Luận án tiến sĩ bong bóng plasma và đặc trưng dị thường ion hóa xích đạo khu vực việt nam và lân cận (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN N HÀN LÂM KHOA HỌC H VÀ CÔNG NGHỆ NGH VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC C VÀ CÔNG NGHỆ NGH NGUYỄN THANH DUNG BONG BÓNG PLASMA VÀ ĐẶC TRƯNG DỊ THƯỜNG NG ION HĨA XÍCH ĐẠO Đ KHU VỰC VIỆT NAM VÀ LÂN CẬN TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT T LÝ ĐỊA Đ CẦU Mã số: 44 01 11 Hà Nội- 2023 Cơng trình hồn thành tại: Học viện Khoa học Công nghệViện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: Người hướng dẫn 1: TS NCVCC Lê Huy Minh, Viện Vật lý địa cầu Người hướng dẫn 2: TS NCVC Phạm Thị Thu Hồng, Viện Vật lý địa cầu Phản biện 1: PGS.TS Ngô Đức Thành Phản biện 2: PGS.TS Lã Thế Vinh Phản biện 3: PGS.TS Phan Thiên Hương Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện họp Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam vào hồi … , ngày… tháng… năm Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Ngày hệ thống định vị tồn cầu (GPS-Global Positioning System) cơng cụ mạnh mẽ, hữu dụng nghiên cứu điện ly Môi trường tầng điện ly có tác động đáng kể đến truyền tín hiệu điện từ phát từ vệ tinh GPS tới máy thu mặt đất Tầng điện ly vùng xích đạo vĩ độ thấp có đặc trưng bật: dị thường ion hóa xích đạo (EIA, Equatorial Ionization Anomaly) bong bóng plasma (bất thường điện ly ban đêm) EIA đặc trưng vùng trũng mật độ xích đạo từ đỉnh mật độ điện tử ±15°-20° vĩ độ từ (Namba & Maeda, 1939; Appleton, 1946) Các bất thường điện ly ban đêm thường kèm với tượng bong bóng plasma, nhiễu loạn điện ly dịch chuyển (quan sát từ số liệu GPS) Spread F (quan sát từ số liệu thăm dò thẳng đứng) Sự tồn bất thường điện ly gây ảnh hưởng lên q trình truyền sóng radio dải tần số nhỏ vài GHz, dải tần sử dụng truyền thông dẫn đường hệ thống GPS, nhiễu loạn lớn gây tín hiệu, nhiễu loạn tỉ lệ nhỏ gây sai số khoảng cách (Basu & Basu, 1981; Pi et al., 1997; Moraes et al., 2018) Lãnh thổ Việt Nam khu vực lân cận sau gọi khu vực Đông Nam Á (ĐNA) nằm vùng EIA (Lê Huy Minh nnk, 2016a) Từ năm 2005 đến nay, Viện Vật lý địa cầu xây dựng mạng lưới trạm GPS liên tục (22 trạm) với số trạm IGS (08 trạm) khu vực lân cận thuận lợi để nghiên cứu tầng điện ly khu vực ĐNA Do tầm quan trọng việc nghiên cứu EIA bất thường điện ly ban đêm, với điều kiện thuận lợi nguồn số liệu phong phú liên tục vị trí khu vực nghiên cứu, nghiên cứu sinh (NCS) xây dựng luận án với tên: “Bong bóng plasma đặc trưng dị thường ion hóa xích đạo khu vực Việt Nam lân cận” hướng dẫn TS Lê Huy Minh TS Phạm Thị Thu Hồng Mục tiêu luận án: Làm sáng tỏ quy luật biến đổi theo thời gian EIA, đặc trưng xuất bất thường điện ly ban đêm hiệu mơ hình điện ly Việt Nam lân cận Mục tiêu cụ thể sau: (1) Làm sáng tỏ quy luật biến đổi theo thời gian tham số dị thường ion hóa xích đạo khu vực ĐNA, dao động chu kỳ khác nguyên nhân chúng; (2) Làm sáng tỏ đặc trưng xuất bất thường điện ly ban đêm khu vực nghiên cứu; (3) Làm sáng tỏ hiệu mơ hình điện ly tham chiếu quốc tế (IRI: International Reference Ionosphere), mơ hình TEC tồn cầu CODG (the Center of Orbit Determination in Europe Global model) mơ hình TEC dựa hàm trực giao thực nghiệm EOF (Empirical Orthogonal Function) khu vực vĩ độ thấp xích đạo Việt Nam Nội dung nghiên cứu luận án: (1) Tìm hiểu sử dụng thuật tốn tính hàm lượng điện tử tổng cộng (TEC-Total Electron Content) từ tổ hợp trị đo pha trị đo giả khoảng cách; (2) Thành lập sơ đồ TEC theo thời gian vĩ độ giai đoạn 2008-2021 cho khu vực ĐNA; (3) Tính tham số đỉnh EIA: biên độ, vĩ độ, thời gian xuất để nghiên cứu đặc trưng biến thiên theo thời gian đỉnh EIA: biến thiên nội mùa (15 ngày, 27 ngày), biến thiên nửa năm, biến thiên năm, biến thiên chu kỳ tựa năm (QBO: Quasi-Biennial Oscillation) biến thiên theo chu kỳ hoạt động mặt trời; (4) Tính số dao động pha ROTI giai đoạn 2008-2018, nghiên cứu đặc trưng bất thường điện ly ban đêm theo mùa, theo hoạt tính mặt trời khu vực ĐNA Chỉ mối quan hệ vị trí xuất cực đại bất thường với vị trí đỉnh EIA; (5) Sử dụng phương pháp phân tích hàm trực giao thực nghiệm (EOF) để mơ hình hóa giá trị TEC hai trạm Phú Thụy Bạc Liêu So sánh giá trị TEC quan sát máy thu GPS (GPS TEC) với giá trị TEC nhận từ mơ hình điện ly quốc tế IRI-2016 (IRI TEC), mơ hình TEC tồn cầu GIMs/CODG (CODG TEC) TEC phân tích phương pháp EOF (EOF TEC) Những điểm luận án: (1) Xác định cách tin cậy đặc trưng dị thường ion hóa xích đạo bất thường điện ly ban đêm khu vực ĐNA sử dụng chuỗi số liệu GPS dài chu kỳ hoạt động mặt trời (2008-2021) Phát dao động chu kỳ khác tầng điện ly khu vực ĐNA thông qua tham số đỉnh EIA phụ thuộc phức tạp vào hoạt tính mặt trời yếu tố tác động từ khí bên dưới: ENSO, QBO, sóng hành tinh; (2) Chỉ cách định lượng vị trí cực đại bất thường điện ly so với vị trí đỉnh EIA Bất thường điện ly ban đêm thường xuất khoảng thời gian sau mặt trời lặn tới trước nửa đêm, năm bất thường điện ly xuất cực đại vào thời kỳ phân điểm, phụ thuộc hoạt tính mặt trời, vĩ độ xuất cực đại bất thường ban đêm cách vĩ độ cực đại EIA ban ngày khoảng 4o-5o phía xích đạo; (3) Khẳng định mơ hình EOF mơ tốt tiến trình ngày đêm TEC thời gian yên tĩnh bão từ, biến thiên mùa theo hoạt tính mặt trời cho khu vực Việt Nam So sánh kết TEC từ GPS với TEC từ mơ hình tồn cầu (IRI-2016, CODG) từ mơ hình EOF cho thấy mơ hình TEC dựa EOF dự đoán biến đổi theo thời gian TEC xác so với mơ hình tồn cầu Cấu trúc luận án: Ngồi phần mở đầu kết luận luận án gồm chương: Chương Tổng quan tầng điện ly, hệ thống định vị toàn cầu nghiên cứu điện ly vùng vĩ độ thấp sử dụng công nghệ GPS; Chương Số liệu phương pháp nghiên cứu; Chương Dị thường ion hóa xích đạo khu vực ĐNA; Chương Bất thường điện ly ban đêm khu vực ĐNA; Chương Mơ hình hóa TEC quan sát hàm EOF so sánh với mơ hình TEC toàn cầu CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TẦNG ĐIỆN LY, HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU VÀ NGHIÊN CỨU ĐIỆN LY VÙNG VĨ ĐỘ THẤP SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ GPS 1.1 Khái quát tầng điện ly Tầng điện ly vùng khí cao Trái Đất, hình thành xạ mặt trời xạ vũ trụ, nằm độ cao khoảng 50 km đến 1500 km so với mặt đất, trình ion hóa đủ mạnh ảnh hưởng tới truyền sóng radio (Breit and Tuve, 1926) Mức độ ion hóa tầng điện ly phụ thuộc vào yếu tố bản: lượng xạ mặt trời gây ion hóa, hệ số hấp thụ lượng thành phần khí mật độ khí Dựa vào tuyến mật độ điện tử đạt cực đại độ cao mà người ta phân chia tầng điện ly thành lớp theo trật tự tăng dần theo chiều cao gọi lớp D, lớp E, lớp F; ban ngày lớp F phân thành lớp F1 lớp F2 Hợp phần khí trung hịa nhiệt O, N2, O2 Như ion tạo trình quang ion hóa là: O+, N2+, O2+ 1.2 Tổng quan hệ thống định vị toàn cầu GPS Hệ thống định vị tồn cầu GPS Chính phủ Mỹ phát triển ban đầu với mục đích phục vụ quân sự, sau năm 1980 Chính phủ Mỹ cho phép sử dụng dân Do đó, ứng dụng GPS vào nhiều lĩnh vực khác nghiên cứu phát triển rộng rãi hầu (Hofmann et al, 2001; Schaer, 1999; Đặng Nam Chinh nnk, 2012) Hệ thống định vị GPS gồm phận chính: phận không gian, phận điều khiển phận sử dụng Mỗi vệ tinh GPS máy dao động chất lượng cao, tập hợp đồng hồ nguyên tử Cesi Rubidium, dùng để phát hai sóng mang liên kết L1 L2 Các đại lượng quan sát chủ yếu công nghệ GPS giả khoảng cách quan sát pha mang Tầng điện ly nguồn gây sai số đáng kể phép định vị sử dụng hệ thống vệ tinh 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu điện ly vùng vĩ độ thấp sử dụng công nghệ GPS Trên giới việc sử dụng công nghệ GPS vào nghiên cứu điện ly bắt đầu phát triển mạnh mẽ vào năm 1990 Đặc trưng biến thiên ngày đêm, biến thiên theo mùa theo hoạt tính mặt trời EIA nghiên cứu chi tiết vùng lãnh thổ khác như: Đài Loan (Huang & Cheng, 1996; Wu et al., 2008); Ấn Độ (Rastogi & Klobuchar, 1990); khu vực châu Á (Tsai et al., 2001); khu vực Tây Thái Bình Dương (Lin et al., 2001) Những bất thường điện ly nghiên cứu rộng rãi 70 năm qua tồn giới nhằm tìm hiểu đặc trưng phân bố biến đổi chúng để giảm nhẹ ảnh hưởng xấu đến liên lạc định vị Ở khu vực vĩ độ thấp xích đạo, bất thường điện ly thường liên quan đến tượng như: bong bóng plasma, nhiễu loạn điện ly dịch chuyển quy mô trung bình (MSTID-Medium-Scale Travelling Ionospheric Disturbance), sporadic E, Spread F Nhiều cơng trình nghiên cứu giới bất thường điện ly liên quan đến bong bóng plasma thực hiện: Booker, 1956; Aarons, 1997; Basu & Basu, 1981;Rama Rao et al., 2006; Li et al., 2007; Abadi et al., 2014 Một số cơng trình nghiên cứu MSTID: Taori et al., 2015; Hisao et al., 2018 Ở Việt Nam, từ năm 2005 nghiên cứu tầng điện ly sử dụng công nghệ GPS bắt đầu với việc lắp đặt máy thu GPS Hà Nội, Huế, Tp Hồ Chí Minh Một số cơng trình nghiên cứu biến đổi TEC theo thời gian sử dụng phương pháp tính TEC theo trị đo giả khoảng cách (Lê Huy Minh et al., 2006, 2014, 2016a; Trần Thị Lan et al., 2009, 2011, 2012) Lê Huy Minh et al (2016b) sử dụng phương pháp tính TEC từ tổ hợp trị đo pha trị đo giả khoảng cách nghiên cứu biến đổi điện ly trận bão từ tháng 3/2015 Một số cơng trình nghiên cứu nhấp nháy điện ly (Trần Thị Lan et al., 2013, 2017) Vấn đề nghiên cứu dị thường ion hóa xích đạo bong bóng plasma ban đêm khu vực vĩ độ thấp xích đạo chủ đề nghiên cứu nhiều nhà khoa học giới quan tâm, Việt Nam cơng trình nghiên cứu trước cịn có số hạn chế: 1) Phần lớn cơng bố sử dụng phương pháp tính TEC từ trị đo giả khoảng cách xác phương pháp tổ hợp trị đo pha trị đo giả khoảng cách 2) Nghiên cứu nhấp nháy điện ly (bất thường) số S4 thu từ máy thu GSV4004 3) Cho đến chưa có nghiên cứu cách định lượng đặc trưng dao động chu kỳ đỉnh EIA 4) Sự phân bố bất thường điện ly chưa xác định cách định lượng 5) Các giá trị TEC Việt Nam chưa mơ hình hóa có tính dự báo Trong luận án khắc phục hạn chế nêu với chuỗi số liệu sử dụng dài chu kỳ hoạt động mặt trời, không bị hạn chế sử dụng máy thu GPS việc nghiên cứu bất thường điện ly ban đêm EIA nghiên cứu chi tiết với việc phát dao động chu kỳ mối quan hệ với yếu tố ảnh hưởng Sự phân bố bất thường điện ly ban đêm đưa cách định lượng Ngoài giá trị TEC khu vực Việt Nam bước đầu mơ hình hóa phương pháp hàm trực giao thực nghiệm (EOF-Empirical Orthogonal Function) CHƯƠNG SỐ LIỆU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Số liệu sử dụng Số liệu sử dụng luận án thu thập từ trạm GPS liên tục Việt Nam lân cận Tọa độ địa lý, vĩ độ từ (niên đại 2010) trạm GPS liệt kê bảng 2.1 Số liệu số trạm dịch vụ GNSS Quốc tế sử dụng như: CMUM, CUSV, CPNM Thái Lan, ANMG Malaysia, NTUS Singapore, BAKO JOG2 Indonesia XMIS Australia Bảng 2.1 Danh sách trạm GPS liên tục Việt Nam lân cận Tọa độ địa lý T T Tên trạm Kinh độ Vĩ độ 10 11 12 13 14 15 16 17 MTEV MLAY LSON CLAN HUUL TANY SOCS DANH QOAI HOAB TLAC QHOA DBIV TGIV SMAV PHUT VINH 102,80719 103,15385 106,74906 106,44731 106,28931 106,07433 105,91935 105,78528 105,49226 105,32750 105,18232 104,99143 103,01829 103,41803 103,74971 105,95872 105,69659 22,38719 22,04187 21,85260 21,67466 21,55973 21,40704 21,29166 21,16494 20,95633 20,84219 20,69587 20,52457 21,38992 21,59225 21,05629 21,02938 18,64999 Vĩ độ từ (2010) 15,92 15,54 15,78 15,59 15,47 15,30 15,17 15,03 14,81 14,68 14,53 14,33 14,84 15,06 14,49 14,49 11,91 Thiết bị Thời gian quan sát Đại lượng tính toán NETRS NETRS CORS5700 CORS5700 CORS5700 CORS5700 CORS5700 CORS5700 CORS5700 CORS5700 CORS5700 CORS5700 NETRS NETRS NETRS GSV4004 CORS5700 12/2009-12/2018 01/2012-12/2018 12/2017-12/2021 01/2018-12/2021 12/2017-12/2021 12/2017-12/2021 12/2017-12/2021 12/2017-12/2021 12/2017-12/2021 12/2017-12/2021 01/2018-12/2021 12/2017-12/2021 11/2009- 12/2018 11/2009- 12/2018 6/2010- 7/2018 2/2009- 12/2021 9/2011- 12/2021 TEC, ROTI TEC, ROTI TEC TEC TEC TEC TEC TEC TEC TEC TEC TEC TEC, ROTI TEC, ROTI TEC, ROTI TEC, ROTI TEC, ROTI 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 HUES DLAT HOCM HCMC BACL CPNM CMUM CUSV ANMG NTUS BAKO JOG2 XMIS 107,59265 108,48175 106,55979 106,80139 105,75167 99,37438 98,93238 100,53392 101,50660 103,67996 106,84891 110,37272 105,68350 16,45919 11,94527 10,84857 10,87808 9,26806 10,72465 18,76088 13,73591 2,78465 1,34580 -6,49106 -7,76377 9,58 5,07 3,47 3,52 2,73 2,80 12,32 6,43 -5,14 -7,05 -15,52 -16,75 -19,99 -10,44996 GSV4004 GSV4004 GSV4004 NET R9 GSV4004 Trạm IGS Trạm IGS Trạm IGS Trạm IGS Trạm IGS Trạm IGS Trạm IGS Trạm IGS 1/2006- 10/2011 11/2014- 12/2021 01/2008- 10/2012 2/2018- 12/2021 05/2015- 12/2021 10/2015-04/2018 01/2014-12/2021 5/2008-12/ 2021 02/2014-12/2021 1/2008-12/ 2021 1/2008- 12/2021 10/2013- 12/2021 01/2008-12/2021 TEC, ROTI TEC TEC, ROTI TEC TEC TEC, ROTI TEC, ROTI TEC, ROTI TEC, ROTI TEC, ROTI TEC, ROTI TEC, ROTI TEC, ROTI Tập hợp 30 trạm phân bố xung quanh kinh tuyến 105oE biến đổi dải vĩ độ từ từ -19.99o đến 15,95o niên đại 2010.0, tập hợp 30 trạm đủ để nghiên cứu đặc trưng dị thường ion hóa xích đạo khu vực Đơng Nam Á trình bày luận án Bên cạnh số liệu thu thập từ trạm thu GPS, luận án sử dụng số liệu quốc tế như: số liệu niên giám Yuma cung cấp thông tin vệ, thông lượng mặt trời F10.7, số hoạt động địa từ Dst; số ENSO đa biến MEI.v2 (MEI.v2-Multivariate ENSO Index Version 2); gió vĩ hướng tầng bình lưu nhiệt đới 50 hPa (~20 km) Luận án sử dụng số liệu TEC từ mơ hình điện ly tham chiếu quốc tế IRI (International Reference Ionosphere-IRI) mơ hình TEC toàn cầu GIMs/CODG 2.2 Các phương pháp nghiên cứu Các phương pháp nghiên cứu sử dụng luận án bao gồm: phương pháp tính TEC số dao động pha ROTI, phương pháp làm hợp đường cong phương pháp xử lý tín hiệu số TEC tính toán sử dụng tổ hợp trị đo pha trị đo giả khoảng cách theo công thức: STEC  f12 f 22  i L1 j  Li2 j  bi  b j  1 N1i j  2 N 2i j   40.3 f12  f 22  Trong (2.6) đại lượng     +  +     − định (độ lệch thiết bị tổng cộng) Đại lượng (2.6) số phải xác  = − xác định xác gặp bước nhảy trượt vòng = pha Đại lượng − xác định rõ ràng xác ảnh hưởng nhiễu hiệu ứng đa đường Các bước nhảy STEC đánh giá cách sau: đường vệ tinh STECp làm trơn đa thức bậc 4, so sánh STEC với STECp làm trơn để tính độ lớn bước nhảy STEC hiệu chỉnh bước nhảy so sánh với STEC tính từ mơ hình GIMs/CODG thời điểm đo vị trí IPP để xác định độ lệch thiết bị tổng cộng STEC hiệu chỉnh bổ sung thêm độ lệch thiết bị tổng cộng chuyển thành TEC thẳng đứng (VTEC) theo mơ hình lớp đơn (Klobuchar, 1986):  R cos   TEC  STEC.cos    Rh  (2.7)  góc nhìn vệ tinh tính độ (°), R = 6371.2 km bán kính trung bình Trái Đất, h chiều cao lớp đơn tầng điện ly, lấy 400 km (Zhao et al., 2009) Các dao động TEC đặc trưng tốc độ thay đổi TEC hay gọi ROT (Rate of TEC) ROT  STEC (t   t )  STEC t (2.8) t=30s, ROT tính theo đơn vị TECU/min Chỉ số tốc độ thay đổi TEC (ROTI) độ lệch chuẩn ROT khoảng thời gian phút: ROTI  ROT  ROT (2.9) kí hiệu giá trị trung bình ROT, đơn vị ROTI TECU/min Các phương pháp xử lý tín hiệu như: lọc thơng dải, biến đổi wavelet, phân tích phổ phương pháp biểu đồ chu kỳ Lomb-Scargle, phương pháp EOF 11 tần số tới hạn lớp F2 Phú Thụy (Việt Nam)- vị trí gần đỉnh Bắc EIA- số vết đen mặt trời 0.84 (Pham Thi Thu et al., 2011) Về thời gian xuất đỉnh EIA giai đoạn 2008-2021, đỉnh EIA có xu xuất sớm vào mùa đông so với mùa khác năm Vĩ độ đỉnh EIA, chúng có xu tiến phía xích đạo vào mùa đơng tiến phía cực vào mùa hè phân điểm, xu biến thiên thể đỉnh Nam rõ ràng so với đỉnh Bắc Những kết nghiên cứu đặc trưng biến thiên theo mùa tham số vĩ độ thời gian xuất đỉnh EIA luận án phù hợp với nghiên cứu trước (Tsai et al., 2001; Zhao et al., 2009; Lê Huy Minh et al., 2016a) 3.2.2 Biến thiên hàng năm đỉnh EIA Vào năm mặt trời hoạt động yếu, đỉnh EIA có xu dịch chuyển phía xích đạo, vào năm mặt trời hoạt động mạnh đỉnh có xu dịch chuyển phía cực Xu biến thiên năm biên độ TEC đỉnh dị thường thể rõ quy luật phụ thuộc vào chu kỳ hoạt động mặt trời Vào năm Mặt Trời hoạt động mạnh 2010-2016 biên độ lớn đạt cực đại vào năm 2014, vào năm Mặt Trời hoạt động yếu 2008, 2009, 2018, 2019, biên độ TEC nhỏ Thời gian xuất đỉnh EIA, hầu hết năm, đỉnh Nam có xu xuất muộn đỉnh Bắc; vào năm mặt trời hoạt động cực tiểu (2008, 2009, 2019, 2020) đỉnh có xu xuất thời điểm 3.3 Các dao động tuần hoàn đỉnh dị thường ion hóa xích đạo khu vực Đơng Nam Á Trong phần này, NCS sử dụng chuỗi thời gian hàng ngày tham số đỉnh: biên độ, thời gian xuất hiện, vĩ độ giai đoạn 2008-2021 biểu diễn hình 3.14 Kết phân tích phổ phương pháp biểu đồ Lomb-Scargle tham số đỉnh EIA thể dao động chu kỳ như: ~15 ngày, 27 ngày (chỉ biên độ đỉnh), tháng, năm dao động tựa năm, 12 11 năm (biểu thời gian xuất đỉnh Bắc) Kết phân tích phổ phương pháp biểu đồ Lomb-Scargle tham số thông lượng mặt trời F10.7 thể rõ rệt dao động chu kỳ: 27 ngày, ~29.5 tháng, 3.8 năm 11 năm (hình 3.15) Ngồi khoảng chu kỳ 150-500 ngày biên độ phổ F10.7 phức tạp, bên cạnh vạch phổ chu kỳ tháng năm có nhiều vạch phổ khác có biên độ lớn nhỏ Trong biên độ phổ chu kỳ tháng năm tham số đỉnh EIA rõ ràng (hình 3.16) Do nói dao động tham số đỉnh EIA chu kỳ tháng năm bị ảnh hưởng yếu tố khác ngồi hoạt tính mặt trời Hình 3.14 Biến thiên hàng ngày tham số đỉnh giai đoạn 2008-2021: a, a’) Biên độ đỉnh Bắc đỉnh Nam; b, b’) Thời gian xuất đỉnh Bắc, đỉnh Nam; c, c’) Vĩ độ đỉnh Bắc, đỉnh Nam Hình 3.15 a) Thơng lượng mặt trời F10.7 trung bình ngày giai đoạn 2008-2021, b) biểu đồ chu kỳ LombScargle F10.7 c) phóng đại dải chu kỳ nhỏ 500 ngày 13 Hình 3.16 a) Biểu đồ chu kỳ Lomb-Scargle biên độ TEC đỉnh EIA giai đoạn 2008-2021, b) phóng đại dải chu kỳ nhỏ 500 ngày 3.3.1 Dao động chu kỳ ~15 ngày Dao động chu kỳ ~15 ngày có mặt tham số: biên độ, vĩ độ thời gian xuất đỉnh (hình 3.21) Dao động chu kỳ gắn với tác động sóng hành tinh Về mối quan hệ pha tham số đỉnh: đồng pha biên độ thời gian xuất hiện, hệ số tương quan chúng 0,78 0,74 cách tương ứng; ngược pha tham số vĩ độ với hệ số tương quan -0,82 Hình 3.21 Dao động chu kỳ 15 ngày tham số đỉnh EIA giai đoạn 2013-2014: a) biên độ, b) vĩ độ, c) thời gian xuất 3.3.2 Dao động chu kỳ 27 ngày Dao động chu kỳ ~27 ngày có mặt tham số thông lượng mặt trời F10.7 biên độ đỉnh EIA Dao động chu kỳ ~27 ngày đỉnh EIA gắn với chu kỳ vòng quay ~27 Mặt Trời Dao động chu kỳ ~27 14 ngày tầng điện ly thể tương quan dương với chu kỳ ~27 ngày vịng quay mặt trời (hình 3.22) Trong chu kỳ này, hệ số tương quan F10.7 với biên độ đỉnh Bắc đỉnh Nam 0,73 0,69, hệ số tương quan biên độ hai đỉnh 0,95 Hình 3.22 Dao động chu kỳ ~27 ngày giai đoạn 20082021: a) F10.7, b) biên độ đỉnh EIA 3.3.3 Dao động chu kỳ tháng Dao động chu kỳ tháng có mặt tham số: biên độ, vĩ độ, thời gian xuất đỉnh EIA Dao động chu kỳ tham số bị ảnh hưởng yếu tố khác ngồi hoạt tính mặt trời Dao động chu kỳ tháng biên độ đỉnh nhiều phụ thuộc vào hoạt động mặt trời, có dị thường vào năm 2013-2014 Hình 3.25 a) Chỉ số MEI.v2, b) Dao động chu kỳ tháng tham số vĩ độ đỉnh EIA giai đoạn 2008-2021 Mối quan hệ pha tham số đỉnh, biên độ thời gian xuất có mối quan hệ gần đồng pha vĩ độ đỉnh có mối quan hệ gần ngược pha với hệ số tương quan tương ứng 0,99, 0,75 -0,77 15 Để tìm hiểu tác động yếu tố khác đến dao động chu kỳ tháng, hình 3.25 trình bày biến đổi theo thời gian số ENSO đa biến phiên 2, MEI.v2 (Multivariate ENSO Index Version 2), màu xanh pha lạnh ENSO (MEI.v2  -0,5) hay La Niña, màu đỏ pha ấm ENSO (MEI.v2  0,5) hay El Niđo, màu đen pha trung tính (-0,5 < MEI.v2 < 0,5) MEI.v2 chuỗi thời gian kết hợp từ biến số khác nhau: áp suất mực nước biển, nhiệt độ mực nước biển, thành phần kinh vĩ hướng gió bề mặt xạ sóng dài lưu vực nhiệt đới Thái Bình Dương (30°S- 30°N 100°E- 70°W) Hình 3.25 cho thấy biên độ dao động chu kỳ tháng vĩ độ đỉnh EIA nhiều phụ thuộc vào hoạt động ENSO, vào thời kỳ El Niño biên độ dao động tháng có xu hướng giảm so với thời kỳ khác giai đoạn nghiên cứu 3.3.4 Dao động chu kỳ năm Dao động chu kỳ năm có mặt tham số: biên độ, vĩ độ, thời gian xuất đỉnh EIA Dao động chu kỳ năm tham số biên độ thể phụ thuộc nhiều vào hoạt động mặt trời, có dị thường vào năm 2014, biên độ dao động chu kỳ năm tham số vĩ độ thời gian xuất không phụ thuộc vào hoạt động mặt trời Hình 3.27 a) Chỉ số MEI.v2 b) biên độ dao động chu kỳ năm tham số vĩ độ đỉnh giai đoạn 2008-2021 Về mối quan hệ pha, biên độ vĩ độ đỉnh có mối quan hệ đồng pha thời gian xuất đỉnh có mối quan hệ gần ngược pha, với hệ số tương quan tương ứng 0,96, 0,68 -0,77 Hình 3.27 biểu diễn số MEI.v2 dao động chu kỳ năm 16 tham số vĩ độ, cho thấy dao động chu kỳ năm tham số vĩ độ có phụ thuộc rõ rệt vào MEI.v2 Trong thời kỳ El Niño biên độ dao động năm vĩ độ đỉnh giảm rõ rệt so với giai đoạn khác, giai đoạn La Niña biên độ dao động tăng lên rõ rệt Trong thời kỳ 2015-2016 hoạt động El Niño xảy mạnh mẽ, biên độ dao động có suy giảm so với giai đoạn khác Điều cho phép khẳng định hoạt động ENSO có ảnh hưởng đến dao động chu kỳ năm tham số vĩ độ đỉnh EIA, đặc biệt đỉnh Nam 3.3.5 Dao động tựa năm Dao động tựa năm (QBO, Quasi-Biennial Oscillation) diện tham số biên độ TEC đỉnh EIA với chu kỳ nằm khoảng từ 1834 tháng (Dung Nguyen Thanh et al., 2022) Hình 3.31 a) Chỉ số MEI.v2, b) dao động chu kỳ QBO TEC đỉnh EIA QBO tầng bình lưu giai đoạn 20082021 Mối quan hệ QBO điện ly QBO khí phức tạp (hình 3.31), chúng pha giai đoạn 2010-2013, 2018-2021 ngược pha giai đoạn 2014-2017 Hệ số tương quan giai đoạn nói là: 0,623, 0,637, -0,646 đỉnh Bắc 0,571, 0,538 -0,530 đỉnh Nam Ngoài quan sát rút ngắn chu kỳ QBO khí QBO điện ly giai đoạn 2015-2016, chu kỳ chúng ~1,5 năm Các biểu biến thiên QBO điện ly khẳng định QBO tầng bình lưu yếu tố ảnh hưởng đến QBO điện ly thơng qua liên kết động học tầng bình lưu tầng điện ly 17 CHƯƠNG BẤT THƯỜNG ĐIỆN LY BAN ĐÊM KHU VỰC ĐÔNG NAM Á 4.1 Biến thiên TEC số tốc độ biến đổi TEC Hình 4.1 ví dụ biến thiên TEC ROTI ngày đêm khơng có (a, c) có (b, d) xuất bất thường điện ly ban đêm vào ngày 02/01/2015 ngày 15/02/2015 quan sát trạm PHUT Khi có xuất bất thường điện ly ban đêm giá trị ROTI dao động mạnh (hình 4.1d) khoảng thời gian từ lúc mặt trời lặn tới nửa đêm Hình 4.1 Biến thiên hàng ngày TEC ROTI nhận trạm PHUT: a, c) ngày 02/01/2015; b, d) ngày 15/02/2015 4.2 Tần suất xuất bất thường điện ly Tần suất xuất bất thường điện ly đạt cực đại vào tháng phân điểm (tháng 3, 4, 9, 10) đạt cực tiểu vào thời kỳ mùa hè (tháng 5, 6, 7, 8) thời kỳ mùa đông (tháng 1, 2, 11, 12) Kết phù hợp với nghiên cứu trước dựa vào phương pháp khác chu kỳ hoạt động mặt trời cao thấp (Fejer et al., 1999; Abdu et al., 2000; Sahai et al., 2000, Tran et al., 2017) Các bất thường điện ly phụ thuộc vào hoạt động mặt trời Trong năm mặt trời hoạt động mạnh 2012-2014, tần suất xuất bất thường lớn Trong năm 2008, 2009, 2018 hoạt động mặt trời cực tiểu, tần suất xuất bất thường nhỏ Tần suất xuất bất thường thể bất đối xứng phân điểm, pha xuống hoạt động mặt trời (2014-2016) tần suất xuất 18 vào xuân phân (tháng 3) cao vào thu phân (tháng 9), pha lên hoạt động mặt trời (2011) tần suất xuất vào thu phân (tháng 9) lớn vào xuân phân (tháng 3) Hệ số tương quan tần suất xuất hàng tháng bất thường điện ly hệ số mặt trời F10.7 hàng tháng trạm gần khu vực đỉnh EIA phía xích đạo cao khu vực xích đạo khu vực đỉnh EIA phía cực 4.3 Sự phân bố bất thường điện ly theo vĩ độ thời gian Hoạt động bất thường chiếm ưu vào khoảng thời gian trước nửa đêm đạt cực đại vào khoảng 20:30-22:00 LT Sự phân bố bất thường điện ly tập trung vĩ độ địa lý vào khoảng 15o-18oN (~8o-11o vĩ độ từ) từ khoảng vĩ độ 5oS-0o (~7oS-12oS vĩ độ từ) Như kiện bất thường đạt cực đại hầu hết vĩ độ thấp khoảng 4o-5o so với xuất cực đại EIA phía xích đạo Hình 4.9 Vĩ độ địa lý đỉnh EIA ban ngày vĩ độ địa lý vị trí nơi mà xuất bất thường điện ly cực đại giai đoạn 20102017 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA TEC QUAN SÁT BẰNG CÁC HÀM TRỰC GIAO THỰC NGHIỆM VÀ SO SÁNH VỚI CÁC MƠ HÌNH TEC TỒN CẦU 5.1 Mơ hình hóa TEC phương pháp EOF Trong chương này, NCS sử dụng phương pháp phân tích hàm trực giao thực nghiệm, bước đầu tiếp cận việc mơ hình hóa giá trị TEC Việt Nam cụ thể trạm Phú Thụy Bạc Liêu NCS so sánh giá trị TEC nhận từ mơ hình IRI, mơ hình GIMs/CODG, mơ hình 19 EOF TEC quan sát từ máy thu GPS Việt Nam Các giá trị TEC nhận từ: máy thu GPS, mơ hình IRI-2016, mơ hình CODG, phân tích EOF gọi GPS TEC, IRI TEC, CODG TEC EOF TEC 5.1.1 Phép phân tích EOF liệu TEC Sử dụng giá trị TEC trung bình theo ngày (TEC(d,h): đó: d ngày quan sát, h ngày) quan sát trạm Phú Thụy để thực phép phân tích EOF Các liệu gốc TEC(d,h) thể dạng tổ hợp tuyến tính số lượng nhỏ hàm sở (Andima et al., 2019): n TECd , h   j 1U j (h)  C j (d ) (5.1) Cj(d) hệ số vec-tơ sở Uj(h) với số j chạy từ tới Vec-tơ sở U1 phản ánh biến thiên ngày đêm TEC Hệ số tương quan U1 biến thiên TEC ngày đêm 0,981 Hệ số C1 thể xu biến thiên theo chu kỳ hoạt động mặt trời, năm Mặt Trời hoạt động yếu giá trị C1 nhỏ ngược lại năm Mặt Trời hoạt động mạnh giá trị C1 cao, hệ số tương quan hệ số C1 F10.7 0,828 5.1.2 Phân tích hệ số EOF Biến thiên TEC quan sát từ GPS, TEC xây dựng lại từ sáu mode EOF khơng có tham số đầu vào TEC phân tích việc sử dụng hệ số EOF với tham số đầu vào F10.7av số Dst biểu diễn hình 5.5 5.7 cho hai khu vực Phú Thụy Bạc Liêu Hình 5.5 Biến thiên TEC theo thời gian Phú Thụy giai đoạn 20082018: a) TEC từ máy thu GPS, b) TEC xây dựng lại phương pháp EOF, c) TEC phân tích phương pháp EOF với tham số đầu vào F10.7av số Dst 20 Hình 5.7 Biến thiên TEC theo thời gian Bạc Liêu giai đoạn 20152018: a) TEC từ máy thu GPS, b) TEC xây dựng lại phương pháp EOF, c) TEC phân tích phương pháp EOF với tham số đầu vào F10.7av Dst Hình 5.5 5.7 cho thấy EOF tái tạo, mô tốt đặc trưng biến thiên mùa biến thiên theo hoạt động mặt trời TEC Phú Thụy Bạc Liêu Hệ số tương quan GPS TEC EOF TEC 0.957 Phú Thụy 0.802 Bạc Liêu 5.2 So sánh TEC quan sát với TEC từ mô hình 5.2.1 Đối với ngày yên tĩnh Lựa chọn ngày trường từ yên tĩnh vào tháng phân điểm (tháng tháng 9) tháng chí điểm (tháng tháng 12) để so sánh biến thiên ngày đêm GPS TEC, EOF TEC, IRI TEC, CODG TEC, kết thể hình 5.9 hình 5.15 Hình 5.9 Biến thiên ngày đêm giá trị GPS TEC, IRI TEC, CODG TEC EOF TEC vào số ngày yên tĩnh giai đoạn 2009-2010 Phú Thụy Hình 5.9 cho thấy IRI đánh giá cao giá trị GPS TEC, CODG EOF đánh giá tương đối tốt giá trị GPS TEC khu vực Phú Thụy Hình 5.15 IRI đánh giá thấp giá trị GPS TEC CODG EOF đánh giá tương đối tốt giá trị GPS TEC 21 khu vực Bạc Liêu Hình 5.15 Biến thiên ngày đêm giá trị GPS TEC, IRI TEC, CODG TEC EOF TEC vào số ngày yên tĩnh giai đoạn 2017- 2018 Bạc Liêu 5.2.2 Đối với ngày bão từ Để đánh giá hiệu phương pháp EOF áp dụng vào phân tích giá trị TEC thời gian bão từ, NCS mô TEC cho hai trận bão từ điển hình khu vực Phú Thụy Bạc Liêu (hình 5.16 5.17) Mơ hình EOF CODG tái tạo tốt giá trị TEC hiệu ứng bão từ tác động đến tầng điện ly mơ hình IRI Hình 5.16 GPS TEC, EOF TEC, IRI TEC, CODG TEC vào thời gian bão từ ngày 16-20/3/2015 Phú Thụy Hình 5.17 GPS TEC, EOF TEC, IRI TEC, CODG TEC vào thời gian bão từ ngày 21-25/6/2015 Bạc Liêu 5.3 Đánh giá sai số mơ hình Luận án sử dụng tham số sai số bình phương trung bình (RMSE: Root Mean Square Error) để đánh giá khác biệt giá trị TEC 22 nhận từ phép phân tích EOF, mơ hình IRI, mơ hình CODG với giá trị TEC nhận từ máy thu GPS Phú Thụy Bạc Liêu CODG dự đoán TEC khu vực Phú Thụy với giá trị RMSE thấp ngoại trừ tháng 3, mơ hình EOF ngoại trừ tháng 12 năm 2009 IRI dự đoán TEC khu vực Phú Thụy với giá trị RMSE cao Trong năm 2013, RMSE có giá trị cao IRI TEC thấp CODG TEC Biến đổi ngày RMSE năm 2015 năm 2018 (mặt trời hoạt động yếu) Bạc Liêu, giá trị RMSE năm 2015 có giá trị cao so với năm 2018 Tại Bạc Liêu, IRI dự báo TEC EOF dự báo TEC tốt KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Từ kết đạt luận án nghiên cứu đặc trưng dị thường ion hóa xích đạo bất thường điện ly ban đêm khu vực Đông Nam Á sử dụng số liệu GPS liên tục Việt Nam lân cận, NCS rút số kết luận sau: Các sơ đồ TEC theo thời gian vĩ độ khoảng thời gian 2008-2021 khu vực Đông Nam Á cấu trúc EIA đỉnh rõ ràng, đỉnh Bắc vào khoảng 17-22°N, đỉnh Nam vào khoảng 5oS-7°S Các quy luật biến đổi ngày đêm, biến đổi theo mùa, theo hoạt tính mặt trời tìm luận án phù hợp với kết nghiên cứu trước EIA khu vực vĩ độ thấp xích đạo giới (Tsai et al., 2001, Rama Rao et al., 2006, Zhao et al., 2009) khu vực Việt Nam lân cận (Le Huy Minh et al., 2014, 2016a) Các đỉnh EIA tồn dao động chu kỳ sau: - Dao động chu kỳ ~15 ngày tồn ba tham số, biên độ thời gian xuất đỉnh dao động đồng pha với hệ số tương quan 0,78 0,74 cách tương ứng, vĩ độ đỉnh dao động ngược pha với hệ số tương quan -0,82, dao động cho liên quan đến hoạt động sóng hành tinh truyền từ tầng khí bên 23 - Dao động chu kỳ ~27 ngày xuất tham số biên độ đỉnh EIA, liên quan đến chu kỳ quay ~27 ngày Mặt trời, hệ số tương quan dao động chu kỳ 27 ngày biên độ đỉnh Bắc (Nam) F10.7 0,73 (0,69) - Dao động chu kỳ tháng có mặt ba tham số đỉnh Biên độ đỉnh thể phụ thuộc nhiều vào hoạt động mặt trời có dị thường vào 2013-2014, thời gian xuất vĩ độ đỉnh dường không Biên độ thời gian xuất hai đỉnh dao động đồng pha với hệ số tương quan 0,99 0,75 cách tương ứng, vĩ độ hai đỉnh dao động ngược pha với hệ số tương quan -0,77 Vĩ độ hai đỉnh phụ thuộc vào hoạt động ENSO; giai đoạn El Niño dao động chu kỳ vĩ độ đỉnh có biên độ giảm đáng kể - Dao động chu kỳ năm có mặt ba tham số đỉnh Biên độ đỉnh thể phụ thuộc nhiều vào hoạt động mặt trời có dị thường vào 2014, thời gian xuất vĩ độ đỉnh dường không Biên độ vĩ độ hai đỉnh có quan hệ đồng pha, với hệ số tương quan 0,96 0,68 cách tương ứng, thời gian xuất đỉnh dao động ngược pha với hệ số tương quan -0,77 Vĩ độ hai đỉnh phụ thuộc rõ rệt vào hoạt động ENSO; giai đoạn El Niño dao động chu kỳ vĩ độ đỉnh có biên độ giảm đáng kể, đặc biệt đỉnh Nam - QBO diện tham số biên độ TEC đỉnh EIA với chu kỳ nằm khoảng từ 18-34 tháng QBO khí yếu tố gây nên QBO điện ly Ở khu vực Đông Nam Á, tần suất xuất bất thường điện ly ban đêm đạt cực đại vào tháng phân điểm cực tiểu vào thời kỳ chí điểm Hoạt động bất thường chiếm ưu vào khoảng thời gian trước nửa đêm đạt cực đại vào khoảng 20:30-22:00 LT Các bất thường điện ly ban đêm xuất cực đại vĩ độ thấp khoảng 4o-5o so với vị trí cực đại EIA ban ngày phía xích đạo Phương pháp phân tích EOF dự đoán tốt biến thiên ngày đêm 24 TEC khu vực Phú Thụy Bạc Liêu Trong đó, mơ hình IRI đánh giá q cao q thấp biến thiên ngày đêm TEC trạm Mơ hình EOF mơ tốt biến thiên theo mùa theo hoạt tính mặt trời Các hiệu ứng bão từ tác động đến giá trị TEC tầng điện ly phản ánh tốt phân tích EOF mơ hình IRI hay CODG KIẾN NGHỊ Từ kết đạt luận án, NCS đưa số kiến nghị để tiếp tục triển khai vấn đề nghiên cứu sau: - Tiếp tục đánh giá dấu hiệu QBO tham số vĩ độ thời gian xuất đỉnh EIA - Tiếp tục nghiên cứu mối liên quan biến đổi đỉnh EIA hoạt tính từ trường Trái Đất - Biến đổi theo thời gian dị thường điện ly xích đạo phụ thuộc vào nhiều yếu tố: hoạt động mặt trời, trường từ Trái Đất, khí bên dưới, cần sử dụng mơ hình hồn lưu tổng qt kiểu TIE-GCM (Thermosphere-Ionosphere-Electrodynamic General Circulation ModelMơ hình hồn lưu tổng qt điện động lực- tầng điện ly- nhiệt quyển) để hiểu nguồn gốc biến đổi tham số đỉnh dị thường điện ly xích đạo quan sát - Tiếp tục nghiên cứu đặc trưng bất thường điện ly khu vực Đơng Nam Á để phân biệt bất thường điện ly ban đêm liên quan đến bong bóng plasma (nguồn từ vùng xích đạo) nhiễu loạn điện ly dịch chuyển quy mơ trung bình (nguồn từ vùng vĩ độ trung bình) DANH MỤC CÁC BÀI BÁO ĐÃ XUẤT BẢN LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Dung Nguyen Thanh, Minh Le Huy, Christine Amory-Mazaudier, Rolland Fleury, Susumu Saito, Thang Nguyen Chien, Thanh Le Truong, Hong Pham Thi Thu, Thanh Nguyen Ha, Mai Nguyen Thi, Que Le, 2022 Ionospheric quasi-biennial oscillation of the TEC amplitude of the equatorial ionization anomaly crests from continuous GPS data in the Southeast Asian region, Vietnam Journal of Earth Sciences, https://doi.org/10.15625/2615-9783/17490 (Tạp chí scopus) Dung Nguyen Thanh, Minh Le Huy, Christine Amory-Mazaudier, Rolland Fleury, Susumu Saito, Thang Nguyen Chien, Hong Pham Thi Thu, Thanh Le Truong, Mai Nguyen Thi, 2021 Characterization of ionospheric irregularities over Vietnam and adjacent region for the 2008-2018 period, Vietnam Journal of Earth Sciences, 43(4), 465-484, doi:10.15625/2615-9783/16502 (Tạp chí scopus) Hong Pham Thi Thu, Christine Amory-Mazaudier, Minh Le Huy, Susumu Saito, Kornyanat Hozumi, Dung Nguyen Thanh, Ngoc Luong Thi, 2022 Nighttime morphology of vertical plasma drifts over Vietnam during different seasons and phases of sunspot cycles, Adv Space Res., 70, 411-426, https://doi.org/10.1016/j.asr.2022.04.010 (Tạp chí SCIE) Hong Pham Thi Thu, Christine Amory-Mazaudier, Minh Le Huy, Dung Nguyen Thanh, Hung Luu Viet, Ngoc Luong Thi, Kornyanat Hozumi, Thanh Le Truong, 2020 Comparison between IRI-2012, IRI2016 models and F2 peak parameters in two stations of the EIA in Vietnam during different solar activity periods, Adv Space Res., 68, 2076-2092, https://doi.org/10.1016/j.asr.2020.07.017 (Tạp chí SCIE)