TRUONG DAL HOC SU PHAM TP HO CHi MINH KHOA VAT LY
Bp te @ AK
LUẬN vĂN TÔT NGŒ*iÏỆP
Pe tai:
HOAT DONG MAT TROI - KHAO SAT
SU PHU THUOC CUA CAC THONG S6 h’F & fF
TẦNG ĐIỆN LY LỚP F; TẠI TP.HÔ CHi MINH
Trang 2Loi cam on
Trang 3MỤC LỤC:
UE a OW o6 ket 00t bácc tá 000010/60800364G04200x00032-a l
L Lý thuyết tổng quan về Mặt Trời 52 S39 ST 1E Sạn g3 3 25 22 5sg 3 I Các thông số cơ bản của Mặt Trời Ô 22 5 S5 SE XS S5 939g H1 4735) 3 2.1 Phần trong Mặt Trời- nguồn gốc năng lượng và bức xạ Mặt Trời 4 ¿.ó EN0nvtn MẸ THỂ nghi 1260106 201106:01056100063503025/4004(G763403/10 5 Tá CÚ ĐT NHƯ xe Su ¿22c? 2y ttkag2(iet\cistQsoissdGiaaadag 7 3: Hoat động WERT NO ccs cassis sessilis BG COSebscc ll cS 10 5/1 000M MST HỆ Vy G02 về x4 tà Gái ó Gv HQ xà ng x2 ll 3.2 Trường sắng - - - nọ nọ nọ HT 0 91 313 3e 12 3.3 VẾI en ng TT TH nọ TS TT TT TH Hi Họ BH Tà 13
QÊ: TẠI NÊN si con eakccokoeis6tbicccvotkiv520160)05040162 0052100616 22653ki4Sg2kckiol¿deSidDSxvk24Áxks§rss264993663/4495523544 17
BS TUG GS IS COW is cscs cesses Naa hha DAS gS eased 19
3:6: Sự phống vật chất tỉ vành nhật NOÀ si 6cc02 C00000 02 020220022 ocoe-e 20
2;t: CAI? koet One MT k0 660000666606.“ 22 4 Anh hưởng của hoạt động Mặt Trời lên Trái Đất (55 S5 S S2 SE SE 593g cv 23
4.1 Anh hưởng đến thời tiết, khí hậu trên Trái Đất - 5 S5 S2 S9 S8 vs 23
4.2 Ảnh hưởng lên thông tin liên lạc - -< S3 S33 SE 3g 15 13 51m pvc 24
4.3 Bão từ- ảnh hưởng đến sức khoẻ con người - - 55 s93 Sex xe rzsycv 25 4.4 Anh hưởng đến các hệ thống kỹ thuật trên mặt đất và không gian 25 II Khảo sát sự phụ thuộc của tầng điện ly vào số vết đen Mặt Trời trong giai đoạn
`: xi áanouccbtviGisuiadictbsex 21
BUG Mmmm isaac ssa G0 Gv à cà c0 044050610440/G4030450046000008401326222L6)23GÁ401424Q2120ã0108 27
1.1 Tầng điện ly của Trái Đấtt - 5À St tr evrvrexxxxrererrsrrerrrerssrrere 27 1.2 Phương pháp khảo cứu tầng điện ly bằng vô tuyến (5252 5S + ssssseesrrs 28 9 DU mu Ha at CGR cu aeeeeeeeeeieesiedadeeeeeareenaase 29
14; Giới tiện đa N đe eaeeeeeeaoeccee66i13222596225e 30
BS Chine BE 06x61 G6026 C0 G26000202226GL620agi0kix6GGuá0160XG404164056Xcsiee 31
2;Kết ngã quan trất và xế lý dỗ NĂNG C12222 2202022000260 000200 an 00sdi 32
GG WABI neice ass eases VJEcv000T07052 0V MGO-NG-T9/0 19001001 APDATUTOANHG 2 QUỆP 56 1 Mối quan hệ giữa thông số f„F; và số vết đen Mặt Trời: . - 5-5 56
2, Mối quan hệ giữa thông số h'F và số vết đen Mặt Trời -. - 5 5-5 57
Trang 4-Đời trở đầu:
Mỗi một ngày chúng ta đều thấy Mặt Trời mọc ở phía Đông và lặn ở phía Tây Mặt Trời cho chúng ta ánh sáng và nguồn nhiệt Từ xa xưa, tổ tiên chúng ta đã nhận thấy rằng cuộc sống của họ phụ thuộc vào Mặt Trời và giữ một niềm cung kính sợ hãi đối với nó Mặt Trời đã là đối tượng được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất và sớm nhất trong Thiên Văn Từ chỗ sợ hãi, coi Mặt Trời như thần thánh, ngày nay con người đã có những hiểu
biết nhất định về Mặt Trời Chúng ta ngày càng nhận thức rõ hơn về tam quan trọng và những ảnh hưởng to lớn của Mặt Trời lên cuộc sống con người trên Trái Đất Vì thế, khoa học ngày nay nghiên cứu Mặt Trời không chỉ thuần tuý để có những hiểu biết mới về đối tượng này- với tư cách là một ngôi sao mà còn để phục vụ cho chính cuộc sống của chúng ta
Khoa học hiện đại, cùng với những trang thiết bị tiên tiến nhằm khám phá vũ trụ, khoa học về Mặt Trời cũng ngày càng phát triển Cùng với những khám phá lý thuyết đang từng ngày tìm cách "giải mã" Mặt Trời thì các cộng cụ quan trắc cực kỳ tỉnh vi đóng một vai trò vô cùng to lớn Có thể kể ra đây những niểm tự hào đã đang và sẽ góp phần chủ yếu vào công cuộc nghiên cứu Mặt Trời của con người
+ Phi thuyền SMM (Solar Maximum Mission): phóng ngày 14/2/1980, nghiên cứu về các bùng nổ Mặt Trời, các vùng hoạt động, các vết đen, và các hoạt động Mặt Trời
+ Các vệ tỉnh San Marco, trong đó San Marco D/L phóng ngày 25/3/1988, nghiên
cứu hoạt động Mặt Trời và các ảnh hưởng đến Trái Đất, mối quan hệ giữa hoạt động Mặt Trời với các hiện tượng vật lý địa cầu
+ Hiện đại nhất hiện nay là phi thuyển không gian SOHO (The Solar and Heliospheric Observer), là dự án hợp tác giữa Trung tâm không gian Châu Âu (ESA) và NASA, phóng ngày 12/2/1995, có nhiệm vụ nghiên cứu hoạt động Mặt Trời và vành nhật hoa trong suốt một chu kỳ hoạt động
+ TRACE (The Transition Region and Coronal Explorer), phéng ngay 1/4/1998,
nghiên cứu tương tác giữa Plasma và từ trường Mặt Trời thông qua việc nghiên cứu cấu trúc trúc từ bên dưới quang cầu Những kết quả có được từ TRACE vô cùng quý giá, giúp các nhà khoa học khám phá ra bản chất từ trường Mặt Trời
+ SORCE (Solar Radiation and Climate Experiment), phóng ngày 25/1/2003, nghiên cứu bức xa Mặt Trời
Trang 5+ Các đài quan trắc hiện đại hàng đầu thế giới có thể kể đến là Kitt Peak National Observatory (Arizona- Mỹ), xây dựng năm 1958; thap Mat Trdi cao 150ft Mt Wilson (Los Angeles) x4y dựng năm 1912,
Khi phát minh ra sóng vô tuyến điện thì sau đó loài người cũng khám phá ra mối quan hệ giữa Mặt Trời và tẳng điện ly của Trái Đất Điều đó đã mở ra một kỷ nguyên mới cho thông tin liên lạc khoảng cách xa Được cho là có vai trò sống còn của truyền thông radio, một đài điện ly đã được thiết lập đã được thiết lập để theo dõi sự biến đổi
trong các lớp điện ly nhằm nghiên cứu hiệu ứng điện ly trên sóng radio Các quan sắt này được bắt đầu tại trạm Nghiên cứu Radio ở Slough, Bucks, Vương Quốc Anh và hiện nay đang được tiếp tục ở Phòng thí nghiém Rutherford Appleton (RAL) ở Chilton,
Oxfordshire Chỉ bằng việc theo dõi điện ly mà trong vài thập niên các nhà khoa học đã
làm rõ các vấn để về tầng điện ly, và từ đó là vấn để về bức xạ từ Mặt Trời, trải qua một chu trình hoạt động là 11 năm Người ta đã sớm phát hiện ra rằng néng độ của nhửng lớp điện ly bị kiểm soát bởi cường độ bức xạ cực tím và bức xạ tia X phát ra từ Mặt Trời Dữ liệu về tẳng điện ly còn được sử dụng để khám phá những sự thay đổi đã xảy ra trên Mặt Trời
Đài quan trắc khí quyển Hóc Môn thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam được xây đựng tại xã Xuân Thới Thượng, Huyện Hóc Môn, Tp Hồ Chí Minh (106.34° E, 10.51° N) ~ cách trung tâm thành phố 25 km Đài quan trắc khí quyển Hóc Môn là một trong những đài quan trắc điện ly mà hiện nay còn khá ít ỏi ở vùng xích đạo từ
Trang 6I LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ MẶT TRỜI: 1 CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA MẶT TRỜI:
Mặt Trời là một ngôi sao bình thường trong thế giới các sao Mặt Trời có các thông
số cơ bản như sau :
Mặt Trời nằm trong nhánh Lạp Hộ, cách tâm thiên hà khoảng 30.000 năm ánh sáng Khoảng cách trung bình từ Trái Đất đến Mặt Trời được chọn làm đơn vị thiên vẫn (AU): 1 AU = 150 tiéu Km - - Tuổi của Mặt Trời hiện nay vào khoảng 4,6 tỉ năm Tuổi thọ của Mặt Trời khoảng 10 ty năm - - Mặt Trời có cấu tạo hoàn toàn là khí, bao gồm: 75% là Hydro, 23% 1A Héli, 2% 1a các khí khác
- Mặt Trời quanh một trục nghiêng góc 82”48'30'' so với mặt phẳng hoàng đạo Cụ thể: + Ở xích đạo: 24 ngày 16 giờ
+ Ở vĩ tuyến + 40: 27,8 ngày + Ở cực: 34 ngày
- Khối lượng của Mặt Trời là Mẹ = 1,99.10” (kg) - tức là gấp 332.946 lần khối lượng Trái Đất và chiếm 99,86% khối lượng toàn Thái Dương hệ
- Bán kính Mặt Trời vào khoảng R= 6,96.10° (km)
- Thể tích của Mặt Trời vào khoảng: Vẹ~1 41.10?” (m”) - tức gấp 1.300.000 thể tích Trái Đất
- _ Mật độ trung bình của Mặt Trời : p = 1,41 (g/cm))
- _ Gia tốc rơi tự do trên bể mặt Mặt Trời là 274 (m/s),
- - Vận tốc thoát trên bể mặt Mặt Trời (vận tốc vũ trụ cấp I) là 618 (km/s) - _ Cấp sao nhìn thấy của Mặt Trời là : m=-26,7
Trang 72 CAU TAO CUA MAT TROL:
Mat Trời là một quả cầu khí và mật độ vật chất của nó không đồng đều Đi từ tâm Mat Trời ra, mật độ khí luôn luôn giảm xuống So với tâm Mặt Trời, giá trị của mât độ khí ở rìa Thái Dương hệ đã giảm cỡ 10” lần- một con số nằm ngoài khả năng tưởng tương của đấu óc con người Dựa vào mật độ và các hoạt động đặc trưng, người ta chia
Mặt Trời ra làm nhiều lớp:
+ Phần trong Mặt Trời: từ tâm đến cỡ 10% bán kính Mặt Trời là phần lõi Mặt Trời (Solar core)- nơi có nhiệt độ cỡ 15 triệu độ K, đủ để xảy ra phản ứng tổng hợp hạt nhân, tạo ra năng lượng cho Mặt Trời toả sáng Nhiệt năng được truyền từ tâm ra ngoài bằng bức xa và khuếch tán, ra xa hơn nữa năng lượng được truyền bằng con đường đối lưu (hình 1)
Hình 1 : Mô hình sơ lược cấu tạo Mặt Trời + Khí quyển Mặt Trời gồm:
e Quang cầu (Photosphere): là bể mặt Mặt Trời, nơi mà ta có thể quan sát được như vật đen tuyệt đối Vì thế bán kính Mặt Trời chính là trị số được tính từ tâm đến quang cầu và nhiệt độ bể mặt cũng chính là nhiệt độ mặt quang cầu e Sắc cầu (Chromosphere): phần tiếp giáp với quang cầu
e Tiếp đến là vùng chuyển tiếp (Transition region) Sau đó là vành nhật hoa (Corona) có hình như chiếc vương miện mà ta có thể quan sát thấy trong các kỳ nhật thực toàn phẩn
Trang 8Hình 2 : Giản đồ các lớp của Mặt Trời
2.1 Phần trong Mặt Trời- nguồn gốc năng lượng và bức xạ Mặt Trời:
Mặt Trời ổn định hàng triệu năm nay; Mặt Trời phải ở trạng thái cân bằng thuỷ tĩnh
Giá trị tính được của nhiệt độ và áp suất bên trong Mặt Trời là: Te = 1,56.10’ (°K) va pe = 2,5.10"° (N/m’)
Mỗi khi nhiệt và bức xạ được tạo ra ở gần tâm, bức xạ khuếch tấn ra phía ngoài và mang theo năng lượng Sự khuếch tán điễn ra rất chậm Điển hình, một proton ở gần tâm Mặt Trời chuyển đông được khoảng 10 (m) trước khi nó bị hấp thụ và sau đó nó lại tấn xạ theo một hướng khác Thậm chí để bức xạ khuếch tấn ra ngoài tới r = 0,3Re cũng mất đến hàng triệu năm Sự khuếch tán ở phía ngoài diễn ra nhanh hơn Ở phía ngoài khoảng cách 0,7 Rạ kể từ tâm, nhiệt được mang ra ngoài chủ yếu bởi sự đối lưu Tại mỗi lớp, sự hấp thụ và tái phát xạ của phôtôn làm thay đổi phổ của phôtôn sao cho nó cân bằng với phổ Planck tương ứng với nhiệt độ cục bộ Các phôtôn thay đổi dần dần từ vùng tia X ở gắn tâm tới vùng cực tím và sau đó tới ánh sáng khả kiến ở gắn bể mặt, Cuối cùng tại bể mặt, các phôtôn khả kiến mang hầu hết năng lượng của Mặt Trời vào vũ trụ Tuy nhiên các mô hình đều gặp khó khăn khi tính toán ở khoảng cách 0,98 Rạ kể từ tâm O khoảng này, với nhiệt độ xấp xỉ 10” °®K, các nguyên tử và các iôn hấp thụ và phát xạ phôtôn rất phức tạp
Như vậy, hấu hết năng lượng hạt nhân được tạo ra ở vùng phía trong nhất và nóng
Trang 9Chính nhiệt độ ở tâm hàng chục triệu độ K của Mặt Trời đã châm ngòi cho các phản ứng nhiệt hạt nhân Cụ thể là đã có sự tổng hợp 4 hat nhân Hydrô thành 1 hạt nhân Heli
Quá trình này có : (4 1,00813 - 1 4,00389) = 0,02863 (đ.v.C) bị mất đi- gọi là đô hụt khối Am Hay nói cách khác : cứ I (g) Hydrô bị biến thành Heli thì sẽ có = 0.0071 (g) bị mất đi Và vì thế năng lương được giải phóng ra là : E = Amc = 6,4.10'" (J)
Biết bức xa Mặt Trời trong l giây là 3,8.10”' (1) từ đây ta tính được độ hụt khối của Mặt Trời trong I giây là : Am = E/c” = 3,8.107/9.10'° = 4,22 triệu tấn Điều này có nghĩa là mỗi giây Mặt Trời mất đi 4,22 triệu tấn
Khối lượng Mặt Trời là 1,99.10”” triệu tấn, trong đó 70% là Hydrô, tuy nhiên chỉ có 15% lượngHydrô nằm ở tâm Mặt Trời bị thiêu huỷ để biến thành Heli- do đó, tổng lượng Hydrô Mặt Trời sử dụng để toả sáng là :
0,15 0,7 1,99.107 = 2.10" tan
Và như thế Mặt Trời có thể đốt Hydro trong vòng :
2.10°°/(4,22.10°, 3600 24, 365) = 10 ty nim
Cho đến hiện nay, các nhà khoa học đồng ý với nguồn gốc tạo ra năng lượng Mặt Trời bởi 2 chu trình diễn ra ở tâm Mặt Trời:
+ Chu trình Proton- Proton: chiếm gần 99% trong tổng năng lượng bức xạ Mặt Trời + Chu trình Carbon- Nitrogen- Oxygen: cung cấp khoảng 1% trong tổng năng lượng
Mặt Trời
Cu thể như sau: “’
e Chu trình Proton- Proton (p-p chain) : được Bethe để xuất năm 1938 - tổng năng lượng giải phóng Q= 26,731 (MeV):
HÌ +H'->H +e*+y (1,442)
HỶ +H-> He” + y (5,493)
He’ + He*—> He* + 2H' (12,859) He’ + He*—»Be’ + (1,587)
Be’ +e¢— Li’ +y (0,862) Be’+H'—> B*+y (0,135)
LÍ + HÌ—› He' + He* (17,347) BÌ—› Be"+e°+y (15,079)
(p-p 2) Be*—» He*+He* (2,995)
(p-p 3)
« Chu trình Carbon- Nitrogen- Oxygen (CNO cycle): do Weizsacker để xuất cũng vào năm 1938; tổng năng lượng giải phóng Q = 25,01 (MeV):
H'+C"3N"+¥ (1,94)
! Năng lượng tao ra troag mỗi quá trình được cho trong ngoặc, sử đụng đơn vj MeV
Trang 10N'~C! xe*+y (1,51) C’+H' oN" +y (7,55) N“ +H! +O 47 (7,29) O” + N?+y (1,76) N° +H'— C"+He* (4,96) 2.2 Khí quyển Mặt Trời: 2.2.1: Quang quyển:
Bể mặt của Mặt Trời là lớp khí mà từ đó ánh sáng tới chúng ta, lớp mà chúng ta chụp ảnh được Lớp này được gọi là quang quyển Nó hiện ra như một mép sắc cạnh của Mặt Trời, độ dày cỡ 300 km, mật độ vật chất vào cỡ 10'5-10! hạưcm° Nhiệt độ quang cầu khoảng 6000°K với cực đại bức xạ ứng với bước sóng vàng 2 = 4,7.10” m, và bán kính R= 6,96,10° km
Mặt quang cầu có độ chói sáng không đều, độ chói giảm dần từ tâm ra bờ đĩa Điều này chứng tỏ nhiệt độ tăng theo độ sâu Mặt quang cầu có cấu tạo dạng hạt (granulation) với kích thước khoảng 700 km Các hạt là những khối khí lớn, liên tục dâng lên rồi hạ xuống Chúng tham gia vào hoạt động đối lưu rất hiêu quả, tạo nên vùng đối lưu dưới mặt quang cầu Thời gian tổn tại của mỗi hạt vào khoảng từ 5 đến 10 phú; các hạt nóng hơn tự dâng lên, dâng cao hơn và tự lạnh đi rồi rơi xuống Khoảng trung gian giữa các hạt có mau sẵm tối
Các hạt là biểu hiện của hiện tượng đối lưu của vật chất lên mặt quang cầu Dưới mặt quang cầu vật chất ở trong trạng thái xáo trộn Các cột vật chất từ dưới cuộn lên,
càng đến gần mặt quang cẩu thì lực ma sát càng mạnh (vì có nhiệt độ thấp hơn) nên vận tốc giảm dân cho đến khi đừng lại và rơi trở lại vào trong lòng Mặt Trời Như vậy mặt quang cẩu liên tục bị các dòng vật chất bắn phá từ dưới lên Sự bắn phá này gây lên kích động nhiễu loạn, làm cho quang cầu dao động và tạo thành những sóng dao động trong vật chất quang cầu như những sóng âm trong không khí
Chuyển động của các hạt làm Mặt Trời rung động như một quả chuông Năm 1960, nhà thiên văn Mỹ Leighton đã lần đầu tiên phát hiện ra rằng: bể mặt Mặt Trời đang dao động lên xuống một cách nhịp nhàng và có quy luật- Mặt Trời đang "thở" Đây được coi
là phát hiện lớn nhất của thiên văn học đầu thập kỉ 60 của thế kỷ trước Sau đó các nhà thiên văn còn phát hiện thêm các chu kỳ dao động nằm trong khoảng từ 7 đến 50 phút Năm 1976, một nhà thiên văn Liên Xô đã phát hiện chu kỳ 160 phút
Trang 11nhau và chính sự đan chéo rối rắấm này đã dẫn tới những dao động vĩ đai của bể mặt Mặt
Trời,
Hình 3 : Bề mặt quang cầu “yên tĩnh ” với cấu trúc dang “hat” (granulation)
2.2.2 : Sắc cầu:
Là phần tiếp giáp với quang cầu Sắc cẩu có độ chói sáng kém hơn quang cẩu đến hàng trăm lan Vi vậy người ta chỉ có thể quan sát trực tiếp được sắc cầu khi có nhật thực (quang cẩu bị che) dưới dạng một vành sáng, có độ dày từ 2000 km- 3000 km Mật
độ vật chất trong sắc cầu có giá trị chỉ bằng 10' lần giá trị tương ứng của quang cẩu Phân tích ánh sáng từ sắc cầu cho kết quả: mật độ khí giảm theo hệ số 10' và nhiệt độ bắt đầu tăng tương ứng với phần độ cao của sắc cẩu, từ 4400 °K đến 25000 °K Phổ của sắc cầu là phổ vạch phát xạ Trong quang phổ sắc cầu quan sát thấy lần lượt những vạch kim loại không thể có được nếu nhiệt độ vượt quá 6000 ”“K cùng với những vạch He chi xuất hiện khi nhiệt độ lớn hơn 10.000°K Bên cạnh đó là những vạch của những nguyên tử ion hoá hay của các nguyên tố khí ở trạng thái kích thích, chẳng hạn như các vạch của các ion Ca, Hạ, He Như vậy sắc cầu hết sức không đồng nhất về phương diện nhiệt và cân bằng nhiệt động lực đã không được thực hiện trong sắc cầu
Trang 12
Hình 4: Spicule
2.2.3 Nhật hoa:
Ngay phía trên sắc cẩu, nhiệt độ tăng lên rất nhanh trong một lớp có độ dày chi khoảng vài trăm km là đạt đến khoảng 109”K Đó chính là lớp chuyển tiếp (Transition rcgion) Lớp này có thể được quan sát tốt nhất trong vùng các bước sóng tử ngoại và vùng tử ngoại cực xa của phổ điện từ 4 _ 3 Z1 sẤ” tê | Nhật hoa - Mi Z4 4 6} xÃcca 135 4€ | —— , ị a E s 5} | Ving chuyển bắp l4 | ? at Í 1158 —— Ỉ Sắc cầu al i 4 16 2 3 a 5
Log 6 cao (hin)
Hình 5: Sơ đổ sự chuyển tiếp giữa sắc cầu- vùng chuyển tiếp- nhật hoa
Vành nhật hoa, nằm ngay phía trên vùng chuyển tiếp, trải dài vào trong không gian, đến khoảng cách bằng cỡ vài lần bán kính Mặt Trời có năng lượng bức xạ xấp xỉ bằng 10° lan năng lượng bức xạ của quang cẩu, và có nhiệt độ hàng triệu °K Độ sáng của vành nhật hoa chỉ vào khoảng vài phần triệu độ sáng của đĩa Mặt Trời Dựa vào Nhật hoa ký Liot mà ta có thể quan sát nhật hoa vào bất cứ lúc nào Mật độ vật chất ở vành nhật hoa là rất thấp, vào khoảng 10” hạƯ cm” Dựa vào bức xạ đến từ vành nhật hoa, người ta chia vành này thành 3 lớp Cụ thể như sau:
Trang 13+ Lớp F (lấy theo tên Fraunhofer): lớp này phát ra ánh sáng- là kết quả của sự tán xa ánh sáng của quang cầu gây ra bởi các hat bụi vũ tru nằm ở khoảng 2,3Rạ trở ra Vì
các bụi vũ trụ nặng hơn và chậm hơn các clectron nên sự mở rộng Doppker là nhỏ nên các vạch Fraunhofer vẫn tách biệt, có thể nhận rõ được Thực sư, lớp I hoà lẫn vào ánh sáng hoàng đới- là lớp sáng mờ được ủm thấy dọc theo đường hoàng đạo Lớp sáng này
là sự phản xạ ánh sáng Mặt Trời gây ra bởi lớp bụi giữa các hành tinh
L Lớp E: là nguồn bức xạ của các vạch phổ, được sinh ra bởi các nguyên tử bị ion hoá cao độ , lớp này nằm xuyên suốt vành nhật hoa, vì thế nó phủ lên cả lớp K và lớp PF 2.3 Gió Mặt Trời và từ quyển Trái Đất:
Chó Mặt Trời là sự toả dài của vành nhật hoa ra ngoài vũ trụ Mặt Trời bức xa liên tục những dòng Plasma, các hạt này bay ra khỏi Mặt Trời- đó chính là gió Mặt Trời Loại gió này bao gồm Hydro đã ion hoá (các hạt proton và clectron) trực tiếp phóng ra từ vành
nhật hoa Sư phát xạ của gió Mặt Trời ở vùng nhật hoa là do ở đó có nhiệt độ rất cao,
làm cho một phần đáng kể các phần tử Plasma ở đó đã vượt qua được vận tốc giải phóng
khỏi sức hấp dẫn của Mặt Trời Vòng nhật hoa bành trướng liên tục, ở khoảng cách 6 lần
bán kính Mặt Trời, năng lượng Plasma thắng được năng lượng hấp dẫn của Mặt Trời Ở các điểm trên quỹ đạo Trái Đất, gió Mặt Trời giữ một giá trị không đổi, trung bình từ 350 km& đến 400 km, đôi khi ở các cao điểm mới lên tới 800 km⁄s hoặc 900 kmk& vào
thời kỳ hoạt động mạnh của Mặt Trời Mật độ Plasma nói chung đao động trong khoảng từ 5 đến 6 ion trong 1 cmỶ, nhiệt độ trung bình khoảng 160.000 ”K Trong gió Mặt Trời có trung bình 4,5% Heli nhưng tỷ lệ này biến đổi trong khoảng từ 0,25% đến 25%
Trang 14
Gió Mặt Trời làm biến dạng tầng điện từ của Trái Đất Nó cũng là nguồn gốc của cấu trúc xoắn ốc của từ trường giữa các hành tỉnh Gió Mặt Trời thổi qua Trái Đất, tại sao nó không va vào Trái Đất? Trái Đất cũng là một nam châm Từ trường của nó tạo ra một vành đai bảo vệ xung quanh Trái Đất- được gọi là từ quyển Từ quyển không có dạng câu mà bị kéo dài về phía đêm của Trái Đất Ở phía trước của từ quyển, nó tạo ra lực từ ngăn chặn gió Mặt Trời và làm đổi hướng gió ở xung quanh vành đai bảo vệ
3 Hoạt động Mặt Trời: 3.1 Từ trường Mặt Trời:
Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của vật lý Plasma, ngành chấn đông học Mặt Trời và những công cụ quan trắc hiện đại, các nhà khoa học đang từng
bước thành công với ý định hợp nhất tất cả các hoạt động Mặt Trời về cùng một mối và giải thích tất cả các hoạt động này bởi cùng một lý do - đó là “từ trường Mặt Trời"
Theo bài báo được đăng trên tạp chi “National Geographic”- s6 tháng 7/2004 - của một nhóm tác giả là các nhà khoa học đang nghiên cứu về Mặt Trời - thì họ có quan điểm như sau: hầu hết Trái Đất ở thể rắn Ngược lại, toàn bộ Mặt Trời lại ở thể khí Lớp phía bên ngoài nhìn thấy được gọi là “quang cầu” Tuy nhiên Mặt Trời không hể có bề mặt và khí quyển của nó trải rộng về mọi phía, càng ra xa càng mỏng dẫn Hơn nữa, Mặt Trời như một *mớ hỗn độn " của những hoạt động điện từ Trên Trái Đất rất ít vật chật có tính dẫn điện tốt Ngược lại, trên Mặt Trời, tất cả mọi thứ đều dẫn điện được Điều kiện nhiệt độ và lượng năng lượng được bức xạ đã đủ để tách các electron ra khỏi nguyên tử, tạo thành một loại khí hỗn hợp của hạt nhân mang điện dương và các electron tự đo, gọi là Plasma, một dạng vật chất có thể dễ dang mang điện như dây đồng vậy Giống như mọi vật thể mang điện khác, Plasma sản sinh ra từ trường khi nó chuyển động Và khi từ trường này thay đổi đến lượt nó lại sản sinh ra các dòng điện chuyển động mà bản thân các dòng điện này lại sinh ra thêm các từ trường khác nữa Cái mớ bòng bong của Plasma và các ảnh hưởng điện từ trường dường như là nguyên nhân gây ra mọi hoạt động bên trong và bên trên Mặt Trời, như các vòng sáng nhật hoa hay như các khu vực tối mà ta gọi là các vết đen Mặt Trời Stephen Keil, giám đốc Trung tâm quốc gia về nghiên cứu Mat Trời (Mỹ) đã nhận xét rằng : "Tất cả những thứ mà chúng ta thấy như là hoạt động
Mặt Trời chẳng qua đều là tác động qua lại giữa từ trường và Plasma mà thôi.” Tất cả đều là những chuyển động vĩnh cửu Nguồn năng lượng của quá trình đó là phản ứng hạt nhân trong lòng Mặt Trời Tuy nhiên trong cái vũ điệu quay cuồng giữa Plasma và từ trường thì thật khó để phân biệt rạch ròi ra: đâu là nguyên nhân, đâu là kết quả
Liên quan đến từ trường Mặt Trời, các nhà khoa học đặt ra vấn để :”Cơ chế nào
đã tạo ra trong lòng Mặt Trời một dynamo từ mạnh như vậy?” Từ trường thực sự điều
Trang 15với hai cực Bắc, Nam giống từ trường Trái Đất Các nhà địa vật lý cho rằng cơ chế dynamo cia từ trường Trái Đất là do có sất nóng chảy ở tâm Trái Dat Tung tư, từ
trường của Mặt Trời dường như được tạo ra bởi chuyển động vĩnh cửu của Plasma Nhưng
cho đến mãi những năm gần đây, người ta vẫn chưa có cách nào “nhìn” được vào bên trong Mặt Trời Ngành chấn động học Mặt Trời ra đời và phát triển từ những năm 1980 da phan nào giải quyết được vấn để hóc húa trên, tuy nhiên kết quả vẫn chưa như mong
đợi Một trong những thành công của kỹ thuật mới, làm ngạc nhiền giới khoa học là phát
hiện về sự quay của Mặt Trời Ở phần quang cầu và miền đối lưu, sự quay ở xích đạo là 26 ngày/ vòng; ở cực là 36 ngày Nhiều người cho rằng các lớp bên đưới sẽ quay nhanh hơn Thế nhưng thực tế lại ngược lại : lớp trong của Mặt Trời quay như vật rắn với chu kỳ
2T ngày, tức chậm hơn ở xích đạo, nhanh hơn ở vòng cực so với lớp ngoài Điều đó có
nghĩa là vùng bức xạ và vùng đối lưu quay với tốc độ khác nhau Nhiều chuyên gia cho rằng chính điểu đó sẽ tạo nên các vùng xoắn, được đặt tên là “Tachocline” Và chính
nhân vật mới xuất hiện này đóng vai trò là dynamo tạo ra từ trường chính của Mặt Trời
Tuy nhiên cho đến nay người ta vẫn chưa biết được các dynamo đó được sinh ra ở đâu và
sinh ra như thế nào? Các chuyển động hỗn loạn làm xoắn các đường sức từ bắc- nam, cuộn chúng quanh Mặt Trời, tạo nên những cuộn xoắn khổng lổ đủ để chúng nổi lên Các “đường sức từ bị cuộn xoắn” này thoát ra khỏi bể mặt quang cầu dưới dạng các vòng khí, tai lửa và vết đen Mặt Trời ” [14]
Hình 6: Quá trình tạo Tachocline 3.2 Trường sáng:
Trên mặt quang cẩu, có nơi có lúc xuất hiện những vùng sáng hẳn lên so với xung quanh được gọi là trường sáng Trường sáng có diện tích khá rộng và tổn tại khá lâu dưới dạng những vết, những đốm sáng Nhiệt độ của trường sáng cao hơn nhiệt độ của quang cầu đến 200°K- 300K, điểu này giải thích tại sao ta nhìn thấy nó “sáng” vì tương phản với bể mặt quang cầu có nhiệt độ thấp hơn một chút
Trong vùng các trường sắng có từ trường mạnh, thường xuất hiện các vết den Tuy nhiên, trường sáng là hoạt động ít được nhắc đến nhất trong các hoạt động Mặt Trời Gần đây, người ta không nhắc đến trường sáng như là một hoạt đóng riêng lẻ nữa Thay vào
Trang 16đó, trường sáng được cho rằng là “giai đoạn khởi động” cho sự xuất hiện của các vết đen Mặt Trời
3.3 Vết đen:
Các vết đen xuất hiện ở quang cầu, dạng điển hình là một khoảng hơi tròn, gồm có hai phẩn: phẩn tâm đen thẫm hơn có nhiệt độ cỡ 3800°K được gọi là phẩn chuỳ tối (Umbra) và phẩn ra có dạng tia xuyên tâm sáng hơn gọi là phẩn bán chuỳ tối (Penumbra), đôi khi như có những nhịp cầu sáng bắc qua khu tối (hình /9) Vì thế cái tên "vết đen” ở đây cũng mang ý nghĩa tương đối và màu đen của nó hiện ra trên các bức ảnh chẳng qua là do nhiệt độ của nó thấp hơn nhiệt độ của quang cầu và vì thế nó tương phản với môi trường xung quanh Độ sáng bể mặt của chúng điển hình vào khoảng 1⁄4 độ sáng của môi trường xung quanh; độ sáng này vẫn dễ làm mù mắt mọi người!
Hình 7: Cận cảnh một vết đen
Kích thước các vết đen rất khác nhau, nhưng nói chung là rất lớn Đường kính phần chuỳ tối có thể từ 1.000 đến 100.000 km và nếu tính cả vùng bán chuỳ tối thì còn lớn hơn nữa Có những vết đen khổng lổ, đường kính hàng triệu km, nổi lên chiếm một phần diện tích mặt quang cầu và mắt thường có thể nhận ra được Còn có các vết đen nhỏ hơn, đường kính chỉ vào cỡ 10” km Thoạt đầu, vết đen xuất hiện dưới dạng một chấm mờ,
sau đó lan rộng dẫn và đen thành vết rõ rệt
Trang 17Các vết đen thường xuất hiện thành từng nhóm, đặc biệt là các nhóm đôi Chúng thường xuất hiện trong khoảng vĩ độ +5” cho đến +40”K và di chuyển có quy luật: ở đầu chu kỳ, chúng thường xuất hiện ở vĩ độ +30, tại cực đại chúng ở vào vĩ độ +15” sau đó Ăn cuối chu kỳ thì xuất hiện ở gần xích đạo Mặt Trời Chu kỳ tiếp theo lại lặp lại như
Maximum Minimum Maximum
— —
Hình 8: Vết đen Mặt Trời biến đổi có chu kỳ
Nhờ hiệu ng Zeeman, người ta biết được tính chất từ của vết đen Mặt Trời Giá trị từ trường của vết đen Mặt Trời vào cỡ 0,1 đến 0,2 Tesla- tức gấp hàng ngàn lần giá trị của từ trường Trái Đất Có nhiều giả thiết được đưa ra nhằm giải thích nguồn gốc của vết đen và lý do tai sao vết đen lại “lạnh” như thế
Về từ trường của vết đen, có giả thuyết cho rằng nó phải do một dòng điện rất lớn gây ra Dòng điện chạy trong chất khí này là do chuyển động đối lưu của Plasma gây ra Có thể lấy hình ảnh của solenoid như một mô hình của vết đen Mặt Trời: dây được quấn chặt theo dang một ống hình trụ; dây tương ứng với khí ở vùng biên giới của vết đen Như vay, “day” ma trong đó có các dòng điện chạy dày khoảng 10” km, các đòng điện quay xung quanh vết đen, với đường kính khoảng 10‘ km Dé đơn giản hoá, chúng ta sẽ giả sử rằng solenoid dài hơn rất nhiều so với đường kính của nó, khi đó từ trường trong ống dây là đồng nhất Ta ước tính được độ sâu thực sự đạt được bởi một vết đen và từ trường của nó là 3.10! km, Do đó solenoid đài 3.10" km và với từ trường của vết đen quan sát được B = 0,15 T ta tính được đòng điện tổng cộng quay quang vết đen Mặt Trời là 4.10!” A Dòng điện này là rất mạnh Hơn nữa, một đây dày như vết đen thì không có nhiệt toả ra Vì thế trong chừng mực nào đó, vết đen Mặt Trời cần phải được xem xét như một nam châm siêu dẫn rất mạnh
Mot gid thuyết khác lại cho rằng: nguồn gốc vết đen Mặt Trời có liên quan đến từ trường Mặt Trời Các kết quả đo đạc cho phép xác định rằng ở vết đen và xung quang nó tác dụng một lực từ rất lớn, khiến cho bản thân Mặt Trời trở thành một nam châm khổng lỗ, có kích thước gấp nhiều lần thanh nam châm Trái Đất Những đường sức của từ trường vết đen toả ra từ trung tâm ra khắp mọi phía và vùng trung tâm là nơi có từ trường mạnh nhất Theo quy luật chung, mọi thanh nam châm đều có hai cực Nam- Bắc Cho nên những vết nam châm của Mặt Trời cũng mang tính lưỡng cực Điều đó cắt nghĩa tại sao
Trang 18các vết đen Mặt Trời xuất hiện dưới đang đôi: một trong hai vết là cực bắc, vết kia là cực nam
Nếu như so sánh với một nam châm móng ngựa thường thấy, ta có thể hình dung phẩn giữa của nam châm đã chìm sâu trong lòng Mặt Trời còn hai cực ló lên mắt tạo thành các cặp vết đen Từ đó dẫn đến một khả năng là dưới bể mặt sáng chói của quang cầu tổn tại những xoáy khí khổng lổ Các xoáy khí đó cất ngang bể mặt quang cẩu, tạo thành các vết đen và các cực từ đối nhau Giả thuyết này chưa thuyết phục vì chưa chỉ ra được cách thức mà các vết đen hình thành từ các xoáy khí như thế nào?
Giả thuyết mới nhất coi vết đen Mặt Trời như là một trong những biểu hiên của hoạt động từ trường Mặt Trời Theo đó, khi một bó các đường sức từ phông lên và toả lên khỏi mặt quang cẩu, có kích thước cỡ vài lần Trái Đất- đó chính là vết đen Mặt Trời
Về sự “lạnh lẽo” của vết đen, có hai trường phái khác nhau nhằm giải quyết vấn đề này Quan điểm thứ nhất, khá xa xưa, cho rằng: do có những bằng chứng về các luồng khí phụt ra từ tâm Mặt Trời qua vết đen nên có thể suy ra rằng, khi tới quang cẩu, dòng khí này toả ra mọi phía Chính dòng khí đó làm giảm nhiệt độ của vết đen Ở những lớp dưới
của sắc cầu, ngay trên khu vực vết đen, người ta thấy những luồng chất khí chạy từ trung tâm ra ngoài rìa, còn ở những lớp trên cao thì luỗng khí lại chạy từ ngoài rìa vào trung tâm Quan điểm thứ hai, hiện đại hơn với việc gắn vết đen với từ trường Mặt Trời Theo đó, sự xuất hiện của vết đen có thể được giải thích qua tác động của từ trường lên chuyển động đối lưu của vật chất trong lớp quang cầu Từ trường mạnh ngăn cản sự chuyển động của đòng vật chất đối lưu theo phương thẳng góc với đường sức của nó Ở dưới khu vực xuất hiện vết, dòng vật chất chuyển động từ dưới lên bị hãm chậm lại, tức là khả năng chuyển lớp vật chất ở nhiệt độ cao (lớp sâu trong quang cẩu) lên mặt quang cầu bị yếu hơn so với khu vực xung quanh Kết quả là ở đây, nhiệt độ của lớp vật chất thấp hơn! Quan điểm mới cũng đồng ý với ý kiến này khi cho rằng các đường sức từ đã cản trở sự đối lưu của các dòng khí phía dưới Tuy giả thiết này vẫn rất cần một sự kiểm nghiệm tin cậy từ thực tế nhưng các nhà khoa đang rất hy vọng vào một lý thuyết phù hợp để giải quyết vấn để vết đen Mặt Trời
Các vết đen có đời sống khác nhau, lại cùng quay với Mặt Trời Vì vậy, làm thế nào để khi nhìn lên Mặt Trời, ta biết được có khả năng có bao nhiêu vết đen Mặt Trời tổn
tại? Năm 1849, nhà thiên văn người Thuy Sĩ Rudolf Wolf (1816-1893), dựa trên những quan sát có sẩn trước đó, đã xây dựng các nguyên tắc thống kê số vết đen Mặt Trời va dé ra một công thức vẫn được sử dụng cho đến ngày nay
R =k (10g +f)
R : chi s6 vết đen Mặt Trời
g :s6 nhóm vết đen Mặt Trời quan sát được
Trang 19(Trong một số tài liệu còn ký hiệu là W thay cho R, tức lấy theo tén Wolf)
Chỉ số vết đen Mặt Trời có thể lấy hàng ngày Sau đó người ta lấy theo trung bình tháng hoặc năm để phục vụ cho các mục đích khác nhau Khi biểu diễn trên đồ thị, đó là các số liệu vết đen đã được làm trơn (smooth) qua công cụ toán thống kê và xử lý vi tính Hiện nay, các đài quan trắc trên thế giới với những ống kính tỉnh xảo và hệ thống máy vi tính rất mạnh đã hàng ngày đưa ra được những thông số về vết đen rất đáng tin cậy Đây là nguồn dữ liệu quý cho các nhà khoa học khắp thế giới sử dụng vào các mục đích khác nhau Một trong số đó là đài quan trắc của Bỉ qua trang web:http://www sidc.oma.be/
Bằng cách nghiên cứu chỉ số Wolf qua nhiều năm, từ năm 1849 Schawabe đã nhận thấy tính qui luật của nó Đó là: chỉ số này tăng giảm theo qui luật l1 năm Chu kỳ đó được gọi là chu kỳ hoạt động Mặt Trời Đầu chu kỳ ứng với chỉ số Wolf cực tiểu, sau đó nó tăng dẫn đến cực đại vào khoảng giữa chu kỳ và giảm dẫn, đạt cực tiểu ở cuối chu kỳ
Đồng thời với Wolf, Sporer đã nhận thấy tính quy luật của sự xuất hiện vết đen Mặt Trời theo vĩ độ Mặt Trời, được gọi là định luật Sporer và sau này (1922) được Maunder minh hoa- goi 1A giản đổ Bướm (Butterfly Diagram) (hình !4) Theo đó vết đen Mặt Trời có vị trí xuất hiện như đã trình bày ở trên Người ta giải thích giản đổ Bướm bằng lý thuyét Dynamo (Babcock 1961) vé nguồn gốc vết đen Mặt Trời Theo đó Mặt Trời là một khối khí quay không đều Trên mặt quang cầu, khí ở vùng xích đạo quay nhanh hơn ở vùng có vĩ độ cao Ở đáy của tắng đối lưu có khả năng xuất hiện những tâm từ Nguyên nhân của sự xuất hiện này có thể là do lớp Plasma nhiễu loạn giữa các miễn có mật độ electron và nhiệt độ khác nhau, dòng điện hình thành và từ đó tạo nên mội từ trường địa phương yếu Các đường sức từ kết lại thành từng ống và quay quanh trục Mặt Trời Do sư quay không đều , các đường sức từ tập trung dày đặc hơn ở những vĩ độ cao (hình 9)
Trang 20Sự bất ẩn có thể khiến các ống từ trồi lên ở vĩ độ cao, tạo nên các vết đen Mặt Trời ở đầu chu kỳ ở các vĩ độ này Tiếp tới, khi chu kỳ tiếp diễn, do sự quay không đều vẫn tiếp tục, vết đen sẽ xuất hiện ở các vĩ độ thấp hơn Lý thuyết này thuần tuý là những tính toán toán học Tuy vậy nó chưa giải thích được một cách cặn kẽ sự tạo thành các vết đen
và chưa cho phép tiên đoán được chu kỳ hoạt động Mặt Trời Mặc dù vậy nó vẫn là lý thuyết dẫn đầu hiện nay
Ngoài chu kỳ l1 năm, từ năm 1912 G.E.Hale đã phát hiện chu kỳ 22 năm của vết đen Mặt Trời Điều này còn được gọi là định luật Hale-Nicholson Năm 1915, Hale cùng các cộng sự ở đài quan sát Mount Wilson - California phát hiện ra rằng hấu hết các vết đen Mặt Trời xuất hiện thành cặp, đường nối chúng song song với xích đạo Mặt Trời, định hướng Đông -Tây, với từ trường trong một vết hướng về phía chúng ta (chẳng hạn chỉ thị là S), trong vết đen khác từ trường định hướng ra xa chúng ta (chỉ thị là N) (hình 10) Rõ ràng sự sắp xếp các vết đen bị ảnh hưởng bởi sự cuộn quấn vĩnh cửu của từ trường chính bắc - nam Mặt Trời Trong suốt l1 năm, sự phân cực từ trường của các cặp vết đen ở bán cẩu Bắc Mặt Trời là theo một hướng, ở bán cầu Nam là theo hướng khác như trong hình 10 Trong suốt l1 năm tiếp theo có sự định hướng ngược lại Sau 22 năm sự phân cực mới lặp lại Như vậy chu kỳ 22 năm mới là chu kỳ hoạt động của vết đen Mặt Trời Hiện vẫn chưa có lời giải thích thoả đáng về chu kỳ này
Py : my
+ “›Õ^ *
Hình 10 : Các cặp vết đen Mặt Trời
Như vậy, có thể thấy rằng vết đen Mặt Trời được nghiên cứu sớm nhất và kỹ lưỡng nhất trong các loại hoạt động Mặt Trời
Trang 21Tai lửa là loại hoạt động liền quan mật thiết đến từ trường Mặt Trời, được quan sát trong nhật hoa Tai lửa là dòng vật chất có mật độ dày đặc hơn và nguội hơn so với vật chất trong sắc cầu phun lên nhật hoa Tai lửa có dạng và kích thước khác nhau Đây là loại hoạt động có kích thước lớn hơn cả Bể rộng của nó đến hàng ngàn km và bể dài
có thể đến hàng trăm ngàn km Màu đỏ (bước sóng 656,3 mm) của tai lửa cho chúng ta
biết ta đang quan sát Hydro nóng đỏ (khoảng 10' K) Tại sao tai lửa không rơi vào bể mặt Mặt Trời? Từ hình dáng các tai lửa, người ta tưởng tượng ra rằng: tai lửa sắc nét giống như hình ảnh của bột sắt xung quanh một nam châm rắn trong phòng thí nghiệm Như vậy rõ rằng có một từ trường tạo nên tai lửa Nếu ở đó cũng có dòng điện thì tai lửa có thể
được nâng lên bởi lực từ I x B Nhưng dòng điện này ở đâu ra? Liệu rằng có phải là dòng điện của các vết đen nằm dưới các tai lửa hay không? Cụ thể các tai lửa được nâng như
thế nào vẫn còn là câu hỏi chưa có lời đáp
Người ta có thể phân biệt hai loại tai lửa như sau:
Tai lửa “tĩnh”: là những dòng khí ion vươn lên vành nhật hoa Vật chất ở trong tai
lửa dường như bị cuốn dọc theo đường sức từ trường ở những vùng hoạt động mạnh, với
kết quả là các khí trong đó thì lạnh hơn và đậm đặc hơn khí ở vòng nhật hoa xung quanh Khi quan sát bằng ánh sáng H„ ở na Mặt Trời trong kỳ nhật thực, ta thấy tai lửa dạng này giống như những tỉa thẳng đứng vuông góc với vành nhật hoa và nó có thể tổn tại trong vòng vài ngày (hình 11 a)
Tai lửa “hoạt động”: tai lửa dạng này có thể chỉ tổn tại trong vòng vài giờ Chúng có dạng hình mỏ neo , là các dòng vật chất chảy theo các đường sức từ về phía các cực từ
trong một khu vực vết đen hoạt động mạnh Mặc dù các tai lửa hoạt động có quan hệ chặt chẽ với các vụ bùng nổ Mặt Trời nhưng các tai lửa nh lại tách riêng hẳn ra khỏi các hiện tượng bùng nổ trên Mặt Trời Nhưng thật kỳ lạ là các tai lửa tĩnh có đôi khí lại bị ảnh hưởng bởi các bùng nổ, làm cho nó bị bứt ra khỏi bể mặt Mặt Trời và phóng vật chất vào trong không gian (hình 11 b)
Hình 11 a, b
Trang 223.5 Bùng nổ sắc cầu:
Trong sắc cầu, ở những khu vực gần các vết đen, đặc biệt là những khu vực nằm ở gần các cự từ mạnh thường xuất hiện những tâm hoạt động cực mạn được gọi là bùng nổ sắc cầu Đó thực sự là những tai biến bất thường xảy ra trong các tâm hoạt động: trong
một khoảng thời gian rất ngắn một năng lượng cực lớn được giải phóng, thể hiện dưới dang ánh sáng, bức xạ, luồng hạt gia tốc và những nhiễu động trong khí quyển Mặt Trời (tia vũ trụ năng lượng thấp, tia Ronghen, bức xạ vô tuyến, các dòng hạt vật chất với vận
tốc cỡ 1.000 km/s) Ở đây độ chói sáng được tăng đột ngột trong vài chục phút rồi từ từ
giảm dần
Bùng nổ sắc cẩu được quan sát thấy lẩn đầu tiên bởi hai nhà thiên văn Richard Carrington và Hoxon độc lập với nhau vào ngày 1/9/1859, đó là một vụ bùng nổ khá lớn
Một bộ phận của tâm hoạt động loé sáng, phát ra ánh sáng trắng dễ nhìn thấy Sự loé
sáng này xảy ra từ từ trong khoảng từ 10 phút đến 3 giờ, độ sáng tăng dẫn đến một cực đại rồi lại giảm đến mức ban đầu Ngày nay ở các đài quan sát người ta dùng phương pháp chụp ảnh quang phổ với bộ lọc đặc biệt để tách riêng vạch Hydro
Một bùng nổ điển hình kéo dài 20 phút Nhiệt độ trong bùng nổ có thể đạt tới 2.10”
”K, tức nóng hơn vành nhật hoa cả chục lần Vậy bùng nổ Mặt Trời chắc chắn phải là một vụ nổ lớn trong vành nhật hoa Người ta nhận thấy bùng nổ Mặt Trời diễn ra trên một nhóm các vết đen Mặt Trời, dường như có sự chập mạch diễn ra trong các dòng điện chạy trong vòng nhật hoa ở phía trên các vết đen Bùng nổ Mặt Trời chắc chắn là một tia lửa điện khổng lổ Hiện nay chưa ai có thể giải thích nguyên nhân bùng nổ Mặt Trời một cách chỉ tiết Gần đây, người ta đưa ra mô hình giải thích bùng nổ Mặt Trời dựa vào thông tin nhận được từ tàn vũ trụ Solar Max Theo đó, nhiệt độ trong vòng từ trường của khí Mặt Trời có thể tăng lên một cách nhanh chóng từ 10 triệu đến 100 triệu độ là kết quả của sự tương tác với vòng từ trường khác; năng lượng thoát ra có thể làm tăng tốc các hat prétén va electron va lam chúng chuyển động quang các đường sức từ của các vòng Ở chân của các vòng, nằm trong vùng sắc cẩu hay quang cẩu, chúng bị giảm tốc một cách đột ngột bởi mật độ vật chất ở đây lớn hơn Sự giảm tốc làm động năng của chúng biến thành bức xạ Rơnghen và bức xạ y làm bốc hơi vật chất tạo thành vành nhật hoa
Trang 23Bùng nổ sắc cầu được giải thích cách khác bởi sự tăng đột ngột của mật độ vật chất trong vùng bị nén, chính là điểm khơi mào Nguyên nhân của vật chất bị nén mạnh này có thể liên quan đến trạng thái không bến vững của từ trường và lớp Plasma tổn tại ở khu vực đó mỗi khi áp suất từ lớn hơn áp suất chất khí
Quan niệm mới ngày nay cho rằng bùng nổ Mật Trời được tạo ra khi các có các đòng điện bị thoát đột ngột, tức là khi một hay nhiều vòng từ trường trong nhật hoa bị kéo cảng, tạo ra các điểm đứt vá mới
Mô hình hiện đại giải thích một bùng nổ có thể được mô tả như sau : toàn bộ hình dạng của nó giống như một hình số 8 úp ngược với phẫn dưới bé hơn rất nhiều Phắn phía dưới hở, có hai *chân” cấm vào bể mặt Mặt Trời, đó chính là điểm khơi mào Tại chỗ vận xoắn- gọi là điểm tái kết nối, các hạt mang điện được gia tốc và đơi khi thốt ra ngồi, trở thành các tia vũ tru Như vậy nôm na có thể hiểu bùng nổ là do có sự vặn xoắn các đường sức từ, Cẩn để ý rằng trong mỗi vụ bùng nổ, năng lượng được triển khai lên đến 3.10!” KWh, tức bằng khoảng 25 tỷ trái bom kinh khí mỗi trái 1 megaton Như vậy, làm thế nào mà một lượng năng lượng khổng lồ lại được giải phóng nhanh như thế? Câu hỏi vẫn chưa có câu trả lời
Hình 12; Bùng nổ Mặt Trời
3.6 Sự phóng vật chất từ vành nhật hoa:
Người ta bắt đầu quan tâm nghiên cứu sự phóng vật chất từ vành nhật hoa từ năm
1971 Đó là hiện tượng một số vành khí nóng trong vành nhật hoa đột ngột dâng lên phía
trên Mặt Trời và dịch chuyển xã vào vũ trụ Dòng Plasma này có khối lượng hàng tỉ tấn, chuyển động với vận tốc từ 500 đến 1000 km người ta cho rằng từ lực đã tác động lên khí, giúp chúng thắng được lực hấp dẫn Nguyên nhân của CME có thể là do sự ngất
Trang 24mach tạm thời trong các đường sức từ, Hiện nay chưa có lý thuyết rõ ràng về vấn để này Tuy nhiên, cũng như bùng nổ Mặt Trời, sự phóng khí này liên quan chặt chế với các vết đen Mặt Trời, chúng có nhiều vào thời kỳ Mặt Trời hoạt động mạnh và cũng gây nhiều ảnh hưởng đến Trái Đất
Mỗi vụ phóng vật chất từ vành nhật hoa có khối lượng trong khoảng từ 10'” đến 10 g Khi đấm mây khổng lổ này gặp sự cản trở của từ trường Trái Đất, nó bẻ quặi các đường sức từ và nện cú đấm hàng tỷ oát vào tầng khí quyển tẳng cao của Trái Đất Nó có thể làm tê liệt các hẻ thống điện, hỏng các thiết bị nhạy cắm trên các vệ tỉnh CME diễn biến phức tạp, thường sau từ một đến ba ngày mới đến Trái Đất Cho đến nay người ta chưa thể dự đoán được chính xác khi nào có CME xảy ra vì chưa hiểu cơ chế phóng khí của nó Nhưng với các vệ tính hiện đại (SOHO và TRACE) chúng ta có thể biết được khi nào CME: rời Mặt Trời Theo J.Kuncher- giám đốc trung tâm quốc gia Mỹ về hải dương và khí quyển Trái Đất thì “chúng ta có thể dự đoán chính xác đến 80% là khi nào CME đụng vào Trái Đất" Ví dụ như tháng 8/2003 có các vụ bùng nổ và CME mạnh nhưng nhờ được cảnh báo chính xác, chúng ta chỉ gặp những sự cố nhỏ Tuy nhiên tàu thăm đò Sao Hoả Odyssey đã bị hư hỏng Chứng tỏ chúng ta vẫn chưa có những hiểu biết chính xác về CME [14]
Hình 13: Các vòng khí nhật hoa (mau vàng và xanh) có tác dụng như mạng lưới ngăn cản sự giải phóng năng lượng từ đang có xu hướng đắng lên Sau đó trong quá trình chuyển động, các vòng này có thể tham gia một quá trình gọi là sự kết nối từ và xé toạc mạng lưới Hàng tỉ tấn Plasma thoát ra với vận tốc từ l đến 5 triệu đặm/ giờ, tạo thành một đám máy rộng hàng triệu dặm
Hình 13: Mới giờ sau khi CME rời khỏi Mặt Trời và tiến về Trái Đất, SOHO và các vệ tính khác sẽ ước đoán sự k‡i hại của nó Trong tình huống xấu nhất, CME không những làm co ép vành đai từ trường bảo vé mà còn giáng cú đấm hằng tỷ oát vào lớp khí quyến tắng cao
Trang 253.7 Chu kỳ hoạt động "ặt Trời:
Số vết đen, trường sáng xuất hiện trên Mặt Trời biến thiên có chu kỳ và chúng có quan hệ chặt chẽ với nhau Nơi xuất hiện của chúng được gọi là tâm hoạt động Có thể kể lại trình tự xuất hiện của chúng như sau: đầu tiên trường sáng xuất hiện, sau đó là các vết đen Bùng nổ Mặt Trời và tiếp theo sau đó là sự phóng khí từ vành nhật hoa (nếu có) sẽ xảy ra ở thời kỳ vết đen phát triển mạnh Còn tai lửa tiếp tục hoạt động cho đến khi toàn bộ biến mất Thời kỳ có nhiều tâm hoạt đông như vậy được gọi là thời kỳ Mặt Trời
hoạt động và ngược lại, giai đoạn không có hoặc có rất ít tâm hoạt động được gọi là thời
kỳ Mặt Trời tĩnh Trong các dạng hoạt động Mặt Trời, vết đen được dùng làm đại diện cho độ hoạt động vì nó dễ quan sát và chu kỳ của nó có liên quan đến từ trường Mặt
Trời
Những số liệu hàng ngày của chỉ số vết đen Mặt Trời- số R đã bất đầu thu thập được từ năm 1749 đến nay và mặc dù còn khá thô đã cho phép lập những chu kỳ hoạt
động mặt trời từ khi phát minh ra kính thiên văn Chỉ số R dao động khá rõ rệt Việc theo
đõi quá trình nhiều năm của diễn biến chỉ số này còn cho thấy mọi khuynh hướng 80 năm
của các vòng tuần hoàn ll năm Và nếu như vận dụng cả những tư liệu lịch sử có liên quan đến các hiện tượng, hoạt động Mặt Trời được ghi chép trên toàn thế giới từ thời xa
xưa thì còn có thể giả định sự tổn tại một chu kỳ dài 400 năm! Đi vào chỉ tiết, người ta còn ghi nhận được rằng trong vòng một chu trình 11 năm đã sinh ra và chết đi khoảng
3000 tâm hoạt động Con số này hình như tuân theo một định luật quan trọng nào đó chỉ phối sự thống nhất của mỗi chu trình Mặt khác, quy luật xuất hiện của các vết đen rất rõ rệt và nó cho phép ta phân biệt hai vết liên tiếp, mặc dù chúng tổn tại song song Ngoài ra còn có một sự khác biệt lớn trong hoạt động của hai bán cầu, khiến người ta thậm chí còn tưởng chúng hoạt động theo những chu trình hoàn toàn độc lập với nhau Đó là trong những chu trình nhiều vết, bán cầu nam hoạt động mạnh lúc đầu nhưng sau đó bán cầu bắc lại vượt trội hơn Còn trong những chu trình có ít vết đen, tình hình hoàn toàn đảo ngược lại Việc hoán vị này dường như tuân theo chu kỳ 80 năm bao trùm các chu trình nhỏ 11 năm Và ngay trong một chu trình II năm, người ta còn thấy các tâm hoạt động không những thay đổi về số lượng mà còn cả kích thước và độ dài vòng đời nữa Ở đầu và cuối chu trình, tỷ lệ các vết nhỏ đặc biệt cao, còn ở giữa chu trình là nhũng vết lớn tổn tại lâu Cùng lúc ấy xuất hiện nhiều tâm dị thường về phương diện từ trường, nguồn gốc của những vụ nổ lớn.Khoa học hiện nay đã quy tất cả trách nhiệm ấy cho từ trường Mặt Trời và thế là họ đi tìm hiểu tại sao từ trường của Mặt Trời lại biến đổi định kỳ như thế? Các quan sát sự tách vạch Zeeman cũng đã cho kết quả một độ lớn từ trường rất cao
Những đường sức khi Mặt Trời yên tĩnh nối hai cực của Mặt Trời và kéo dãn ra thành các “sợi” Những đường sức sẽ bị biến dạng bởi sự quay vi sai kéo chúng về phía Tây rồi các lớp gần xích đạo quay nhanh hơn Rốt cuộc vào đầu một số năm, đường sức có dạng
đường xoắn ốc dưới bể mặt Mặt Trời theo hướng ngược chiều nhau ở hai bán cầu của Mặt Trời Lúc này động năng quay biến đổi thành năng lượng từ trường như đã để cập ở
Trang 26phẩn trước Giao điểm của các quai xoắn ốc với bể mặt tạo nên hai cực của tâm hoạt
động Nhờ điểu này mà người ta lý giải được tại sao ở vĩ tuyến 40” của Mặt Trời lại có
nhiều tâm hoạt động như vậy Sự tác động lẫn nhau của các vùng cực gây nên một sự trung tính hoá: Mặt Trời yên tĩnh các đường sức lấy lại dạng ban đầu, sau đó vùng biến
đổi lai bất đầu tiếp diễn, Các chu kỳ từ 75 năm và thậm chí 400 năm dường như tương quan với chu kỳ biến động của trục từ của Mặt Trời đối với trục quay của nó.Tuy nhiên tất cả mới chỉ là ước đoán vì khoa học Mặt Trời mới chỉ bắt đầu trong khoảng 4 chu kỳ Mặt Trời hoạt động gắn đây Cho nên chỉ có chu kỳ hoạt động 22 năm theo số vết đen Mặt Trời là chắc chấn an sam 01% (> Le% + h% OS Gh O46 Om as Tis Pre re Hình 14 :Giản đổ bướm ( DN EQ
Hình 15: Từ trường định hướng cầu của Mặt Trời, theo đó cực các vết đen biến đổi
theo chu kỳ 11 năm
4 ANH HUGNG CUA HOAT DONG MẶT TRỜI LÊN TRÁI ĐẤT: 4.1: Ảnh hưởng đến thời tiết, khí hậu trên Trái Đất:
Trang 27Mặt Trời không ngừng thổi về phía Trái Đất những luỗổng bức xạ sóng và bức xạ hạt Năng lượng bức xạ sóng của Mặt Trời, thông qua kênh truyền nhiệt, tác động lên tẳng khí quyển dưới thấp tạo nên thời tiết - khí hậu Như vậy, Mặt Trời là nguồn gốc sinh ra thời tiết trên Trái Đất Việc đốt nóng các lớp dưới của khí quyển bắt đầu làm khởi động guồng máy tạo nên thời tiết Vùng nóng nhất của Trái Đất là khu vực xích đạo Ở các cực, nơi tiếp thu được ít nhiệt Mặt Trời thì lạnh hơn nhiều và có vai trò như một buồng ngưng tu Những luồng không khí nóng bốc lên cao mạnh mẽ ở xích dao chuyển vận vẻ phía vùng cực, lạnh dẫn đi, ha thấp xuống làm tăng áp suất và dồn lại về phía xích đạo Thế là hình thành một cơ chế xoay tròn của không khí tác động bởi nguồn nhiệt Mặt Trời
Nhưng Trái Đất lại quay quanh trục của nó Tác dụng quay làm lệch hướng chuyển động về phía phải ở bán cầu Bắc và về phía trái ở bán cầu Nam Do đó, luồng không khí không đi thẳng từ xích đạo tới cực mà quay vòng dẫn dẫn Tới khoảng vĩ độ 30 thì nó đã chuyển dịch gần song song với vĩ tuyến Từ đó, một phẩn tiếp tục đi lên phía bắc, một phần quay trở lại xích đạo, biến thành 2 luồng không khí liên kết với nhau: giữa xích đạo và vùng vĩ độ trung bình; giữa vĩ độ trung bình và vùng cực
Ngoài ra, do sự phân bố không đồng đều giữa lục địa và đại dương, mức độ bị đốt nóng khác nhau giữa 2 thành phần đất và nước của địa cầu làm cho vòng quay của không khí trở thành phức tạp hơn rất nhiều
Với những kết quả đo đạc trực tiếp và số liệu vệ tinh, các nhà vật lý khí quyển đã xác định được rằng, hằng số Mặt Trời (là lượng nhiệt từ Mặt Trời đến ranh giới trên cùng của khí quyển, trên I1 cmỶ, trong 1 phút) thay đổi khoảng 2% so với trị số trung bình và
biến đổi theo chu kỳ hoạt động của Mặt Trời Sự thay đổi tổng lượng nhiệt từ Mặt Trời đến Trái Đất sẽ làm thay đổi bức tranh luân chuyển của các khối không khí cùng các quá trình vật lý khí quyển khác kèm theo Từ đó, làm thay đổi các điều kiện hình thành thời tiết, khí hậu trên Trái Đất
4.2 Ánh hưởng đến thông tin liên lạc:
Trong khí quyển Trái Đất, tầng điện ly có vai trò quan trọng trong thông tin liên lạc Tuỳ theo mật độ điện tử của các lớp trong tầng đó mà nó có khả năng, làm phản xạ hay cho truyền qua những sóng vô tuyến có tần số khác nhau Thực nghiệm cho biết ứng với tẳng điện ly có mật độ điện tử xác định sẽ có tấn số tới hạn của sóng vô tuyến có khả năng phản xa từ tầng đó Mật độ điện tử càng lớn thì sóng phản xạ có tần số càng cao
Trong liên lạc xa bằng sóng ngắn, ta lợi dụng khả năng phản xạ từ tẳng điện ly của loại sóng này để truyền tin đi đến mọi nơi trên mặt đất Trong thời kỳ Mặt Trời hoạt động mạnh, các dòng tia Rơnghen được tăng cường (bắn phá các phân tử khí trong khí quyển mạnh hơn) làm cho mật độ điện tử trong tẳng điện ly tăng lên đột ngột Các sóng
Trang 28ngắn từ các đài phát vô tuyến đang thích hợp với trạng thái ổn định của tẳng điện ly sẽ không còn thoả mãn điều kiện phản xạ khi xảy ra bất ổn và sự liên lạc sẽ bị rối loạn, có khi mất hẳn
Kỹ thuật truyền thông hiện đại với các vệ tỉnh liên lạc toàn cầu tưởng chừng như không bị ảnh hưởng nhưng thực tế không phải Những tín hiệu trên đường truyền vệ tỉnh
- mặt đất cũng cần phải đi xuyên qua tẳng điện ly và vì thế vẫn chịu sự chí phối của tầng này
4.3 Bão từ- ảnh hưởng đến sức khoẻ con người:
Trái Đất có từ trường và nói chung từ trường này khá ổn định Kết quả khảo sát cho thấy rằng bão từ thường xảy ra sau khoảng 20 giờ kể từ khi trên Mặt Trời có bùng nổ sắc cầu Điều đó cho phép ta nghĩ đến nguyên nhân gây ra bão từ là do dòng hạt mang điện phóng ra từ bùng nổ và tác dụng lên các đường sức từ của Trái Đất Theo các nhà khoa học thì dòng hạt mang điện này có tính dẫn điện cao, mang theo một phần từ trường của
vết đen ( tên lửa vũ trụ của Liên Xô đã đo được từ trường của dòng hạt này vào khoảng 6.10 T) Dòng hạt này có đặc tính phản từ, ép các đường sức từ trường của Trái Đất làm cho từ trường của Trái Đất nơi bị ép tăng lên Do từ trường của Trái Đất biến thiên nên trong dòng hạt mang điện này lại xuất hiện dòng điện cảm ứng có xu hướng chống lại sự biến thiên của từ trường Trái Đất Hiện tượng này tiếp diễn và kết quả là từ trường của Trái Đất khi tăng khi giảm đột ngột
Đặc biệt, sự biến đổi đột ngột của từ trường Trái Đất tác động lên những tế bào mang từ trong tim và não nên ảnh hưởng không nhỏ đến bệnh nhân cao huyết áp, tìm mạch và thân kinh Thông kê trên thế giới cho biết trong thời gian xảy ra bão từ, tỷ lệ tử vong của các đối tượng trên tăng mạnh Như ở Nga, người ta đã thống kê được trong thời gian xảy ra bão từ tỷ lệ tử vong của những bệnh nhân tìm mạch tăng lên 30% Bão từ tác động mạnh nhất đến những người mẫn cảm với từ trường Ở Nga, người ta thường đưa bệnh nhân tìm mạch vào lồng Faraday để tránh bão từ Rất tiếc ở nước ta chưa có điều kiện để tiến hành việc làm này Các bệnh nhân dạng này cẩn được theo dõi để có biện pháp diéu
trị kịp thời
Trang 29làm các vệ tinh mất độ cao, chuyển động vào sâu hơn trong khí quyển nơi có mật độ đậm đặc hơn, ở đó ma sát lại lớn hơn Quá trình cứ thế tiếp diễn cho đến khi vệ tỉnh bị khí quyển làm cho bốc cháy và bốc hơi trong khí quyển
Skylab là trạm vũ trụ đầu tiên của Mỹ - được phóng vào năm 1973 Skylab đã đón các nhà du hành lên làm việc, đã quay quanh Trái Đất được khoảng 35 ngàn lần, đã có rất nhiều đóng góp đáng kể cho công cuộc khám phá vũ trụ Nhưng vào năm 1978 và 1979 có nhiều vết đen Mặt Trời, và vì thế khí quyển Trái Đất rất cao vào những năm ấy Hậu quả là ma sát vào Skylab rất lớn, làm cho nó đi vào khí quyển và bị phá huỷ vào
năm 1979 một số mảnh lớn rơi xuống nước Úc nhưng may mắn là khong gây thiệt hại gì
Trạm vũ trụ “Hoà bình” của Nga sau khi hoàn thành sứ mệnh lịch sử của mình cũng đã được các nhà khoa học cho trở lại vào trong khí quyển Trái Đất và bị phá huỷ vào năm 2001
Vào tháng | nam 1997, một vụ phóng vật chất như thế đã gây ra dòng điện đáng kể, nó gây ra một sự chập mạch điện trong một vệ tính liên lạc mới trị giá 400 triệu đôla và
kết quả là vệ tỉnh này trở nên vô dụng
Trang 30II KHAO SAT SU PHU THUOC CUA TANG ĐIỆN LY VÀO SỐ VẾT ĐEN MAT TROI TRONG GIAI DOAN 2002 -2003
1 LY THUYET:
11 Tầng điện ly của Trái Đất:
Khí quyển của Trái Đất trải rộng tới hàng chục ngàn km tính từ bể mặt Trái Đất Từ năm 1960, các con tầu vũ trụ của Liên xô và của Mỹ đã trực tiếp nghiên cứu khí quyển của Trái Đất trong ranh giới tiếp giáp với khoảng không vũ trụ và thấy rằng do sự tương tác của khí quyển tẳng cao với bức xạ hạt của Mặt Trời, chúng ta có thể lấy ranh giới ngoài cùng của khí quyển Trái Đất là 68.000 km ( tức là gấp 10 lần bán kính Trái Đất tính từ mặt đất ) các nhà vật lý khí quyển đã dựa vào đặc trưng biến đổi của nhiệt độ khí quyển theo độ cao để phân chia khí quyển của Trái Đất làm 5 tầng như sau: tầng đối lưu, tầng bình lưu, tẳng giữa, tẳng điện ly và từ quyển
Bức xạ Mặt Trời là nguyên nhân của sự ion hoá trong tầng điện ly Trước tiên, bức xạ Mặt Trời phân rã các phân tử khí trung hoà thành các nguyên tử Sau đó, nó ion hoá các
nguyên tử và các phân tử trung hoà thành các ion đương vá các electron Sự tạo thành ion có liên quan với độ hấp thu bức xạ Mặt Trời của khí quyển Nhưng lượng bức xạ mà khí quyển hấp thu được không chỉ phụ thuộc vào cường độ bức xạ Mặt Trời mà còn phụ thuộc vào mật độ không khí Bức xạ càng đi sâu vào khí quyển Trái Đất, cường độ của nó càng giảm, còn mật độ không khí càng tăng Ở gần giới hạn trên của khí quyển, mặc dù cường độ bức xạ cực đại nhưng các ion được tạo thành rất ít vì mật độ không khí ở đây không đáng kể Ở các lớp dưới, bức xạ tếu đi nên khả năng ion hoá cũng thấp Do vây, những điểu kiên thuận lợi nhất cho sự tạo thành ion chỉ có ở các lớp trung gian Đó chính là nguyên nhân xuất hiện những mức iơn hố khác nhau, tạo thành các lớp của tầng điện ly
Trong tầng điện ly, các chất khí bị phân ly mạnh Khả năng dẫn điện của ting nay tăng lên 10 lần so với lớp không khí gần mặt đất Nó có khả năng hấp thụ, khúc xạ và phản xạ sóng điện từ Do vậy nó có vai trò rất quan trọng trong thông tin liên lạc
Vào thời gian ban ngày, tẳng điện ly thường hiện hữu 4 lớp : D, E, Ft, F; Vào ban đêm chủ yếu chỉ tổn tại một lớp F và đôi khi là lớp E
+ Lớp D : nằm ở độ cao từ 60 đến 90 km, số electron tự do vào khoảng 10” hạU cm' + Lớp E : nằm ở độ cao từ 90 đến 140 km, nổng độ điện tử đạt 10° hat/ cm’ vao ban ngày
+ Các lớp F¡ và F; nằm ở độ cao khoảng từ 200 đến 500 km với nổng độ điện tử cỡ
Trang 31Vào ban đêm, các electron ty do của các lớp D, E và F; trở nên vô cùng suy giảm, chỉ tổn tại lớp F; có khả năng cho việc truyền sóng điện từ Đó cao (km) Or Night F 20r 100F ˆ ot 1 1 aaa 6 0 = 0 5 10 15X10 0 6 x10° Mat d6 electron
Hình 16: Sơ đồ các lớp của tầng điện ly
1.2 Phương pháp khảo cứu tầng điện ly bằng vô tuyến:
Phương pháp khảo cứu tầng điện ly dựa trên nguyên lý truyền sóng được Breit và Tuve sử dụng lẩn đầu tiên vào năm 1924
Được cho là có vai trò sống còn của truyền thông radio, bất đầu từ năm 1931, các đài điện ly trên thế giới đã được dẫn dẫn thiết lập để theo dõi sự biến đổi trong các lớp điện ly nhầm nghiên cứu hiêu ứng điện ly trên sóng radio Chỉ bằng việc theo dõi điện ly mà trong vài thập niên các nhà khoa học đã làm rõ vấn để về ảnh hưởng của bức xạ từ Mặt Trời, rằng nông độ của những lớp điện ly bởi cường độ bức xạ tia tử ngoại và bức xạ tia X phát ra bởi Mặt Trời, về tầng điện ly mang tính đặc thù
Phương pháp khảo cứu này được thực hiện như sau: phát một xung vô tuyến theo
chiều thẳng đứng vào tẳng điện ly và đo thời gian trôi qua trước khi nhận được tín hiệu phản xạ lại Tín hiệu phản xạ về được ghi lại như một hàm của tần số vô tuyến-gọi là điện ly đồ (ionogram) Một bức tranh về sự ion hóa của tẳng điện ly được thể hiện thông
Trang 32qua điện ly đổ Phân tích điện ly đồ ta sẽ nhận được các thông số đặc trưng cho tâng điện ly tại thời điểm đó
Sóng phản xạ thu được khi tẩn số sóng vô tuyến đúng bing tan s6 va cham Plasma:
mit
tp với N: nổng độ điện tử
m: khối lượng điện tử
E : điện tích của điện tử
Độ cao tối thiểu tính từ thời gian trễ của sóng phản xạ và tẩn số tại đó có sóng phản xa được ghi lại trên điện ly đồ Tẩn số mà ở đó một sóng đạt giới hạn của lớp ion hóa được gọi là tần số tới hạn của lớp đó Một tẫn số vượt qua tẩn số tới hạn của lớp thì sẽ xuyên qua và không bị phản xạ
Tần số tới hạn liên hệ với mật độ electron theo công thức sau :
ƒ,=8.98Ne
f¿ : tần số tới hạn Ne : néng 46 e/m’
1.3 Gidi thiéu thiét bi CADI (Canadian Advanced Digital lonosode)
Trang 33
Hình 43: Máy CADI ở đài quan trắc Hóc Môn
1.4 Giới thiệu điện ly đồ:
Trang 34et ee (b
Các thông số đặc trưng:
Độ cao tối thiểu h' của một lớp: là độ cao thấp nhất mà tại đó có sóng phản xạ
Tần số tới hạn fo của một lớp: là tần số cao nhất trên điện ly đổ của lớp đó
Từ đó các thông số đặc trưng được sử dụng trong luận văn là:
h'F : độ cao hiệu dụng của lớp E fgjF;: tần số tới hạn của lớp F¿
1.5 Ung dụng:
Trang 35ngày nay đã đạt tới trình độ rất cao, nhưng trong thực tế không phải bao giờ liên lạc vô tuyến cũng ổn định theo không gian và thời gian Một tín hiệu truyền bị khúc xa, phản xa
nhiều lấn trước khi về đến mặt đất-hoặc cũng bị khúc xa nhiéu lin trước khi đến được các vệ tính tiếp sóng Vì vậy, sự sai lệch trong liên lạc vô tuyến khoảng cách xa là không tránh khỏi Đối với một khoảng cách nào đó, vào một thời điểm nhất định, sẽ có một khoảng tần số thích hợp cho việc thông tin liên lạc thành công, các tẩn số ngoài phạm vi đó sẻ kém hiệu quả hoặc không thể thực hiện được Làm thế nào để nâng cao hiệu quả
trong thông tin liên lạc? Ta phải tìm cách hạn chế đến mức tối đa những ảnh hưởng ấy và “kiểm soát” được môi trường truyền sóng- tức phải biết được độ lớn của các ảnh hưởng điện ly lên sóng truyền Độ lớn này phụ thuộc vào tân số của tín hiệu và vào trạng thái của tầng điện ly, đặc biệt là vùng cực và vùng xích đạo Mặc dù sự truyền sóng vô tuyến giữa mặt đất và vệ tính được sử dụng ở dải tần số không bị hấp thụ bởi tầng điện ly, nhưng các tín hiệu có thể bị các hiệu ứng điện ly làm suy giảm Đối với đất nước ở vùng
vĩ đô thấp và có công nghệ truyền thông chưa hiện đại như nước ta thì việc nghiên cứu về
tầng điện ly còn là một công việc có ý nghĩa thiết thực 2 Kết quả quan trắc và xử lý số liệu:
Là lớp điện ly hiện hữu suốt ngày đêm nên lớp F2 có vai trò quan trọng nhất trong lĩnh vực truyền sóng vô tuyến tấn số cao Tuy nhiên, F2 cũng là lớp biến đổi nhiều nhất Tác động của bức xạ Mặt Trời vào lớp F2 được thể hiện bằng sự tăng nhanh của nồng độ điện tử sau khi Mặt Trời mọc Biến thiên của nổng độ điện ly bất đối xứng qua buổi trưa Nồng độ điện tử cực đại N„F2 là thông số để kiểm soát trạng thái của toàn bộ lớp F2 trong điều kiện tĩnh và ổn định Nổng độ điện tử cực đại được tính bằng công thức:
N,, = 1,24x10'f,? [e/cem']
Tần số tới hạn f¿F; thu nhận được từ việc xử lý điện ly đổ Sau khi có giá trị của fo F; ta có thể dễ dàng tính được N„
Dưới đây là các đồ thị biểu diễn trạng thái điện ly của lớp F; trong điều kiện ổn định tại Tp Hồ Chí Minh thông qua hai thông số cơ bản của điện ly h'F và fyF;