Nghiên cứu ảnh hưởng của mặt trời lên trạng thái của lớp f2 tầng điện ly xích đạo từ

Tầng ñiện ly vùng xích ñạo từ XĐT có nhiều ñặc ñiểm lý thú do tính ñặc biệt của ñiện, từ trường ở khu vực này ñường sức từ song song với mặt ñất, tồn tại dòng ñiện xích ñạo gây chuyển dị

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

_

TRẦN QUỐC HÀ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MẶT TRỜI

LÊN TRẠNG THÁI CỦA LỚP F2 TẦNG ĐIỆN LY XÍCH ĐẠO TỪ

Chuyên ngành: Địa Vật Lý

Mã số: 1.02.24

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

Tp Hồ Chí Minh - Năm 2009

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của ñề tài luận án

Đề tài nghiên cứu của luận án nằm trong lĩnh vực khoa học về mối quan hệ Mặt trời (MT) - Trái ñất (TĐ), là một ngành vật lý ñang ñược chú ý hiện nay Đó là vì ñời sống con người ngày càng phụ thuộc vào công nghệ vũ trụ, do ñó bị chi phối nhiều bởi sự thay ñổi “thời tiết vũ trụ” MT với các hoạt ñộng mang tính chu kỳ là nguyên nhân của các biến ñổi ñó Tầng ñiện ly TĐ ñược hình thành và duy trì bởi các bức xạ

tử ngoại và tia X của MT, vốn bị thay ñổi theo chu kỳ hoạt ñộng Mặt trời (HĐMT) do ñó sẽ chịu ảnh hưởng của HĐMT Trong các lớp ñiện ly, lớp F2 ñược chú ý nhiều bởi các tính năng quí báu của nó trong kỹ thuật truyền sóng vô tuyến, nhưng cũng là lớp có những ñặc tính khó nắm bắt nhất Trạng thái tầng ñiện ly còn phụ thuộc vào các quá trình vật lý khác, như quá trình chuyển dịch dưới tác ñộng của ñiện, từ trường, làm cho tầng ñiện ly có tính ñặc thù khu vực Tầng ñiện ly vùng xích ñạo từ (XĐT) có nhiều ñặc ñiểm lý thú do tính ñặc biệt của ñiện, từ trường ở khu vực này (ñường sức từ song song với mặt ñất, tồn tại dòng ñiện xích

ñạo gây chuyển dịch E×B nâng lớp F2 lên về ban ngày, hạ xuống về

ban ñêm) Nghiên cứu về lớp F2 tầng ñiện ly xích ñạo từ rất cần thiết, nhưng ở TP Hồ Chí Minh (TP HCM), nằm trong khu vực xích ñạo từ, Đài quan trắc khí quyển Hóc Môn mới ñược thành lập và thu thập số liệu

từ năm 2000, do ñó việc nghiên cứu dựa trên số liệu của tầng ñiện ly ở ñịa phương này là việc làm cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn rõ rệt

Mục ñích, ñối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận án

Đó là tiến hành khảo sát trạng thái của lớp F2 tầng ñiện ly tại TP HCM, trong những năm cuối chu kỳ HĐMT thứ 23 (chủ yếu là những

năm từ 2002 ñến 2006 ), nhằm làm rõ tác ñộng của MT lên tầng ñiện ly,

bổ sung hiểu biết về tầng ñiện ly ở khu vực này

Phương pháp nghiên cứu

Trong luận án tác giả sử dụng phương pháp thống kê, so sánh, ñối chiếu số liệu Đây là các phương pháp thường ñược sử dụng trong nghiên cứu tầng ñiện ly

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Luận án ñã ñưa ra những kết luận mang tính khoa học, khẳng ñịnh

sự phụ thuộc của trạng thái tầng ñiện ly vào HĐMT Việc nghiên cứu trên số liệu ñiện ly của một vùng cụ thể (TP HCM) góp phần bổ sung vào khối kiến thức vốn còn rất ít ỏi về tầng ñiện ly ở ñịa phương này, có

ý nghĩa thực tiễn thuyết phục, vì nó phục vụ cho yêu cầu phát triển của ñất nước trong lĩnh vực truyền thông, sử dụng thiết bị vệ tinh, công nghệ

vũ trụ Mặt khác, quan sát và nghiên cứu về MT ở Việt Nam hầu như chưa ñược tiến hành Gắn kết việc nghiên cứu tầng ñiện ly với giảng dạy, quan sát MT trong luận án cũng là một việc làm cần thiết, mang tính khoa học, ñáng ñược khích lệ

Điểm mới của luận án

Việc tiến hành khảo sát tầng ñiện ly với các số liệu ở giai ñoạn chưa ai nghiên cứu, nhằm tìm ra qui luật là ñiểm mới của luận án Tìm ra

hệ số b nhằm biến biểu thức Allen thành biểu thức ñặc trưng cho tầng ñiện ly TP HCM là ñiểm mới của luận án Hơn nữa, việc khảo sát nhiễu loạn ñiện ly ñứng từ góc ñộ quan sát các biến ñộng trên MT (sự thay ñổi

vị trí các vị trí xuất phát bão theo sự quay của MT, thời ñiểm xảy ra các trận bão), ñồng thời kèm theo các hình ảnh quan trắc vị trí vùng hoạt ñộng bằng kính thiên văn nhằm mục ñích minh họa, làm nổi bật vai trò của vị trí bão MT trong sự tác ñộng của bão MT ñến trạng thái tầng ñiện

ly cũng là ñiểm mới của luận án

Cơ sở tài liệu

Các tài liệu ñược sử dụng trong luận án ngoài các sách giáo khoa chuyên ngành là các bài báo, các công trình nghiên cứu ñã ñược công bố trong các ấn phẩm có uy tín, hoặc ñược ñưa lên mạng trong các trang web chuyên môn Vì vậy, ñây là nguồn tài liệu ñáng tin cậy, làm cơ sở khoa học vững chắc cho các nghiên cứu của luận án

Cấu trúc luận án

Nội dung của luận án ñược trình bày trong 4 chương, gồm 108 trang, 39 hình ảnh, ñồ thị, 19 bảng biểu, không kể phần mở ñầu, phần kết luận và kiến nghị, phần phụ lục Luận án sử dụng 101 tài liệu tham khảo Nội dung của luận án ñược thể hiện qua 8 công trình ñã công bố

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU HOẠT ĐỘNG MẶT

TRỜI VÀ LỚP F2 TẦNG ĐIỆN LY XÍCH ĐẠO TỪ

Nghiên cứu về MT

Năm 1848, Wolf ñã ñưa ra khái niệm số VĐMT (Sunspot Number) Khi khảo sát số VĐMT nhiều năm Schwabe ñã phát hiện qui luật tuần hoàn của nó và gọi ñó là chu kỳ MT (Solar Cycle), hay còn gọi

là chu kỳ HĐMT, kéo dài khoảng 11 năm Sau này, người ta tính mốc là

từ năm 1755, ñến năm 2008 ñã có ñược 23 chu kỳ Bản chất của các dạng HĐMT và nguồn gốc, tính chất, của chu kỳ HĐMT là sự thay ñổi của từ trường MT

Nghiên cứu về lớp F2 tầng ñiện ly

Đặc tính của lớp F2 tầng ñiện ly ñã ñược nghiên cứu từ lâu Nghiên cứu của Allen từ những năm 50 của thế kỷ XX, ñưa ra công thức thực nghiệm về sự phụ thuộc của lớp F2 vào ñộ HĐMT, Tuy nhiên,

trạng thái tầng ñiện ly, thể hiện qua sự thay ñổi nồng ñộ ñiện ly trong phương trình liên tục còn phụ thuộc vào quá trình tái hợp và quá trình chuyển dịch ñiện ly dưới các tác ñộng của ñiện, từ trường, gió trung hòa,

sự khuếch tán, làm cho trạng thái tầng ñiện ly mang tính ñặc thù khu vực

rõ rệt Tại vùng XĐT, ñường sức từ song song với mặt ñất và tồn tại dòng ñiện xích ñạo, ñiện trường ở ñây hướng về phía ñông vào ban

ngày, hướng về phía tây vào ban ñêm, tạo nên chuyển dịch E×B nâng

ñiện ly lên cao vào ban ngày và hạ xuống vào ban ñêm Đồng thời còn

có các tác ñộng khác như hiệu ứng vòi phun và dị thường xích ñạo tạo

nên các ñặc trưng của lớp F2 tầng ñiện ly XĐT Tuy nhiên, tính chất của lớp F2 tầng ñiện ly XĐT vẫn còn nhiều bí ẩn, nhất là phản ứng của nó trước bão MT và bão từ Các nghiên cứu nhiễu loạn ñiện ly thường gắn liền với bão từ, nhưng cũng có những nghiên cứu chỉ ra nguyên nhân

trực tiếp từ sự quay của MT

Tại TP HCM, từ năm 2000 ñã có các nghiên cứu ñiện ly khu vực này như khảo sát biến thiên ngày ñêm của các lớp ñiện ly, như biến thiên của foF2 trong 2 năm, 2000 – 2002, là những năm MT hoạt ñộng mạnh,

ñã chỉ ra những nét ñặc trưng của ñiện ly tại ñây là: biến thiên nhanh vào lúc hoàng hôn và bình minh, có một cực tiểu lúc bình minh, có vết lõm giữa trưa và hai cực ñại, tồn tại với giá trị cao về ñêm, không lặp lại hàng ngày Sau ñó, ñã có các khảo sát phản ứng của lớp F2 tại ñây trước các trận bão từ, gây ra bởi bão MT trong các tháng 8, 10, 11/2003, tháng 11/2004, tháng 8/2005 và tháng 4/2006

Những vấn ñề luận án cần giải quyết

Trong luận án của mình, tác giả nghiên cứu về lớp F2 tầng ñiện ly quan trắc tại TP HCM trong giai ñoạn tiếp với các nghiên cứu trước, là thời gian cuối chu kỳ HĐMT thứ 23 như:

- Khảo sát biến thiên ngày ñêm của foF2 trong nửa ñầu năm 2003

ñể tìm ñặc trưng của ñiện ly trong ñiều kiện bình thường, nhằm khẳng

ñịnh ñặc tính của lớp F2 tầng ñiện ly XĐT

- Thông qua việc áp dụng công thức Allen cho số liệu lớp F2 tầng

ñiện ly TP HCM trong vài năm, qua ñó khẳng ñịnh biến thiên của trạng

thái lớp F2 theo chu kỳ HĐMT

- Khảo sát phản ứng của ñiện ly F2 trước các trận bão MT ñiển

hình ñể tìm hiểu về nhiễu loạn trong lớp F2 tầng ñiện ly khu vực này,

chú ý nhiều ñến sự thay ñổi vị trí của vùng HĐMT trên ñĩa MT, nhằm

khẳng ñịnh vị trí xuất phát của các trận bão MT có vai trò nhất ñịnh

trong việc gây tác ñộng lên trạng thái tầng ñiện ly Đồng thời, tác giả còn

sử dụng kính thiên văn theo dõi sát MT trong những ngày có bão, khác

với việc khảo sát biến ñộng của tầng ñiện ly ở Việt Nam trước ñó,

thường không gắn bó với việc quan trắc trực tiếp MT

Chương 2 - MẶT TRỜI: NGUỒN PHÁT NĂNG LƯỢNG

VÀ BỨC XẠ - HOẠT ĐỘNG MẶT TRỜI

2.1. Hoạt ñộng Mặt trời (Solar Activity)

HĐMT chính là sự thay ñổi trong bức xạ MT do các quá trình vật

lý ñiện, từ xảy ra trong MT MT cấu tạo từ chất khí, với phản ứng hạt

nhân tại tâm tạo ra năng lượng và các bức xạ Vật chất ở ñây là plasma –

khí mang ñiện Do MT quay không ñều, các dây khí – từ bị vặn xoắn,

tạo ra các dạng HĐMT như : vết ñen MT (VĐMT), bùng nổ MT

(BNMT), sự phóng khí Nhật hoa (CME)…

2.2 Các dạng HĐMT chính

Vết ñen Mặt trời (Sunspots)

Là các vết xuất hiện trên bề mặt MT (Quang quyển ), ñược coi là

chỉ thị về ñộ HĐMT, với số VĐMT (R) :

R = k(10g + f) (2.1)

Bùng nổ Mặt trời (Solar Flare)

Là sự giải phóng ñột ngột năng lượng (tương ñương hàng tỷ quả

bom nguyên tử) và bức xạ MT (bức xạ ñiện từ, bức xạ hạt), làm tăng

cường bức xạ tới TĐ, gây biến thiên ñột ngột trong tầng ñiện ly Người

ta phân loại BNMT và ký hiệu là B, C, M, X, trong ñó loại X là nguy

hiểm nhất

Sự phóng vật chất Nhật hoa (Coronal Mass Ejection – CME)

Là hiện tượng hàng tỷ tấn plasma ñột ngột phóng ra từ MT, mang

theo các ñường sức từ trong Nhật hoa, ñến TĐ sau từ 1 ñến 3 - 4 ngày

BNMT có thể gây tác ñộng ñến TĐ trong vòng 8 phút, còn CME

gây tác ñộng chậm hơn, có thể từ một ñến vài ngày CME và BNMT gọi

chung là bão MT Vị trí xuất phát của các các trận bão có ảnh hưởng ñến

TĐ

2.3. Chu kỳ Mặt trời, hay chu kỳ HĐMT (Solar Cycle)

Ngay từ năm 1849, Schwabe nghiên cứu số VĐMT qua nhiều

năm ñã nhận thấy nó thay ñổi theo chu kỳ, gọi là chu kỳ MT, hay rõ hơn

là chu kỳ HĐMT Nó thường kéo dài 11 năm Tính từ năm 1755 ñến

2008 ñã có 23 chu kỳ

Chương 3 – LỚP F2 TẦNG ĐIỆN LY TRÁI ĐẤT DƯỚI TÁC

ĐỘNG CỦA MẶT TRỜI

3.1 Sơ lược về tầng ñiện ly

Tầng ñiện ly ñược hình thành từ bức xạ MT, mật ñộ ñiện tử trong

lớp ñiện ly khác nhau, tùy theo ñộ ñâm xuyên của bức xạ Lớp F2 là lớp

cĩ mật độ điện tử cao nhất, đồng thời là lớp nằm trên cùng của tầng điện

ly và cĩ thể tồn tại ngày đêm

Trạng thái của tầng điện ly được bị tác động bởi các quá trình như: sự sinh plasma dưới tác động của bức xạ mặt trời, sự mất plasma do tái hợp, sự chuyển dịch dưới tác động của điện, từ trường, giĩ trung hịa, khuếch tán…Trong đĩ, đối với tầng điện ly xích đạo từ đáng chú ý là đường sức từ nằm song song với mặt đất và điện trường do dịng điện

xích đạo đổi hướng, tạo nên dịch chuyển E×B , nâng điện ly lên cao vào

ban ngày, hạ xuống vào ban đêm Sự khuếch tán và giĩ trung hịa tạo nên hiệu ứng vịi phun, làm plasma điện ly bị đổ về các vĩ độ cao hơn, từ

± 100 đến ± 200 quanh xích đạo từ, tạo nên dị thường xích đạo

Tuy nhiên, sự biến thiên khơng lặp lại từ ngày này sang ngày khác, nên khĩ cĩ thể dự đốn được

- Về đêm: Lớp F2 thường khơng biến mất vào ban đêm mà vẫn

tồn tại một lượng đáng kể sau khi MT lặn

3.3 Tính chất của lớp F2 tầng điện ly xích đạo từ (LF2 TĐL XĐT)

Hình thái biến thiên ngày đêm của LF2 TĐL XĐT từ là cĩ một cực tiểu lúc gần sáng, biến thiên nhanh lúc bình minh, tồn tại về đêm và

thường có 2 cực ñại về ban ngày, có vết lõm (Bite - out) vào lúc giữa

trưa

Sự giải thích dựa trên chuyển dịch do gió trung hòa, tạo thành dưới tác ñộng nhiệt Mặt khác, ñộ sâu của vết lõm phụ thuộc vào vĩ ñộ, chứng tỏ vai trò của ñiện - từ trường Người ta cho rằng chính hiệu ứng vòi phun ñã làm LF2 TĐL XĐT vùng xích ñạo từ bị giảm vào giữa trưa, tạo ra hai cực ñại, trong khi tại vùng ñỉnh dị thường XĐT có thể không

có vết lõm như vậy

Sự tồn tại về ñêm của LF2 TĐL XĐT ñược giải thích bằng cơ chế

“vòi phun ngược”, giúp chuyển plasma từ vùng vĩ ñộ cao về vùng vĩ ñộ thấp gần XĐT, làm cho nó tồn tại về ñêm Điều này khác với sự giải thích sự tồn tại về ñêm của F2 vĩ ñộ trung bình là do sự khuếch tán plasma từ quyển proton Sự thay ñổi hướng của dòng ñiện xích ñạo xảy

ra vào lúc hoàng hôn và bình minh là lời giải thích cho sự biến thiên nhanh chóng của tầng ñiện ly vào những thời ñiểm này

3.4 Sự biến thiên của lớp F2 tầng ñiện ly theo chu kỳ hoạt ñộng Mặt trời

Allen sau khi khảo sát số liệu thu ñược trong những năm 50 của thế kỷ XX tại một số trạm ñiện ly ñã ñưa ra công thức liên hệ giữa lớp F2 tầng ñiện ly và HĐMT như sau:

2 F

f0 ~ (1+0,02R)1/2 (MHz) (3.1) Trong ñó f0F 2 là giá trị trung bình của f0F2 lúc giữa trưa trong năm, R là giá trị trung bình của số VĐMT trong năm

Công thức trên biểu diễn sự tăng ñồng biến giữa nồng ñộ ñiện ly (qua liên hệ giữa foF2 và nồng ñộ ñiện ly) và ñộ HĐMT

3.5 Nhiễu loạn ñiện ly

Nhiễu loạn ñiện ly ñược hiểu là sự lệch khỏi trạng thái bình thường của nó Có thể phân loại như sau:

1 Nhiễu loạn ñiện ly ñột ngột

2 Bão ñiện ly

3 Các hiện tượng hấp thụ mũ cực

Ngoài ra, còn có những dạng nhiễu loạn khác như:

- Sporadic E (ES), làm chắn sóng phản xạ từ các lớp ñiện ly bên trên, ảnh hưởng ñến việc thăm dò ñiện ly F2

- Spread F (FS), gây tán xạ sóng vô tuyến

- Sự mất tín hiệu

3.6 Nghiên cứu về lớp F2 tầng ñiện ly tại TP HCM

TP HCM trong các năm MT hoạt ñộng mạnh (với R = 111 trong năm 2001 và R = 104 trong năm 2002) ñã có những nghiên cứu về biến thiên ngày ñêm của foF2 khá ñầy ñủ, trong ñó khảo sát sự biến thiên của giá trị foF2 trung bình tháng theo thời gian trong ngày (LT) cho thấy: cực tiểu foF2 thường vào trước bình minh (05LT); giá trị khoảng 5 MHz Sau ñó có cực ñại thứ nhất vào lúc 08 – 09 LT, giá trị cỡ 12-14 MHz Giữa trưa có vết lõm trên ñồ thị Cực ñại thứ hai vào lúc 15 – 16 LT, giá trị thấp hơn cực ñại thứ nhất, cỡ 10 – 12,5 MHz Vào ban ñêm F2 không biến mất mà vẫn ñạt giá trị khá cao (8 – 12 MHz) Tại TP HCM, các nghiên cứu nhiễu loạn ñiện ly ñược tiến hành

từ năm 2000, chỉ ra các qui luật nhiễu loạn trong các lớp ñiện ly khá rõ ràng Đặc biệt, trong các tháng 8, 10, 11 năm 2003 ñã xảy ra các trận bão

MT rất mạnh, gây bão từ lớn trên TĐ, các nghiên cứu phản ứng của tầng ñiện ly trước trận bão từ trong thời ñiểm này ñã ñược tiến hành kịp thời

ở Việt Nam Qua ñó cho thấy lớp F2 phản ứng mau lẹ trước tác ñộng của bão từ, tạo thành các trận bão ñiện ly với ñầy ñủ các pha, song hành với bão từ Nhiễu loạn ñiện ly trong các trận bão từ tháng 11/2004 và tháng 8/2005, tháng 4/2006 cũng ñã ñược khảo sát

Chương 4 – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HOẠT ĐỘNG MẶT TRỜI LÊN TRẠNG THÁI CỦA LỚP F2 TẦNG ĐIỆN LY QUAN TRẮC TẠI TP HỒ CHÍ MINH

4.1 Khảo sát chu kỳ hoạt ñộng Mặt trời thứ 23

Chu kỳ HĐMT thứ 23 ñược dự báo bắt ñầu từ tháng 5 năm 1996, kéo dài ñến năm 2007, cực ñại vào tháng 3 năm 2000 với số vết ñen MT làm trơn (SSN) là 160 ± 30 Trong thực tế, chu kỳ HĐMT thứ 23 bắt ñầu ñúng vào tháng 5 năm 1996, nhưng kéo dài hơn dự báo (ñến tận tháng

11 năm 2008), tức có ñộ dài khoảng 12 năm Cực ñại xảy ra vào tháng 4 năm 2000 với SSN là 120,8 Như vậy, cực ñại này gần ñúng với dự báo

và không quá lớn, chứng tỏ trong chu kỳ này MT không hoạt ñộng quá mạnh (hình 4.1) Chu kỳ này thể hiện các tính chất ñược biết ñến của chu kỳ HĐMT như: ñịnh luật Sporer (giản ñồ bướm), ñịnh luật Waldmeier… Tuy nhiên, ñiều khó hiểu là chu kỳ này chẳng những kéo dài mà sự ñảo cực theo ñịnh luật Hale – Nicholson cũng xảy ra tương ñối chậm chạp Đồng thời trong giai ñoạn sau cực ñại lại diễn ra các vụ BNMT và CME rất mạnh

Hình 4.1 Chu kỳ hoạt ñộng mặt trời thứ 23

Bảng 4.1 số SSN trong một số năm của chu kỳ thứ 23

1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 21,5 64,3 93,3 120,8 111 104 63,7 40,4 27,8

Khảo sát HĐMT trong năm 2004, 2005, 2006

Các khảo sát cho thấy trong giai ñoạn này có nhiều trận bão MT Tác giả chọn thời gian từ 7 ñến 15/9/2205 ñể khảo sát tác ñộng của bão

MT gây nhiễu loạn trong tầng ñiện ly

Hình 4.3 Khảo sát biến thiên ngày ñêm của foF2 trong tháng 1

năm 2003 với R = 79,7

Nhận xét :

Biến trình ngày ñêm của foF2 trung bình tháng vẫn giữ dáng ñiệu như các năm trước, tuy từng ngày diễn biến không lặp lại giống nhau Nghĩa là: có cực tiểu trước bình mình (06LT), hai cực ñại trong ngày, có vết lõm giữa trưa và duy trì về ñêm ở mức cao Tuy nhiên giá trị của foF2 thấp hơn, chứng tỏ có sự phụ thuộc vào ñộ HĐMT (R giảm) Giá trị cực tiểu ñạt cỡ 3,5- 4,8 MHz (thấp hơn các năm trước khoảng 0,5-1,5 MHz) Cực ñại thứ nhất ñạt giá trị cỡ 11 MHz (thấp hơn các năm trước

từ 1-3 MHz) Đặc biệt, trong các tháng 4, 5, 6 cực ñại thứ hai có giá trị