Nghiên cứu những đặc điểm và sự nhiễu loạn lớp d tầng điện ly vùng vĩ độ thấp bằng kỹ thuật VLF

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LÊ MINH TÂN NGHIÊN CỨU NHỮNG ĐẶC ĐIỂM VÀ SỰ NHIỄU LOẠN LỚP D TẦNG ĐIỆN LY VÙNG VĨ ĐỘ THẤP BẰNG KỸ THUẬT VLF Chuyên ngành: Vật lý Địa cầu Mã số chuyên ngành: 62 44 15 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Tp Hồ Chí Minh năm 2018 Cơng trình hồn thành tại: Bộ môn Vật lý Địa cầu, Khoa Vật lý – Vật lý Kỹ thuật, Trường ĐH KHTN Tp Hồ Chí Minh Người hướng dẫn khoa học: HDC: TS Nguyễn Ngọc Thu HDP: TS Trần Quốc Hà Phản biện 1: PGS TS Phan Bảo Ngọc Phản biện 2: TS Lê Huy Minh Phản biện 3: TS Nguyễn Thanh Sơn Phản biện độc lập 1: PGS TS Phan Bảo Ngọc Phản biện độc lập 2: TS Lê Huy Minh Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp sở đào tạo họp trường đại học Khoa học Tự nhiên vào hồi ngày tháng năm 2018 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tổng hợp Quốc gia Tp.HCM Thư viện trường Đại học Khoa học Tự Nhiên-HCM MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Tầng điện ly Trái đất (TĐ) phần tầng khí quyển, có độ cao khoảng 60 km đến 1000 km Năng lượng cao xạ từ Mặt trời (MT) tia vũ trụ làm ion hóa ngun tử chất khí tầng điện ly sinh điện tử tự hạt mang điện tích dương Tầng điện ly phân thành lớp chính: D, E F Lớp D làm vai trị biên dẫn phía ống dẫn sóng Trái đất - tầng điện ly (Earth-Ionosphere waveguide, EIWG) phản xạ sóng tần số cực thấp (extremely low frequency, ELF; 3000 Hz) sóng tần số thấp (very low frequency, VLF; - 30 kHz) Với độ cao khoảng 60 – 90 km, lớp D cao kinh khí cầu thấp vệ tinh hoạt động quan trắc Đặc biệt vào ban đêm, kết hợp tái hợp điện tử nhanh làm cho mật độ điện tử tự thấp (< 103 e/cm3) làm hạn chế kết đo đạc máy thăm dò thẳng đứng tầng điện ly radar Có thể quan trắc lớp D tên lửa phương pháp hạn chế thời gian khơng gian quan trắc Cho đến nay, hình thái trình vật lý lớp D tầng điện ly chưa hiểu sâu sắc kỹ thuật ELF/VLF trở thành công cụ hữu hiệu để nghiên cứu lớp Với kỹ thuật này, biến đổi độ cao phản xạ sóng ELF/VLF (h), mật độ điện tử lớp D độ cao phản xạ (Ne) có liên quan đến hấp thụ sóng vơ tuyến ghi nhận Ngoài ra, tuyến mật độ điện tử khảo sát thông qua khảo sát thông số Wait: độ cao tham chiếu h’ gradient mật độ điện tử  Nghiên cứu đặc điểm nhiễu loạn lớp D vùng vĩ độ thấp xích đạo từ liên quan đến hấp thụ sóng vô tuyến làm tiền đề cho nghiên cứu xây dựng mơ hình dự báo điều kiện điện ly, phục vụ công nghệ vũ trụ thông tin liên lạc Việt Nam Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu thay đổi độ cao phản xạ h, mật độ điện tử Ne thông số Wait (h’, ) lớp D tầng điện ly khu vực Tây Nguyên thuộc vùng vĩ độ thấp xích đạo từ điều kiện yên tĩnh nhiễu loạn phương pháp thu tweek sóng VLF đại học Tây Nguyên (12,65o N, 108,02o E, Dip Lat 5,7o N) Từ đó, làm rõ đặc điểm tầng điện ly lớp D khu vực giải thích q trình vật lý giai đoạn MT hoạt động mạnh (2013 – 2014) chu kỳ thứ 24 Đối tượng, phạm vi phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Sự thay đổi độ cao phản xạ sóng ELF/VLF, mật độ điện tử thông số Wait (h’, ) lớp D tầng điện ly vùng vĩ độ thấp xích đạo từ với nguyên nhân thay đổi Phạm vi nghiên cứu: Luận án khảo sát hình thái lớp D tầng điện ly vào ban đêm giai đoạn 2013 – 2014, ảnh hưởng Bùng nổ mặt trời (BNMT) lên lớp D khu vực Tây Nguyên Phương pháp nghiên cứu: Đề tài sử dụng phương pháp ELF/VLF để quan trắc lớp D kết hợp với phương pháp thống kê so sánh Số liệu Số liệu ELF/VLF ghi nhận từ máy thu lắp đặt đại học Tây Nguyên (TNU) chuẩn hóa Số liệu phân tích so sánh với kết nghiên cứu quốc tế số liệu đáng tin cậy Số liệu thông số điện ly, số liệu MT, cường độ tia X tia vũ trụ lấy từ website có uy tín Nhiêm ̣ vu ̣ của luâ ̣n án và các luâ ̣n điể m cầ n bảo vê ̣ Lớp D tầng điện ly tồn vào ban đêm số liệu ghi nhận TNU máy thu ELF/VLF đáng tin cậy Luận án khảo sát hình thái lớp D vào ban đêm với nhiều mode tweek nhằm tiếp tục khẳng định tồn lớp D vào ban đêm Để chứng minh số liệu tin cậy, luận án so sánh số liệu máy thu TNU với số liệu máy thu ELF/VLF khác lắp đặt Việt Nam, luận án so sánh kết luận án độ cao phản xạ lớp D vào ban đêm biến đổi thông số lớp D có BNMT với kết nghiên cứu khác Những điểm luận án Luận án ghi nhận tweek từ mode thứ đến mode thứ bảy để khảo sát ảnh hưởng yếu tố mùa vào hình thái lớp D tầng điện ly vùng vĩ độ thấp xích đạo từ giai đoạn 2013 – 2014, khảo sát thay đổi thông số điện ly lớp D trường hợp đỉnh biên độ VLF xuất trước đỉnh cực đại tia X có BNMT, so sánh phản ứng lớp D điều kiện có BNMT quan sát TNU với kết quan sát trạm khác Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu ảnh hưởng BNMT lên lớp D vùng vĩ độ thấp xích đạo giai đoạn cực đại chu kỳ MT thứ 24 góp phần vào việc mơ tả hồn chỉnh tranh mối quan hệ MT TĐ Ý nghĩa thực tiễn: Khảo sát hình thái lớp D để hiểu sâu sắc trình vật lý lớp D có ý nghĩa thực tiễn lớn việc xây dựng mơ hình dự báo “Thời tiết vũ trụ” Kết luận án triển khai phục vụ công tác đào tạo cho sinh viên BM Vật lý Địa cầu, Trường đại học KHTN Tp Hồ Chí Minh BM Vật lý, Trường đại học Tây Nguyên Cấu trúc luận án Luận án gồm có phần mở đầu, chương, phần kết luận, kiến nghị phần phụ lục Luận án gồm có 63 hình ảnh, đờ thi ̣ 14 bảng biểu Chương -TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU LỚP D TẦNG ĐIỆN LY 1.1 Các nghiên cứu lớp D tầng điện ly giới - Các nghiên cứu đặc điểm lớp D vào ban đêm sử dụng phương pháp tweek Kumar cộng ghi tweek Suva (18,08o S) giai đoạn MT hoạt động yếu tìm thấy tần số cắt tweek giảm từ 1,79 - 1,62 kHz mode số tăng từ – độ cao phản xạ lớp D thay đổi từ 83 - 92 km Maurya cộng quan sát tweek Allahabad từ tháng 4/2007 - 3/2008, thấy độ cao phản xạ trung bình 89,5 km thấp khoảng km so với độ cao quan sát Kagoshima (KAG) (31,48o N), Nhật Bản Ohya cộng thống kê mode thứ tweek từ năm 1976 - 2010 KAG, thấy độ cao phản xạ trung bình tăng dần từ hồng đến bình minh Sự ảnh hưởng yếu tố mùa lên độ cao phản xạ ứng với nhiều mode tweek chưa khảo sát - Các nghiên cứu nhiễu loạn lớp D bùng nổ mặt trời Thomson cộng phân tích thay đổi biên độ pha tín hiệu VLF thu Cambridge (52o11’ N), Anh Halley (75o36’ S), Australia, thông số h’,  có mối quan hệ với đỉnh cường độ tia X dạng hàm logarit Sử dụng sóng VLF lan truyền đến Belgrade (44,85° N), Serbia, Grubor cộng ghi nhận nhiễu loạn lớp D BNMT tháng mùa hè từ năm 2004 – 2007 tìm thấy  tăng từ 0,3 - 0,49 km-1 h’ giảm từ 74 - 63 km Ghi nhận sóng VLF từ trạm NWC (Noth West Cape) từ tháng - năm 2011 Sitapur (22,45°N), India, Basak Chakrabarti phân tích 22 kiện BNMT tìm thấy thời gian trễ có xu hướng giảm cường độ tia X tăng Các nghiên cứu chưa đề cập đến thay đổi thông số lớp D trường hợp đỉnh biên độ sóng VLF xuất trước đỉnh cường độ tia X 1.2 Các nghiên cứu tầng điện ly Việt Nam Năm 2009, tweek ghi Điện Biên Phủ (21°23′50″ N, 103°0′28″ E), Việt Nam độ cao phản xạ sóng ELF/VLF tính từ tần số cắt tweek biến đổi từ 79,0 - 83,3 km Máy thu AWESOME cài đặt trạm quan trắc Nha Trang năm 2012 với mục đích nghiên cứu tầng điện ly từ có cơng bố số kết bước đầu Máy thu VLF/LF, thuộc mạng lưới AVON Nhật Bản, lắp đặt Sơn Tây, Hà Nội năm 2013 để quan trắc lớp D nghiên cứu hoạt động sét khu vực Đơng Nam Á Cho đến nay, chưa có khảo sát thay đổi thông số điện ly theo mùa lớp D tầng điện ly khu vực Việt Nam 1.3 Các nhiệm vụ cần giải Luận án tiếp tục khẳng định tồn lớp D vào ban đêm khảo sát thay đổi theo mùa hình thái lớp D với nhiều mode tweek So sánh kết quan sát lớp D TNU KAG để tìm hình thái riêng lớp D ban đêm vùng vĩ độ thấp xích đạo từ So sánh phản ứng lớp D với BNMT vùng vĩ độ thấp với vùng vĩ độ trung bình Giải thích trường hợp đỉnh biên độ VLF xuất trước đỉnh cường độ tia X Chương – LÝ THUYẾT LỚP D TẦNG ĐIỆN LY VÀ SỰ NHIỄU LOẠN Ở LỚP NÀY 2.1 Sơ lược tầng điện ly Trái đất Bức xạ MT ion hóa phân tử khí N2, O2, O thành ion dương điện tử tự tạo thành tầng điện ly Trái đất Vào ban ngày, tầng điện ly có lớp D, E, F1 F2 Vào ban đêm, tầng điện ly trì nguồn ion hóa tia vũ trụ nên lại phần thấp lớp E lớp F2 2.2 Lớp D tầng điện ly Ở lớp D, áp suất khí tương đối cao yếu tố quan trọng phản ứng quang hóa Có nhiều nguồn ion hóa trì lớp D E tầng điện ly: hạt mang điện từ quyển, xạ Lyman- (121,6 nm) Lyman- (102,7 nm) ngun tử hydro tầng ngồi khí quyển, tia vũ trụ, tia X từ thiên hà Đối với lớp D, thay đổi mật độ điện tử theo độ cao với dạng hàm mũ số e xác định theo mơ hình Wait Spies (1964): N e (h)  1,43  10 exp(0,15h' ) exp(   0,15)(h  h' ) Trong đó, h độ cao (km), Ne mật độ điện tử (e/cm3), h’ độ cao tham chiếu (km)  gradient mật độ điện tử (km-1) Lớp D mơi trường hấp thụ sóng vơ tuyến Sự hấp thụ phụ thuộc vào mật độ điện tử tần số va chạm điện tử hạt trung hịa Nhìn chung, hấp thụ sóng vơ tuyến hàm góc thiên đỉnh MT 2.3 Các phương pháp quan trắc lớp D tầng điện ly Lớp D quan trắc nhiều phương pháp như: radar, riometer, tên lửa, phương pháp tương tác sóng… Tuy nhiên, mật độ điện tử lớp D thấp làm cho phương pháp radar gặp hạn chế Phương pháp riometer quan trắc lớp D vùng vĩ độ thấp nhiễu vũ trụ thấp vùng này, phương pháp dùng tên lửa bị giới hạn không gian thời gian quan trắc…Trong thập niên gần đây, phương pháp ELF/VLF trở nên có nhiều ưu điểm có nhiều cơng trình sử dụng phương pháp để nghiên cứu hình thái lớp thấp tầng điện ly nguyên nhân gây nhiễu loạn lớp 2.4 Các nguyên nhân gây nhiễu loạn lớp D - Hoạt động Mặt trời Vết đen mặt trời: Trên quang cầu MT có vết tối gọi vết đen MT (VĐMT) Một vết đen xuất phát triển, sau biến vài ngày vài tháng Hoạt động MT biểu thị qua số VĐMT Bùng nổ mặt trời: BNMT bùng sáng đột ngột vùng nhỏ quang cầu BNMT phát xạ hạt xạ sóng điện từ, chúng ảnh hưởng đến khí tầng cao TĐ Căn vào cường độ, BNMT chia thành lớp đặc trưng cho mức độ khác nhau, gồm lớp B, C, M X Sự phóng vật chất vành Nhật hoa: BNMT mạnh xuấn thường kèm theo CME Dòng CME bay khỏi MT với tốc độ 2.106 km/h nên khoảng 72 dịng tới TĐ CME dòng hạt lượng cao, chúng làm xáo trộn, nén ép, kéo dài từ quyển, tạo dịng điện cơng suất lớn đánh vào khí tầng cao, gây bão từ, cực quang - Ảnh hưởng bùng nổ mặt trời bão từ lên lớp D Khi xuất BNMT, xạ tia X từ MT ion hóa mạnh đến lớp D làm tăng đột ngột mật độ điện tử lớp Phần lớn nghiên cứu bão điện ly lớp D dựa lan truyền sóng LF/VLF Jacobs Watanabe điện trường hướng Tây gây chuyển dịch hướng xuống hạt mang điện tầng điện ly Trong trình bão từ, độ cao phản xạ sóng LF/VLF giảm, điều chứng tỏ Ne tăng độ cao 70 – 80 km Sự hấp thụ sóng vơ tuyến mũ cực ion hóa proton lượng cao 30 MeV từ BNMT xuống đến độ cao 50 km liên quan chặt chẽ đến nhiễu loạn từ trường TĐ giai đoạn sau bão từ - Nhiễu loạn lớp D phóng điện sét Hoạt động dơng sét ảnh hưởng đến tầng điện ly thông qua tượng lắng tụ điện tử sét đốt nóng lớp D xung điện từ trường điện trường chuẩn tĩnh từ phóng điện sét Ngồi ra, lớp D nhiễu loạn cịn bùng nổ tia Gamma, động đất… CHƯƠNG - SỰ LAN TRUYỀN SÓNG ELF/VLF TRONG ỐNG DẪN SÓNG TRÁI ĐẤT – TẦNG ĐIỆN LY 3.1 Mơ hình lan truyền sóng ELF/VLF EIWG 3.1.1 Nguồn xạ sóng ELF/VLF Các nguồn xạ sóng điện từ tần số ELF/VLF tự nhiên phóng điện sét, động đất, sóng thần, phun trào núi lửa Sóng VLF phát từ trạm phát người lắp đặt Các trạm phát sóng VLF lắp đặt nhiều nơi giới để phục vụ mục đích truyền thơng quốc tế định vị hàng hải 3.1.2 Mơ hình ống dẫn sóng lý tưởng Trái đất – tầng điện ly Mơ hình ống dẫn sóng ELF/VLF lý tưởng gồm hai phiến song song Đó vùng không gian tọa độ z = cho mặt phẳng dẫn thứ (mặt đất mặt biển) z = h cho mặt phẳng dẫn thứ hai (lớp D) Với vùng biên dẫn lý tưởng độ cao z = h thành phần điện trường dọc theo Oy sóng Eytot = 0, điều xảy khi: khsin   m (3.1) Trong đó, m số ngun Phương trình (3.1) gọi phương trình mode cho sóng mơi trường dẫn sóng gồm hai phiến song song với biên dẫn lý tưởng Sự lan truyền sóng điện từ EIWG lý tưởng với mode điện trường ngang (Transverse Electric, TE) mode từ trường ngang (Transverse Magnetic, TM) Mode mà điện trường từ trường nằm ngang so với phương truyền sóng, mode gọi mode điện từ trường ngang (Transverse Electromagnetic, TEM) 3.1.3 Đặc điểm lan truyền sóng ELF/VLF EIWG thực tế Sóng ELF/VLF lan truyền EIWG thực tế gồm mode điện trường chuẩn ngang (quasi-Transverse Electric, QTE) từ trường chuẩn ngang (quasi-Transverse Magnetic, QTM) Mode lan truyền sóng mà f < 1,8 kHz gọi mode điện từ trường chuẩn ngang (quasi-Transverse Electromagnetic, QTEM) Đối với f < 15 kHz, mode thấp QTM QTE gần với mode TM TE Từ trường TĐ làm cho môi trường điện ly bất đẳng hướng Khi sóng tới phân cực thẳng gặp biên dẫn sóng mơi trường bất đẳng hướng sóng phản xạ bị phân cực elip 3.2 Sự lan truyền sóng ELF/VLF với chế độ tweek 3.2.1 Đặc điểm tweek Tweek sóng điện từ ELF/VLF phát từ phóng điện sét phản xạ biên dẫn EIWG để lan truyền xa hàng nghìn km bị tán sắc Chúng có âm tiếng chim kêu “tweet” đến máy thu Tweek hiển thị phổ tần số - thời gian với mode thứ nhất, mode thứ hai, mode thứ ba…Tweek có phân cực sóng trịn quay trái gần tần số cắt 3.2.2 Các cơng thức tính tốn thơng số lớp D Mật độ điện tử (e/cm3) xác định: N e  1, 241108 f cm f H (3.2) Trong đó, fcm tần số cắt mode thứ m, fH tần số hồi chuyển điện tử Ở vùng vĩ độ thấp xích đạo, fH tính từ mơ hình IGRF (International Geomagnetic Reference Field) fH = 1,1  0,2 MHz Độ cao EIWG xác định qua tần số cắt fcm cho mode: h  mc / f cm (3.3) Đo biên độ pha điều kiện yên tĩnh (Pq , Aq) điều kiện nhiễu loạn (Pp , Ap), sau xác định giá trị biên độ nhiễu loạn (A), pha nhiễu loạn (P) Biên độ (Asp) pha (Psp) đầu vào cho chương trình LWPC điều kiện nhiễu loạn tính: Psp  Psq  P Asp  Asq  A (3.6) (3.7) Asq Psq tính chương trình LWPC điều kiện yên tĩnh Phần mềm GetData Graph Digitizer sử dụng để xác định A, P Sau đó, sử dụng Psp Asp cho chương trình LWPC để tính h’,  Chương - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 5.1 Giới thiệu chung Số liệu: Số liệu ELF/VLF ghi nhận máy thu ELF/VLF lắp đặt TNU (12,65o N; 108,02o E) Các số liệu Mặt trời, điện ly, tia vũ trụ truy cập từ website có uy tín Nội dung nghiên cứu: Cơng trình sử dụng phương pháp tweek để khảo sát hình thái lớp D vào ban đêm vùng vĩ độ thấp xích đạo từ So sánh hình thái lớp D quan sát TNU với hình thái lớp quan sát Kagoshima (KAG) (31,48o N, 130,72o E) Ghi nhận thay đổi biên độ pha sóng VLF để khảo sát phản ứng lớp D với BNMT giai đoạn 2013 – 2014 5.2 Khảo sát đặc điểm lớp D ban đêm vùng vĩ độ thấp xích đạo từ 5.2.1 Đặt vấn đề Gần đây, có nhiều cơng trình khảo sát lớp D tầng điện ly vào ban đêm vùng vĩ độ thấp Tuy nhiên thay đổi độ cao phản xạ ứng với mode thứ đến mode thứ bảy chưa xem xét đến yếu tố mùa Nếu khảo sát hình thái lớp D với mode cao tweek, hy vọng thấy hình thái lớp D theo thời gian không gian cách tổng thể 5.2.2 Nội dung nghiên cứu kết 5.2.2.1 Đặc điểm phản xạ hấp thụ sóng ELF/VLF lớp D 11 Năm 2013 2014, tháng, máy thu TNU ghi nhận tweek đêm tổng số tweek thu 52617 Tweek lan truyền với khoảng cách 1000 - 2000 km chiếm tỉ lệ cao Tỉ lệ xuất tweek có khoảng cách lan truyền d  3000 km mùa đông, mùa phân điểm mùa hè 81,5 %, 79,2 % 82,3 % Tweek có mode số cao xuất trước nửa đêm nhiều sau nửa đêm mode cao bị suy hao lượng sóng EIWG lớn sau nửa đêm môi trường điện ly làm suy hao mạnh mode cao Đa số tweek có d  3000 km Độ cao phản xạ tweek quan sát TNU giá trị trung bình độ cao phản xạ dọc theo đường lan truyền sóng tweek nằm vùng rộng lớn: vùng vĩ độ thấp – xích đạo từ 5.2.2.2 Sự thay đổi độ cao phản xạ tweek lớp D Độ cao phản xạ mùa đông, mùa phân điểm mùa hè thay đổi 82,1 - 86,6 km, 82,5 - 86,0 km 83,1 - 85,3 km Độ cao phản xạ trung bình m có mối quan hệ tuyến tính (Hình 5.1) Hệ số góc hàm y (km) = ax + b vào mùa hè (0,305) có giá trị thấp so với mùa đông (0,790) mùa phân điểm (0,635) Tần số cắt vào mùa đông mùa phân điểm giảm mạnh so với tần số cắt vào mùa hè Hình 5.1 Sự thay đổi độ cao phản xạ tần số cắt trung bình theo mode số mùa đông (a), mùa phân điểm (b) mùa hè (c) 12 Trước nửa đêm ngày 14 tháng 3, 13 tháng 5, 17 tháng 11 (năm 2013), 14, 16 17 tháng 2, 14 15 tháng (năm 2014), số tweek độ cao phản xạ có mối tương quan âm trung bình mạnh Nhận xét: Vào ban đêm, độ cao phản xạ tweek với m = - luận án không vượt 90 km Mặt khác, lớp D tầng điện ly tồn 60 – 90 km Do đó, tkhẳng định lớp D tồn vào ban đêm Các mode tweek mùa hè phản xạ độ cao mà chúng chênh lệch khơng nhiều, chứng tỏ tính bất đồng lớp D mùa hè thể mạnh mẽ so với mùa khác Trong số đêm từ 19:00 – 00:00 LT, độ cao phản xạ xuất tweek có mối tương quan âm trung bình mạnh Điều cho thấy thay đổi lớp D điện trường chuẩn tĩnh từ phóng điện sét 5.2.2.3 Sự thay đổi thông số Wait tuyến mật độ điện tử Giá trị h’ thay đổi từ 81,0 – 84,5 km với SD = ± 1,4  ± 0,4 km β thay đổi từ 0,31 – 0,82 km-1 với SD = ± 0,30  ± 0,02 km-1 h’ trung bình năm 2013 (83,1 km) cao 0,9 km so với h’ trung bình năm 2014 (82,2 km) β trung bình năm 2013 (0,53 km) cao 0,07 km-1 so với β trung bình năm 2014 (0,46 km-1) Từ hình 5.2, thấy dáng điệu biến đổi h’ β năm 2014 gần lặp lại dáng điệu biến đổi h’ β năm 2013 Hình 5.2 Sự biến đổi độ cao tham Hình 5.3 So sánh tuyến mật độ chiếu (a) gradient mật độ điện tử điện tử tính phương pháp trung bình tháng (b) tweek mơ hình IRI-2012 13 Năm 2013, Ne tuyến thấp so với Ne tính tốn mơ hình IRI-2012 khoảng 11 - 55 % h = 83 – 88 km (Hình 5.3) Năm 2014, Ne tuyến tính theo phương pháp tweek thấp so với Ne tính tốn mơ hình IRI-2012 khoảng - 40 % h = 84 – 88 km Ở độ cao từ 80 – 89 km, Ne tính phương pháp tweek năm 2014 (Rz = 78,9) cao từ – 39 e/cm3 so với Ne năm 2013 (Rz = 64,7) 5.2.2.4 So sánh hình thái lớp D quan sát TNU KAG Hình 5.4 5.5 biểu diễn thay đổi theo mùa độ cao phản xạ quan sát TNU KAG (31,48o N, 130,72o E) năm 2013 2014 Các đường thẳng đường khớp hàm y (km) = ax + b cho tháng liệu mùa, x thay đổi từ đến 10 tương ứng với 20:00 – 5:00 LT Năm 2013, TNU KAG, vào mùa phân điểm, độ cao phản xạ có xu hướng tăng dần từ sau hồng đến trước bình minh vào mùa hè, độ cao phản xạ có xu hướng giảm dần Trong mùa đơng, độ cao phản xạ KAG TNU có xu hướng biến đổi trái ngược Năm 2014, TNU, độ cao phản xạ ba mùa có xu hướng tăng, KAG, quy luật thay đổi độ cao phản xạ theo mùa tương tự năm 2013 Hình 5.4 Sự thay đổi theo mùa độ cao phản xạ năm 2013 quan sát TNU (a) KAG (b) 14 Hình 5.5 Sự thay đổi theo mùa độ cao phản xạ năm 2014 quan sát TNU (a) KAG (b) Hình 5.6 biểu diễn thay đổi độ cao phản xạ lớp D quan sát TNU KAG (Hình 5.6a) năm 2013 2014, số VĐMT trung bình tháng (Hình 5.6b) số neutron ghi Beijing (39,08o N, 116,26o E) Inthanon (18,59o N, 98,49o E) (Hình 5.6c) Tại TNU, độ cao phản xạ trung bình 82,7 ± 1,8 km Tại KAG, độ cao phản xạ trung bình 89,8 ± 2,6 km, cao độ cao phản xạ quan sát TNU 7,1 km Dáng điệu biến đổi độ cao phản xạ lớp D quan sát TNU KAG gần giống với Hình 5.6 Độ cao phản xạ quan sát TNU KAG (a), số vết đen mặt trời trung bình tháng (b) số neutron trung bình (c) 15 Năm 2013, độ cao phản xạ quan sát TNU KAG số VĐMT có mối tương quan 0,06 -0,13 Trong đó, năm 2014, đại lượng có mối tương quan trung bình (r = - 0,48 cho hai trạm) Giữa độ cao phản xạ quan sát TNU số neutron (ghi Inthanon) có hệ số tương quan -0,64 (năm 2013) 0,07 (năm 2014) Giữa độ cao phản xạ quan sát KAG số neutron (ghi Beijing) có hệ số tương quan -0,61 (năm 2013) -0,22 (năm 2014) Nhận xét: Độ cao phản xạ lớp D quan sát TNU thấp so với độ cao phản xạ lớp D quan sát KAG khoảng 7,1 km Điều vùng điện ly gần xích đạo, vào ban ngày cường độ UV MT lớn thời lượng chiếu xạ nhiều so với chúng vùng vĩ độ cao làm cho Ne lớp D vào ban ngày vùng gần xích đạo cao vùng vĩ độ cao Ne vào ban ngày định đến Ne ban đầu vào ban đêm lớp D Trong năm 2014, mối tương quan độ cao phản xạ số neutron yếu, chứng tỏ ảnh hưởng tia vũ trụ đến thay đổi theo mùa độ cao phản xạ lớp D suy giảm mạnh Sự tăng cường xạ Lyman- từ vùng ngoại thay đổi theo mùa mật độ NO năm 2014 định đến thay đổi theo mùa độ cao phản xạ lớp D 5.3 Ảnh hưởng bùng nổ mặt trời lên lớp D 5.3.1 Đặt vấn đề Để làm rõ ảnh hưởng BNMT lên lớp D vùng vĩ độ thấp xích đạo từ, đề tài so sánh kết nghiên cứu TNU với kết nghiên cứu khác vĩ độ thấp trung bình Biểu diễn thay đổi Ne theo thời gian theo độ cao trình BNMT để khảo sát phản ứng lớp D tầng điện ly với BNMT cách tổng thể 5.3.2 Nội dung nghiên cứu kết 5.3.2.1 Đặ điểm hoạt động Mặt trời chu kỳ thứ 24: Chu kỳ 24 ngày 4/1/2008 có đỉnh cực đại vào tháng 2/2012 (Rz = 66,9), cực đại thứ hai lại xuất vào tháng 4/2014 (Rz 16 = 81,9) sau số VĐ có xu hướng giảm dần Trong năm 2013 2014 có nhiều kiện BNMT, điều tạo hội thuận lợi cho việc khảo sát ảnh hưởng hoạt động MT lên lớp D đề tài 5.3.2.2 Sự thay đổi biên độ, pha sóng VLF có bùng nổ mặt trời Phản ứng tín hiệu NWC với BNMT năm 2013 – 2014 theo đường truyền từ NWC, Australia đến TNU băng qua xích đạo từ (gọi tắt đường truyền NWC-TNU) so sánh với đường truyền sóng từ NWC đến Dunedin (DND) (45,78o S, 170,47o E), New Zealand (gọi tắt đường truyền NWC-DND, đường truyền qua nhiều kinh tuyến nằm phần lớn vùng điện ly vĩ độ trung bình) Ngồi ra, đề tài cịn so sánh thơng số Wait quan sát TNU Sitapur (STP) (22,45o N, 87,75o E), Ấn Độ sử dụng nguồn phát sóng VLF từ NWC Hình 5.7 Biểu diễn mối quan hệ biên Hình 5.8 Biểu diễn mối quan hệ độ (a), pha nhiễu loạn tín hiệu biên độ (a), pha nhiễu loạn tín VLF (b), thời gian trễ (c) quan sát hiệu VLF (b), thời gian trễ (c) quan TNU theo cường độ tia X sát DND theo cường độ tia X Trong 142 kiện BNMT ghi TNU, có 18 trường hợp pha tín hiệu NWC bất ổn định Cùng khoảng thời gian quan sát đó, tín hiệu NWC ghi DND phản ứng mạnh với 110 kiện BNMT, có 10 trường hợp pha bất ổn định Đề tài sử dụng trường hợp có tăng biên độ pha để tính thơng số Wait 17 Tại TNU, kiện BNMT lớp C1.2 – X3.2 ghi nhận Biên độ nhiễu loạn (A) tăng từ 0,3818 - 4,3982 dB Pha nhiễu loạn (P) tăng từ 4,58o - 106.08o Phần lớn đỉnh biên độ tín hiệu VLF xuất sau đỉnh cường độ tia X (thời gian trễ) từ - 407 giây (0,1 – 6,7 phút) (Hình 5.7) Trong DND, A thay đổi từ 0,5085 - 5,4326 dB, P thay đổi từ 5,23o - 140,23o Thời gian trễ có xu hướng giảm cường độ tia X tăng Thời gian trễ thay đổi từ – 267 giây (Hình 5.8) Nhận xét: Giữa biên độ pha nhiễu loạn có quan hệ hàm sigmoid với cường độ tia X cực đại Sự thay đổi biên độ pha sóng VLF đường truyền NWC-DND mạnh mẽ đường truyền NWC-TNU, đặc biệt kiện BNMT với cường độ lớn (lớp M X) 5.3.2.3 Sự thay đổi thơng số Wait có bùng nổ mặt trời Các kiện BNMT ghi TNU DND thời điểm mà góc thiên đỉnh (tại điểm đường truyền) nhỏ 70o quan tâm phân tích Hình 5.9 5.10 mơ tả so sánh thông số Wait điều kiện BNMT Hình 5.11 biểu diễn so sánh thơng số Wait hai đường truyền từ NWC đến trạm vĩ độ thấp TNU STP Hình 5.9 So sánh thay đổi thông số Wait quan sát TNU DND năm 2013 (a, b) năm 2014 (c, d) 18 Hình 5.10 So sánh thay đổi thông số Wait quan sát TNU (a, b) DND (c, d) Hình 5.11 Sự thay đổi độ cao tham chiếu (a) gradient mật độ điện tử (b) TNU Sitapur (India) với góc thiên đỉnh từ 14 – 33o Nhận xét: - Từ Hình 5.9, ta thấy chuỗi BNMT, giảm h’ cường độ tia X tăng hai trạm gần tương tự nhau, giá trị thông số  ghi TNU tăng chậm so với trường hợp ghi DND, đặc biệt điều xảy rõ vào năm 2013 lớp BNMT lớn Sự tăng chậm  vùng vĩ độ thấp xích đạo giải thích sau: tăng  có phần đóng góp tác nhân ion hóa tia vũ trụ độ cao 50 – 65 km, nhiên đóng góp tia vũ trụ vào ion hóa phụ 19 thuộc vào vĩ độ giảm đến mức thấp xích đạo Do có đóng góp tia vũ trụ vào ion hóa lớp D khu vực độ cao 65 km - Ở hai trạm, chuỗi BNMT, giảm h’ năm 2014 (Rz = 64,9) chậm so với năm 2013 (Rz = 78,9) (xem Hình 5.10) Tuy nhiên khác thể không mạnh mẽ Tại TNU, thay đổi  hai năm có khác biệt Tuy nhiên,  ghi nhận DND năm 2014 giảm chậm đáng kể so với năm 2013 Điều thấy rõ lớp M lớp X BNMT Sự giảm ảnh hưởng tia vũ trụ lên ion hóa lớp D vào năm 2014 giảm cường dộ tia vũ trụ năm Như vậy, nhận thấy phản ứng lớp D tầng điện ly vùng vĩ độ trung bình với BNMT phụ thuộc vào hoạt động MT thể rõ so với vùng điện ly vĩ độ thấp xích đạo từ - Từ Hình 5.11, thay đổi h’ ghi TNU STP điều kiện BNMT khơng có khác biệt lớn Xu hướng biến đổi  hai trạm khớp với Như thay đổi h’,  theo cường độ tia X cơng trình phù hợp kết nghiên cứu Basak Chakrabarti 5.3.2.4 Sự thay đổi mật độ điện tử Hình 5.12 biểu diễn tăng mật độ điện tử theo cường độ tia X quan sát TNU DND hai năm 2013 2014 Hình 5.12 Sự thay đổi mật độ điện tử theo cường độ tia X cực đại quan sát TNU (a) DND (b) Nhận xét: Tại TNU, thay đổi mật độ điện tử chuỗi BNMT hai năm 2013 2014 có khác biệt (Hình 5.12a), 20 DND, mật độ điện tử năm 2014 tăng chậm nhiều so với năm 2013 chuỗi BNMT (Hình 5.12b) Điều nói lên phản ứng lớp D khu vực vĩ độ trung bình với BNMT phụ thuộc vào hoạt động MT rõ ràng 5.3.2.5 Phân tích số kiện bùng nổ mặt trời - Trường hợp cực đại biên độ VLF xuất sau cực đại cường độ tia X BNMT lớp C6.8 ngày 14/2/2014 (Hình 5.13a) có đỉnh cường độ tia X lúc 4:30 UT sau phút, biên độ VLF đạt cực đại Ở 70 km, Ne cực đại ~ 103 e/cm3 tăng ~ 101 so với điều kiện yên tĩnh (102 e/cm3) Ở độ cao 90 km, Ne cực đại ~ 104 e/cm3 tăng 101 lần so với điều kiện yên tĩnh (103 e/cm3) Giá trị h’ giảm 2,6 km β tăng 0,02 km-1 BNMT lớp M3.2 ngày 29/12/2013 (Hình 5.13e) có đỉnh cường độ tia X lúc 7:56 UT sau 1,5 phút, biên độ VLF cực đại tiếp sau BNMT lớp thấp (C3.8) gây nhiễu loạn nhẹ đến lớp D Ở 70 km, Ne cực đại ~ 103 e/cm3 tăng ~101 so với điều kiện yên tĩnh (102 e/cm3) Ở độ cao 90 km, Ne cực đại ~ 105 e/cm3 tăng 102 lần so với điều kiện yên tĩnh (103 e/cm3) Trong kiện này, h’ giảm 7,6 km β tăng 0,08 km-1 BNMT lớp M1.1 ngày 7/1/2014 (Hình 5.13c) làm thay đổi Ne lớp D tương tự lớp C6.8 h’ giảm 4,2 km β tăng 0,05 km-1 21 Hình 5.13 Sự thay đổi theo thời gian Ne thơng số h’, β lớp D có BNMT Nhìn chung, thời điểm h’ cực tiểu  đạt cực đại trùng với thời điểm biên độ VLF đạt cực đại Sau đỉnh cực đại Ne, h’ tăng dần  giảm dần môi trường điện ly trở trạng thái ban đầu - Trường hợp cực đại biên độ VLF xuất trước cực đại cường độ tia X Trong kiện BNMT ngày 7/11/2014 (Hình 5.13 b, f), h’ cực tiểu thời điểm biên độ VLF đạt cực đại cường độ tia X cực đại  22 đạt cực đại sớm thời điểm cực đại Ne Điều chứng tỏ tốc độ ion hóa tăng nhanh trường hợp BNMT có cường độ mạnh trình tái hợp kết hợp khơng cho phép Ne tiếp tục tăng Có thể cường độ tia X chưa đạt đến cực đại đủ làm ion hóa đạt bão hịa sớm Riêng kiện BNMT lớp X3.2 (Hình 5.13d) sau Ne lớp D đạt cực đại, h’ tiếp tục giảm cực tiểu thời điểm cường độ tia X cực đại (h’ giảm 8,2 km) Đối với kiện BNMT này, 70 km, Ne cực đại ~ 103 e/cm3 tăng ~ 101 so với điều kiện yên tĩnh (102 e/cm3) độ cao 90 km, Ne cực đại ~ 106 e/cm3 tăng 103 lần so với điều kiện yên tĩnh (103 e/cm3) Nhận xét: Sự biến đổi Ne  theo dáng điệu biến đổi biên độ VLF không theo dáng điệu biến đổi cường độ tia X Sự thay đổi h’  theo thời gian đối xứng Có thể thấy hình dạng biến đổi Ne theo thời gian gần giữ ngun hình dạng theo độ cao Càng lên cao hồi phục mơi trường điện ly trạng thái cũ chậm KẾT LUẬN Kết nghiên cứu đặc điểm lớp D tầng điện ly ban đêm khu vực Tây Nguyên 1.1 Tweek có d = 1000 – 2000 km xuất thường xuyên Do đó, tweek thu TNU mang thông tin lớp D tầng điện ly vùng vĩ độ thấp - xích đạo từ 1.2 Tính chất bất đồng lớp D tháng mùa hè thể mạnh mẽ so với tháng mùa đông mùa phân điểm Vào ban đêm, độ cao phản xạ tweek tương ứng m = - khơng vượt q 90 km, khẳng định lớp D tồn vào ban đêm 1.3 Độ cao phản xạ trung bình lớp D quan sát TNU tương ứng với m = 82,7 ± 1,8 km, cao độ cao phản xạ vùng vĩ độ cao thấp so với độ cao phản xạ KAG vùng vĩ độ trung bình 23 1.4 Trong giai đoạn quan sát 2013 - 2014, xạ Lyman- Lyman-β từ vùng ngoại tăng cường nguồn ion hóa quan trọng lớp D Sự thay đổi theo mùa mật độ NO tăng cường xạ Lyman- từ vùng ngoại năm 2014 đóng góp đáng kể vào thay đổi theo mùa độ cao phản xạ lớp D Sự đóng góp tia vũ trụ vào việc ion hóa lớp D ban đêm đáng kể vào năm 2013, suy giảm vào năm 2014 Hơn nữa, thay đổi mật độ hạt trung hòa dơng sét đóng góp vào biến đổi thình thái lớp D vùng vĩ độ thấp - xích đạo từ Kết nghiên cứu nhiễu loạn lớp D 2.1 Máy thu TNU ghi 142 kiện nhiễu loạn tín hiệu NWC BNMT từ tháng 3/2013 – 12/2014 Biên độ nhiễu loạn, pha nhiễu loạn hai trạm TNU DND có quan hệ với cường độ cực đại tia X dạng hàm sigmoid Phần lớn đỉnh biên độ tín hiệu VLF xuất sau cường độ đỉnh tia X khoảng từ 0,1 - 6,7 phút Thời gian trễ có xu hướng giảm cường độ tia X tăng 2.2 Khi cường độ tia X tăng, h’ giảm từ 72,8 km xuống 60,6 km  tăng từ 0,31 km-1 đến 0,532 km-1 Trong điều kiện có BNMT,  vùng vĩ độ trung bình tăng nhanh so với vùng vĩ độ thấp – xích đạo từ Sự thay đổi mật độ điện tử có mối quan hệ dạng hàm y = axb với cường độ cực đại tia X Sự thay đổi h’  quan sát TNU hai năm 2013 2014 có khác biệt Qua so sánh với liệu VLF ghi DND, nhìn chung phản ứng lớp D với BNMT vĩ độ thấp xích đạo nhạy so với vùng vĩ độ trung bình lớp D tầng điện ly vùng vĩ độ trung bình có đóng góp đáng kể tia vũ trụ vào ion hóa lớp D độ cao 65 km 2.3 Trường hợp cực đại biên độ VLF xuất trước cực đại cường độ tia X: thông số h’ cực tiểu thời điểm biên độ VLF cực đại thời điểm cường độ tia X cực đại  đạt cực đại sớm thời điểm cực đại mật độ điện tử Ở độ cao lớn hơn, hồi phục môi trường điện ly trạng thái ban đầu chậm 24 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ L M Tan, N N Thu, T Q Ha (2014), Observation of the effects of solar flares on the NWC signal using the new VLF receiver at Tay Nguyen University, Sun & Geosphere, 8(1), 27-31 Le Minh Tan, Nguyen Ngoc Thu, Tran Quoc Ha (2014), Solar flare induced the parameter changes of lower ionosphere from VLF amplitude observations at a low-latitude site, Poster presented in AGU Chapman conference on low-frequency waves in space plasmas, Jeju Island, Republic of Korea, Aug 31 – Sept 5, 2014 Lê Minh Tân, Nguyễn Ngọc Thu, Trần Quốc Hà (2014), Thu nhận xung khí tweek vĩ độ thấp để ước tính mật độ điện tử lớp thấp tầng điện ly ban đêm, Kỷ yếu hội nghị khoa học lần thứ IX – Trường ĐH KHTN – ĐHQG – Tp Hồ Chí Minh ngày 21/11/2014, tr 119-128 Lê Minh Tân (2015), Phản ứng lớp D tầng điện ly vùng vĩ độ thấp bùng nổ mặt trời năm 2014, Tạp chí khoa học Trái đất, 37(3), 146-155 L M Tan, N N Thu, T Q Ha and N L Quang (2015), Seasonal variations of nighttime D-region ionosphere in 2013 solar maximum observed from a low-latitude station, Earth, Planets and Space, Japan, 67: 163, doi: 10.1186/s40623-015-0331-y Le Minh Tan, Nguyen Ngoc Thu, Tran Quoc Ha, Nguyen Thi Thao Tuyen (2016), Study of the morphology of the low-latitude D region ionosphere using the method of tweeks observed at Buon Ma Thuot, Dak Lak, Vietnam Journal of Earth Science, 38(4), 327-338 Le Minh Tan, Nguyen Ngoc Thu, Tran Quoc Ha (2016), Ionospheric Dregion electron density variability in Vietnamese and Japanese sectors, Presented at Workshop on capacity building on geophysical technology in mineral exploration and assessment on land, sea and island, Ha noi, Vietnam, 15 – 16 October, 2016 Tan L M., Thu N N., Shiokawa, K., Ha T Q (2017), Electron density variability of nighttime D-region ionosphere in Vietnamese and Japanese sectors, Journal of Geophysical Research: Space Physics, 122(6), 6543– 6551 25 ... ̣ 14 bảng biểu Chương -TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU LỚP D TẦNG ĐIỆN LY 1.1 Các nghiên cứu lớp D tầng điện ly giới - Các nghiên cứu đặc điểm lớp D vào ban đêm sử d? ??ng phương pháp tweek Kumar cộng ghi... tầng điện ly Trái đất Vào ban ngày, tầng điện ly có lớp D, E, F1 F2 Vào ban đêm, tầng điện ly trì nguồn ion hóa tia vũ trụ nên lại phần thấp lớp E lớp F2 2.2 Lớp D tầng điện ly Ở lớp D, áp suất... vật lý lớp D tầng điện ly chưa hiểu sâu sắc kỹ thuật ELF /VLF trở thành công cụ hữu hiệu để nghiên cứu lớp Với kỹ thuật này, biến đổi độ cao phản xạ sóng ELF /VLF (h), mật độ điện tử lớp D độ cao