NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MẶT TRỜI LÊN TRẠNG THÁI CỦA LỚP F2 TẦNG ĐIỆN LY XÍCH ĐẠO TỪ

Theo sát với nội dung luận án các phần nghiên cứu có những mục tiêu cụ thể sau: - Khảo sát chu kỳ HĐMT thứ 23 ñể có số liệu về HĐMT, nguyên nhân của các biến ñộng trong trạng thái lớp F

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

TP HỒ CHÍ MINH - NĂM 2010

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TP Hồ Chí Minh – Năm 2010

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả nêu trong luận án là do tôi tìm ra, chưa từng ñược ai công bố trong bất cứ công trình nào khác

Ký tên

Trần Quốc Hà

LỜI CẢM TẠ

Để hoàn thành ñược luận án này tác giả nhận ñược sự giúp ñỡ của nhiều người Tác giả tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñối với PGS.TS Hoàng Thái Lan, PGS.TS Trần Văn Nhạc ñã dành nhiều công sức, trí tuệ, thời gian trực tiếp hướng dẫn tác giả trong nghiên cứu và hoàn thành luận án, GS.TSKH Lê Minh Triết ñã ân cần chỉ bảo cho tác giả hoàn chỉnh luận án Tác giả xin cám ơn PGS.TS Nguyễn Thành Vấn, Trưởng Bộ môn Vật lý Trái Đất, khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP Hồ Chí Minh ñã dành nhiều công sức, thời gian hướng dẫn tác giả hoàn thành các chuyên ñề và giúp tác giả hoàn tất các thủ tục trong quá trình học tập, nghiên cứu Đồng thời, tác giả cũng xin cám ơn Khoa Vật lý, Phòng Sau Đại học, Ban giám hiệu trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP Hồ Chí Minh, Khoa Vật lý, Ban giám hiệu trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh ñã tạo ñiều kiện cho tác giả làm nghiên cứu sinh Tác giả cám ơn tập thể Cán bộ, Nhân viên, Kỹ thuật viên của Đài quan trắc khí quyển Hóc Môn, Phòng Vật lý khí quyển và Vũ trụ, Viện Vật

lý TP Hồ Chí Minh ñã hỗ trợ tác giả trong việc thu thập, xử lý số liệu ñiện ly, phục

vụ nghiên cứu Tác giả cám ơn các thầy cô, các ñồng nghiệp, các sinh viên trong tổ

Bộ môn Vật lý Trái Đất, khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP Hồ Chí Minh và Khoa Vật lý, trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh cùng bè bạn

xa gần ñã quan tâm ñộng viên, giúp ñỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu Tác giả mang ơn chồng con, gia ñình, người thân, những người ñã là chỗ dựa vững chắc ñể tác giả an tâm hoàn thành luận án Cuối cùng, xin kính dâng Mẹ hiền công trình mà con ñã nỗ lực thực hiện ñể hoàn thành lời hứa với Người

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

NeF2 Nồng ñộ ñiện tử của lớp F2

foF2 Tần số tới hạn của lớp F2

h’F2 Độ cao biểu kiến của lớp F2

R Số vết ñen Mặt trời

2

foF Tần số tới hạn của F2 lúc giữa trưa (12 LT), lấy trung bình cả năm

R Số vết ñen Mặt trời lấy trung bình cả năm

CME Coronal Mass Ejection (sự phóng vật chất Nhật hoa)

E E Equatorial Electrojet ( dòng ñiện xích ñạo)

p-p proton-proton (chu trình p-p)

SC Sudden Commencement (dấu hiệu bão từ bất ngờ)

SSN Smoothed Sunspot Number (số vết ñen làm trơn)

UV, EUV Ultraviolet, Extreme Ultraviolet (bức xạ tử ngoại và cực tử ngoại) PPEF Prompt Penetration Magnetospheric Electric Fields (sự thâm nhập

tức thời của ñiện trường Từ quyển) TEC Total Electron Content [tổng nồng ñộ (dung lượng) ñiện ly]

GPS Global Position System (hệ thống ñịnh vị toàn cầu)

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của ñề tài luận án

Gần ñây việc nghiên cứu mối quan hệ Mặt trời (MT) - Trái ñất (TĐ) và thời tiết vũ trụ ñang là ñiểm nóng, ñược nhiều người quan tâm Đó là do ñời sống con người hiện nay ñược nâng cao và phụ thuộc nhiều vào công nghệ vũ trụ Vì vậy, việc nghiên cứu tác ñộng của MT lên TĐ, nhằm nắm vững quy luật tự nhiên, vận dụng ñể duy trì ñiều kiện tốt ñẹp cho ñời sống và phòng tránh thiên tai, là một việc làm rất cấp thiết và có ý nghĩa thực tiễn to lớn

MT, nguồn gốc năng lượng của mọi quá trình trên TĐ, luôn có những biến ñổi phức tạp, lúc yên tĩnh, lúc hoạt ñộng mạnh Chu kỳ (hay còn gọi là chu trình) hoạt ñộng Mặt trời (HĐMT) thường kéo dài 11 năm Bức xạ của MT ñến TĐ thay ñổi theo các chu kỳ ñó

Tầng ñiện ly là lớp khí quyển tầng cao của TĐ ñược hình thành từ sự ion hóa không khí bởi bức xạ MT (bức xạ tử ngoại và tia X), là nơi chịu ảnh hưởng của HĐMT một cách trực tiếp và rõ rệt nhất Đây là tầng khí quyển có tính ứng dụng cao trong kỹ thuật truyền thông, vì vậy việc nghiên cứu nhằm nắm vững qui luật của nó, phục vụ nhu cầu phát triển xã hội là rất cần thiết HĐMT với sự biến thiên bức xạ mang tính chu kỳ làm trạng thái tầng ñiện ly bị biến ñổi theo chu kỳ ñó Đặc biệt, những dạng hoạt ñộng như BNMT, CME, gọi chung là bão MT, gây ra những biến ñộng ñột ngột, dữ dội cho khí quyển tầng cao TĐ, là bão từ và bão ñiện ly Đó chính là những biến ñổi “thời tiết vũ trụ” mà con người cần biết trước ñể phòng tránh Vì vậy, việc nghiên cứu ảnh hưởng của hoạt ñộng MT lên trạng thái của tầng ñiện ly là rất quan trọng, cần ñược tiến hành thường xuyên, lâu dài

Tầng ñiện ly vùng xích ñạo từ (XĐT) chịu sự tác ñộng của từ trường TĐ lên quá trình chuyển ñộng của các hạt mang ñiện, tạo nên hình thái ñặc biệt cho tầng ñiện ly khu vực này Nghiên cứu tầng ñiện ly XĐT hiện nay ñang ñược tập trung chú ý

Cho ñến nay, tầng ñiện ly khu vực miền Nam Việt Nam, ñược quan trắc bởi Đài quan trắc khí quyển Hóc Môn, TP HCM, thuộc vùng XĐT, do mới ñược thành lập và ñi vào hoạt ñộng từ năm 2000 nên chưa ñược nghiên cứu nhiều, chưa trọn một chu kỳ HĐMT Việc tiếp tục nghiên cứu là rất cần thiết, chẳng những là nghiên cứu cơ bản mà còn phục vụ trực tiếp cho yêu cầu phát triển của ñất nước

Mục ñích, mục tiêu nghiên cứu của luận án

Đề tài “ nghiên cứu ảnh hưởng của Mặt trời lên trạng thái của lớp F2

tầng ñiện ly xích ñạo từ” có một nội dung rất rộng và là hướng nghiên cứu lâu dài

Trong khuôn khổ có hạn về thời gian, mục ñích của luận án cần ñược xác ñịnh một cách cụ thể hơn, với phạm vi nghiên cứu phù hợp Đó là tiến hành khảo sát trạng thái của lớp F2 tầng ñiện ly tại TP HCM, thuộc vùng XĐT, 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 Theo sát với nội dung luận án các phần nghiên cứu có những mục tiêu cụ thể sau:

- Khảo sát chu kỳ HĐMT thứ 23 ñể có số liệu về HĐMT, nguyên nhân của các biến ñộng trong trạng thái lớp F2 tầng ñiện ly trong thời gian ñó, nhằm thu thập

số liệu về MT, phục vụ nghiên cứu ñiện ly

- Khảo sát biến thiên ngày ñêm của foF2 quan trắc tại TP HCM, nhằm khẳng ñịnh hình thái của lớp F2 tại ñây mang ñặc trưng của lớp F2 tầng ñiện ly xích ñạo từ (LF2 TĐL XĐT)

- Áp dụng số liệu của tầng ñiện ly quan trắc tại TP HCM vào công thức Allen về sự phụ thuộc giữa tần số tới hạn giữa trưa trung bình hàng năm (f0F2 ) và

số VĐMT trung bình hàng năm (R), nhằm tìm ra qui luật biến thiên theo chu kỳ HĐMT cho lớp F2 tầng ñiện ly TP HCM

- Khảo sát phản ứng của lớp F2 trước các biến ñộng bất thường của MT ở giai ñoạn cuối chu kỳ hoạt ñộng, trong những trận bão MT cụ thể (tháng 9/2005), nhằm tìm hiểu diễn biến của lớp F2 tầng ñiện ly tại TP HCM trước các biến ñộng của thời tiết vũ trụ

- Tiến hành quan sát, chụp ảnh MT bằng kính thiên văn trong thời ñiểm có bão MT (9/2005), nhằm gắn kết việc nghiên cứu tầng ñiện ly với công tác giảng dạy môn thiên văn

Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận án

Như vậy, ñối tượng nghiên cứu của luận án là LF2 TĐL XĐT, với số liệu của Đài quan trắc khí quyển Hóc Môn, TP HCM, trong các năm sau cực ñại của chu kỳ HĐMT thứ 23 (từ 2002 ñến 2006), với các thông số chính là tần số tới hạn foF2, ñộ cao biểu kiến h’F2

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

Số liệu

Số liệu về MT ñược lấy từ các trang web về MT có uy tín Tuy nhiên, các

số liệu phải ñược chọn lọc, tính toán phù hợp với mục ñích, mục tiêu nghiên cứu

Số liệu về tầng ñiện ly ñược Đài quan trắc khí quyển Hóc Môn, TP HCM cung cấp

Nhiệm vụ của luận án và các luận ñiểm cần bảo vệ

Luận án có nhiệm vụ chỉ ra ñược tính qui luật trong mối quan hệ giữa HĐMT và trạng thái của LF2 TĐL XĐT Trong ñó, cần bảo vệ các luận ñiểm như :

- Về việc tìm ra công thức về mối quan hệ giữa tần số tới hạn foF2 giữa trưa trung bình hàng năm và số VĐMT trung bình hàng năm, ñặc trưng cho lớp F2 tầng ñiện ly tại TP HCM, dựa trên công thức Allen Do công thức Allen ñược tìm thấy

từ số liệu của tầng ñiện ly vùng vĩ ñộ trung bình cách ñây khá lâu, nay sử dụng cho tầng ñiện ly vùng XĐT, với số liệu thống kê sử dụng trong luận án chưa nhiều (5 năm) nên có thể chưa thuyết phục Tuy nhiên, kết quả ñạt ñược khá rõ ràng nên cần ñược bảo vệ

- Phản ứng của tầng ñiện ly trước bão MT cho thấy liên quan chặt chẽ tới vị trí các vùng hoạt ñộng (vị trí xuất phát bão, hay tâm bão) trên ñĩa MT và thời ñiểm xảy ra bão MT Đây là quan ñiểm không mới, nhưng ít ñược chú ý Ở Việt Nam

thường chỉ xét phản ứng của tầng ñiện ly trước bão từ, là hệ quả của bão MT, ít

chú ý sự thay ñổi vị trí của bão MT trên ñĩa MT

Trong luận án, tác giả khảo sát phản ứng của tầng ñiện ly theo sát biến ñổi

vị trí xuất phát bão do sự quay của MT và thời ñiểm xảy ra của từng trận bão Đây

là cách tiếp cận khá mới mẻ, cần ñược bảo vệ

Những ñiểm 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 ñẳng 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

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Việc nghiên cứu ảnh hưởng của MT lên trạng thái tầng ñiện ly nằm trong khuôn khổ của ngành Vật lý về mối quan hệ MT- TĐ Chỉ ra những qui luật chi phối mối quan hệ phức tạp, còn nhiều vấn ñề chưa sáng tỏ này luôn có ý nghĩa khoa học to lớn Trong khuôn khổ hạn hẹp về thời gian, mặc dù chưa có phát hiện gì mới, nhưng với góc ñộ nghiên cứu mới của mình, 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

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 và các phần mở ñầu, kết luận, kiến nghị, phụ lục, gồm 108 trang, 39 hình ảnh, ñồ thị, 19 bảng biểu Các bảng, hình ñược ñánh số theo chương và thống kê ở phần ñầu luận án (trang viii, ix), công thức cũng ñược ñánh số theo chương Các cụm từ viết tắt cũng ñược ñưa

ra ngay trong phần ñầu luận án (trang vii) Nội dung chính của luận án gồm như sau:

Chương 1- Tổng quan về nghiên cứu hoạt ñộng Mặt trời và tầng ñiện ly Trái

ñất: trình bày về việc nghiên cứu trong lĩnh vực mà tác giả lựa chọn ở trong và

ngoài nước, nêu những vấn ñề còn tồn tại mà tác giả cần tập trung giải quyết

Chương 2 - Mặt trời : Nguồn phát năng lượng và bức xạ - hoạt ñộng Mặt trời:

trình bày những vấn ñề về MT có liên quan ñến luận án

Chương 3 - Lớp F2 tầng ñiện ly Trái ñất dưới tác ñộng của Mặt trời: trình bày

những vấn ñề về lớp F2 tầng ñiện ly và tính chất của LF2 TĐL XĐT

Chương 4 –Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của hoạt ñộng Mặt trời lên trạng thái của lớp F2 tầng ñiện ly quan trắc tại TP Hồ Chí Minh: trình bày kết quả

nghiên cứu của tác giả về lớp F2 tầng ñiện ly quan trắc tại TP HCM

Phần kết luận và kiến nghị: gồm tổng kết về kết quả nghiên cứu của luận án và

kiến nghị về những vấn ñề cần phải tiếp tục nghiên cứu, làm rõ

Phần phụ lục: gồm 8 phụ lục liên quan ñến việc nghiên cứu của luận án

Tóm lại, việc nghiên cứu ảnh hưởng của MT lên trạng thái tầng ñiện ly TĐ

là một công việc có ý nghĩa to lớn, nhưng cũng rất khó khăn và còn nhiều ñiều nan giải Luận án hy vọng sẽ ñóng góp một phần nhỏ bé vào công việc lâu dài ñó

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU HOẠT ĐỘNG MẶT TRỜI

VÀ LỚP F2 TẦNG ĐIỆN LY XÍCH ĐẠO TỪ

Mối quan hệ MT - TĐ ñã ñược các nhà khoa học chú ý ñến từ lâu Nhưng chỉ ñến những năm 60 của thế kỷ XX ngành vật lý về quan hệ MT - TĐ mới ñược hình thành Nghiên cứu mối quan hệ MT - TĐ trong lĩnh vực ñiện ly gắn liền với sự phát triển của vật lý MT và vật lý khí quyển tầng cao Trong những năm gần ñây hướng nghiên cứu này ñã có những phát triển vượt bậc, gắn liền với sự phát triển của các công nghệ vũ trụ, ñặc biệt là thông tin liên lạc trong không gian gần TĐ

1 Nghiên cứu về MT

Trong nghiên cứu mối quan hệ MT- TĐ việc nghiên cứu MT luôn phải ñặt

ra trước tiên, vì ñó là nguyên nhân của mọi vấn ñề Nghiên cứu về MT bắt ñầu từ

việc Galileo phát hiện ra VĐMT (Sunspot), một biểu hiện của HĐMT (Solar Activity) Sau ñó, 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 Đến thế kỷ XX một số tính chất của chu kỳ HĐMT ñã ñược biết ñến qua các ñịnh luật Sporer, Joy, Waldmeier, Maunder, Hale - Nicholson, nhưng bản chất của nó vẫn chưa ñược biết rõ Cho ñến những năm 30 - 40 của thế

kỷ XX, với sự phát triển của vật lý nguyên tử - hạt nhân mọi chuyện mới gần sáng

tỏ Năm 1938, Bethe ñã ñề xuất chu trình p-p giải thích quá trình sinh năng lượng của MT Như vậy, MT là một lò phản ứng tổng hợp hạt nhân, phát ra năng lượng khổng lồ cùng các bức xạ ñiện từ Nhưng do cấu tạo và chuyển ñộng (các lớp khí quay với vận tốc khác nhau) nên có những bất thường trong bức xạ, thể hiện ở các hiện tượng gọi là HĐMT như VĐMT, với các qui luật ñã ñược các nhà khoa học phát hiện từ các thế kỷ trước Việc giải thích HĐMT gắn liền với việc nghiên cứu từ

trường MT Dựa trên lý thuyết từ thủy ñộng lực học MHD) về plasma, năm 1961 Babcock ñã ñề xuất lý thuyết dynamo MT (Solar

(Magnetohydrodynamics-dynamo), giải thích hoạt ñộng MT Theo ñó, MT cấu tạo chủ yếu từ khí, với lớp khí

trong nhân tồn tại dưới dạng ñặc biệt, plasma, ở nhiệt ñộ cao hàng chục triệu ñộ Theo Alfven, từ trường ñã “ñóng băng” vào plasma (Magnetic Field Frozen into the Gas), khiến các ñường sức từ MT trở thành các các dây ñiện Sự quay không ñồng

bộ của các lớp MT tạo nên các vùng dây ñiện bị xoắn, gọi là các vùng hoạt ñộng

(Active Region), các dây xoắn trồi lên trên bề mặt MT như những VĐMT, nơi từ

trường MT trở nên bất thường Do MT quay, các bó dây ñường sức bị kéo theo, tạo nên sự ñổi cực từ trường MT Mô hình Babcock ñược bổ sung bởi Leighton năm

1964 ñã cho phép giải thích ñược tính chất của các chu kỳ HĐMT, tuy nhiên, còn rất nhiều vấn ñề chưa sáng tỏ Những năm gần ñây, các dạng HĐMT như BNMT, CME ñược chú ý nhiều Dạng hoạt ñộng mà trước kia ñược phát hiện tại vùng Sắc cầu nên gọi là bùng nổ Sắc cầu, ngày nay nó ñược nhận thấy bắt ñầu từ Quang cầu

và diễn tiến cả ở vùng Sắc cầu lẫn Nhật hoa nên ñược gọi chung là BNMT, là sự

“chập mạch” giữa các “dây ñiện”, phóng thích năng lượng tương ñương với hàng tỷ quả bom nguyên tử, kèm theo các bức xạ hạt và ñiện từ với tất cả các bước sóng CME, viết tắt tiếng Anh của thuật ngữ chỉ sự phóng vật chất Nhật hoa, ñược ghi nhận bởi các vệ tinh nhân tạo, cho thấy ñó là sự phóng thích ñột ngột vật chất từ

MT, mang theo cả ñường sức từ của MT Các dạng hoạt ñộng dữ dội và ñột ngột này gọi chung là bão MT, thường có liên quan ñến VĐMT và thay ñổi vị trí do sự quay của MT Những cơn bão MT nguy hại có thể xuất hiện ngay cả vào cuối chu

kỳ HĐMT, mặc dù khi ñó HĐMT suy giảm (số VĐMT giảm)

Những năm gần ñây, với công nghệ vũ trụ phát triển, bằng các vệ tinh và

các thiết bị thăm dò, với lý thuyết Nhật chấn học (Helioseismology) dựa vào hiệu

ứng Doppler, người ta có thể “nhìn sâu” vào bên trong MT Trong chu kỳ 23 lớp

quay chuyển tiếp (Tachocline) ñã ñược phát hiện, cho phép giải thích cơ chế dynamo sinh ra VĐMT Đồng thời, sự phát hiện dòng chảy kinh tuyến (Meridional flow) giúp Dikpati ñề xuất mô hình mới về MT, giải thích ñược sự ñổi cực của từ

trường MT, liên quan ñến ñộ dài của chu kỳ HĐMT Cho ñến nay chu kỳ HĐMT thứ 23 ñã hoàn tất, các ñặc tính của nó ñã ñược các nhà khoa học tìm hiểu kỹ, làm

cơ sở cho việc nghiên cứu mối quan hệ MT-TĐ Các tài liệu về MT ñược tham khảo

là: [3], [4], [5], [6], [21], [24], [25], [26], [29], [30], [33], [35], [36], [37], [38], [40], [44], [46], [51], [56], [57], [61], [66], [71], [82], [85], [86], [87], [89], [93], [101]

Ngày nay việc nghiên cứu MT ñược tiếp sức bởi rất nhiều thiết bị, trong ñó

có mặt công nghệ vũ trụ như các vệ tinh SOHO, TRACE, ACE,…v.v Các thiết bị

ñó thu nhận rất nhiều dữ liệu chính xác về HĐMT Mặc dù vậy việc dự báo HĐMT,

dự báo thời tiết vũ trụ ñể phòng tránh ảnh hưởng cho TĐ cho ñến nay vẫn còn rất khó khăn, cần nhiều số liệu thống kê về chu kỳ HĐMT

Đồng thời, với công nghệ thông tin phát triển, các trung tâm nghiên cứu MT

có thể cung cấp các số liệu về HĐMT trên mạng, phục vụ cho những nghiên cứu liên quan ñến MT từ khắp nơi trên thế giới rất ñắc lực Mặc dù vậy, vẫn có những

số liệu, tài liệu vẫn phải trả phí rất ñắt, không thuận tiện cho những nghiên cứu nhỏ

lẻ, kinh phí ít

Hầu hết các nước trên thế giới ñều có cơ sở nghiên cứu MT Tuy nhiên, ở Việt Nam việc nghiên cứu MT chưa ñược tiến hành Hiểu biết về MT chỉ dừng ở việc giảng dạy về MT trong chương trình Thiên văn ở một số trường ñại học [6], [21], [24] Trong khi ñó, nhu cầu hội nhập và phát triển buộc ta phải nghĩ ñến việc ñồng hành cùng thế giới Hiện nay, nước ta bắt ñầu bước vào giai ñoạn phát triển khoa học và công nghệ vũ trụ Do vậy, việc nghiên cứu MT ở Việt Nam cần ñược ñẩy mạnh hơn nữa, bao gồm cả việc viết các sách giảng dạy về MT và nghiên cứu ở các lĩnh vực liên quan ñến MT Khi thực hiện luận án này tác giả ñã cố gắng làm những việc ñó

2 Nghiên cứu về tầng ñiện ly

Tầng ñiện ly là lớp khí quyển tầng cao ñược tạo thành bởi sự ion hóa không khí của bức xạ MT HĐMT làm bức xạ MT thay ñổi, do ñó trạng thái tầng ñiện ly phụ thuộc vào HĐMT Đặc tính của lớp F2 tầng ñiện ly ñã ñược nghiên cứu từ lâu Tuy nhiên, các nghiên cứu phần lớn ñược tiến hành với tầng ñiện ly vùng vĩ ñộ cao

và vĩ ñộ trung bình Đáng chú ý là nghiên cứu của Allen từ những năm 50 của thế

kỷ XX, ñưa ra công thức thực nghiệm về sự phụ thuộc của trạng thái các lớp của tầng ñiện ly, trong ñó có lớp F2 vào ñộ HĐMT, ñã ñược ñưa và nhiều sách giáo

khoa về tầng ñiện ly [47], [48], [75], [89], [96] Tuy nhiên, trạng thái tầng ñiện ly, thể hiện qua sự thay ñổi nồng ñộ ñiện ly trong phương trình liên tục, không chỉ phụ thuộc vào quá trình sinh plasma bởi bức xạ MT, mà còn phụ thuộc vào quá trình tái hợp và quá trình chuyển dịch ñiện ly dưới nhiều tác ñộng, như sự nâng ñiện ñộng, 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 bề mặt TĐ, các bức xạ hạt khó thâm nhập, sự ion hóa tạo nên tầng ñiện ly chủ yếu do bức xạ ñiện từ bước sóng ngắn, khác với vùng vĩ ñộ cao sự ion hóa có thể xảy ra dưới tác ñộng của bức xạ hạt Ngoài ra, ñiện trường ở vùng XĐTcũng rất ñặc biệt Điều này ñược Chapman (1951) giải thích là do có dòng ñiện chạy trong lớp E, trong khoảng 50 quanh xích

ñạo từ, ông ñặt tên nó là dòng (hay vòng) ñiện xích ñạo (Equatorial Electrojet – E.E) Thực ra dòng ñiện này ñã ñược thám sát từ sớm hơn (Mc Nish năm 1938,

Egedal năm1948) Do hiệu ứng Cowling (1948) ñộ dẫn ñiện ở ñây rất cao Lý thú là ñiện trường liên quan ñến E E hướng về phía ñông vào ban ngày, hướng về phía tây

vào ban ñêm Điện trường kết hợp với từ trường ñặc biệt ở ñây tạo nên chuyển dịch

E×B (E×B drift), nâng ñiện ly lên cao vào ban ngày và hạ xuống vào ban ñêm

Những công trình của Mitra (1946); Appleton (1946); lý thuyết Martyn (1947) dựa

trên chuyển dịch E× B chỉ ra hiệu ứng vòi phun (Fountain Effect) và dị thường xích

ñạo hay dị thường Appleton (Appleton Anomaly) Từ ñó người ta giải thích ñược các vấn ñề của tầng ñiện ly XĐT như vùng trũng (Trough) tại ngay XĐT và vùng ñỉnh (Crest) tại 150

– 200 vĩ ñộ từ (Bắc và Nam), tạo nên các vùng dị thường xích ñạo [47], [48], [96] Vấn ñề biến thiên ngày ñêm của LF2 TĐL XĐT cũng ñược giải

thích dựa vào hiệu ứng vòi phun và hiệu ứng vòi phun ngược (Reverse Fountain Effect) giữa hai vùng ñó [73], [77] Tiếp theo, có rất nhiều nghiên cứu về LF2 TĐL

XĐT dựa trên cơ chế ñiện ñộng lực của vùng này [31], [49], [62], [73], [76], [77], [81], [83]

Tuy nhiên, LF2 TĐL XĐT vẫn còn rất nhiều bí ẩn, ñặc biệt phản ứng của

nó trước tác ñộng của bão MT và bão từ Khi có bão MT, các bức xạ sinh plasma ñược tăng cường, làm tăng nồng ñộ ñiện ly ở các vùng phía ban ngày của TĐ, ñặc

biệt ở lớp D và cả lớp F Đó là tác ñộng trực tiếp của MT Nhưng mặt khác, bão MT

có thể gây tác ñộng dây chuyền ñến tầng ñiện ly theo cơ chế rất phức tạp Bão MT làm từ trường TĐ nhiễu loạn, gọi là bão từ Năm 1930 Chapman và Ferraro ñã ñưa

ra lý thuyết ñầu tiên về bão từ và giải thích các pha của bão từ Theo ñó, pha ñầu

(Initial phase) của bão từ bất ngờ (có SC) xảy ra khi các luồng hạt phóng ra từ các

vụ BNMT nén các ñường sức từ của từ trường TĐ tại ranh giới tương tác Dưới tác dụng của sự nén ñó từ trường tăng lên theo ñúng ñịnh luật của từ thủy ñộng lực học

Mãi ñến năm 1960 ñiều này mới ñược kiểm chứng Pha chính (Main phase) của bão

từ ñược giải thích là do tác dụng của các vòng ñiện (Ring current) chạy trong từ

quyển, mãi sau này nhờ các thiết bị vũ trụ sự tồn tại của chúng mới ñược chứng

minh(1967) Pha phục hồi (Recovery phase) liên quan tới sự khuyếch tán của các

hạt trong vòng ñiện ñó [23] Sau ñó vai trò của gió MT tác ñộng lên từ quyển, nén

ép và tạo ñuôi từ quyển mới ñược ghi nhận Áp lực gió MT ñóng vai trò quan trọng trong bão từ Gần ñây, vai trò của CME trong bão từ ñược chú ý Đám mây khí – từ của CME khi ñi qua môi trường liên hành tinh nó sẽ làm thay ñổi từ trường liên hành tinh và vận tốc gió MT Khi từ trường liên hành tinh hướng về nam

(Southward) nó sẽ kết nối với từ trường TĐ, gây nhiễu ñộng mạnh trong từ trường

TĐ, tạo nên bão từ [28] Ở vùng ñuôi từ quyển ( tức ở phía ban ñêm của TĐ) bão

MT gây ra những cơn Substorms (tạm dịch là hạ bão từ) ở vùng vĩ ñộ cao, gây nên hiện tượng cực quang (Aurora), làm khí quyển nóng lên cùng một loạt các quá trình

vật lý phức tạp, làm ảnh hưởng ñến tầng ñiện ly các vùng khác [47], [48], [96]

Bão từ, hệ quả của bão MT thường gây ra nhiễu loạn trong lớp F2, làm cho

nó trở nên bất ổn, hoặc tạo thành hình thái gọi là bão ñiện ly Mặc dù không có những liên quan trực tiếp nhưng bão ñiện ly cũng có các pha tương tự bão từ Pha

bắt ñầu hay pha dương (Positive phase), với sự tăng nồng ñộ ñiện ly (do ñó foF2 tăng), sau ñó là pha chính hay pha âm (Negative phase), nồng ñộ ñiện ly giảm và cuối cùng là pha phục hồi (Recovery phase), tầng ñiện ly trở lại trạng thái bình

thường Tuy nhiên, không phải lúc nào bão cũng xảy ra ñúng tuần tự như vậy, có khi bão ñiện ly chỉ có hiệu ứng dương hoặc hiệu ứng âm riêng rẽ mà thôi Hơn nữa,

khơng phải cứ xảy ra bão từ là cĩ bão điện ly đi kèm Phản ứng của tầng điện ly trước bão từ rất phức tạp, khơng lặp lại theo một cách cố định Chính vì vậy khĩ cĩ thể đốn trước được phản ứng của tầng điện ly trước các trận bão từ cụ thể

Sự giải thích bão điện ly cũng khơng hề đơn giản, vì rất nhiều quá trình vật

lý xảy ra trong thời gian đĩ với những cơ chế rất phức tạp Đã cĩ nhiều đề xuất cách

lý giải, trong đĩ kể đến vai trị của các quá trình tái hợp, quá trình chuyển dịch do giĩ trung hịa, do điện động lực, khuếch tán,…v.v Tuy nhiên, việc giải thích vẫn chưa thật sự thỏa đáng cho từng trường hợp bão điện ly, vốn xảy ra rất khác nhau cho từng vùng trên TĐ, mặc dù giống bão từ, bão điện ly mang tính tồn cầu Ở vùng vĩ độ cao bão từ xảy ra mạnh hơn vùng vĩ độ thấp Đặc biệt là vùng cực từ, nơi đường sức từ thẳng gĩc với mặt đất, các hạt tích điện chuyển động trong từ quyển

cĩ thể đến sát khí quyển, gây sự kiện mũ cực (Polar Cap Event), cực quang (Aurora) làm khí quyển nĩng lên, gây ảnh hưởng tới tầng điện ly vùng vĩ độ thấp

Cịn ở vùng vĩ độ thấp và vùng XĐT, bão từ xảy ra yếu hơn, phản ứng của tầng điện

ly khơng vì thế mà đơn giản hơn Ngồi bị ảnh hưởng bởi điện từ trường khu vực, tầng điện ly vùng XĐT trong thời gian bão MT và bão từ cĩ thể bị ảnh hưởng bởi các quá trình ở vĩ độ cao đã nĩi trên, với các cơ chế rất phức tạp, cần sự phối hợp nghiên cứu giữa các vùng và sử dụng các thiết bị hiện đại Các cơng trình của các nhà nghiên cứu tầng điện ly vùng XĐT đã cho thấy điều đĩ trong các khảo sát phản ứng của tầng điện ly trước bão từ trong từng trận bão điển hình Với tầng điện ly vùng XĐT ngồi việc giải thích dựa trên cơ chế chuyển dịch E×B và hiệu ứng vịi phun, gần đây, với các phương tiện nghiên cứu hiện đại cùng hệ thống trạm nghiên cứu rộng khắp thế giới, người ta đã tìm cách giải thích dựa trên cơ chế chuyển dịch qua lại giữa điện ly các vùng vĩ độ khác nhau và giữa các tầng khác nhau trong khí quyển tầng cao Trong đĩ khơng chỉ điện, từ trường đĩng vai trị chủ yếu mà giĩ trung hịa và các quá trình trong từ quyển, nhiệt quyển cũng đĩng vai trị rất quan trọng [27], [28], [34], [36], [45], [47], [48], [50], [52], [53], [54], [55], [58], [59], [60], [63], [64], [65], [67], [70], [74], [78], [79], [80], [84], [100]

Đồng thời, phản ứng của ñiện ly trước bão MT cũng rất khó lường Trong thời gian có bão MT, gây hậu quả bão từ, tầng ñiện ly trở nên bất ổn, thăng giáng gián ñoạn, có khi xảy ra bão ñiện ly Nhưng các quan sát cho thấy có khi bão ñiện ly xảy ra mà không có bão từ, bão MT Bão ñiện ly cũng có thể xảy ra khi nhóm VĐMT (hay vùng HĐMT) ñi vào kinh tuyến trung tâm MT [89], [98] BNMT và CME, là tác nhân gây bão từ ñột ngột trên TĐ, gọi chung là bão MT có thể không xuất hiện ñồng thời, không những chỉ xuất hiện khi MT hoạt ñộng mạnh mà còn thường xuất hiện sau cực ñại HĐMT, khi số VĐMT giảm Vì vậy, khảo sát ảnh hưởng của MT lên tầng ñiện ly trong giai ñoạn cuối chu kỳ HĐMT cần chú ý ñến ñiều này

Với những lý do trên việc nghiên cứu các nhiễu loạn ñiện ly, hay phản ứng của tầng ñiện ly trước các biến ñộng ñột ngột từ MT hiện ñang là vấn ñề nóng hổi, nhưng còn nhiều ñiều chưa thể giải thích thỏa ñáng Các nghiên cứu phần lớn mang tính mô tả nhiều hơn là ñưa ra các lý giải khẳng ñịnh Tuy nhiên, ñây là hướng nghiên cứu quan trọng trong vật lý về mối quan hệ MT-TĐ, nhằm tìm hiểu cơ chế tác ñộng của thời tiết vũ trụ lên khi quyển tầng cao, tiến tới dự báo, phòng tránh thiên tai cho TĐ Đây là ñiều ñược tác giả chú ý trong nghiên cứu của mình

3 Nghiên cứu tầng ñiện ly ở Việt Nam

Trên thế giới, việc nghiên cứu tầng ñiện ly vùng XĐT ñược tiến hành từ khá sớm với sự có mặt của các trạm ñiện ly khu vực XĐT như: Trivandrum (1841); Kodaikanal (1902); Thumba (1957) của Ấn Độ; Huancayo (1922); Jicamarca (1938) của Peru; Ibanda (1951) của Nigeria Ngày nay, các trạm ñiện ly XĐT có mặt ở khắp nơi, trong ñó có cả vùng Đông Nam Á Việt Nam do hoàn cảnh chiến tranh, việc nghiên cứu khoa học gặp nhiều khó khăn Đã có những nghiên cứu dựa trên số liệu về ñiện ly quan trắc tại Nha trang và tại Trạm ñịa từ Phú Thụy (Hà Nội), với các so sánh cho thấy tầng ñiện ly hai vùng này có những ñiểm khác biệt khá rõ: lớp F2 tại Nha Trang, gần XĐT hơn, nên biến thiên ngày ñêm có hai cực ñại rõ rệt

và có vết lõm giữa trưa, trong khi lớp F2 tại Hà Nội, thuộc vùng ñỉnh dị thường, lại chỉ có một cực ñại, hoàn toàn ñúng với lý thuyết [8], [9], [17] Các nghiên cứu về

phản ứng của tầng ñiện ly trước bão từ cũng ñược tiến hành với một số trận bão từ

cụ thể ở Hà Nội tiếp theo sau ñó [18], [19], [63]

Tại TP HCM, thuộc vùng XĐT, năm 1997 Đài quan trắc khí quyển Hóc Môn (106,340 E, 10,510N, 2,90 N dip Lat) ñược thành lập 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, trong ñó có F2 trong 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 [10] Sau ñó, trong năm 2003, trước những cơn bão MT lớn xảy ra trong các tháng 8, 10, 11, gây bão từ mạnh trên TĐ, một loạt các khảo sát phản ứng ñiện ly trước bão từ ñã ñược tiến hành, trong ñó chỉ ra những nét tiêu biểu của phản ứng ñiện ly trong các cơn bão từ lớn này Đó là sự ñáp ứng tức thời của tầng ñiện ly trước bão từ, bão ñiện ly ñi song hành với bão từ, vào ban ngày foF2 tăng cao rất nhiều so với ñiều kiện yên tĩnh, vào giữa ñêm foF2 giảm, ñi kèm với sự tăng ñột ngột của ñộ cao h’F2 [11], [12], [52] Sau ñó, một khảo sát mang tính quốc tế ñược tiến hành, so sánh theo kinh ñộ giữa tầng ñiện ly miền nam Việt Nam với Nhật Bản và Brasil trong thời gian có bão từ của năm 2003, từ ñó chỉ ra sự khác nhau theo kinh ñộ so với diễn tiến của bão từ [79] Tháng 11/2004, trước những cơn bão từ mạnh gây ra bởi bão MT, nghiên cứu quốc tế ñược tiến hành, so sánh phản ứng ñiện ly giữa các nước Việt Nam, Nhật,

Mỹ Latinh, thuộc XĐT, nhưng có kinh ñộ khác nhau, phối hợp số liệu của các trạm ñiện ly và số liệu khảo sát bằng GPS Nghiên cứu cho thấy sự khác biệt trong phản ứng của ñiện ly các vùng, trong khi ở Nhật ghi nhận có biến ñộng ñiện ly thì ở TP HCM lại yên tĩnh, không có Spread F [14], [80] Tiếp theo là một loạt các nghiên cứu khác về các ñặc tính kỹ thuật của tầng ñiện ly tại TP HCM [14], [15] Các nghiên cứu về tầng ñiện ly ở miền Nam Việt Nam ñã thu ñược nhiều kết quả, có khả năng ứng dụng cao Mặc dù vậy, tính chất của LF2 TĐL XĐT, cũng như của tầng ñiện ly nói chung, rất phức tạp, mang tính ñặc thù khu vực cao, cần phải ñược nghiên cứu thường xuyên, với những góc ñộ khác nhau Nghiên cứu của luận án là

sự tiếp tục của việc nghiên cứu về lớp F2 tầng ñiện ly tại TP HCM, nhằm làm phong phú thêm kiến thức về tầng ñiện ly ở khu vực này

4 Những vấn ñề luận án cần giải quyết

Nghiên cứu tầng ñiện ly trong mối quan hệ MT- TĐ chẳng những là nghiên cứu mang tính lâu dài, thường xuyên (do tính kéo dài của chu kỳ HĐMT và do nghiên cứu thống kê cần tập hợp nhiều số liệu) của toàn thế giới, mà còn là một trong những ñịnh hướng nghiên cứu khoa học quan trọng của ngành Địa vật lý Việt Nam trong thời gian tới [22]

Đối với tầng ñiện ly quan trắc tại TP HCM, thuộc miền Nam Việt Nam, việc nghiên cứu mới bắt ñầu, do ñó việc tiếp tục nghiên cứu là rất cần thiết Trong luận án của mình, tác giả khảo sát 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 Với mục ñích tiếp tục làm rõ ảnh hưởng của HĐMT ñến trạng thái của ñiện ly khu vực

này tác giả tiến hành 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 LF2 TĐL XĐT Sau ñó, tác giả tìm kiếm mối quan hệ giữa HĐMT và trạng thái LF2 TĐL XĐT, thông qua việc áp dụng công thức Allen cho số liệu tầng

ñiện ly TP HCM trong vài năm, qua ñó khẳng ñịnh tác ñộng của HĐMT lên trạng

thái tầng ñiện ly khu vực này Đặc biệt, với chú ý ñây là giai ñoạn cuối chu kỳ HĐMT, những diễn biến của HĐMT phức tạp, khó lường hơn các giai ñoạn trước, tác giả 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 Khác với các khảo sát về

nhiễu loạn ñiện ly vùng này trước ñây (thường khảo sát tác ñộng của những trận bão

từ gây ra bởi những trận bão MT ñơn lẻ lên tầng ñiện ly), trong luận án tác giả chú ý nhiều ñến sự thay ñổi vị trí của vùng HĐMT trên ñĩa MT, nhằm khẳng ñịnh vị trí xuất phát của các BNMT, CME có vai trò nhất ñịnh trong tác ñộng của bão MT 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 ñó, khác với việc khảo sát biến ñộng ñiện ly ở Việt Nam trước ñó, thường không gắn bó với việc quan trắc MT trực tiếp

Nghiên cứu mối quan hệ MT-TĐ nói chung và ảnh hưởng của MT lên trạng thái của LF2 TĐL XĐT nói riêng là vấn ñề rất rộng lớn, phức tạp Với thời gian có hạn, tác giả hy vọng luận án ñạt ñược mục ñích ñã ñề ra

Sau ñây, tác giả trình bày kỹ hơn về các vấn ñề liên quan ñến ñề tài nghiên cứu về mặt lý thuyết trong các chương 2 và 3 tiếp theo

Chương 2 - MẶT TRỜI: NGUỒN PHÁT NĂNG LƯỢNG VÀ BỨC XẠ -

- Độ nghiêng giữa mặt phẳng xích ñạo MT với

Hoàng ñạo:

- Chu kỳ quay trung bình:

- Thành phần: MT cấu tạo hoàn toàn từ chất khí,

75% là Hydro; 23% là Heli, 2% là các khí khác

1,99.1030 kg 6,95.105 km 149,6.106 km

m = - 26,7

M = 4,8

L = 3,8.1026 W G2V

2.2 Cấu trúc của Mặt trời

Theo mô hình chuẩn (Standard Solar Model) MT ñược chia làm 2 phần: phần bên trong (Solar Interior) và phần khí quyển (Solar Atmosphere) Việc phân

chia là ñể tiện nghiên cứu, vì thực tế MT cấu tạo hoàn toàn là từ chất khí Trong các phần lại ñược chia thành các vùng như sau:

- Vùng trực xạ (Radiative zone): Vùng truyền bức xạ bằng con ñường

thẳng góc, xuyên tâm

- Vùng ñối lưu (Convective zone): Vùng truyền bức xạ bằng ñối lưu

Ngày nay người ta cho rằng giữa vùng trực xạ và vùng ñối lưu có một lớp mỏng (chỉ bằng 2% bán kính MT), tại ñây hình thái quay của MT thay ñổi ñáng kể, gọi là lớp quay chuyển tiếp

trưng của nó như sợi lửa (Filaments), tai lửa (Prominences), mạng lưới sắc cầu (Network) tạo thành từ những trường sáng (Plages) Cấu tạo Sắc cầu không ñồng nhất, với các phần gọi là ống khí (Spicules), có ñường kính vài trăm km, thời gian

sống cỡ 5 - 15 phút Sắc cầu ñược biết ñến từ thế kỷ thứ 17 khi người ta quan sát nhật thực và phát hiện ra nguyên tố Heli Trong vùng Sắc cầu, gần các VĐMT

Hình 2.1 : Mô hình cấu trúc Mặt Trời [99]

thường xuất hiện các vụ bùng nổ với ñộ sáng tăng vọt, phóng ra nhiều loại bức xạ

gây ảnh hưởng ñến TĐ, trước kia thường gọi là bùng nổ Sắc cầu (Chromospheric flare)

- Vùng trung chuyển (Transition Region)

Là lớp chuyển tiếp giữa vùng nhiệt ñộ cỡ hàng ngàn ñộ Kelvin của sắc cầu lên cỡ hàng triệu ñộ của Nhật hoa Lớp này rất mỏng và có lẽ không phải là một lớp

vỏ bao bọc quanh Quang cầu mà gồm những ống khí (Spicules) dựng ñứng từ

Quang cầu qua Sắc cầu ñến Nhật hoa

- Nhật hoa (Corona)

Là lớp khí quyển ngoài cùng của MT, ñược nhìn thấy khi xảy ra Nhật thực toàn phần, có dạng như một chiếc vương miện trắng xung quanh MT, lan tỏa cả triệu km trên Quang cầu, thay ñổi tùy theo mức ñộ HĐMT Nhật hoa có mật ñộ vật chất rất thấp, chỉ bằng 10-6 mật ñộ Quang cầu Phổ bức xạ từ Nhật hoa có những vạch phát ra từ những nguyên tố nặng bị ion hóa cao, chứng tỏ Nhật hoa có nhiệt ñộ rất cao, thực tế là cỡ 2.106 K (ñây là một ñiều vô cùng khó hiểu mà thiên văn hiện ñại chưa giải thích ñược) Do nhiệt ñộ cao, vật chất va chạm vào nhau mạnh nên vành Nhật hoa phát ra tia X mang năng lượng lớn Nhật hoa cũng là nguồn sóng vô tuyến ñược tạo bởi chuyển ñộng hỗn loạn của các e- tự do Sóng vô tuyến trải khá dài, từ vài xentimét ñến cả mét Nét ñặc trưng của Nhật hoa là các vòng Nhật hoa

(Coronal Loops); hốc Nhật hoa (Coronal Holes); sự phóng vật chất Nhật hoa (Coronal Mass Ejection, gọi tắt là CME) Các ñặc trưng ñó liên quan chặt chẽ ñến

HĐMT mà ta sẽ xét sau

- Gió MT (Solar Wind)

Có thể coi phần này thuộc Nhật hoa, vì nó chính là sự lan tỏa của vành Nhật hoa ra ngoài Vũ trụ Thành phần của gió MT chủ yếu là hydro ñã bị ion hóa bởi nhiệt ñộ cao của Nhật hoa (gồm proton và e-), tức vật chất ở dạng plasma với mật

ñộ dao ñộng phụ thuộc vào HĐMT Gió MT thổi liên tục và phát ra theo hướng xuyên tâm, nhưng do MT quay nên nó tạo thành ñường xoắn ốc Ở khoảng cách bằng 3 lần bán kính MT, gió có vận tốc cỡ 400 km/s, nhưng khi có bão MT nó có

thể ñạt tới hơn 900 km/s Từ trường TĐ chịu ảnh hưởng thường xuyên của gió MT, ñặc biệt bão MT với gió MT mạnh có thể gây ra bão từ và bão ñiện ly trong khí quyển tầng cao của TĐ

2.3 Sự tự quay của Mặt trời

Nhìn chung, MT quay quanh trục có góc nghiêng với mặt phẳng Hoàng ñạo gần

82045' Tuy vậy, MT không phải vật thể rắn nên các lớp MT quay với vận tốc khác nhau Trên bề mặt MT, tại xích ñạo, chu kỳ quay là ngắn nhất, cỡ 25 ngày Còn tại vùng cực là 36 ngày Trung bình chu kỳ quay của bề mặt MT là 27 ngày Ta có công thức thực nghiệm cho vận tốc quay (Ω) theo vĩ ñộ MT (Φ) như sau [29]:

Ω = 14,38 - 2,96.sin2Φ [ñộ/ngày] (2.1) Chu kỳ tự quay (T) xác ñịnh theo công thức:

T = 26,9 + 5,4.sin2Φ [ngày] (2.2) Ngày nay, bằng phương pháp Nhật chấn học phân tích số liệu từ các vệ tinh người ta nhận thấy bên trong MT, ngay dưới vùng ñối lưu, có lớp quay chuyển tiếp

(Tachocline) dưới lớp này MT quay như một vật rắn với chu kỳ thống nhất là 27

ngày Lớp quay chuyển tiếp, nơi hình thái quay thay ñổi, ñóng vai trò quan trọng trong việc giải thích HĐMT Đó nơi xảy ra quá trình MT chuyển cơ năng thành

năng lượng từ (Solar Dynamo)

2.4 Nguồn gốc của năng lượng và bức xạ Mặt trời

MT ñang là một ngôi sao ổn ñịnh Bên trong MT phải thỏa mãn ñiều kiện

cân bằng thủy tĩnh (Hydrostatic Equilibrium):

r2

)()(GMdr

(2.3)Với: P: Áp suất khí; r: Bán kính lớp khí ñược xét; G: Hằng số hấp dẫn; M(r): Khối lượng khối khí ñược xét; ρ(r): Mật ñộ khí ứng với bán kính r

Giải phương trình trên cho thấy nhiệt ñộ tại tâm MT rất cao, cỡ 1,5.107 K Nhiệt ñộ này ñủ ñể các hạt nhân Hydro (là hạt proton mang ñiện tích dương) thắng lực ñẩy Coulomb, tiến sát vào nhau và tổng hợp lại thành hạt nhân nặng hơn, tỏa ra

năng lượng Đó chính là phản ứng tổng hợp nhiệt hạt nhân, xảy ra trong vùng từ tâm MT ñến khoảng cách cỡ 0,3 lần bán kính MT

Các phản ứng tổng hợp hạt nhân trên MT ñược Bethe ñề xuất năm 1938 gọi

là chu trình proton - proton (p-p chain)

Chu trình trên có thể tóm tắt như sau:

4 H He 2e 2 e 2 Q

4 2 1

(2.4)Năng lượng Q theo tính toán:

Q = 26,7 MeV = 4,3.10-12 J (2.5) (Một số sách còn gọi ñây là chu trình Critchfield)

Đồng thời, cũng trong năm ñó Weizsäcker ñề xuất một chu trình khác, với

Carbon làm xúc tác, ñược gọi là chu trình Carbon-Nitrogen-Oxygen (CNO Cycle):

γ+

→

7 12 6 1

6 13

7 1 1 13

γ+

→

8 1 1 14

15 e

7 5

14

2 12 6 1 1 15

7N + H → C + He (2.6)Chu trình này cũng có thể tóm tắt như sau:

4 H He 2e 2 e 3 Q

4 2 1

(2.7)(Trong ñó Q ≈ 25 MeV)

Cả hai cách thức tổng hợp hạt nhân trên ñều có trên tất cả các sao, nhưng với MT chu trình p-p chiếm ưu thế hơn, cung cấp ñến 99% năng lượng MT Thực

tế, tại tâm MT diễn ra cả hai cách thức, nhưng ra ñến khoảng cách cỡ 0,2 ñến 0,3 lần bán kính MT, chu trình CNO chấm dứt

Phản ứng hạt nhân ñã tạo ra năng lượng khổng lồ cho MT Nếu MT sử dụng 70% Hydro làm nguyên liệu cho phản ứng và mỗi giây MT ñốt hết 650 triệu tấn

Hydro, tổng công suất bức xạ là 3,8.1026 W thì MT còn tồn tại khoảng 4,5 tỷ năm nữa Sau ñó phản ứng tổng hợp này chấm dứt, MT chuyển sang giai ñoạn khác

Như vậy, ở thế kỷ 20 khoa học ñã cơ bản giải thích ñược cơ chế sinh năng lượng của MT Nguồn gốc của năng lượng và bức xạ MT là phản ứng nhiệt hạch trong lòng MT Khác với quan niệm MT trước kia (MT cấu tạo từ khí lý tưởng, trung hòa, không mang ñiện) với phản ứng tổng hợp hạt nhân như vậy MT là một khối plasma, gồm các hạt mang ñiện ở nhiệt ñộ cao Theo các ñịnh luật ñiện từ thì hạt mang ñiện chuyển ñộng có gia tốc sẽ sinh ra từ trường, từ trường lại sinh ra ñiện trường Vậy, nguồn gốc của những hoạt ñộng ñiện từ của MT chính là do phản ứng tổng hợp hạt nhân và sự chuyển ñộng của các vật chất trong lòng nó Trong phản ứng ñó ñã phát sinh các bức xạ, trải qua hàng triệu năm chúng mới ra ñến bề mặt

MT Khi ñó, chúng là các bức xạ với các bước sóng khác nhau, thuộc tất cả các vùng của thang sóng ñiện từ, tạo nên ánh sáng trắng cho Quang quyển MT

2.5. Hoạt ñộng Mặt trời (Solar Activity)

Nhìn chung, MT là một ngôi sao ổn ñịnh, cấp sao không thay ñổi hay không có biến ñộng trong việc phát sáng Tuy nhiên MT vẫn có những hoạt ñộng nội tại làm thay ñổi tính chất bức xạ của nó HĐMT chính là sự thay ñổi trong bức

xạ MT vì những nguyên nhân ñó Trước kia người ta biết ñến HĐMT qua các VĐMT và chưa giải thích ñược nguyên nhân của HĐMT Lần lượt, người ta tìm thấy các dạng hoạt ñộng khác trong các lớp của khí quyển MT, như VĐMT trên Quang quyển, trường sáng, tai lửa, bùng nổ trong Sắc cầu, người ta tưởng các hoạt ñộng này là riêng biệt Ngày nay người ta nhận thấy các hoạt ñộng này có liên quan tới nhau, chúng chỉ khác nhau ở chỗ ñược quan sát thấy tại những lớp khác nhau

của khí quyển MT Chúng tập hợp lại thành những vùng hoạt ñộng (Active Region),

sự tiến triển của chúng có liên quan tới nhau

Nguyên nhân của sự xuất hiện các dạng HĐMT chính là những biến ñổi về ñiện từ trên MT Lò phản ứng hạt nhân tại tâm MT là một khối plasma chuyển ñộng phức tạp Những chuyển ñộng này sinh ra từ trường, từ trường ñến lượt nó lại tác ñộng lên chuyển ñộng của dòng hạt mang ñiện - plasma Trong quan hệ giữa plasma

và từ trường, người ta khó tách biệt rạch ròi cái nào là nguyên nhân cái nào là kết quả Chỉ biết chúng làm xuất hiện những hiện tượng như VĐMT, trường sáng, tai lửa, BNMT, CME , là các dạng HĐMT Các hiện tượng ñó xảy ra trong các lớp khác nhau của MT và tác ñộng lên nhau, cái này có thể là kết quả của cái kia, kết cục là chúng gây ra những bất thường trong bức xạ MT, tạo nên sự thay ñổi "thời tiết" của MT, ảnh hưởng trực tiếp ñến TĐ Tần suất và sự xuất hiện các dạng hoạt ñộng ñó biến ñổi một cách có chu kỳ, chúng ta chưa hoàn toàn hiểu rõ về chúng ñể

có thể dự báo một cách chính xác Các dạng HĐMT ñược thống kê trong bảng 2.1

- Phần vật chất của Sắc cầu trong Nhật hoa biểu diễn sự chuyển ñộng có liên quan ñến từ trường

- Phần bùng sáng trong trường sáng khi chụp bằng vạch Hαvà Ca II

- Bùng phát bức xạ vô tuyến từ các enhanh bị bẫy ở lớp trên Nhật hoa

Tia vũ trụ và gia tăng gió MT

- Sự phụt ra bất thình lình cỡ hàng tỷ tấn vật chất từ Nhật hoa với vận tốc cỡ hàng trăm km/s

Đường kính VĐMT cỡ từ vài trăm km

ñến vài chục ngàn km Thời gian sống của nó

phụ thuộc vào kích thước Một nửa sống dưới 2

ngày, chỉ có hơn 10% sống trên 11 ngày Một

số rất ít tồn tại trên 2 tháng Với thời gian ñó nó

di chuyển ngang qua bề mặt MT, biến mất ở

phía sau MT rồi tái xuất hiện ở bờ bên kia của

ñĩa MT sau 2 tuần Nhờ vậy mà người ta biết

MT tự quay Ảnh vị trí vết ñen trên

ñĩa MT ñược ñịnh vị theo hệ tọa ñộ Carrington, có tính ñến sự quay của MT và TĐ

Từ trường ở VĐMT

VĐMT tối hơn bề mặt Quang cầu do

nhiệt ñộ trong nó thấp hơn Điều này chỉ giải

thích ñược qua hiệu ứng Zeemann, người ta biết

dây (Solenoid) Các ống khí có chiều dài cỡ

3.104 km tương ñương với dòng ñiện cỡ 4.1012A Theo các ñịnh luật ñiện từ, trong lòng ống dây sẽ có một từ trường ñồng nhất với cường ñộ rất lớn, B = 0,15 T Một

Hình 2.2 Vết ñen Mặt trời (internet)

Hình 2.3 Mô hình VĐMT [21]

VĐMT muốn tồn tại trên Quang cầu thì áp suất bên trong và bên ngoài VĐMT phải cân bằng nhau Áp suất bên ngoài là áp suất nhiệt ñộng Còn áp suất bên trong có cả

áp suất nhiệt ñộng lẫn áp suất từ Do ñó áp suất nhiệt ñộng bên trong thấp hơn bên ngoài, ứng với nhiệt ñộ trong VĐMT thấp hơn nhiệt ñộ Quang cầu Một VĐMT chẳng những là một nam châm rất mạnh mà còn là một nam châm siêu dẫn mang lại những cơ chế dẫn nhiệt mới cho các lớp khí quyển MT Ngoài ra, lực từ trong VĐMTcòn thắng lực hấp dẫn, nâng khí trên VĐMT lên cao, tạo ra các tai lửa MT

(Prominences), các vòng Nhật hoa (Coronal Loops) và gió MT

VĐMT thường xuất hiện thành từng nhóm Ở nhiều nhóm, những vết có sự phân cực giống nhau (và giống với từ cực chính của MT ở bán cầu mà chúng xuất

hiện) thường gom thành phần dẫn trước (Proceeding), còn những vết có sự phân cực ngược lại thì gom thành phần kéo theo sau (Following) Đường nối phần dẫn

trước và phần kéo theo của nhóm nghiêng so với phương Đông - Tây (ñịnh luật

Joy), góc nghiêng tăng theo khoảng cách ñến xích ñạo Kiểu nhóm như vậy ñược

gọi là VĐMT lưỡng cực (Bipolar Sunspost Group) Có ñến 90% số VĐMT xuất

hiện theo kiểu này Những nhóm phức tạp với nhiều vết nhỏ và không có phân bố rõ ràng về từ trường chỉ chiếm 0,5% Tuy nhiên nhóm này lại gây tác ñộng không nhỏ ñối với TĐ, do khả năng gây ra BNMT ở loại nhóm này tăng theo ñộ phức tạp của nhóm

Số liệu VĐMT

Mức ñộ HĐMT thể hiện qua số VĐMT quan sát ñược Do VĐMT xuất hiện thành từng nhóm, trong ñó có nhiều vết nhỏ khó mà ñếm một cách chính xác nên

vào năm 1848 J.R.Wolf ở Đài thiên văn Zurich - Thụy Sĩ, ñã ñề nghị các tính số

VĐMT (Sunspost Number) bằng tổng số VĐMT riêng biệt quan sát ñược, cộng với

10 lần số nhóm VĐMT, vì mỗi nhóm trung bình có khoảng 10 vết Tuy nhiên, số này chỉ mang tính tương ñối, do phụ thuộc vào quan sát viên và ñiều kiện quan sát

Số VĐMT tính theo công thức Wolf còn ñược gọi là số Wolf (W), hay số Zurich

(RZ), là kết quả thu ñược tại ñài quan sát Zurich:

RZ =k(10g+f) (2.8)

Số VĐMT hàng tháng, hàng năm là trung bình của số VĐMT hàng ngày

Nĩ cĩ thể là số thập phân Số Zurich này đã được thu thập hàng ngày từ năm 1948 Wolf đã mở rộng dữ liệu trở ngược đến năm 1749

Đến năm 1981 số Zurich được nối tiếp bằng số VĐMT quốc tế Ri

(International Sunspot Number) Số này do trung tâm dữ liệu VĐMT ở Bỉ cung cấp (Sunspot Index Data Center - SIDC), dựa trên số liệu thu thập từ hơn 25 trạm quan

sát trên nhiều nước Ngày nay số trạm trên tồn thế giới mở rộng đến hàng trăm trạm Số Ri được cơng bố trên website http://sidc.oma.be

Để mở rộng bộ số liệu VĐMT, kể từ thời Galileo, gần đây Hougt và Schatten đã đưa ra cách tính:

i i

N

1 R

(2.9)Trong đĩ: RG: số VĐMT tính theo nhĩm; N: số người quan sát; gi: số nhĩm VĐMT mà người thứ i quan sát được; ki: số hiệu chỉnh cho quan sát viên thứ i

Cách này tạo nên bộ dữ liệu đầy đủ hơn về số VĐMT Thời gian gần đây,

bộ dữ liệu này được sử dụng để tiên đốn HĐMT trong các chu kỳ sắp tới

Ngồi ra, hiện nay người ta cịn sử dụng số VĐMT Boulder do hiệp hội NOAA của SEC tại Boulder, Colorado, Hoa Kỳ tính tốn Trong luận án này ta sẽ

sử dụng thuật ngữ số VĐMT để chỉ các số liệu về số VĐMT được các tổ chức

nghiên cứu về MT cung cấp trên mạng Tuy nhiên, do mỗi nơi cĩ cách hiệu chỉnh,

lấy trung bình và làm trơn (Smooth) khác nhau, tạo nên số liệu SSN (Smoothed Sunspot Number) khác nhau Trong các tài liệu quốc tế hay sử dụng thơng số này

cho các tháng trong năm Vì vậy, khi lấy số liệu VĐMT ñể nghiên cứu ta phải tìm hiểu kỹ

Ngày nay, ñể ñánh giá HĐMT, ngoài chỉ số VĐMT, người ta còn sử dụng các thông số khác, ví dụ như thông lượng bức xạ 10,7 cm (sóng vô tuyến của MT)

Mặc dù vậy, cho ñến nay số liệu VĐMT mà con người thu thập ñược mới chỉ trong vòng hơn 250 năm (từ năm 1755), tương ứng với 23 chu kỳ HĐMT Quả

là con số thống kê quá ít ỏi so với tuổi ñời 5 tỷ năm của MT ñể có thể có kết luận chính xác về HĐMT!

2.6.2. Bùng nổ Mặt trời (Solar Flare)

Hoạt ñộng mãnh liệt của MT ở khu vực gần VĐMT làm bề mặt MT bùng sáng lên gọi là BNMT Nó có thể xảy ra ở Sắc cầu và cả ở Nhật hoa, gây ảnh hưởng ñáng kể ñến TĐ BNMT kéo dài từ

vài giây ñến vài giờ Nhiệt ñộ trong

BNMT có thể ñạt tới 2.107 K, tức

nóng hơn cả Nhật hoa, ñồng thời

giải phóng ra một lượng lớn các bức

xạ ñiện từ (tia γ, tia X) và các bức

xạ hạt (p, e-) năng lượng cao, tổng

năng lượng của chúng tương ñương

với hàng ngàn tấn thuốc nổ TNT

Các vụ BNMT có năng

lượng rất khác nhau Người ta có

thể chia chúng thành các loại sau (dựa vào năng lượng trong vùng bước sóng từ 1 - 8Å ), xem bảng 2.2 Theo ñó, mỗi loại chia làm 10 cấp nên cấp 10 của loại thấp tương ñương với cấp 1 của loại liền trên (ví dụ M10 = X1) Loại X có cả X trên 10 Loại X là loại mạnh nhất, nó có thể làm hư hỏng hệ thống lưới ñiện, gián ñoạn 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 v.v Loại M

Hình 2.4 Mô hình BNMT [48]

là loại trung bình, thường ảnh hưởng ñến thông tin liên lạc, thỉnh thoảng cũng tạo ra bão từ, bão ñiện ly Loại C và B là yếu, gây ảnh hưởng không ñáng kể

Trong ñó N: số lần BNMT trong 1 chu kỳ quay của MT (27 ngày);

R: số VĐMT trong 1 chu kỳ quay; α: hằng số, có giá trị từ 1,5 - 2

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

CME là hiện tượng hàng tỷ tấn plasma ñột ngột phóng ra từ MT, mang theo các ñường sức từ trong Nhật hoa Hiện tượng này ñược các tàu vũ trụ ghi nhận từ năm 1971 Trong CME, plasma và từ trường gắn chặt vào nhau như một ñám mây

từ (Magnetic Cloud), có kích thước lớn hơn các hành tinh trong hệ MT, chúng thoát

khỏi MT theo phương xuyên tâm với vận tốc từ 500 - 1000 km/s Một số hướng về

TĐ và ñến TĐ sau từ 1 ñến 3 - 4 ngày Khi ñến TĐ nó sẽ tạo ra những sóng xung kích nén các ñường sức từ của từ trường TĐ, tác ñộng ñến từ quyển và tạo ra những thăng giáng của từ trường TĐ, gọi là bão từ CME và BNMT có liên quan chặt chẽ ñến nhau, thường BNMT ñi kèm với CME, nhưng ñôi khi CME xảy ra mà không có BNMT và diễn biến thường phức tạp hơn 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 Vị trí xuất phát của các CME cũng ảnh hưởng của nó ñến TĐ Nếu xuất phát từ vị trí trung tâm MT nó có thể gây tai họa khốc liệt cho TĐ

2.7. Chu kỳ Mặt trời (Solar Cycle)

2.7.1 Tính chu kỳ của hoạt động Mặt trời

Ngay từ năm 1849, Schwabe khi nghiên cứu số Wolf qua nhiều năm đã nhận thấy tính quy luật của MT Đĩ là: số này tăng giảm theo qui luật lặp lại sau 11 năm Chu kỳ đĩ gọi là chu kỳ MT, hay chu kỳ hoạt động MT Đầu chu kỳ ứng với

số Wolf cực tiểu, sau đĩ nĩ tăng dần và đạt cực đại, ở giữa chu kỳ, tiếp tới nĩ giảm dần, đạt cực tiểu ở cuối chu kỳ Sau đĩ lặp lại như vậy, tạo thành chu kỳ nối tiếp Tính chu kỳ cho phép ta hy vọng về việc dự đốn HĐMT

Bản chất của chu kỳ MT chưa được biết rõ lắm Thực ra, năm 1978 Herman

và Goldberg cĩ đề xuất 1 số chu kỳ khác như chu kỳ 100 năm, 180 năm, tuy nhiên chu kỳ 11 năm vẫn phổ biến hơn Dưới đây là hình ảnh một số chu kỳ

Số liệu đầy đủ về VĐMT đã cĩ từ năm 1749, tuy nhiên chu kỳ đầu tiên được tính từ tháng 2 năm 1755 Chu kỳ từ 2/1755 đến 4/1766 được gọi là chu kỳ thứ nhất, tính đến nay đã trải qua 23 chu kỳ, hiện đang vào chu kỳ thứ 24 (năm 2009)

Gần đây, giáo sư S K Solanki cĩ tiến hành xây dựng bộ số liệu VĐMT dựa trên phân tích đồng vị phĩng xạ C14 trong thân cây Kết quả cho thấy tính chu

kỳ thể hiện rất rõ, ngoại trừ thời gian gần đây cĩ sự ảnh hưởng của việc tăng độ phĩng xạ do vũ khí hạt nhân Việc tái lập này cho phép mở rộng nghiên cứu VĐMT

Hình 2 5 Chu kỳ MT từ năm 1700 đến năm 2000 [99]

Được Sporer phát hiện

cùng thời với Wolf, sau này (1922)

ñược Maunder minh họa dưới tên

gọi giản ñồ bướm (Butterfly - Diagram) Giản ñồ thể hiện sự "trôi" của vĩ ñộ xuất

hiện VĐMT về phía xích ñạo: Vào ñầu chu kỳ, VĐ thường xuất hiện ở vĩ ñộ 30oBắc hay Nam của ñĩa MT Tại cực ñại của chu kỳ chúng ở vào vĩ ñộ 15o Bắc hoặc Nam của ñĩa MT Sau ñó ñến cuối chu kỳ chúng thường xuất hiện gần xích ñạo MT Chu kỳ tiếp theo lặp lại như vậy

- Định luật Hale - Nicholson

Năm 1912, G.E Hale phát hiện ra qui

luật về sự phân cực các nhóm VĐ Những vết

dẫn trước trong nhóm VĐ lưỡng cực ở Bắc bán

cầu có sự phân cực giống nhau, nhưng trái dấu

với những vết dẫn trước ở Nam bán cầu Sự

phân cực này ñảo lại sau mỗi chu kỳ 11 năm

Tức phải mất hai chu kỳ hay 22 năm thì sự phân cực các nhóm mới lặp lại (ñịnh luật này gắn với ñịnh luật Joy nói ở mục 2.3.1.1) Chu kỳ 22 năm phản ánh hoạt ñộng từ

của MT nên còn ñược gọi là chu kỳ hoạt ñộng từ MT (The Solar Magnetic Cycle)

Ngoài sự ñảo cực của nhóm VĐMT có thể nhận thấy sự ñảo cực từ trường Bắc - Nam của MT, xảy ra khi chu kỳ ñạt cực ñại Hiện chưa có lời giải thích thỏa ñáng cho vấn ñề này, chúng có liên quan ñến từ trường MT Ta sẽ xét một số mô hình giải thích ở phần sau

Hình 2.6 Giản ñồ bướm [99]

Hình 2.7 Định luật Hale - Nicholsol [21]

- Hiệu ứng Waldmeier (Waldmeier Effect):

Các chu kỳ HĐMT có

thể khác nhau về cường ñộ, thời

gian kéo dài và hình dạng Chúng

có thể không ñối xứng qua cực

ñại Chu kỳ có hoạt ñộng mạnh

(có cực ñại lớn) sẽ mau ñạt ñến

cực ñại hơn (cực ñại lệch về phía

ñầu chu kỳ) thời gian chu kỳ

cũng ngắn hơn Những chu kỳ

hoạt ñộng yếu thì ñạt cực ñại trễ hơn Tính chất này ñược gọi là hiệu ứng Waldmeier, ñược miêu tả qua hình 2.8

- Định luật Joy (xem 2.6.1)

- Cực tiểu Maunder (The Maunder Minimum)

Căn cứ vào số liệu lịch sử người ta thiết lập chu kỳ HĐMT trong thế kỷ 17

và nhận thấy giai ñoạn từ 1645 ñến 1715 hầu như không có VĐMT Nhà thiên văn Anh E.W Maunder là người phát hiện ra nên giai ñoạn này ñược gọi là cực tiểu Maunder Đó là giai ñoạn trùng với thời kỳ TĐ trở nên lạnh lẽo, băng giá Điều này cho thấy rằng giữa HĐMT và khí hậu TĐ có mối liên hệ chặt chẽ Do vậy, ngày nay

có rất nhiều ngành học cần ñược nghiên cứu trong mối quan hệ với HĐMT

Trước kia HĐMT ñược coi là chỉ gắn liền với VĐMT, vì vậy chu kỳ HĐMT còn ñược gọi là chu kỳ VĐMT Ngày nay, mối liên quan giữa các dạng HĐMT ñã ñược biết rõ và chúng cũng thể hiện qui luật chu kỳ Thường có nhiều vụ BNMT và CME xảy ra vào vào thời kỳ MT hoạt ñộng mạnh Nhưng ở cuối chu kỳ, khi HĐMT suy yếu, lại có nhiều BNMT, CME dữ dội, gây tình trạng tồi tệ cho TĐ hơn

Trong các tài liệu viết về MT thường gọi MT yên tĩnh (Quite Sun) và MT hoạt ñộng (Active Sun) ñể chỉ rõ nghiên cứu MT vào giai ñoạn nào trong chu kỳ

hoạt ñộng của nó

Hình 2.8 Hiệu ứng Waldmeier [99]

2.8 Từ trường của Mặt trời

MT là một khối plasma, tức các hạt mang ñiện chuyển ñộng, vậy nên nó có

từ tính Tuy nhiên, khác với từ tính của chất rắn, từ tính của plasma rất phức tạp

Gần ñây, lý thuyết từ thủy ñộng lực học (Magnetohydrodynamics: MHD) ñược áp

dụng trong nghiên cứu từ trường MT, với các thuật ngữ: “ñường sức từ ñóng băng

trong khí” (“Magnetic field lines frozen into the gas” hay “frozen-in magnetic fields”), sóng Alfven, v.v… cho phép ta giải thích HĐMT một cách sinh ñộng hơn

Từ trường MT có tính biến ñộng và bao gồm nhiều dạng: từ trường tổng

(Global); từ trường mạng (Network), từ trường của các dạng HĐMT (như trường

sáng, VĐMT, v.v…) Về ñộ lớn trung bình của các dạng từ trường ñược ghi dưới bảng 2.3

Như vậy, MT có một mạng từ yếu với từ trường tổng có cực Bắc và cực

Nam như một lưỡng cực từ (Dipole), có thể ñó là kết quả của sự tổng hợp từ trường

của các dạng HĐMT ñang diễn tiến và ñã biến mất, ñể lại tàn dư Trong mỗi chu kỳ

11 năm, cực Bắc và cực Nam của từ trường tổng lại ñổi chỗ cho nhau, sự kiện này thường xảy ra sau cực ñại của chu kỳ HĐMT Trong giữa quãng thời gian xảy ra thay ñổi ñó, MT có thể có 2 cực Bắc từ, 2 cực Nam từ, ñó là vì từ trường MT không phải là từ trường của vật rắn Do có sự ñảo cực như vậy nên chu kỳ thật của HĐMT, tức biến ñổi từ trường MT, phải là 22 năm, như ñã trình bày ở trên

Từ trường của VĐMT là từ trường cục bộ, sự hình thành VĐMT ñược cho rằng nó có liên quan ñến sự quay không ñều nhau của các lớp plasma trong MT Các chuyển ñộng hỗn loạn làm xoắn các ñường sức từ, do MT quay chúng bị cuốn

quanh MT, tạo ra những cuộn xoắn khổng lồ đủ để nổi lên bề mặt MT dưới dạng VĐMT (xem tiếp 2.9)

Trường sáng (Plages) mà ta quan sát thấy trên Sắc cầu chính là nơi tập trung các đường sức từ ở rìa các siêu hạt (Supergranules) Các mảng sáng liên kết

với nhau tạo thành mạng lưới Sắc cầu

Trên Nhật hoa, từ trường tạo thành

một mạng lưới phức tạp Các đường sức từ

cuốn thành vịng (Magnetic Loops), liên kết

giữa các VĐMT trong nhĩm và giữa các

VĐMT với cực từ Bắc – Nam, được gọi là

đường sức “đĩng” (“Closed” Magnetic

field lines) Phần cịn lại của mạng lưới đĩ là

những đường sức gần như thẳng gĩc với bề mặt MT, được gọi là đường sức “mở”

(“Open” magnetic field lines) Ảnh chụp tia X của MT thể hiện sự liên hệ giữa

mạng lưới từ trường và plasma trong Nhật hoa

Vị trí tương ứng với các đường sức mở gọi là hốc Nhật hoa (Corona Holes)

thường tìm thấy ở vùng cực MT Khu vực tập trung các VĐMT người ta cĩ thể thấy những vịng sáng đậm đặc hơn khí xung quanh, tương ứng với đường sức đĩng Một cấu trúc khác cũng tương đương với các đường sức đĩng là Helmet Streamer

BNMT cũng được coi là hậu quả của sự cuộn xoắn đường sức từ tạo nên VĐMT, dẫn đến kết quả là các đường sức đĩ dính vào nhau, gây ra BNMT, sau đĩ

là sự tái nối các đường sức từ (Magnetic Reconnection) Điều này cho phép hy vọng

việc đo độ xoắn của từ trường xung quanh VĐMT sẽ dự đốn được BNMT Giả thuyết khác của BNMT là một tia lửa điện khổng lồ diễn ra do sự chập mạch của các dịng điện - các khối khí plasma- chạy trong Nhật hoa

Câu hỏi vì sao Nhật hoa lại nĩng như vậy cũng cĩ thể được trả lời bằng các quá trình gọi là sự tái nối các đường sức từ ở trên SOHO đã phát hiện ra các mạng nhỏ liên tục được sinh ra trên tồn bộ bề mặt MT Các thảm từ đĩ tạo ra những dịng nhỏ uốn cong lên khỏi Quang cầu Nền tảng của những vịng đĩ được tạo nên

Hình 2.9 Nhật hoa [99]

bởi plasma Khi những vòng ñó gặp nhau chúng liên kết lại tạo ra năng lượng ñiện rất lớn Khi tách rời nhau chúng tạo nên các cấu hình năng lượng thấp hơn Quá trình ñó làm năng lượng sinh thêm ñược thoát ra liên tục với trị giá cỡ hàng tỷ kwh

Cho ñến nay việc giải thích nguồn gốc và bản chất từ trường VĐMT, từ trường MT nói riêng và vấn ñề từ trường thiên thể, từ trường Vũ trụ nói chung là những vấn ñề rất lớn và nan giải ñối với thiên văn vật lý Việc tìm hiểu từ trường

MT liên quan chặt chẽ ñến nghiên cứu HĐMT Dưới ñây là một số mô hình giải thích HĐMT hiện nay

2.9. Các mô hình giải thích chu kỳ hoạt ñộng Mặt trời (Model of the Solar

Cycle)

Theo các ñịnh luật ñiện từ thì ñiện trường biến thiên (do các hạt mang ñiện chuyển ñộng có gia tốc) sẽ sinh ra từ trường và ngược lại Ngày nay người ta ñã biết

rõ MT cấu tạo từ khí plasma, chuyển ñộng của chúng sinh ra từ trường và ngược lại,

từ trường trong plasma sẽ có những tác ñộng gây ra muôn vàn hiện tượng thú vị trên MT Tất cả các dạng HĐMT như VĐMT, trường sáng, vòng Nhật hoa, BNMT, CME… ñều liên quan ñến từ trường MT Bằng nhiều phương pháp, kể cả sự hỗ trợ của vệ tinh, các nhà khoa học ñã ñề xuất những giả thuyết, mô hình giải thích chu

kỳ HĐMT, gắn liền với việc giải thích nguồn gốc từ trường MT

Quá trình vật lý sinh ra từ trường MT, hay cơ chế MT biến cơ năng thành

năng lượng từ, ñược gọi là Dynamo MT (Solar Dynamo) Một mô hình Dynamo

thành công phải giải thích ñược những hiện tượng như: chu kỳ 11 năm, ñịnh luật Hale, giản ñồ bướm, ñịnh luật Joy, sự ñảo cực của từ trường Bắc – Nam…

Một trong số mô hình ñược chú ý nhiều nhất là mô hình do H.Babcock ñề xuất năm 1961 và ñược Leighton bổ sung năm 1964, 1969 Cơ sở thực nghiệm dựa

trên các số liệu ño ñạc bởi các từ kế (Magnetograph) do Babcock chế tạo và cơ sở

lý thuyết ñể xây dựng mô hình là thuyết từ thủy ñộng học (MHD) với các khái niệm

từ trường bị “ñóng băng” vào khí plasma do Alfven ñề xuất (1939) Ý tưởng của mô hình này ñược mô tả tóm tắt như sau:

Theo mô hình này chu kỳ MT là sự tuần hoàn của 2 thành phần chính của

từ trường MT: trường cực (Poloidal Field) và trường xoắn (Toroidal Field) Khởi

ñầu chu kỳ, từ trường MT có giá trị thấp (≈1G) và phân cực qua trục như một lưỡng cực từ Các ñường sức chạy theo mặt phẳng kinh tuyến và trồi lên bề mặt ở vĩ ñộ gần ±550 Do MT quay quanh trục theo hướng từ tây sang ñông, với vận tốc khác nhau, tùy thuộc vĩ ñộ, nên kết quả là các ñường sức từ- dây ñiện (mà thực chất là từ trường ñóng băng trong khí plasma) bị xoắn lại, tạo thành từ trường xoắn Quá trình biến dạng này gọi là hiệu ứng Ω Khi ñó các ñường sức từ bị quấn vòng quanh, làm chúng bị dồn nén lại thành từng bó Khi những bó ñường sức có cường ñộ ñủ mạnh, chúng sẽ nổi lên bề mặt với sự vặn xoắn theo ñường kinh tuyến Kết quả tạo thành những cặp VĐMT trên bề mặt MT có ñịnh hướng Đông – Tây như ñịnh luật Joy, với các vết dẫn ở phía ñông, vết kéo theo ở phía tây; vết kéo theo ở gần cực hơn và

có phân cực ngược với cực từ ở bán cầu ñó vào ñầu chu kỳ - Điều ñó giải thích ñược ñịnh luật Hale Babcock cũng ñã tính ñược thời gian ñể các ñường sức quấn quanh MT là sau 3 năm ñược 5 vòng rưỡi và từ trường ñược tăng cường lên cỡ hàng kilo gamma Thoạt ñầu, sự

quay làm từ trường tăng

cường ở khoảng vĩ ñộ ±300

nên các vùng HĐMT xuất

hiện ở ñầu chu kỳ ở các vùng

ñó, sau ñó mới chuyển dần

xuống các vĩ ñộ thấp hơn (giải

thích ñịnh luật Sporer)

Giai ñoạn tiếp theo là

sự tái sinh từ trường cực, quá

trình này gọi là hiệu ứng α

Khi ñó các cặp VĐMT sẽ yếu

dần, mất liên kết với vành ñai các

ñường sức bên trong chúng bị trôi

Hình 2.10 Mô hình Babcock [41]

dần về cực, các vết kéo theo ở vĩ độ cao hơn các vết dẫn Khi trơi về cực các vết kéo theo sau khi triệt tiêu với tàn dư từ trường cũ ở cực thì làm nên cực mới của trường lưỡng cực, ngược hướng với từ trường cũ, cịn các vết dẫn ở 2 bán cầu thì hủy nhau

ở xích đạo Như vậy trường Poloidal được tái sinh với sự phân cực bị đảo ngược

Mơ hình Babcock cơ bản đã giải thích được các tính chất của HĐMT, nhưng vẫn chưa giải thích được tại sao chu

kỳ VĐMT lại là 11 năm, nguyên nhân của

hiệu ứng α cũng như nguồn gốc của từ

trường cực ban đầu

Từ thập niên 80 của thế kỷ 20, nhờ

sự phát triển của mơn Nhật chấn học, các vệ

tinh MT thu thập được nhiều số liệu, hình

ảnh, người ta phát hiện được sự quay của

các lớp bên trong MT và lớp quay chuyển

tiếp, được coi là nơi sản sinh ra dynamo

MT Đồng thời SOHO cũng phát hiện ra

những dịng chảy trên bề mặt MT theo hướng kinh tuyến (dịng chảy kinh tuyến) cho phép người ta nghĩ tới việc hồn thiện mơ hình trên Gần đây, bà Mausumi Dikpati và Paul Chabonneau (Mỹ) đã đề xuất mơ hình Dynamo với dịng chảy kinh tuyến cho phép cĩ một sự giải thích đơn giản về chu kỳ 11 năm Theo bà Dikpati thì

dịng chảy kinh tuyến (Meridional Flow) phải là một vịng kín, chảy trong nền của

vùng đối lưu Hướng dịng chảy từ cực về xích đạo là nguyên nhân gây ra sự trơi vành đai hình thành VĐMT về phía xích đạo (định luật Sporer) Dịng chảy này

“chở” các VĐMT khác cực đến các cực từ cũ, làm triệt tiêu chúng và thiết lập cực

từ mới Bà phỏng đốn rằng chu trình dịng chảy kinh tuyến xác định chiều dài của chu kỳ HĐMT – tức độ dài chu kỳ xác định bởi vận tốc dịng chảy kinh tuyến Vận tốc này khác nhau giữa các chu kỳ, chu kỳ cĩ vận tốc trơi nhanh hơn thì kết thúc mau hơn Mơ hình này cho phép giải thích đặc điểm của chu kỳ thứ 23 (sự đảo cực chậm chạp và bất thường, cực Nam đảo chậm 9 tháng sau cực Bắc) Tuy nhiên mơ

Hình 2.11 Mơ hình dịng chảy kinh tuyến