NGHIÊN cứu các NGUYÊN NHÂN gây BIỀN THIÊN HÀNG NGÀY đối với sự PHÁT TRIỂN của SPREAD f XÍCH đạo

Các nghiên cứu vẫn đang đi theo hướng tìm hiểu vai trò của hai yếu tố điều khiển ESF là sự nâng lên của lớp F sau hoàng hôn Post-SunSet Rise of F layer – PSSR và cấu trúc dạng sóng quy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

_

Nguyễn Thu Trang

NGHIÊN CỨU CÁC NGUYÊN NHÂN

GÂY BIỀN THIÊN HÀNG NGÀY ĐỐI VỚI

SỰ PHÁT TRIỂN CỦA SPREAD F XÍCH ĐẠO

Chuyên ngành: Vật lý địa cầu

Mã số: 62 44 15 01

(DỰ THẢO) TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

Hà Nội – 2015

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (ĐHQG Hà Nội)

Người hướng dẫn khoa học : TS Lê Huy Minh

TS Roland Takuya Tsunoda

vào hồi giờ ngày tháng năm 20

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

- Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội

MỞ ĐẦU

Spread F xích đạo (Equatorial Spread F - ESF) là hiện tượng bất ổn định theo phương ngang của cấu trúc plasma điện ly lớp F

vào ban đêm Hiện tượng gây ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu

vô tuyến phản xạ hay truyền xuyên qua tầng điện ly Do không

có biện pháp kỹ thuật giúp giảm thiểu tác hại này, bài toán đặt ra

là nâng cao khả năng dự báo sự xuất hiện của hiện tượng để thiết lập và điều khiển chế độ phát – truyền thông tin thích hợp nhằm tránh các khu vực bất ổn định điện ly Vì vậy, việc mô tả đúng bản chất của ESF là mục tiêu cơ bản nhất - đã và đang là câu hỏi cho các nhà khoa học toàn cầu trong hơn tám thập kỷ qua và ngày càng trở nên cấp thiết do sự phát triển nhanh chóng của nhu cầu ứng dụng công nghệ không gian vào cuộc sống

Cho đến hiện nay, vẫn chưa có lý thuyết hoàn chỉnh về nguyên nhân gây hoạt động ESF hàng ngày tại một vị trí địa lý cụ thể Các nghiên cứu vẫn đang đi theo hướng tìm hiểu vai trò của hai

yếu tố điều khiển ESF là sự nâng lên của lớp F sau hoàng hôn (Post-SunSet Rise of F layer – PSSR) và cấu trúc dạng sóng quy

mô lớn (Large-Scale Wave Structure - LSWS) Trong khi PSSR

có lịch sử nghiên cứu khoảng 80 năm với nguồn số liệu dồi dào

từ thăm dò mặt đất (máy thăm dò điện ly) và nhiều vệ tinh thì LSWS mới được chú ý trong 10 năm gần đây với nguồn số liệu hạn chế từ quan trắc trong khoảng thời gian ngắn của một thiết

bị mặt đất (radar ALTAIR) và vệ tinh chuyên dụng (C/NOFS)

Vì thế, việc tìm kiếm các nguồn số liệu giúp mô tả gián tiếp LSWS là rất cần thiết trong hướng nghiên cứu về yếu tố điều khiển này nói riêng và nghiên cứu ESF nói chung

ESF là chủ đề khá mới và chưa được nghiên cứu thỏa đáng ở nước ta do thiếu thiết bị và cơ sở vật chất cần thiết, mặc dù kết quả nghiên cứu toàn cầu đã chỉ ra một số đặc tính khác biệt chưa

thể giải thích của hoạt động spread F tại khu vực quanh Việt

Nam Có ba đài - trạm quan trắc trên lãnh thổ Việt Nam đã từng

có các máy thăm dò điện ly và hệ thu tín hiệu vệ tinh GRBR (GNU Radio Beacon Receiver) từ C/NOFS hoạt động; tuy nhiên, hiện nay chỉ còn duy nhất 1 thiết bị thăm dò thẳng đứng tại Bạc Liêu, được vận hành và khai thác bởi các nhà khoa học Nhật Bản

Do vậy, cần có biện pháp khai thác hiệu quả số liệu hiện có ở nước ta theo các hướng nghiên cứu mới, đặc biệt là số liệu từ máy thăm dò điện ly thẳng đứng Lợi ích của nghiên cứu ESF không chỉ giúp tìm kiếm thêm hiểu biết cơ bản về hiện tượng mà còn hướng đến mục tiêu từng bước ứng dụng vào thực tiễn trong nước nhằm nâng cao hiệu quả của truyền thông - định vị vệ tinh Tuy nhiên, câu hỏi đặt ra là làm cách nào tham gia vào quá trình nghiên cứu hiện tượng này với điều kiện thực tế với số liệu quan trắc tại Việt Nam? Nghiên cứu sinh chọn giải pháp là nghiên cứu ESF tại khu vực khác (Trung tâm Thái Bình Dương), nơi có nhiều nguồn số liệu - đặc biệt dồi dào về số liệu thăm dò thẳng đứng -

để hiểu rõ hơn hiện tượng và sau đó áp dụng phương pháp nghiên cứu với số liệu trong nước

Đề tài “Nghiên cứu các nguyên nhân gây biến thiên hàng ngày

đối với sự phát triển của spread F xích đạo” được chọn xuất phát

từ nhu cầu tiếp cận hướng nghiên cứu đang rất được quan tâm về ESF, bước đầu trang bị và nâng cao năng lực nghiên cứu chủ đề này bằng việc sử dụng tất cả các nguồn số liệu, tài liệu hiện có thu thập được tại cùng một khu vực để nghiên cứu đồng thời hai

nguồn kích thích trong việc tìm kiếm thêm đặc tính hình thành - xuất hiện ESF ở quy mô thời gian ngắn hơn so với tất cả các báo cáo đã công bố Đây là bước trung gian hướng đến mục tiêu cuối cùng là nghiên cứu biến thiên ESF hàng ngày

Mục đích của luận án: bao gồm hai phần Thứ nhất, luận án

làm sáng tỏ phương pháp trích lọc thông tin từ thăm dò thẳng đứng (điện ly đồ) cho việc nghiên cứu cấu trúc dạng sóng quy

mô lớn và cấu trúc bong bóng plasma xích đạo (Equatorial Plasma Bubbles - EPB) Đây là điểm quan trọng trong phương pháp sử dụng điện ly đồ cho mô tả gián tiếp hai hình thái phát triển ESF vào giai đoạn đầu tiên và cuối cùng trong bối cảnh khan hiếm số liệu quan trắc trực tiếp Thứ hai, luận án đóng góp thêm một vài bằng chứng nhằm tiếp tục làm sáng tỏ các quan điểm hiện tại về nguyên nhân gây biến thiên hoạt động ESF hàng ngày tại khu vực nghiên cứu và đánh giá vai trò của các yếu tố điều khiển ESF

Đối tượng nghiên cứu của luận án: bao gồm hiện tượng

spread F và hai nguồn gây ra sự biến đổi hoạt động này theo thời

gian trong phạm vi các đảo thuộc Trung tâm Thái Bình Dương

và hoạt động của spread F - cấu trúc bong bóng plasma xích đạo

tại Việt Nam và khu vực lân cận

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án: là góp

phần làm sáng tỏ lý thuyết về yếu tố điều khiển hoạt động ESF ở quy mô thời gian hàng tháng, hướng đến việc áp dụng phương pháp nghiên cứu cho các quy mô thời gian ngắn hơn; ý nghĩa thực tiễn của luận án là khả năng áp dụng kết quả nghiên cứu vào

dự báo ESF trong mối quan hệ với hoạt động của hệ thống truyền thông - định vị vệ tinh tương lai

Những điểm mới của luận án:

- Khẳng định bằng chứng mới về vết phản xạ nhiều lần là dấu hiệu điện ly đồ của cấu trúc dạng sóng quy mô lớn

- Nghiên cứu đồng thời vai trò của hai yếu tố kích thích đối

với spread F ở quy mô thời gian hàng tháng cho thấy vận tốc nâng lên thẳng đứng cực đại của lớp F đóng vai trò quan trọng,

trong đó có thể tồn tại hai nguồn kích thích khác nhau gây ra giá trị vận tốc cực đại là sự biến đổi độ lớn của dòng điện xích đạo

vào phân điểm và lực triều số sóng 2 vào chí điểm

- Dấu hiệu điện ly đồ của cấu trúc bong bóng plasma xích đạo

là các dạng spread F phức hợp quan trắc tại các trạm xa xích đạo

phân biệt với các dạng spread F xảy ra tại khu vực xích đạo từ

Cấu trúc của luận án gồm bốn chương - ngoài phần mở đầu,

kết luận và kiến nghị về các nghiên cứu tiếp theo

- Chương một: giới thiệu tổng quan về đặc tính của plasma

khu vực xích đạo từ, hiện tượng spread F và thiết bị nghiên cứu

- Chương hai: giới thiệu kết quả nghiên cứu vai trò của cấu

trúc dạng sóng quy mô lớn đối với spread F

- Chương ba: giới thiệu kết quả nghiên cứu về vai trò của hai

yếu tố điều khiển đối với spread F

- Chương bốn giới thiệu kết quả nghiên cứu cấu trúc bong bóng plasma cho khu vực Việt Nam theo hướng mở rộng và bổ sung các nghiên cứu đã có

Kết quả của luận án đã được công bố trong 1 báo cáo poster

tại hội nghị chuyên đề quốc tế, 2 bài báo quốc tế và 1 bài báo

trong nước

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN LY VÙNG XÍCH

ĐẠO VÀ SPREAD F

1.2.1 Spread F xích đạo và quan trắc spread F xích đạo

Hình 1.5: Vết trải rộng độ cao (bên trái) và tần số (bên phải)

ESF (phát hiện năm 1934, bắt đầu được nghiên cứu từ năm

1938) trong báo cáo về các vết F “khuếch tán” về độ cao và tần

số qua số liệu thăm dò thẳng đứng thay vì là một vết mảnh bình thường Hiện nay, ESF được chứng minh là hiện tượng bất đồng

nhất plasma lớp F theo phương ngang (cấu trúc từ dưới 11 cm

đến hơn 3000 km)

1.2.2 Sự hình thành và phát triển spread F xích đạo

Giả sử có điện trường nhiễu loạn nhỏ ở vùng đáy đang ổn định, làm các ion di chuyển theo hướng của nó gây ra sự tích tụ điện tích tại rìa của khu vực có điện trường nhiễu loạn này Điện trường phân cực cảm ứng ngay lập tức được hình thành để đảm

bảo dòng j o liên tục Điện trường này cùng với từ trường làm

plasma dịch chuyển theo hướng như được chỉ ra trong hình 1.9

Kết quả của quá trình trao đổi plasma làm điện trường nhiễu loạn

ban đầu ngày càng mạnh và cả hệ thống càng bất ổn thêm Tốc

độ phát triển bất ổn định có giá trị càng lớn khi gradient mật độ điện tử tăng càng nhanh và vận tốc hấp dẫn càng lớn Hai điều kiện này đồng thời được thỏa mãn khi độ cao của lớp điện ly càng tăng Hai yếu tố điều khiển sự xuất hiện ESF là:

- Mầm mống nhiễu loạn (nguồn kích thích)

- Vận tốc dịch chuyển thẳng đứng cực đại của lớp F

Hình 1.9: Mô tả quá trình xảy ra bất ổn định trao đổi ở đáy lớp

F

1.3 Hai nguyên nhân gây biến thiên sự xuất hiện spread F

xích đạo hàng ngày

1.3.1 Sự nâng lên của lớp F sau hoàng hôn (PSSR): ngay

trước khi sự đảo chiều chuyển động thẳng đứng của lớp F xảy ra,

vào khoảng sau hoàng hôn, vận tốc dịch chuyển hướng lên trên

tăng đột ngột (PSSR)

1.3.1.3 Nghiên cứu mối quan hệ giữa sự nâng lên của lớp F sau hoàng hôn và spread F xích đạo

c Lý thuyết về biến thiên spread F xích đạo theo mùa: khi

đường phân cách ngày – đêm thẳng hàng với đường sức từ trường

thì hoàng hôn xảy ra đồng thời trên hai lớp E liên hợp ở hai nửa

bán cầu Lý thuyết STBA giải thích được hầu hết đặc tính biến

thiên theo mùa và theo kinh độ của sự xuất hiện ESF, trừ ba khu vực Nam Mỹ, Châu Phi và Trung tâm Thái Bình Dương

1.3.2 Nguồn kích thích - mầm mống nhiễu loạn: Cấu trúc dạng

sóng quy mô lớn (LSWS) là những biến điệu dạng sóng theo độ

cao của các đường đẳng mật độ plasma điện ly đáy lớp

c Lý thuyết về vai trò của cấu trúc dạng sóng quy mô lớn: độ

lớn của sự kích thích plasma phụ thuộc vào kết quả kết hợp ion – hạt trung hòa, trong đó nhiễu loạn của gió trung hòa được chuyển thành điện trường phân cực mà đến lượt nó lại giúp vận chuyển plasma trượt thẳng đứng lên phía trên để tạo thành mầm mống nhiễu loạn Lý thuyết được gọi tên là “sự thẳng hàng theo đường sức từ của mặt đầu sóng trọng lực” Lý thuyết chưa áp dụng được cho vấn đề ESF yếu tại Việt Nam

1.3.3.1 Sự kết hợp giữa sự nâng lên của lớp F sau hoàng hôn

và cấu trúc dạng sóng quy mô lớn

Việc cả hai lý thuyết dựa chủ yếu vào vai trò điều khiển của riêng PSSR hoặc LSWS không hoàn toàn giải thích được biến thiên mùa của ESF đã gợi ý đến khả năng kết hợp của cả hai yếu

tố, trong đó LSWS xuất hiện và phát triển trong quá trình diễn ra PSSR (theo Tsunoda, 2015)

1.4 Các phương pháp thăm dò khí quyển - điện ly sử dụng trong luận án

1.4.1 Thăm dò thẳng đứng

1.4.1.1 Nguyên lý: Gồm một máy phát và máy thu Thiết bị phát

thẳng đứng sóng vô tuyến tần số cao (1- 30 MHz) Các sóng có tần số trùng với tần số plasma điện ly sẽ bị phản xạ lại, sóng có tần số cao hơn sẽ truyền qua Thiết bị thu đo thời gian tín hiệu từ lúc phát đi đến khi nhận về sẽ cho biết độ cao biểu kiến nơi sóng

bị phản xạ trên tầng điện ly Đường biểu diễn tần số sóng vô

tuyến phát đi theo độ cao phản xạ gọi là điện ly đồ

1.4.1.2 Spread F xích đạo trên điện ly đồ: là vết trải rộng độ

cao/tần số khi độ dày của vết phản xạ lớn hơn 30 km và 0,3 MHz

1.4.1.3 Dấu hiệu điện ly đồ của cấu trúc dạng sóng quy mô lớn: là các vết phản xạ nhiều lần (Multi-reflected Echo – MRE)

và vết phụ (Satellite Trace – ST) Các vết được ghi nhận từ những năm 1970 nhưng chỉ mới được nghiên cứu gần đây (năm 2008) bằng một vài công trình công bố

1.4.2 Tính toán nồng độ điện tử tổng cộng (TEC) từ vệ tinh C/NOFS

1.4.2.2 Cấu trúc dạng sóng quy mô lớn từ TEC: sự biến điệu

quan trắc được trong biểu diễn TEC theo phương ngang được xem như thành phần nhiễu loạn tương tự với cấu trúc LSWS

1.4.3 Đo bức xạ sóng dài (OLR) phát ra từ Trái Đất: giá trị

thông lượng OLR 230 W/m2 có thể được sử dụng như ngưỡng để phân biệt khu vực có hoặc không có hoạt động đối lưu

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC DẠNG SÓNG QUY MÔ LỚN TỪ ĐIỆN LY ĐỒ VÀ VAI TRÒ CỦA NÓ

ĐỐI VỚI SPREAD F

2.1 Trọng tâm nghiên cứu, khu vực và số liệu nghiên cứu 2.1.1 Trọng tâm nghiên cứu

Làm rõ hai điểm cơ bản:

- Khẳng định mối liên quan MREs – LSWS

- Tính chất của MREs để đại diện cho sự xuất hiện LSWS

2.1.2 Khu vực và số liệu nghiên cứu

hChương 2 và 3 của luận án sử dụng số liệu thu thập tại khu vực trung tâm Thái Bình Dương Vị trí (tọa độ địa lý và vĩ độ từ niên đại 2011) và thiết bị hiện có tại các địa điểm Bảng 1 và minh họa ở hình 2.1 Chương này sử dụng điện ly đồ và thông số TEC cho đêm 24/04/2011

Hình 2.1: Bản đồ các trạm có thiết bị quan trắc mô tả trong Bảng 1 (thêm trạm Baguio trong so sánh ở Chương 4)

Bảng 1: Các địa điểm có số liệu sử dụng trong luận án

STT

Tên trạm

(viết tắt)

Quốc gia (Vùng lãnh thổ)

Kinh

độ địa

lý - Đông

Vĩ độ địa lý - Bắc

Vĩ độ

từ - Bắc Thiết bị

2.1.3 Các thông tin sử dụng trong nghiên cứu

2.1.3.2 Thông tin từ điện ly đồ

Sử dụng điện ly đồ từ 05h00 UT (16h10 LT) đến 11h00 UT (22h10 LT) với các thông tin về: vết phản xạ bình thường (chiều

cao biểu kiến (h’) ứng với mỗi tần số nhất định 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9

và 10 MHz), MRE (thời gian và tần số nhỏ nhất - lớn nhất của vết), ST (thời gian xuất hiện), vận tốc trượt thẳng đứng cực đại, ESF mạnh (ESF(5 MHz))

2.1.3.3 Thông tin từ vệ tinh C/NOFS: vận tốc dịch chuyển

ngang của ion điện ly và LSWS tính từ nhiễu loạn TEC qua 3 đường bay

2.2 Kết quả và bàn luận

2.2.1 Vết phản xạ nhiều

lần - dấu hiệu điện ly đồ

của cấu trúc sóng quy mô

lớn

2.2.1.1 Đặc tính cùa tầng

điện ly đêm 24/04/2011

Hình 2.2: Diễn biến của tầng điện ly tại Kwajalein trong đêm 24/04/2011; các đường nối với chấm tròn cho biết sự thay đổi độ cao theo thời gian của các tần số phản xạ (từ 3 đến 10 MHz), hai đường thẳng đứng màu xanh cho biết hai thời điểm hoàng hôn, MREs xảy ra trong vòng tròn đánh dấu xanh đậm, các thành màu nâu thẳng đứng cho biết RSF tại 5 MHz và ba thanh màu xanh nằm ngang cho biết thời gian có đường bay C/NOFS với LSWS xảy ra ở 2 đường đầu tiên

Đêm hoạt động ESF điển hình với PSSR mạnh, MRE và ST

- Sự suy giảm TEC không định xứ ngay trên vị trí quan trắc

mà xuất hiện về hai phía, gợi ý cho mô hình đáy điện ly mới giải thích sự tạo thành vết kép phản xạ nhiều lần

b Minh giải về biến thiên nồng độ điện tử tổng cộng

Hình 2.6 Đáy điện ly giả định từ tính toán theo đường cong thành phần nhiễu loạn TEC thu được lúc 19h28 (giờ địa phương)

Xây dựng thành công mô hình đơn giản đáy điện ly có biên

độ nhiễu loạn 6 km để tạo thành các vết phản xạ nhiều lần bậc 5 đến 7, chứng minh mối liên hệ LSWS – MRE

2.2.2.2 Tính chất của cấu trúc dạng sóng quy mô lớn

a Dịch chuyển ngang: gần bằng không trong giai đoạn ban đầu

b Sự hình thành và phát triển của cấu trúc sóng quy mô lớn:

LSWS xuất hiện vào chiều muộn và phát triển trong quá trình diễn ra PSSR

c So sánh với nhiễu loạn điện ly di chuyển: hai cấu trúc hoàn

toàn khác biệt về cơ chế hình thành và phương thức dịch chuyển

2.3 Kết luận

- MREs và STs bậc cao nhiều khả năng liên quan đến LSWS

- LSWS là cấu trúc không biến đổi theo không gian trong suốt quá trình phát triển ban đầu của nó