lục 4: Dự đoán bão từ vào năm 2013 Năm 2009, khi chu kỳ 24 mở ra, các nhà khoa học bắt đầu đưa ra những lời dự

đoán về việc bão từ xảy ra vào năm 2012-2013.

Dựa vào cường độ hoạt động của MT lúc bấy giờ các nhà khoa học nhận thấy

MT đang trong thời kỳ hoạt động khá yên tĩnh và các nhà khoa học tin rằng chu kỳ

thứ 24 này sẽ có tối đa 90 vết đen và chu kỳ này tương tự như chu kỳ đạt đỉnh vào

Hình 11: Chu kỳ 24 sẽ tương tự như chu kỳ đạt cực đại năm 1928.

Hình 12: số vết đen MT từ năm 2001 – 2016. Đường màu đỏ dự báo số vết đen MT trong chu

kỳ 24. Dự đoán chu kỳ 24 có tối đa 90 vết đen.

(http://thienvanbachkhoa.org/ - Dự báo mới về chu kì mặt trời: ít vết đen hơn, nhưng chưa chắc

kém hoạt động – 6/6/2009)

năm 1928. Từ đó các nhà khoa học dự báo vào năm 2013 sẽ là cực đại của chu kỳ.

59 59

Dựa vào cường độ hoạt động của MT hiện tại so với những năm về trước các nhà

khoa học đã dự báo có thể xảy một đợt bão lớn vào tháng 5 /2013 với cường độ như

trong năm 1859 (sự kiện Carrington).( Tuy nhiên trong năm 1859 không gây nhiều

thiệt hại cho thế giới vì lúc này chưa có nhiều hệ thống điện tử như bây giờ)

Cho đến khoảng tháng 3/2011 tình hình hoạt động của MT vẫn diễn ra theo dự

đoán. Tính đến ngày 9/3/2011 đã xuất hiện 39 vết đen. Trong tháng 2 và tháng 3 đã

xuất hiện bùng nổ MT với cường độ X1,5 và X1. Chỉ số liên hành tinh từ đầu năm

2011 cho đến tháng 3/2011 cũng có chiều hướng tăng (trong tháng 3 chỉ số Kp >4).

Chính vì vậy trong thời gian gần đây nhất (21/2/2011) các nhà khoa học lại tiếp tục

đưa ra lời cảnh báo về việc TĐ chuẩn bị hứng chịu một trận bão từ lớn mà họ gọi là

Hình 13: Số vết đen MT từ năm 2001 – 2019. Đường màu đỏ chỉ số vết đen dự đoán.

(solarcycle 24.com – update 9/3/2011)

“ Katrina toàn cầu”gây thiệt hại cho thế giới hơn 2000 tỷ USD.

60 60

Nhìn chung sự hoạt động của MT còn có nhiều biến đổi bất thường. Có những

năm MT rất yên tĩnh, không xuất hiện vết đen nào (hình 11 - Maunder Minimum)

cũng có những năm MT hoạt động rất mạnh và còn tuân theo chu kỳ 11 năm. Khoa

học cũng chỉ có thể dựa vào chu kỳ hoạt động của MT, so sánh với các chu kỳ trước

để đưa ra những lời tiên đoán trong tương lai. Nhưng đó chỉ là những tiên đoán có

thể xảy ra hoặc không. Hiện tại chu kỳ 24 bắt đầu được gần 3 năm (2009- 3/2011),

và MT đã hoạt động như dự đoán. Tuy nhiên việc siêu bão từ xảy ra vào tháng

5/2013 vẩn là chuyện tương lai, rất có thể có nhiều sự thay đổi, chúng ta hãy chờ

xem.!.

61 61

Phụ lục 5: Chỉ số Dst tháng 10 – 11/2003.

WDC for Geomagnetism, Kyoto

Hourly Equatorial Dst Values (FINAL)

OCTOBER 2003

unit=nT UT

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

DAY

1 -11 -12 -12 -13 -13 -10 -14 -17 -13 -8 -2 1 3 2 1 4 6 10 16 19 6 -14 -38 -36

2 -24 -21 -23 -23 -21 -19 -16 -15 -9 -8 -8 -7 -4 -2 -1 0 -4 -1 1 -3 -12 -12 -7 -5

3 -14 -24 -29 -27 -27 -33 -28 -23 -24 -26 -24 -18 -13 -15 -15 -14 -12 -15 -16 -9 -5 -4 -5 -1

4 -2 -7 -8 -8 -7 -9 -12 -8 -5 -6 -6 -5 -5 -4 -2 -1 0 1 0 0 0 1 0 1

5 -1 -4 -4 -4 -3 -1 1 2 4 6 7 8 5 1 3 7 9 19 24 31 25 15 1 -1

6 2 0 0 -1 0 3 8 11 10 15 16 19 20 16 8 7 6 8 5 5 -4 -4 -2 -1

7 -15 -15 -20 -17 -12 -8 -5 -8 -11 -7 -9 -7 -5 -5 -9 -10 -8 -7 -5 -3 -6 -9 -7 -5

8 -5 -2 -2 -3 -3 2 4 6 5 1 0 2 1 1 1 0 0 3 4 1 -1 -2 2 1

9 -6 -12 -10 -6 -5 -3 -2 0 1 1 0 1 -1 -2 -3 -1 1 3 -1 -4 -4 2 4 3

10 3 2 0 1 1 3 5 4 4 6 7 5 1 -1 -1 0 1 3 3 3 2 0 -3 -5

11 -6 -4 1 4 4 3 2 2 2 5 6 4 4 4 3 3 2 2 3 4 4 5 6 5

12 2 3 6 6 6 9 11 8 6 6 5 5 9 12 12 10 11 8 10 8 4 3 3 7

13 8 13 10 7 5 8 8 8 18 20 18 17 21 18 9 -7 -18 -14 -8 1 -11 -31 -25 -21

14 -22 -18 -17 -17 -19 -29 -35 -39 -38 -30 -37 -52 -52 -38 -28 -17 -22 -28 -44 -28 -28 -66 -85 -77

15 -67 -66 -66 -64 -60 -68 -77 -63 -58 -54 -52 -51 -50 -48 -57 -58 -60 -52 -47 -39 -44 -44 -42 -45

16 -40 -44 -51 -46 -38 -38 -38 -41 -42 -42 -42 -36 -34 -37 -39 -41 -39 -37 -29 -33 -30 -26 -24 -33

17 -36 -33 -31 -29 -39 -51 -53 -53 -45 -44 -45 -38 -36 -35 -39 -39 -36 -31 -28 -34 -31 -25 -23 -20

18 -17 -20 -18 -23 -27 -31 -42 -49 -37 -32 -31 -34 -37 -33 -28 -30 -32 -33 -37 -37 -30 -25 -26 -22

19 -21 -26 -28 -26 -27 -37 -39 -42 -37 -32 -35 -38 -40 -39 -45 -40 -40 -49 -54 -48 -53 -46 -41 -46

20 -49 -44 -40 -40 -40 -35 -29 -31 -40 -44 -45 -37 -34 -42 -43 -40 -35 -27 -23 -24 -34 -57 -50 -41

21 -40 -49 -52 -48 -43 -39 -37 -45 -40 -36 -29 -40 -43 -42 -41 -42 -54 -53 -57 -50 -51 -60 -54 -46

22 -46 -47 -49 -56 -51 -51 -61 -50 -51 -48 -36 -22 -24 -24 -15 -20 -33 -33 -34 -32 -30 -28 -24 -24

23 -16 -13 -20 -18 -17 -18 -19 -21 -18 -19 -18 -17 -19 -15 -14 -14 -12 -11 -12 -11 -11 -9 -10 -10

24 -10 -8 -8 -7 -7 -9 -12 -13 -15 -15 -20 -24 -37 -43 -44 -30 -26 -9 5 -26 -34 -22 -18 -36

25 -29 -19 0 -3 -11 -10 -13 -19 -20 -18 -21 -20 -26 -27 -41 -49 -43 -30 -33 -38 -41 -39 -33 -32

26 -31 -33 -32 -29 -27 -25 -24 -24 -19 -11 -4 -4 -4 -4 -6 -6 -5 -5 -7 -8 -15 -18 -29 -33

27 -43 -49 -47 -49 -52 -52 -50 -46 -48 -51 -49 -41 -36 -35 -34 -34 -30 -30 -30 -27 -27 -27 -25 -24

28 -24 -24 -14 -18 -4 -1 -1 -5 -14 -32 -32 -24 -20 -16 -8 -4 -4 -9 -16 -18 -19 -22 -14 -20 29 -34 -42 -32 -25 -28 -30 -10-105 -130-151-151-147-111 -79 -99-107 -124-126-169-213-253-268-281-350 30 -353-341-335-303-273-244-220-203 -192-178-164-155-156-148-138-129 -111 -97-111-142-240-316-383-371

31 -307-246-244-241-196-131-106-113 -113-109-113 -55 -77 -80 -88 -80 -76 -68 -70 -66 -63 -52 -55 -66

WDC for Geomagnetism, Kyoto

Hourly Equatorial Dst Values (FINAL)

NOVEMBER 2003

unit=nT

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

62 62

DAY 1 -69 -69 -61 -62 -61 -62 -56 -48 -47 -44 -41 -38 -43 -46 -46 -39 -35 -31 -28 -32 -36 -33 -31 -37 2 -41 -40 -31 -23 -27 -30 -26 -23 -23 -22 -27 -31 -25 -25 -28 -29 -28 -23 -23 -21 -23 -22 -26 -32

3 -36 -38 -32 -26 -26 -28 -21 -18 -17 -14 -7 -5 -7 -9 -6 -4 -2 -3 -2 -4 -5 -6 -6 -11 4 -20 -15 -12 -12 -14 -15 14 10 6 -15 -69 -63 -55 -58 -61 -59 -55 -50 -45 -41 -39 -36 -39 -42

5 -41 -36 -31 -31 -31 -30 -27 -24 -25 -28 -29 -28 -27 -25 -22 -19 -17 -16 -17 -12 -17 -18 -17 -22

6 -24 -24 -21 -21 -25 -25 -20 -17 -16 -14 -15 -13 -12 -11 -7 -5 -10 -10 -9 -1 5 -9 -21 -18

7 -16 -20 -15 -10 -14 -15 -14 -12 -11 -15 -13 -11 -8 -8 -7 -7 -6 -4 -3 -4 -4 -3 -1 -3

8 -5 -3 3 5 4 3 3 4 5 5 6 5 11 15 21 12 7 4 5 -5 -5 2 1 2

9 2 2 5 3 3 -1 -3 -7 -11 -14 -13 -5 -3 -15 -31 -25 -21 -22 -26 -33 -33 -26 -24 -25

10 -23 -16 -13 -21 -18 -20 -20 -13 -11 -13 -17 -16 -18 -19 -25 -25 -20 -16 -29 -36 -32 -29 -30 -37

11 -48 -40 -28 -30 -42 -46 -43 -39 -37 -47 -50 -38 -55 -62 -59 -54 -52 -51 -51 -52 -49 -48 -54 -46

12 -47 -38 -39 -35 -35 -32 -33 -34 -39 -29 -29 -30 -30 -28 -26 -28 -36 -29 -33 -35 -31 -30 -27 -27

13 -29 -29 -25 -18 -23 -31 -31 -26 -33 -36 -25 -14 -18 -31 -32 -36 -44 -52 -46 -59 -59 -55 -47 -55

14 -51 -38 -37 -35 -44 -52 -55 -42 -35 -39 -38 -28 -35 -39 -32 -27 -25 -25 -30 -41 -37 -35 -28 -28

15 -26 -18 -19 -19 -25 -26 -17 -37 -34 -46 -39 -37 -50 -48 -46 -43 -49 -43 -43 -44 -40 -40 -42 -34

16 -31 -31 -29 -25 -32 -33 -32 -37 -48 -49 -34 -29 -31 -29 -38 -32 -28 -35 -40 -36 -33 -36 -37 -32

17 -27 -33 -31 -35 -42 -44 -48 -43 -41 -39 -34 -25 -25 -26 -36 -42 -41 -40 -32 -25 -29 -29 -36 -36

18 -27 -22 -21 -29 -31 -30 -30 -27 -28 -26 -20 -23 -27 -28 -31 -27 -26 -29 -22 -22 -20 -16 -15 -17

19 -15 -18 -18 -18 -22 -27 -26 -26 -25 -21 -17 -16 -17 -21 -18 -17 -14 -16 -11 -6 -6 -3 -2 -4 20 -4 -6 -5 -7 -15 -26 -32 -34 -17 -38 -68 -58 -49-102-162-171 -229-329-396-413-422-422-405-343

21 -309-256-230-194-191-185-156-162 -162-141-130-122-118-117-110-104 -105-104 -92 -86 -83 -76 -69 -63

22 -60 -71 -79 -74 -68 -70 -74 -69 -65 -59 -50 -44 -42 -40 -43 -54 -63 -64 -72 -85 -86 -83 -87 -86

23 -79 -69 -65 -73 -74 -74 -66 -70 -71 -66 -59 -51 -46 -49 -41 -38 -35 -33 -35 -38 -46 -47 -41 -36

24 -32 -33 -30 -29 -29 -30 -30 -29 -27 -29 -28 -28 -26 -27 -27 -26 -23 -27 -28 -26 -31 -32 -33 -28

25 -27 -27 -27 -25 -28 -35 -33 -28 -26 -31 -26 -23 -22 -21 -20 -23 -24 -25 -23 -17 -14 -12 -14 -19

26 -19 -21 -23 -23 -22 -21 -23 -24 -20 -19 -17 -12 -12 -20 -20 -16 -22 -22 -19 -17 -13 -12 -15 -15

27 -14 -13 -16 -17 -14 -14 -13 -12 -10 -9 -5 -4 -5 -11 -12 -10 -10 -9 -7 -7 -10 -7 -4 -1

28 -1 -6 -7 -10 -9 -7 -7 -9 -9 -7 -3 -3 -7 -10 -11 -8 -6 -8 -10 -6 -4 -4 -2 -2

29 -1 -6 -13 -11 -9 -7 -7 -9 -12 -11 -11 -9 -7 -8 -7 -4 -5 -4 -5 -3 0 1 -1 2

30 1 0 -4 1 12 16 19 22 23 19 15 16 14 7 -3 -3 -9 -23 -30 -34 -39 -38 -33 -27

63 63

Phụ lục 6: Các kí hiệu viết tắt. Ap: An index of the disturbance in the geomagnetic field, the planetary A index is calculated from

a network of observations worldwide

(số liệu http:// www.gfz-potsdam.ge/pb2/pb23/Geomag/niemegk/kp-index).

ACE: Advanced Composition Explorer is a research spacecraft built by NASA CME – Coronal

Mass Ejection. A transient outflow of plasma through the solar corona into interplanetary space.

CME – Coronal Mass Ejection. A transient outflow of plasma through the solar corona into interplanetary space. Dst: Storm-time Disturbance index. A measure of the variation in the geomagnetic field observed

at low latitudes.

EIT: Extreme Ultraviolet Imaging Telescope. An instrument carried aboard the SOHO spacecraft

that produces images of the Sun in several EUV wavelengths.

FAA: The Federal Aviation Administration Full-halo CME: A CME that appears to expand completely around the solar disk. If a full-halo

CME is associated with activity on the visible solar disk, then there is an increased possibility of

interaction with Earth’s magnetic field.

GIC: Geomagnetically induced currents Kp: A 3 hourly planetary index of geomagnetic activity calculated from a network of worldwide

observations.

LASCO: Large Angle and Spectrometric Coronograph. A coronograph imager aboard the SOHO

spacecraft.

Millionth: A measure used to characterize the size of sunspot groups. 1 millionth of the size of the

solar hemisphere visible from Earth.

NASA: National Aeronautics and Space Administration

nT: nanoTesla. A measure of magnetic field intensity. PFU: Particle flux unit = 10-22 particle cm-2 sr -1

RE : bán kính trái Đất. RE = 6370 km. SFU: Solar flux unit = 1W m-2 Hz -1

SOHO: Solar and Heliospheric Observatory. A spacecraft launched by the European Space

Agency (ESA) and NASA to study the Sun.

SSN: Smoothed Sunspot Number

UT: Coordinated Universal Time. By international agreement, the local time at the prime meridian, which passes through Greenwich, England, and therefore also known as Greenwich mean time.

64 64

Tài liệu tham khảo.

Tiếng Việt: [1]. TS.Trần Quốc Hà (2009), Nghiên cứu ảnh hưởng của Mặt Trời lên trạng thái của lớp F2 tầng điện ly xích đạo từ.

[2]. TS. Hoàng Thái Lan, Bão từ - Bão điện ly và mối quan hệ Mặt Trời – Trái Đất., Địa cầu – Hội khoa học kỹ thuật địa vật lý Việt Nam – số 8 – tháng 12 năm 2005.

Tiếng Anh : [3]. Amin Aminaei (2007), A Thesis Submitted for the Degree of Doctor of Philosophy, Lancaster University (UK), pp 65-67, 21-29.

[4]. A meeting with the universe, The Magnetosphere: Our Shield in Space,chapter3-4.

[5]. Beyond the atmosphere: Early years of space science, The magnetosphere, chapter 11.

[6]. C. Amory-Mazaudier et al

(2006), Sun-Earth System Interaction studies over Vietnam, published in "Annales Geophysicae” (UK)

(2011), Geomagnetic Storms,OECD project “ Future Global [7]. Shocks”

[8]. Hà Duyên Châu , Lê Trường Thành, Nguyễn Thanh Dung (2008), Use of geomagnetic data in the studies of space weather in Vietnam.

[9]. J.K. Hargreaves (1992), The solar – terrestrial environment, Cambridge University press, pp 143, 152 -165; 174-176.

[10]. John Kappenman (2010), Geomagnetic Storms and Their Impacts on the U.S Power Grid, pp 33-38.

[11]. Michael Weaver, et al (2004), Halloween space weather storms of 2003.

[12]. N. Gopalswamy, S. Yashiro, and S. Akiyama (2006), Coronal mass ejections and space weather due to extreme events.

65 65

[13]. P. R. Barnes, etc, (1991), Electric Utility Industry Experience With Geomagnetic Disturbances, pp 28-63.

[14]. S.P. Plunkett, (2005), The Extreme Solar Storms of October to November 2003.

Trang web:

[1]. nose@kugi.kyoto-u.ac.jp

[2]. http://NOAA Space Weather Scales.htm

[3]. http://son.nasa.gov/tass/content/earthmagneto.htm

[4]. http://Space Weather Canada/Geomagnetic Effects on Pipelines.htm

[5]. http://tin247.com

[6]. http://www.swpc.noaa.gov

[7]. http: //www.solarscience.msfc.nasa.gov

[8]. http://www.spaceweather.com

[9]. http://space.fmi.fi/cgi-bin/imagecgi/pipegram.cgi

[10]. http://spaceweather.com/archive.php

[11]. http://www.swpc.noaa.gov/alerts/archive.html

[12]. http://www.solarcycle24.com

[13]. http://cdaw.gsfc.nasa.gov/CME_list

Luận văn tốt nghiệp đại học: Nghiên cứu bão từ năm 2003