Luận Án Tiến Sĩ Vật Lý Địa Cầuv Bong Bóng Plasma Và Đặc Trưng Dị Thường Ion Hóa Xích Đạo Khu Vực Việt Nam Và Lân Cận.pdf

Luận án tiến sĩ BӜ GIÁO DӨC 9¬Ĉ¬27ҤO VIӊN HÀN LÂM KHOA HӐC VÀ CÔNG NGHӊ VIӊT NAM HӐC VIӊN KHOA HӐC VÀ CÔNG NGHӊ - NGUYӈN THANH DUNG Lu BONG BÓNG PLASMA VÀ ận ĈҺ&75Ѭ1*'ӎ 7+ѬӠ1*,21+Ï$;Ë&+ĈҤO án KHU VӴC VIӊT NAM VÀ LÂN CҰN n tiế sĩ LUҰN ÁN TIӂN SӺ VҰT LÝ ĈӎA CҪU Hà Nӝi- 2023 Luận án tiến sĩ BӜ GIÁO DӨC 9¬Ĉ¬27ҤO VIӊN HÀN LÂM KHOA HӐC VÀ CƠNG NGHӊ VIӊT NAM HӐC VIӊN KHOA HӐC VÀ CÔNG NGHӊ - NGUYӈN THANH DUNG BONG BÓNG PLASMA VÀ ĈҺ&75Ѭ1*'ӎ 7+ѬӠ1*,21+Ï$;Ë&+ĈҤO Lu KHU VӴC VIӊT NAM VÀ LÂN CҰN ận án tiế LUҰN ÁN TIӂN SӺ VҰT LÝ ĈӎA CҪU n Chuyên ngành: VұWOêÿӏa cҫu sĩ Mã sӕ: 44 01 11 1*ѬӠ,+ѬӞNG DҮN KHOA HӐC: TS NCVCC Lê Huy Minh TS NCVC Phҥm Thӏ Thu Hӗng Hà Nӝi- 2023 Lu ận án n tiế Luận án tiến sĩ sĩ Lu ận án n tiế Luận án tiến sĩ sĩ Luận án tiến sĩ iii MỤC LỤC Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục hình vẽ Danh mục bảng Danh mục chữ viết tắt MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: 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 Lu 1.1.1 Nguồn gốc hình thành tầng điện ly ận 1.1.2 Các lớp điện ly 1.1.3 Hợp phần ion 10 án 1.1.4 Dynamo lớp E 11 1.1.5 Dynamo lớp F 12 tiế 1.1.6 Dị thường ion hóa xích đạo 13 1.1.6.1 Sự chuyển động hạt lớp F 14  n  1.1.6.2 Sự trôi dạt E  B 15 sĩ 1.1.7 Bất thường điện ly 16 1.1.7.1 Bong bóng plamsa xích đạo 17 1.1.7.2 Lý thuyết tuyến tính bất ổn định Rayleigh-Taylor 17 1.2 Tổng quan hệ thống định vị toàn cầu GPS 20 1.2.1 Các phận hệ thống định vị GPS 20 1.2.1.1 Bộ phận không gian 20 1.2.1.2 Bộ phận điều khiển 21 1.2.1.3 Bộ phận sử dụng 21 1.2.2 Cấu trúc tín hiệu GPS 21 1.2.3 Các đại lượng quan sát GPS 23 1.2.3.1 Giả khoảng cách 23 1.2.3.2 Quan sát pha mang (Carrier phase) 23 Luận án tiến sĩ iv 1.2.4 Ảnh hưởng tầng điện ly tới việc truyền tín hiệu GPS 24 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu điện ly vùng vĩ độ thấp sử dụng công nghệ GPS 27 1.3.1 Tình hình nghiên cứu giới 27 1.3.1.1 Dị thường ion hóa xích đạo 27 1.3.1.2 Bất thường điện ly 31 1.3.2 Tình hình nghiên cứu nước 36 CHƯƠNG 2: SỐ LIỆU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 40 2.1 Số liệu sử dụng 40 2.1.1 Số liệu từ trạm thu GPS 40 2.1.2 Thông tin vệ tinh 43 2.1.3 Thông lượng mặt trời F10.7 43 Lu 2.1.4 Chỉ số Dst 43 ận 2.1.5 El Niño Dao động Nam (ENSO) 44 2.1.6 Dao động tựa hai năm (QBO) tầng bình lưu 46 án 2.1.7 Mơ hình điện ly tham chiếu quốc tế IRI 47 2.1.8 Mơ hình TEC tồn cầu GIMs (CODG) 48 tiế 2.2 Các phương pháp nghiên cứu 49 2.2.1 Phương pháp tính TEC 49 n 2.2.2 Chỉ số tốc độ thay đổi TEC 51 sĩ 2.2.3 Phương pháp làm hợp đường cong 52 2.2.4 Xử lý tín hiệu số 53 2.2.4.1 Bộ lọc thông dải 54 2.2.4.2 Phép biến đổi wavelet 55 2.2.4.3 Phương pháp phân tích biểu đồ chu kỳ Lomb-Scargle 57 2.2.5 Phương pháp phân tích hàm trực giao thực nghiệm 58 CHƯƠNG 3: DỊ THƯỜNG ION HĨA XÍCH ĐẠO KHU VỰC ĐÔNG NAM Á… 61 3.1 Biến động ngày đêm TEC trạm 61 3.2 Đặc trưng dị thường ion hóa xích đạo khu vực Đông Nam Á 63 3.2.1 Các sơ đồ TEC theo thời gian vĩ độ 63 3.2.2 Biến thiên theo mùa biến thiên theo hoạt tính mặt trời 68 Luận án tiến sĩ v 3.2.3 Biến thiên hàng năm đỉnh EIA 73 3.3 Các dao động tuần hồn đỉnh EIA khu vực Đơng Nam Á 75 3.3.1 Dao động chu kỳ ~15 ngày 78 3.3.2 Dao động chu kỳ 27 ngày 82 3.3.3 Dao động chu kỳ tháng 84 3.3.4 Dao động chu kỳ năm 86 3.3.5 Dao động chu kỳ tựa năm (QBO) 88 CHƯƠNG 4: BẤT THƯỜNG ĐIỆN LY BAN ĐÊM KHU VỰC ĐÔNG NAM Á .96 4.1 Biến thiên ngày đêm số tốc độ biến đổi TEC 96 4.2 Tần suất xuất bất thường điện ly 97 4.3 Sự phân bố bất thường điện ly theo vĩ độ thời gian 105 Lu CHƯƠNG 5: MƠ HÌNH HĨA TEC QUAN SÁT BẰNG CÁC HÀM TRỰC ận GIAO THỰC NGHIỆM VÀ SO SÁNH VỚI CÁC MƠ HÌNH TEC TỒN CẦU .112 án 5.1 Mơ hình hóa TEC phương pháp EOF 112 5.1.1 Phép phân tích EOF liệu TEC 112 tiế 5.1.2 Phân tích hệ số EOF 115 5.2 So sánh TEC quan sát với TEC từ mơ hình 118 n 5.2.1 Đối với ngày yên tĩnh 118 sĩ 5.2.2 Đối với ngày bão từ 122 5.3 Đánh giá sai số mô hình 124 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 127 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 129 TÀI LIỆU THAM KHẢO 130 Luận án tiến sĩ vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ lớp khí lớp tầng điện ly (Rishbeth & Garriot [8]) Hình Tuyến mật độ điện tử ion theo chiều cao (mơ hình điện ly tham chiếu quốc tế IRI): a) thời điểm 1200 LT, b) thời điểm 0000 LT Hình 1.3 Hợp phần khí tầng điện ly thời gian ban ngày dựa phép đo phổ kế khối lượng vệ tinh [12] 10 Hình 1.4 Hiệu ứng vịi phun xích đạo [19] 14 Hình 1.5 a) Sơ đồ tương tự plasma bất ổn định Rayleigh-Taylor hình học xích đạo b) Bản phác thảo theo từ ảnh tính bất ổn định R-T động học chất lỏng Chất lỏng nhẹ ban đầu đỡ (nằm dưới) chất lỏng nặng [26] 19 Lu Hình 1.6 Thời gian truyền tín hiệu vệ tinh máy thu 22 ận Hình 1.7 Phép đo pha nghiên cứu GPS 22 Hình 1.8 Mơ hình lớp đơn điện ly [35] 26 án Hình 1.9 Tín hiệu GPS bị nhấp nháy dấu truyền qua bất thường điện ly (Balan et al., 2018 [49]) 33 tiế Hình 1.10 Hệ số S4 (đường màu xanh) liên quan tới suy giảm TEC (đường màu đỏ) trạm Waltair, Raipur Kolkata Ấn Độ (Rama Rao et al., 2006 [56]) 34 n Hình 1.11 Trơi dạt bong bóng plasma hướng Đơng quan sát Rada sĩ Kototabang, Indonesia (Ajith et al., 2015 [127]) 35 Hình 2.1 Vị trí trạm GPS liên tục khu vực Việt Nam lân cận, vị trí xích đạo từ niên đại 2010.0 khoảng vĩ độ 7° 42 Hình 2.2 Sơ đồ trạm thu GPS model GSV4004 42 Hình 2.3 Vết vệ tinh quan sát trạm GPS ngày 01/5/2021: 42 Hình 2.4 Sơ đồ chế vật lý tượng: a) El Niño, b) La Niña (https://psl.noaa.gov/enso/mei/ [164]) Ký tự H vùng áp suất cao, ký tự L vùng áp suất thấp, thang màu thị dị thường nhiệt độ mặt nước biển 45 Hình 2.5 Mơ hình dao động nhiệt độ khu vực Thái Bình Dương: a) Trạng thái bình thường, b) trạng thái El Niđo, c) trạng thái La Niña (https://vi.wikipedia.org/wiki/Dao_động_phương_Nam [168]) 46 Hình 2.6 Dao động QBO gió vĩ hướng trung bình hàng tháng từ 1980 đến Luận án tiến sĩ vii (https://acd-ext.gsfc.nasa.gov/Data_services/met/qbo/qbo.html [169]) 46 Hình 2.7 Sơ đồ TEC tồn cầu theo mơ hình IRI-2016 vào 10 UT ngày 26/08/2013 (theo Ji Eun-Young et al (2020) [174]) 48 Hình 2.8 Sơ đồ TEC tồn cầu vào 20:00 UT ngày 19/8/2012 theo mơ hình CODG (http://aiuws.unibe.ch/ionosphere/gim.gif [175]) 49 Hình 2.9 Biểu đồ định nghĩa lọc thông dải: (B): dải thông, f0: tần số trung tâm, fH: tần số cắt cao hơn, fL: tần số cắt thấp 54 Hình 2.10 Minh họa biến đổi hình học phép phân tích suy biến (Pham Dinh Khanh, 2021 [190]) 59 Hình 3.1 Kết tính tốn TEC ngày 031/2021 (31/01/2021) số trạm khu vực Đông Nam Á theo thứ tự từ trái sang phải, từ xuống dưới: MTEV, XMIS, PHUT, BAKO, DLAT, NTUS, BACL, ANMG 62 Lu Hình 3.2 Vết vệ tinh độ cao 400 km nhìn từ mạng lưới trạm GPS khu vực ận Đông Nam Á (hình 2.1) vào ngày 027/2021 (27/01/2021) 64 Hình 3.3 Phân bố vết vệ tinh theo thời gian vĩ độ quan sát từ mạng lưới trạm án GPS liên tục khu vực Đông Nam Á ngày 27/01/2021, góc nhìn vệ tinh ≥ 20° 65 Hình 3.4 Sơ đồ VTEC theo thời gian vĩ độ ngày 304/2021 (31/10/2021) khu vực tiế Đơng Nam Á Kí hiệu ME: xích đạo từ 66 Hình 3.5 Sơ đồ TEC theo thời gian vĩ độ trung bình tháng năm 2014, khoảng cách n đường đẳng trị TECU 67 sĩ Hình 3.6 Biến thiên trung bình hàng tháng biên độ TEC đỉnh EIA giai đoạn 2008- 2021: a) đỉnh bắc, b) đỉnh nam 68 Hình 3.7 Biến thiên mùa thành phần khí trung hịa theo mơ hình MSIS-86 (Ondoh et al [191]) 69 Hình 3.8 Biến thiên hàng tháng tham số giai đoạn 2008-2021: a) thông lượng mặt trời F10.7, b) biên độ TEC đỉnh EIA 70 Hình 3.9 Thời gian xuất đỉnh EIA giai đoạn 2008- 2021 71 Hình 3.10 Chênh lệch thời gian đỉnh EIA giai đoạn 2008- 2021 71 Hình 3.11 Vĩ độ đỉnh EIA giai đoạn 2008-2021, đỉnh Bắc phía đỉnh Nam phía 72 Hình 3.12 Mơ hình tổ hợp lý thuyết gió trung hịa thổi qua xích đạo, vị trí điểm gần mặt trời gió thổi từ vùng cực phía xích đạo vào thời kỳ điểm chí: a) hạ chí Luận án tiến sĩ viii nằm bán cầu Bắc, b) hạ chí nằm bán cầu Nam (Tsai et al [52] 73 Hình 3.13 Biến thiên hàng năm tham số đỉnh EIA giai đoạn 2008-2021: a, b) vĩ độ đỉnh Bắc, đỉnh Nam, c) biên độ, d) thời gian xuất 74 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 75 Hình 3.15 a) Thơng lượng mặt trời F10.7 trung bình ngày giai đoạn 2008-2021, b) biểu đồ chu kỳ Lomb-Scargle F10.7, c) phóng đại dải chu kỳ nhỏ 500 ngày 76 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 50 ngày, c) Phóng đại dải chu kỳ nhỏ 500 ngày 77 Lu Hình 3.17 a) Biểu đồ chu kỳ Lomb-Scargle vĩ độ đỉnh EIA giai đoạn ận 2008-2021, b) Phóng đại dải chu kỳ nhỏ 500 ngày 78 Hình 3.18 a) Biểu đồ chu kỳ Lomb-Scargle thời gian xuất đỉnh EIA án giai đoạn 2008-2021, b) Phóng đại dải chu kỳ nhỏ 500 ngày 78 Hình 3.19 Dao động chu kỳ 15 ngày tham số đỉnh EIA giai đoạn 2008-2021: tiế a) biên độ, b) vĩ độ, c) thời gian xuất 81 Hình 3.20 Dao động chu kỳ 15 ngày tham số đỉnh EIA giai đoạn 2008-2009: n a) biên độ, b) vĩ độ, c) thời gian xuất 81 sĩ Hình 3.21 Tương tự hình 3.20 cho giai đoạn 2013-2014 82 Hình 3.22 Dao động chu kỳ ~ 27 ngày giai đoạn 2008-2021: a) F10.7, b) biên độ đỉnh EIA 83 Hình 3.23 Dao động chu kỳ 27 ngày F10.7 biên độ đỉnh EIA: a) giai đoạn 2008-2009, b) giai đoạn 2013-2014 84 Hình 3.24 Dao động chu kỳ tháng tham số đỉnh EIA giai đoạn 2008-2021: a) biên độ, b) vĩ độ, c) thời gian xuất 85 Hình 3.25 a) Chỉ số MEI.v2 b) dao động chu kỳ tháng tham số vĩ độ đỉnh EIA giai đoạn 2008-2021 86 Hình 3.26 Dao động chu kỳ năm tham số đỉnh EIA giai đoạn 2008-2021: a) biên độ, b) vĩ độ, c) thời gian xuất 87 Hình 3.27 a) Chỉ số MEI.v2 b) biên độ dao động chu kỳ năm tham số vĩ độ