THU NHẬN XUNG KHÍ QUYỂN TWEEK tại vĩ độ THẤP để ước TÍNH mật độ ELECTRON của lớp THẤP NHẤT TẦNG điện LY BAN đêm

Cả hai tháng quan sát, những tweek có số mode cao m > 4 xuất hiện với tỉ lệ thấp hơn các tweek có số mode khác do có sự suy hao năng lượng sóng ở lớp D tầng điện ly càng tăng đối với són

II-O-2.13

THU NHẬN XUNG KHÍ QUYỂN TWEEK TẠI VĨ ĐỘ THẤP ĐỂ ƯỚC TÍNH MẬT ĐỘ

ELECTRON CỦA LỚP THẤP NHẤT TẦNG ĐIỆN LY BAN ĐÊM

Lê Minh Tân 1 , Nguyễn Nọc Thu 2 , Trần Quốc Hà 3

1Trường ĐH Tây Nguyên

2 Trung tâm Địa Vật lý, Liên Đoàn Bản đồ địa chất miền Nam, Việt Nam

3Trường ĐH Sư phạm, Tp Hồ Chí Minh

Email: tantaynguyen82@yahoo.com

TÓM TẮT

Xung điện từ bức xạ ra từ sự phóng điện của sét có dải tần số cực thấp (3 Hz – 3 kHz) và rất thấp (3 kHz – 30 kHz) lan truyền hàng nghìn km giữa lớp thấp nhất của tầng điện ly và Trái đất đến máy thu Trên ảnh phổ của máy thu xuất hiện những “lưỡi câu” với tần số cắt khoảng 1,8 kHz và chúng được gọi là “tweek” Quan sát tweek nhiều mode (chế độ), số mode cực đại đến 8, tại máy thu đặt tại đại học Tây Nguyên (12,65 o B, 108,02 o Đ) trong tháng 5 (đại diện cho mùa hè) và tháng 11 (đại diện cho mùa đông) năm 2013 để ước tính mật độ electron tại độ cao phản xạ tương ứng của lớp D tầng điện ly trong thời gian ban đêm Mỗi tháng, tweek được ghi nhận trong 5 đêm yên tĩnh Trong mùa hè, tweek có số mode m = 3 – 4, trở nên chiếm ưu thế và có nhiều tweek có số mode 8 Cả hai tháng quan sát, những tweek có số mode cao (m > 4) xuất hiện với tỉ lệ thấp hơn các tweek có số mode khác do có sự suy hao năng lượng sóng ở lớp D tầng điện ly càng tăng đối với sóng tweek có mode cao Kết quả tính toán cho thấy mật độ electron từ 30 – 222 e/cm 3 ứng với số mode m = 1 – 8 tại các độ cao phản xạ từ 82,1 – 87,5 km Trước nửa đêm, mật độ electron vào mùa hè thấp hơn so với mật độ electron vào muà đông nhưng sau nửa đêm mật độ electron mùa hè tại cao hơn so với mật

độ electron vào mùa đông Mật độ electron tương đương trong profile tính theo phương pháp tweek thấp hơn so với mật độ electron tính toán bằng mô hình IRI-2012 khoảng 26 - 66 % (vào mùa đông)

và 18 – 48 % (vào mùa hè) Sự thay đổi mật độ electron phụ thuộc vào mùa thể hiện trong giai đoạn Mặt Trời hoạt động mạnh ít rõ hơn trong giai đoạn Mặt trời hoạt động yếu

Từ khóa: Lớp D tầng điện ly, phương pháp tweek, tần số cắt, mật độ electron, độ cao phản xạ

MỞ ĐẦU

Lớp D (60 – 95 km) là lớp thấp nhất của tầng điện ly của Trái Đất, nơi mà sự va chạm giữa hạt mang điện

và hạt trung hòa chiếm ưu thế và làm vai trò biên dẫn phía trên của ống dẫn sóng Trái Đất – Tầng điện ly có thể phản xạ sóng tần số cực thấp (ELF – Extremely Low Frequency: 3 – 3000 Hz) và sóng tần số rất thấp (VLF-Very Low Frequency: 3 – 30 kHz) Lớp D quá cao đối với kinh khí cầu và quá thấp đối với vệ tinh cho sự đo lường Tốc độ kết hợp và tái hợp của electron quá nhanh làm cho mật độ electron tự do rất thấp ( < 103 e/cm3), đặc biệt vào ban đêm, điều này làm cho máy điện ly đồ, radar không thể quan trắc được Có thể đo nhanh các thông số điện ly bằng tên lửa nhưng chúng chỉ giới hạn trong vùng không gian hẹp [1] Do vậy, lớp D tầng điện

ly vẫn còn là đề tài mới mẽ cần tiếp tục nghiên cứu và kỹ thuật ELF/VLF trở thành công cụ hữu hiệu để nghiên cứu lớp này

Tweek là xung điện từ trong dải tần ELF/VLF phát ra từ sự phóng điện của sét và lan truyền rất xa hàng nghìn km trong ống dẫn sóng Tầng điện ly – Trái đất (Earth Ionospheric Wave Guide – viết tắt: EIWG) với nhiều chế độ (mode) phản xạ và sự suy hao của sóng rất thấp (2 – 3 dB/1000 km) [2] Những tín hiệu này bị tán sắc mạnh gần ở tần số tới hạn khoảng 1.8 kHz [3] Những sóng này biểu hiện những “lưỡi câu” trên phổ tần số - thời gian và nghe tiếng “tuýt tuýt” qua loa của máy thu [4] Sử dụng phương pháp tweek, nhiều công trình nghiên cứu đã xác định được độ cao phản xạ vào ban đêm của lớp D, mật độ electron và khoảng cách lan truyền sóng từ nguồn đến nơi quan sát Tuy vậy, những công trình này chỉ tập trung nghiên cứu lớp D ở vĩ độ cao và trung bình Một số công trình gần đây sử dụng mode đầu tiên của tweek để nghiên cứu lớp D ở vĩ độ thấp trong giai đoạn Mặt Trời hoạt động yếu

Trong công trình này, chúng tôi ghi nhận và thống kê tweek bằng máy thu ELF/VLF đặt tại đại học Tây Nguyên (12,65o B) trong tháng 5 và tháng 11 năm 2013 Sử dụng phương pháp tweek để tính tần số cắt, tính độ mật độ electron của lớp D tầng điện ly vào ban đêm tại khu vực vĩ độ thấp So sánh profile mật độ electron của lớp D ban đêm bằng phương pháp tweek với mô hình điện ly IRI-2012 Đánh giá sự biến đổi theo mùa của các thông số điện ly (cho trường hợp nhiều mode) trong giai đoạn Mặt Trời hoạt động mạnh của chu kỳ thứ 24

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Lý thuyết về sự lan truyền sóng điện từ trong plasma có từ trường và có va chạm giữa các hạt mang điện

dựa trên lý thuyết từ-ion hóa áp dụng cho tầng điện ly [5] Tầng điện ly là môi trường ion hóa yếu và là môi

trường plasma bất đồng nhất và bất đẳng hướng Chỉ số khúc xạ của môi trường truyền sóng trong plasma tầng

điện ly được thể hiện bằng công thức Appleton-Hartree [6]:

2 / 1 2 2 2 4

4 2

4 2

] cos )

1 ( 4 sin [ sin )

1 )(

1 ( 2

) 1

( 2 1









Y iZ X Y

Y iZ X iZ

i X X

























(1)

Trong đó:

2















H

p X





;



H

Y  ;



v

Z 

Với ω H và ω p được xác định bởi các biểu thức sau:

m

H e

H

0



p

p f

m

e N

2

1

0

2







(2)

 là chiết suất của môi trường; α là góc giữa hướng lan truyền của sóng và vector từ trường của Trái Đất;

 là tần số va chạm của electron với hạt trung hòa; ω là tần số góc của sóng; ω p là tần số góc plasma và ω H là

tần số góc hồi chuyển của electron; H là cường độ từ trường của Trái Đất; μ o là hằng số từ môi của không khí; e

là điện tích của electron và m là khối lượng của electron Ý nghĩa của dấu “±” trong mẫu số của công thức (1):

dấu "+” tương ứng với sóng thường (ordinary wave) và dấu "-" tương ứng với các sóng bất thường (extraordinary wave) trong plasma tầng điện li Chế độ sóng thường tương ứng với sự phân cực tròn quay phải

và sóng bất thường tương ứng với phân cực tròn quay trái

Từ trường của Trái Đất làm cho môi trường điện ly không đẳng hướng và làm sóng phân cực thẳng thành sóng phân cực elip Sự lan truyền năng lượng được cho là sự hợp thành của chế độ tựa điện trường ngang qTE (quasi-Transverse Electric) và tựa từ trường ngang qTM (quasi-Transverse Magnetic) Chế độ qTM tương tự như chế độ từ trường ngang TM (Transverse Magnetic) nhưng chúng có thêm thành phần từ trường nhỏ dọc theo

phương truyền sóng Chế độ qTE cũng có thành phần điện trường nhỏ dọc theo phương truyền sóng [6] Chế độ

đơn giản mà không có tần số cắt và lan truyền với tần số nhỏ hơn 1,8 kHz gọi là chế độ tựa điện từ trường ngang qTEM (quasi-Transverse Electromagnetic) [3] Các công trình của Yedemsky (1992) và Hayakawa (1995) đã chỉ

ra rằng phân cực chính của đuôi tweek là phân cực tròn quay trái chúng liên quan đến thành phần dọc của trường địa từ [7; 8]

Trong công thức Appleton-Hartree (1), điều kiện để 2 bằng không là X = 1 và X = 1  Y tương ứng với

sóng thường và sóng bất thường Giá trị X = 1 + Y khi Y > 1 (H > ) và X = 1 – Y khi Y < 1 (H < ) Vì

trường hợp sóng tweek trong dải ELF/VLF (H < ) nên chọn giá trị X = Y + 1 [9]

Do đó, mật độ electron được ước tính từ điều kiện X = 1 + Y là:

) ( 10 241 ,

H p p

Tần số hồi chuyển f H của electron được tính [10]:

B là cảm ứng từ của Trái Đất được tính từ website:

http://www.ngdc.noaa.gov/geomag-web/?model=igrf#igrfwmm Ở vùng vĩ độ thấp (vĩ độ 30o B – 30o N) và theo mô hình IGRF (International

Geomagnetic Reference Field) thì f H = 1,3  0,16 MHz

Tần số cắt của tweek trong khoảng 1,5 – 2,5 kHz Do f p << f H và khi có sự phản xạ sóng thì f c = f p , nên ta

có [9]:

H c

Thay f H từ (4) vào (5), ta được:

c

Nếu lấy f c = 1,8 kHz và f H = 1,3  0,16 MHz thì ta thu được mật độ electron N e = 29,04 ± 4,47 e/cm3

Coi biên dẫn phía trên của EIWG là biên dẫn lý tưởng, độ cao phản xạ h của sóng tweek được xác định [6;

11]:

cm f

m c h

2

Trong đó m là số mode, c là vận tốc ánh sáng trong chân không, f cm là tần số cắt ứng với mode thứ m

Nếu f > f cm và các mode lan truyền với vận tốc v gm được xác định [12]:

Từ (8), khi tần số f tiến tới tần số cắt f cm thì v gm tiến tới bằng 0, còn nếu f lớn hơn nhiều so với tần số cắt thì

v gm tiến gần tới vận tốc ánh sáng Trường hợp f nhỏ hơn tần số cắt thì sóng bị suy hao nhanh và tắt nhanh dọc

theo đường truyền [13]

Khoảng cách lan truyền d của xung tweek được tính [14]:

2 gf 1 gf

2 gf 1 gf 1 2

v v

) v v ( t t d







Trong đó, t 2 – t 1 là khoảng thời gian giữa hai tần số f 2 và f 1 tương ứng với vận tốc nhóm v gf2 và v gf1

Áp dụng các công thức (5), (7) và (9), nhiều công trình nghiên cứu đã xác định được độ cao phản xạ vào ban đêm của lớp D, mật độ electron và khoảng cách lan truyền sóng từ nguồn đến máy thu

Sự thay đổi mật độ electron theo độ cao (hay profile mật độ electron) quyết định bởi hai thông số Wait: độ

cao tham chiếu h’ và hệ số  của hàm mũ Công thức tính mật độ electron N e (đơn vị e/cm3) được xác định theo

mô hình Wait and Spies (1964) [15]:

( 0,15)( ')

exp ) ' 15 , 0 exp(

10 43 , 1 )

THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU

Thiết bị nghiên cứu

Máy thu ELF/VLF được lắp đặt theo tiêu chuẩn của hệ Ultra-MSK, Newzealand [16] Máy thu này gồm có ăng-ten VLF, bộ tiền khuếch đại, thiết bị điều khiển SU (Service Unit), card âm thanh, máy thu GPS, máy vi tính, phần mềm ghi dữ liệu (SpectrumLab và UltraMSK) (Hình 1) Hệ máy thu này đã được chúng tôi mô tả chi tiết trong công tình trước đây [17]

Hình 1 Sơ đồ khối máy thu ELF/VLF

Ăng-ten của máy thu ELF/VLF gồm hai cuộn dây hình tam giác vuông cân đặt vuông góc nhau có cạnh đáy 2,6 m Mỗi cuộn dây gồm 8 vòng dây làm bằng đồng có kích cỡ 18 AWG (American Wire Gause) Một cuộn dây có bề mặt hướng về Bắc - Nam, cuộn còn lại có bề mặt hướng về Đông - Tây Nếu thành phần từ trường của sóng điện từ thay đổi xuyên qua ăng-ten, suất điện động sẽ sinh ra trong cuộn dây của ăng-ten [18] Mặt phẳng ăng-ten vuông góc với hướng Bắc-Nam rất nhạy với sóng VLF từ các trạm phát, trong khi đó mặt phẳng ăng-ten vuông góc hướng Đông-Tây rất nhạy với xung điện từ phát ra từ sự phóng điện của sét [13, 16]

Bộ tiền khuếch đại được đặt gần ăng-ten để lọc và khuếch đại tín hiệu nhỏ phục vụ cho việc số hóa các các tín hiệu tương tự thông qua bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC – Analog to Digital Converter) Các tín hiệu

từ ăng-ten được khuếch đại và được truyền qua cáp đồng trục dài 150 m đến máy thu Bộ tiền khuếch đại được nối với SU trước khi đưa tín hiệu vào card âm thanh

Tín hiệu ELF/VLF từ kênh Đông – Tây của bộ tiền khuếch đại được đưa đến card âm thanh Bộ ADC của card âm thanh này có tốc độ lấy mẫu 96 kS/s và độ phân giải 16 bit Phần mềm SpectumLab v2.77b22 được sử dụng để ghi tín hiệu băng tần ELF/VLF với file có đuôi “wav” Máy GPS đồng bộ đồng hồ của máy tính với thời

Ăng-ten VLF

Bộ tiền KĐ

Máy thu GPS

1PPS

Ăng-ten GPS

PC1, UltraMSK N/S

SpectrumLab Card âm thanh 1

Card âm thanh 2

SU

gian quốc tế Phần mềm Spectrum Lab được cấu hình với tốc độ lấy mẫu 44,1 kS/s, 16 bit và chọn FFT 512 để thu tweek Chế độ phổ thác đổ (water fall) được thiết lập với dải tần từ 0 - 16 kHz

Phương pháp ghi và xử lý số liệu

Để phân tích dữ liệu tweek, công trình dùng phần mềm phân tích âm thanh Sonic Visualiser [19] Phần

mềm có chức năng đọc các file âm thanh và hiển thị ảnh phổ tần số - thời gian tương ứng, cho phép lấy các cặp thông số tần số - thời gian trên ảnh phổ Dữ liệu được phân tích trong 2 phút của file âm thanh (có đuôi wav) mà máy thu ghi nhận cứ sau 15 phút ghi 1 lần Mỗi tháng, dữ liệu được lựa chọn gồm 5 đêm trong điều kiện yên tĩnh

(chỉ số địa từ D st < - 20 nT) Các tháng được lựa chọn: tháng 5 (đại diện cho mùa hè) và tháng 11 (đại diện cho mùa đông) năm 2013 Khi phân tích dữ liệu, thời gian quốc tế (Universal Time, UT) được chuyển đổi sang thời gian địa phương (Local Time (LT) = UT + 7) Qua quan sát, tweek xuất hiện rất ít trong giai đoạn hoàng hôn (17:00 - 19:00 LT) và trong giai đoạn bình minh (05:00 LT – 07:00 LT) Chính vì vậy, đề tài chỉ phân tích các tweek thu được trong khoảng thời gian từ 19:00 LT – 5:00 LT Các tweek dùng để tính toán các thông số điện ly được giới hạn trong trường hợp có khoảng cách lan truyền trong ống dẫn sóng không lớn hơn 5000 km nhằm tránh sai số về độ cao phản xạ và mật độ electron do các tweek lan truyền hướng Đông –Tây đến từ phía ban ngày của Trái đất [20]

Hình 2 a-b biểu diễn ví dụ phổ tần số - thời gian với dải tần từ 0 – 16 kHz thu khoảng 0,5 s sau 18:30:29

UT và 19:30:41 UT tại trường đại học Tây Nguyên (12,65o B; 108,02o Đ) Trên phổ (hiển thị bằng phần mềm

Sonic Visualiser), có rất nhiều đường sọc thẳng đứng là các xung điện từ bức xạ ra từ sét trong cơn dông xảy ra ở

khắp nơi trên thế giới và lan truyền trong EIWG Trên ảnh phổ hình 2a, có thể thấy tweek có số mode m = 2 – 3

Hình 2b rất nhiều tweek mode cao xuất hiện (lên đến 8 mode) Sự xuất hiện của tweek phụ thuộc vào điều kiện địa lý, mùa, hoạt động của dông sét và các hiện tượng khí quyển Đặc biệt nó còn phụ thuộc vào sự nhiễu loạn từ trường của Trái Đất [11] Trên phổ hình 2a, các mũi tên chỉ vị trí của các thành phần qTEM, qTM1, qTM2 qTM3

của tweek có 3 mode Trong khi đó trên phổ hình 2b, tweek 3 mode không có thành phần qTEM

Thời gian (s)

Hình 2 Hình ảnh phổ sau các thời điểm 18:30:29 UT và 19:30:41 UT trong đêm 15 tháng 5 năm 2013

Để thu được profile mật độ electron vào ban đêm của lớp D, các mật độ electron tương ứng với độ cao phản xạ thu được từ phương pháp tweek làm thông số đầu vào để tính toán thông số Wait bằng chương trình LWPC Profile electron thu được tính toán từ chương trình LWPC được so sánh với kết quả tính toán từ mô hình điện ly IRI 2012 (địa chỉ trang web: http://omniweb.gsfc.nasa.gov/vitmo/iri2012_vitmo.html) Các thông số đầu

vào cơ bản cho mô hình IRI-2012 gồm: tọa độ địa lý, độ cao cần nghiên cứu, chỉ số Mặt Trời (F10.7, R z), chỉ số

điện ly (IG), chỉ số từ (A p ) Chỉ số dòng Mặt Trời F10.7 hằng ngày, số vệt đen Mặt Trời R z trung bình hằng tháng

và chỉ số điện ly được lấy trên các website, lần lượt là: http://www.swpc.noaa.gov/ftpdir/indices/old_indices/,

http://sidc.be/silso/datafiles, và http://www.ukssdc.ac.uk/wdc/datalists/wdcstp_chilton.html

qTEM

qTM1

qTM2

qTM3

qTM1

qTM2

qTM3

m = 8

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Đặc điểm của tweek tại khu vực vĩ độ thấp

Chúng tôi quan sát được 11294 tweek ở vĩ độ thấp tại trạm quan sát trường đại học Tây Nguyên (12,65o B; 108,02o Đ) Thống kê các loại tweek theo hai giai đoạn, trước nửa đêm (19:00 – 00:00 LT) và sau nửa đêm (00:00 – 5:00 LT) được trình bày trong các Bảng 1 – 2

Bảng 1 Bảng thống kê sự kiện tweek quan sát trong 5 đêm yên tĩnh tháng 05 năm 2013

19:00 –

00:00

Số tweek 57 740 1063 965 553 267 144 53 3842

Tỉ lệ (%) 1.48 19.26 27.67 25.12 14.39 6.95 3.75 1.38 00:00 –

05:00

Số tweek 46 704 1147 987 735 386 235 59 4299

Tỉ lệ (%) 1.07 16.38 26.68 22.96 17.10 8.98 5.47 1.37 Tổng

Số tweek 103 1444 2210 1952 1288 653 379 112 8141

Tỉ lệ (%) 1.27 17.74 27.15 23.98 15.82 8.02 4.66 1.38 Qua bảng số liệu thu được (bảng 1), khi quan sát tweek vào các đêm tháng 5 (mùa hè), thu được 8141 tweek Tweek có 2 – 4 mode xuất hiện nhiều hơn các tweek khác Tweek có 3 mode xuất hiện thường xuyên và chiếm tỉ lệ cao nhất (27,15 %) và tweek có 8 mode chiếm tỉ lệ ít nhất (1,38 %) Tweek xuất hiện vào lúc trước nửa đêm ít hơn sau nửa đêm

Bảng 2 Bảng thống kê sự kiện tweek quan sát trong 5 đêm yên tĩnh tháng 11 năm 2013

19:00 –

00:00

Tỉ lệ (%) 14.70 53.40 20.39 7.42 2.22 0.97 0.55 0.35 00:00 –

05:00

Tỉ lệ (%) 14.90 57.16 17.83 6.37 2.05 0.76 0.82 0.12 Tổng

Tỉ lệ (%) 14.81 55.44 19.00 6.85 2.12 0.86 0.70 0.22

Từ bảng 2, khi quan sát 5 ngày trong tháng 11 (mùa đông), thu được 3153 tweek với các mode từ 1 - 8 Kết quả phân tích cho thấy tweek có số mode từ 1 – 3 xuất hiện thường xuyên hơn các loại tweek khác Với 2 mode, xuất hiện 1748 tweek chiếm tỉ lệ cao nhất (55,44 %), trong khi đó các tweek có 8 mode có tỉ lệ thấp nhất (0,22

%) Từ bảng 2 cũng cho thấy tweek xuất hiện vào lúc sau nửa đêm nhiều hơn lúc trước nửa đêm

Bảng 3 Ví dụ tính toán tần số cắt cơ bản, thời gian tồn tại tweek, độ cao phản xạ, khoảng cách lan truyền sóng

tweek và mật độ electron Phổ Giờ (LT) m f cm /m dT (s) h (km) d (km) N e(e/cm3)

Hình 2.a 18:30 1 2135.10 0.0146 70.25 15099 34.45

2 1921.72 0.0094 78.06 7516 62.01

1 1876.26 0.0127 79.95 7377 30.27

2 1792.30 0.0103 83.69 5056 57.83

3 1747.05 0.0093 85.86 4154 84.56 Hình 2.b 19:30 1 1930.56 0.0077 77.70 3599 31.15

2 1881.95 0.0073 79.70 2933 60.72

3 1847.22 0.0098 81.20 2730 89.40

4 1843.75 0.0115 81.36 2972 118.98

5 1852.78 0.0081 80.96 1602 149.45

6 1821.77 0.0060 82.34 1301 176.34

7 1791.67 0.0082 83.72 1716 202.34

8 1817.71 0.0061 82.52 917 234.60

Bảng 3 biểu diễn số mode (m), tần số cắt cơ bản (f mc /m), thời gian tồn tại tweek (dT), độ cao phản xạ (h),

khoảng cách lan truyền (d) và mật độ electron (N e) ước tính từ các tweek được chỉ bởi các mũi tên trên hình 2

a-b Qua bảng số liệu, có thể thấy tần số cắt cơ bản thay đổi trong khoảng 1,75 – 2,14 kHz Thời gian tồn tại của tweek từ 6 – 15 ms Độ cao phản xạ có xu hướng tăng khi số mode tăng và thay đổi từ 70,25– 85,86 km Ngoài

ra, mật độ electron thay đổi trong khoảng 30,27 – 234,6 e/cm3 ứng với số mode của tweek từ 1 - 8 Khoảng cách lan truyền của tweek ghi nhận được thay đổi trong khoảng 917 – 15099 km

Hình 3a-b biểu diễn tỉ lệ xuất hiện của tweek theo số mode và theo khoảng cách lan truyền trong tháng 5 (đường nét đậm và các hình thoi) và tháng 11 (đường nét đậm và các hình tròn) Vào mùa hè, số tweek ghi được lớn gấp 2,58 lần (chiếm 72 %) số tweek thu được vào mùa đông Cả hai mùa, tweek xuất hiện vào lúc trước nửa đêm ít hơn sau nửa đêm Kết quả này phù hợp với kết quả nghiên cứu của Kumar và các cộng sự (2008) [21] Trong mùa hè, tweek có 3 – 4 mode trở nên chiếm ưu thế và có nhiều tweek có 8 mode Những tweek có số

mode cao (m > 4), xuất hiện ít thường xuyên hơn Trong công trình của Kumar và các cộng sự (2008) cũng đã

chứng minh hiện tượng này và giải thích rằng do có sự suy hao năng lượng sóng tăng ở lớp D tầng điện ly đối

với sóng tweek có mode cao Vào mùa hè, tweek có mode cao (m > 3) xuất hiện thường xuyên hơn vào mùa

đông, chứng tỏ môi trường điện ly lớp D trong mùa đông làm suy hao năng lượng sóng ELF/VLF (có mode cao) mạnh hơn so với môi trường điện ly lớp D trong mùa hè Từ hình 3b, các tweek với khoảng cách lan truyền d 

5000 km ở các tháng của mùa đông (56,28 – 66,2 %) xuất hiện ít thường xuyên hơn so với trường hợp mùa hè (59,94 – 76,48 %) Tỉ lệ xuất hiện tweek có khoảng cách lan truyền ngắn (2000 – 4000 km) cao hơn các trường hợp còn lại Tweek có khoảng cách xa xuất hiện nhiều vào các tháng mùa đông và tweek xuất hiện ít vào mùa này là do nguồn sét phát ra tweek ở rất xa thuộc vùng biển Châu Á - Thái Bình Dương và ở cả bán cầu ngày; còn vào mùa hè, nguồn sét phát ra tweek lại ở gần xung quanh trạm quan sát và như vậy, tweek cũng thu được nhiều hơn [22, 23]

Hình 3 Phần trăm xuất hiện các tweek có số mode 1 – 8 (a) và phần trăm xuất hiện các tweek có khoảng cách

lan truyền dưới 1000 km đến trên 15000 km (b)

Từ hình 4a, độ cao phản xạ có xu hướng tăng khi số mode tăng (các hình tam giác biểu diễn số liệu tháng 5; còn các hình thoi biểu diễn số liệu của tháng 11) Độ cao phản xạ trung bình thay đổi trong khoảng 82,1– 87,5

km Quy luật tăng của độ cao phản xạ theo số mode (m) vào mùa đông (R 2 = 0,7376) tuyến tính hơn so với

trường hợp vào mùa hè (R 2 = 0,6197) Hình 4a cho thấy ở mode cao (m = 6 – 8), các tweek (ở cả hai mùa) phản

xạ ở các độ cao không chênh lệch nhau nhiều Theo lý thuyết, một ống dẫn sóng (wave guide) có biên dẫn tốt, các mode cao của sóng có thể phản xạ ở cùng một độ cao Đối với ống dẫn sóng không có độ dẫn tốt thì độ dẫn tăng theo độ cao theo hàm e mũ, những mode cao hơn sẽ phản xạ ở độ cao cao hơn [24] Do đó, càng lên cao, tính chất bất đồng nhất của lớp D và sự ảnh hưởng của yếu tố mùa càng giảm

Hình 4 Sự thay đổi độ cao phản xạ trung bình và tần số cắt cơ bản trung bình theo số mode

Sự thay đổi giá trị tần số cắt cơ bản trung bình của các tháng phụ thuộc số mode được biểu diễn hình 4b

Có thể kết luận rằng tần số cắt cơ bản giảm nhẹ từ 1,84 – 1,72 kHz theo số mode từ 1 - 8 với quy luật tuyến tính

khá cao (R 2 = 0,7242 và R 2 = 0,6949 ) Điều này có nghĩa là đối với mode càng cao thì sóng càng xuyên sâu vào

lớp D của tầng điện ly không nhẵn và bất đồng nhất [21] Kết quả của công trình phù hợp với một số kết quả nghiên cứu trước đây của Kumar (2008) Quan sát tweek trong giai đoạn 9/2003 -7/2004 tại Suva, Kumar và các cộng sự tìm được tần số cắt cơ bản giảm từ 1,8 kHz – 1,68 kHz ứng với số mode 1 – 6 Các mode có thể phản

xạ ở độ cao mà tần số plasma bằng với tần số cắt riêng của mỗi mode và vì vậy các mode cao thì sẽ phản xạ ở độ cao hơn ứng với mật độ electron cao hơn (tần số plasma sẽ cao hơn) [25]

Sự thay đổi mật độ electron của lớp D vào ban đêm

Kết quả tính toán cho thấy mật độ electron trung bình thay đổi từ 30 – 222 e/cm3 ứng với số mode 1 – 8 tại các độ cao phản xạ trung bình thay đổi từ 82,1 – 87,5 km Quan sát tweek từ tháng 1 – 4 năm 1991 và sử dụng đến mode thứ 8, Shvets và Hayakawa tìm thấy mật độ electron trung bình thay đổi từ 28 – 224 e/cm3 ứng với số mode 1 – 8 tại độ cao phản xạ 81 - 83 km Quan sát tweek đến mode thứ 6 tại Suva từ 3 – 12 năm 2006, Kumar

đã thấy rằng mật độ electron trung bình thay đổi từ 29,4 –170 e/cm3 tại độ cao phản xạ thay đổi trong khoảng 82,8 – 86,3 km Nhìn chung kết quả về mật độ electron trong công trình phù hợp với các kết quả nghiên cứu của các tác giả trên Từ hình 5, mật độ electron vào mùa hè thấp hơn so với mùa đông trước nửa đêm nhưng sau nửa đêm mật độ electron vào mùa hè lại gần bằng hoặc cao hơn so với mùa đông Quy luật này thể hiện rõ đối với số

mode m = 1 – 3 Vào ban ngày mùa đông, mật độ electron thấp hơn mùa hè nên tốc độ tái hợp electron vào mùa đông chậm hơn mùa hè sau hoàng hôn gần đến nửa đêm [23] Ở mode cao (m = 4 – 6), quy luật mật độ electron

vào mùa hè cao hơn vào mùa đông sau nửa đêm thể hiện rất rõ Vào mùa hè, đêm trở nên ngắn hơn, bình minh sẽ sớm hơn và do đó bức xạ Mặt Trời đến sớm hơn và tầng điện ly bị ion hóa ở trên cao sớm hơn, chính vì vậy mật

độ electron của lớp D vào mùa hè cao hơn so với mùa đông

Hình 5 Sự thay đổi mật độ electron của các tháng 5 và 11 ứng với số mode từ 1 – 6

Công trình sử dụng phương pháp của Kumar (2009) [26] và Maurya (2012) [20] để tính các giá trị h’, 

cho các tháng đại diện mùa hè (tháng 5) và mùa đông (tháng 11) năm 2013 (thuộc giai đoạn hoạt động mạnh của

Mặt Trời, R z = 64,9) Sử dụng 3 mode đầu tiên của tweek quan sát từ 21:00 LT đến 02:00 LT để tính toán các

thông số Wait trong công thức (10) Trong công trình, vào mùa hè, giá trị trung bình h’ và  là 82,89 km (sai số chuẩn SD =  1,64 km), 0,54 km-1 (SD =  0,06 km-1) và vào mùa đông giá trị trung bình h’ và  là 83,71 km (SD =  1,78 km) và 0,562 km-1 (SD =  0,07 km-1) Các giá trị h’ và  vào mùa đông cao hơn so với mùa hè Tại Allahabad (16,05o B), Maurya quan sát tweek năm 2010 (chỉ số vết đen Mặt Trời R z = 16,5) và tính toán giá

trị trung bình h’ và  là 83,54 km, 0,61 km-1 và vào mùa đông giá trị trung bình h’ và  là 85,74 km 0,54 km-1

Trong công trình, vào mùa hè, h’ và  có giá trị thấp hơn so với kết quả của Maurya (2012) Vào mùa đông, h’

thấp hơn nhưng  cao hơn so với kết quả của Maurya (2012) Shvets và Hayakawa chỉ ra rằng khi hoạt động của

Mặt Trời yếu thì mật độ electron giảm và vì vậy độ cao phản xạ tăng dẫn đến độ cao tham chiếu tăng [25] Các nghiên cứu khác cũng chứng minh rằng hoạt động của Mặt Trời có ảnh hưởng đến mật độ electron của lớp D vào ban đêm như các công trình của Bremer (1977) và Danilov (1998) [27, 28]

Hình 6 So sánh profile mật độ electron (vào mùa hè và mùa đông) tính bằng phương pháp tweek quan sát tại đại

học Tây Nguyên (TNU) (đường nét đậm và các hình thoi), tại Allahabad, Ấn Độ (đường nét đậm và các hình

tam giác) và mô hình IRI-2012 (đường nét đậm và các chấm tròn)

Để biểu diễn profile mật độ electron từ mô hình IRI-2012, công trình chọn 5 ngày yên tĩnh tương ứng với 5 ngày quan sát và chọn thời điểm lúc nửa đêm (0:00 LT) Các profile mật độ electron được biểu diễn trên hình 6

(trục x biểu diễn theo thang logarit cơ số 10) Mật độ electron tương đương trong profile tính theo phương pháp

tweek thấp hơn so với mật độ electron tính toán bằng mô hình IRI-2012 khoảng 18 -48 % trong khoảng độ cao

83 km – 89 km (vào mùa hè) và 26 – 66 % trong khoảng độ cao 82 – 90 km (vào mùa đông) Như vậy, vào mùa đông, sự chênh lệch kết quả quan sát về mật độ electron so với kết quả của mô hình IRI lớn hơn so với mùa hè Các giá trị mật độ electron của 2 phương pháp khớp nhau tại các độ cao 88 km, (mùa hè) và 89 km (vào mùa đông) Mật độ electron trong công trình phù hợp với mô hình IRI-2012 ở khoảng độ cao 83 – 89 km (mùa hè)

và khoảng 87 – 90 km (mùa đông) Quan sát tweek tại Allahabad (16,05o B) năm 2010, Maurya và các cộng sự tìm thấy mật độ electron tương đương trong profile tính theo phương pháp tweek thấp hơn so với mật độ electron tính toán bằng mô hình IRI-2007 khoảng 5 - 60 %

Hình 7 So sánh sự chênh lệch mật độ eletron giữa mùa hè và mùa đông do ảnh hưởng của yếu tố mùa tính bằng

phương pháp tweek và mô hình IRI-2012

Ở độ cao 80 – 95 km, mật độ electron trong mùa hè cao hơn mật độ electron trong mùa đông khoảng 65 –

1784 e/cm3 (hình 7 biểu diễn bằng đường nét đậm và các hình thoi) Kết quả của Maurya (2012) quan sát tweek

năm 2010 (R z = 16,5) mật độ electron trong mùa hè cao hơn mật độ electron trong mùa đông 6 – 9086 e/cm3 (độ chênh lêch mật độ electron biểu diễn bằng đường nét đậm và các hình tam giác) Chúng tôi thấy rằng sự biến đổi profile mật độ electron sử dụng mô hình IRI-2012 (biểu diễn bằng đường nét đậm và các hình tròn) không rõ bằng kết quả bằng phương pháp tweek Sự biến đổi theo mùa của profile mật độ electron trong giai đoạn Mặt Trời hoạt động mạnh ít mạnh mẽ hơn trong giai đoạn Mặt Trời hoạt động yếu Thomson (2007) kết luận rằng nguồn ion hóa quan trọng của lớp D là tia Vũ trụ (Galactic Cosmic Rays - GCRs) nó bằng gần một nửa so với nguồn ion hóa Lyman- [29] Cường độ của GCRs biến đổi mạnh theo hoạt động của Mặt Trời trong giai đoạn Mặt Trời hoạt động yếu và sự ion hóa do GCRs phụ thuộc vào vĩ độ và tác dụng ion hóa yếu nhất ở xích đạo

[30] Giai đoạn nghiên cứu của chúng tôi thuộc giai đoạn hoạt động mạnh của Mặt Trời và vì vậy sự biến đổi theo mùa của lớp D do yếu tố GCRs ít mạnh mẽ tại vĩ độ thấp và xích đạo

KẾT LUẬN

Quan sát tweek nhiều mode (m = 1 - 8) bằng máy thu đặt tại đại học Tây Nguyên (12,65o B; 108,02o Đ) trong tháng 5 (đại diện cho mùa hè) tháng 11 (đại diện cho mùa đông) năm 2013 để ước tính mật độ electron tại

độ cao phản xạ tương ứng của lớp D tầng điện ly trong thời gian ban đêm Chúng tôi có thể kết luận rằng:

Trong mùa hè, tweek có m = 3 – 4 xuất hiện thường xuyên nhất và có nhiều tweek có số mode 8 Cả hai tháng quan sát, những tweek có số mode cao (m > 4) xuất hiện với tỉ lệ thấp hơn các tweek có số mode khác do

có sự suy hao năng lượng sóng ở lớp D tầng điện ly càng tăng đối với sóng tweek có mode cao

Vào mùa hè, tweek có mode cao (m > 3) xuất hiện thường xuyên hơn so với mùa đông, chứng tỏ môi

trường điện ly lớp D làm suy hao năng lượng sóng tweek (có mode cao) vào mùa đông mạnh hơn so với mùa hè Mật độ electron thay đổi từ 30 – 222 e/cm3 ứng với số mode 1 – 8 tại các độ cao phản xạ từ 82,1 – 87,5 km Trước nửa đêm, mật độ electron vào mùa hè thấp hơn so với mật độ electron vào muà đông nhưng sau nửa đêm mật độ electron mùa hè tại cao hơn so với mật độ electron vào mùa đông

Mật độ electron tương đương trong profile (từ độ cao 82,1 km – 87,5 km) tính theo phương pháp tweek thấp hơn so với mật độ electron tính toán bằng mô hình IRI-2012 khoảng 18 - 48 % (vào mùa hè) và 26 – 66 % (vào mùa đông)

Sự thay đổi mật độ electron phụ thuộc vào mùa thể hiện trong giai đoạn Mặt Trời hoạt động mạnh ít rõ hơn trong giai đoạn Mặt trời hoạt động yếu

Áp dụng phương pháp tweek để nghiên cứu tầng điện ly còn khá mới mẻ ở Việt Nam Đặc biệt, công trình của chúng tôi góp phần vào việc nghiên cứu hình thái và quá trình vật lý của lớp D tầng điện ly khu vực vĩ độ thấp trong giai đoạn Mặt Trời hoạt động mạnh của chu kỳ 24

ESTIMATION OF THE ELECTRON DENSITY OF NIGHTTIME LOWER IONOSPHERE

USING TWEEK ATMOSPHERICS RECORDED AT LOW LATITUDES

ABSTRACT

Electromagnetic pulses with extremely low frequency (3 Hz - 3 kHz) and very low frequency (3 kHz - 30 kHz) bands radiated by lightning discharges propagate about thousands of kilometers in the Earth-Ionosphere wave guide to the receivers On the spectrum of the receiver, the"hooks" with cut-off frequency of 1.8 kHz occur and they are called "tweek" Observing the tweeks with a maximum up to eight harmonic (mode) tweek at the receiver located at Tay Nguyen University (12.65 o N, 108.02 o E) in May (representative of summer season) and November (representative of winter season) 2013 to estimate the electron density at the corresponding reflection height of nighttime D-region ionosphere Tweeks were recorded with 5 quiet nights per month During summer season, the occurrence of tweeks with mode number m = 3 - 4, become more dominant Both months of observation, the tweeks with higher mode (m > 4) appear less than other tweeks due to the higher attenuation of wave energy

at the ionospheric D region for higher modes The results show that electron density varies from 30 -

222 cm -3 corresponding the tweeks with m = 1 - 8 at the reflection height from 82.1 – 87.5 km In the pre-midnight period, the electron density during summer season is lower as compared to that during winter season, whereas, in the post-midnight period, the electron density during summer season is higher as compared to that during winter season The electron density using the tweek method is lower by about 26 – 66 % (winter season) and 18 – 48 % (summer season) than those obtained using IRI-2012 model The seasonal variation of electron density profile during the solar maximum shows less significant than that during the solar minimum

Key words: D-region ionosphere, tweek method, cut-off frequency, electron density, reflection

height

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Hargreaves, J K., The Solar-Terrestrial Environment, Cambridge Univ Press, New York, 1992

[2] Wood, T.G and Inan, U.S (2002) Long-range tracking of thunderstorms using sferic measurements, J

Geophys Res., 107 (2002) 4553

[3] Budden, K G, The influence of the earth’s magnetic field on radio propagation of wave-guide modes, Proceedings of the Royal Society A, 265, 1962, pp 538-553

[4] Helliwell, R A, Whistlers and Related Ionospheric Phenomena, Stanford University Press, 1965.

[5] Ratcliffe, J A., The magneto-ionic theory and its applications to the ionosphere, Cambridge University Press, Cambridge, 1959

[6] Budden, K G, The Wave-Guide Mode Theory of Wave Propagation, Logos Press, London, 1961

[7] Yedemsky, D Y., Ryabov B S., Shchokotov A Y., and Yaratsky V S., Experimental investigations of

tweek field structure, Adv Space Res., 12(1992) 251 – 254

[8] Hayakawa, M., Ohta K., Shimakura S., and Baba K., Recent findings on VLF/ELF sferics, J Atmos Terr

Phys., 57 (1995) 467 – 477

[9] Ohya, H., Nishino M., Murayama Y., and Igarashi K (2003), Equivalent electron density at reflection

heights of tweek atmospherics in the low- middle latitude D-region ionosphere, Earth Planets Space,

55(2003) 627–635

[10] Davies, K., Ionospheric Radio Propagation, National Bureau of Standard Monogragh 80, 1965

[11] Yamashita, M., Propagation of tweek atmospherics, J Atmos Terr Phys., 40(1978) 151-153, 155-156

[12] Ohtsu, J., Numerical study of tweeks based on waveguide mode theory, Proc Res Inst Atmos Nagoya

Univ., 7(1960) 58 -71

[13] Wood, G T., Geo-loaction of individual lightning discharges using impulsive VLF electromagnetic waveforms, Ph.D Thesis, Stanford University, Department of Electrical Engineering, 2004

[14] Prasad, R., Effects of land and sea parameters on the dispersion of tweek atmospherics, J Atmos Terr

Phys., 43 (1981) 1271–1273, 1275–1277

[15] Wait, J R and Spies K P., Characteristics of the Earth-ionosphere waveguide for VLF radio waves, NBS Tech Not., pp.300, 1964

[16] Dahlgren, H., Sundberg T., Andrew B C., Koen E., and Meyer S., Solar flares detected by the new

narrowband VLF receiver at SANAE IV, S Afr J Sci, 107 (2011) Art.#491,8 papes

[17] Tan L M., Thu N N., Ha T Q., Observation of the effects of solar flares on the NWC signal using the new

VLF receiver at Tay Nguyen University Sun & Geosphere, 8(2014) , 27–31

[18] Ramo, S., Whinnery J R and Van Duzer T., Fields and Waves in Communications Electronics, John Wiley and Sons, New York, 1994

[19] Cannam, C., Landone C., and Sandler M., Sonic Visualiser: An Open Source Application for Viewing, Analysing, and Annotating Music Audio Files, in Proceedings of the ACM Multimedia 2010 International Conference, 2010

[20] Maurya, A K, Veenadhari, B., Singh, R., Kumar, S., Cohen, M B, Selvakumaran, R., Gokani, S., Pant, P., Singh, A K, Inan, U S Nighttime D region electron density measurements from ELF-VLF tweek radio

atmospherics recorded at low latitudes J Geophys Res., 117 (2012)

[21] Kumar, S., Kishore A., and Ramachandran V., Higher harmonic tweek sferics observed at low latitude:

estimation of VLF reflection heights and tweek propagation distance Ann Geophys, 26(2008) 1451-1459

[22] Maurya, A K., Singh R., Veenadhari B., Pant P., and Singh A K (2010), Application of lightning

discharge generated radio atmospherics/tweeks in lower ionospheric plasma diagnostics J Phys.: Conf

Ser 208 (2010)

[23] Maurya, A K., Singh R., Veenadhari B., Kumar S., Cohen M B., Selvakumaran R., Pant P., Singh A K., Siingh D., and Inan U S., Morphological features of tweeks and nighttime D region ionosphere at tweek

reflection height from the observations in the low-latitude Indian sector, J Geophys Res., 117(2012)

A05301

[24] Inan,U S., Reising S.C., Fishman G J., and Horack J M., On the association of terrestrial gamma-ray

bursts with lightning and implication for sprites, Geophys Res Lett., 23(1996), 1017 – 1020

[25] Shvets, A V., and Hayakawa M., Polarization effects for tweek propagation, J Atmos Terr Phys., 60

(1998) 461 – 469

[26] Kumar, S., Deo A., and Ramachandran V., Nightime D-region equivalent electron density determined from

tweek sferics observed in the South Pacific Region, Earth Planets Space, 61 (2009) 905-911

[27] Bremer, J and Singer W., Diurnal, seasonal, and solar-cycle variations of electron densities in the

ionospheric D and E region, J Atmos Terr Phys., 39(1977) 25-34

[28] Danilov, A D., Solar activity effects in the ionospheric D region, Ann Geophys , 16(1998) 1527-1533

[29] Thomson, N R., Clilverd M A., and McRae W M., Nighttime ionospheric D region parameters from VLF

amplitude and phase, J Geophys Res., 112(2007) A07304

[30] Heaps, M G., Parameterization of the cosmic ray ion-pair production rate above 18 km, Planet Space Sci.,

26(1978) 513–517