Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu ảnh hưởng của Mặt trời lên trạng thái của lớp F2 tầng điện ly xích đạo từ

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:136

Thêm vào BST

Báo xấu

104
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu ảnh hưởng của Mặt trời lên trạng thái của lớp F2 tầng điện ly xích đạo từ trình bày về tổng quan nghiên cứu, Mặt trời - nguồn phát năng lượng và bức xạ - hoạt động Mặt trời, lớp F2 tầng điện ly Trái đất dưới tác động của Mặt trời.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu ảnh hưởng của Mặt trời lên trạng thái của lớp F2 tầng điện ly xích đạo từ

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: 1. PGS. TS. HOÀNG THÁI LAN 2. PGS. TS. TRẦN VĂN NHẠC TP. Hồ Chí Minh – Năm 2010
ii 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
iii 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.
vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT BNMT Bùng nổ Mặt trời HĐMT Hoạt ñộng Mặt trời LF2 TĐL XĐT Lớp F2 tầng ñiện ly xích ñạo từ. MT Mặt trời TĐ Trái ñất TP. HCM Thành phố Hồ Chí Minh VĐMT Vết ñen Mặt trời XĐT Xích ñạo từ e- Electron 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. foF2 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) LT Local Time (giờ ñịa phương) 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) UT Universal Time (giờ quốc tế) 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)
1 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.
2 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 ( f 0 F2 ) 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.
3 - 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
4 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.
5 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.
6 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 (Magnetohydrodynamics- MHD) về plasma, năm 1961 Babcock ñã ñề xuất lý thuyết dynamo MT (Solar dynamo), giải thích hoạt ñộng MT. Theo ñó, MT cấu tạo chủ yếu từ khí, với lớp khí
7 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
8 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
9 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
10 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,
11 không phải cứ xảy ra bão từ là có bão ñiện ly ñi kèm. Phản ứng của tầng ñiện ly trước bão từ rất phức tạp, không lặp lại theo một cách cố ñịnh. Chính vì vậy khó có thể ñoán trước ñược phản ứng của tầng ñiện ly trước các trận bão từ cụ thể. Sự giải thích bão ñiện ly cũng không hề ñơn giản, vì rất nhiều quá trình vật lý xảy ra trong thời gian ñó với những cơ chế rất phức tạp. Đã có nhiều ñề xuất cách lý giải, trong ñó kể ñến vai trò của các quá trình tái hợp, quá trình chuyển dịch do gió trung hòa, do ñiện ñộng lực, khuếch tán,…v.v. Tuy nhiên, việc giải thích vẫn chưa thật sự thỏa ñáng cho từng trường hợp bão ñiện ly, vốn xảy ra rất khác nhau cho từng vùng trên TĐ, mặc dù giống bão từ, bão ñiện ly mang tính toàn cầu. Ở vùng vĩ ñộ cao bão từ xảy ra mạnh hơn vùng vĩ ñộ thấp. Đặc biệt là vùng cực từ, nơi ñường sức từ thẳng góc với mặt ñất, các hạt tích ñiện chuyển ñộng trong từ quyển có thể ñến sát khí quyển, gây sự kiện mũ cực (Polar Cap Event), cực quang (Aurora) làm khí quyển nóng lên, gây ảnh hưởng tới tầng ñiện ly vùng vĩ ñộ thấp. Còn ở vùng vĩ ñộ thấp và vùng XĐT, bão từ xảy ra yếu hơn, phản ứng của tầng ñiện ly không vì thế mà ñơn giản hơn. Ngoài bị ảnh hưởng bởi ñiện từ trường khu vực, tầng ñiện ly vùng XĐT trong thời gian bão MT và bão từ có thể bị ảnh hưởng bởi các quá trình ở vĩ ñộ cao ñã nói trên, với các cơ chế rất phức tạp, cần sự phối hợp nghiên cứu giữa các vùng và sử dụng các thiết bị hiện ñại. Các công trình của các nhà nghiên cứu tầng ñiện ly vùng XĐT ñã cho thấy ñiều ñó trong các khảo sát phản ứng của tầng ñiện ly trước bão từ trong từng trận bão ñiển hình. Với tầng ñiện ly vùng XĐT ngoài việc giải thích dựa trên cơ chế chuyển dịch E×B và hiệu ứng vòi phun, gần ñây, với các phương tiện nghiên cứu hiện ñại cùng hệ thống trạm nghiên cứu rộng khắp thế giới, người ta ñã tìm cách giải thích dựa trên cơ chế chuyển dịch qua lại giữa ñiện ly các vùng vĩ ñộ khác nhau và giữa các tầng khác nhau trong khí quyển tầng cao. Trong ñó không chỉ ñiện, từ trường ñóng vai trò chủ yếu mà gió trung hòa và các quá trình trong từ quyển, nhiệt quyển cũng ñóng vai trò 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].
12 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
13 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
14 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.
15 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.