Nghiên cứu ảnh hưởng của mặt trời lên trạng thái của lớp f2 tầng điện ly xích đạo từ luận án tiến sĩ vật lý chuyên ngành địa vật lý

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _ TRẦN QUỐC HÀ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MẶT TRỜI LÊN TRẠNG THÁI CỦA LỚP F2 TẦNG ĐIỆN LY XÍCH ĐẠO TỪ LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ TP HỒ CHÍ MINH - NĂM 2010 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRẦN QUỐC HÀ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MẶT TRỜI LÊN TRẠNG THÁI CỦA LỚP F2 TẦNG ĐIỆN LY XÍCH ĐẠO TỪ Chuyên ngành: Địa vật lý Mã số: 1.02.24 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS HOÀNG THÁI LAN PGS TS TRẦN VĂN NHẠC TP Hồ Chí Minh – Năm 2010 ii LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các kết nêu luận án tơi tìm ra, chưa cơng bố cơng trình khác Ký tên Trần Quốc Hà iii LỜI CẢM TẠ Để hồn thành luận án tác giả nhận ñược giúp ñỡ nhiều người Tác giả tỏ lòng biết ơn sâu sắc PGS.TS Hồng Thái Lan, PGS.TS Trần Văn Nhạc dành nhiều cơng sức, trí tuệ, thời gian trực tiếp hướng dẫn tác giả nghiên cứu hồn thành luận án, GS.TSKH Lê Minh Triết ân cần bảo cho tác giả hoàn chỉnh luận án Tác giả xin cám ơn PGS.TS Nguyễn Thành Vấn, Trưởng Bộ môn Vật lý Trái Đất, khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP Hồ Chí Minh ñã dành nhiều công sức, thời gian hướng dẫn tác giả hồn thành chun đề giúp tác giả hồn tất thủ tục q trình học tập, nghiên cứu Đồng thời, tác giả xin cám ơn Khoa Vật lý, Phòng Sau Đại học, Ban giám hiệu trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP Hồ Chí Minh, Khoa Vật lý, Ban giám hiệu trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh tạo điều kiện cho tác giả làm nghiên cứu sinh Tác giả cám ơn tập thể Cán bộ, Nhân viên, Kỹ thuật viên Đài quan trắc khí Hóc Mơn, Phịng Vật lý khí Vũ trụ, Viện Vật lý TP Hồ Chí Minh hỗ trợ tác giả việc thu thập, xử lý số liệu ñiện ly, phục vụ nghiên cứu Tác giả cám ơn thầy cô, ñồng nghiệp, sinh viên tổ Bộ môn Vật lý Trái Đất, khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP Hồ Chí Minh Khoa Vật lý, trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh bè bạn xa gần ñã quan tâm ñộng viên, giúp đỡ tác giả suốt q trình học tập, nghiên cứu Tác giả mang ơn chồng con, gia đình, người thân, người ñã chỗ dựa vững ñể tác giả an tâm hoàn thành luận án Cuối cùng, xin kính dâng Mẹ hiền cơng trình mà ñã nỗ lực thực ñể hoàn thành lời hứa với Người vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT BNMT Bùng nổ Mặt trời HĐMT Hoạt ñộng Mặt trời LF2 TĐL XĐT Lớp F2 tầng ñiện ly xích đạo từ MT Mặt trời TĐ Trái đất TP HCM Thành phố Hồ Chí Minh VĐMT Vết đen Mặt trời XĐT Xích đạo từ e- Electron NeF2 Nồng độ ñiện tử lớp F2 foF2 Tần số tới hạn lớp F2 h’F2 Độ cao biểu kiến lớp F2 R Số vết ñen Mặt trời foF2 Tần số tới hạn F2 lúc trưa (12 LT), lấy trung bình năm R Số vết đen Mặt trời lấy trung bình năm CME Coronal Mass Ejection (sự phóng vật chất Nhật hoa) E E Equatorial Electrojet ( dịng điện xích đạo) LT Local Time (giờ địa phương) p-p proton-proton (chu trình p-p) SC Sudden Commencement (dấu hiệu bão từ bất ngờ) SSN Smoothed Sunspot Number (số vết ñen làm trơn) UT Universal Time (giờ quốc tế) UV, EUV Ultraviolet, Extreme Ultraviolet (bức xạ tử ngoại cực tử ngoại) PPEF Prompt Penetration Magnetospheric Electric Fields (sự thâm nhập tức thời ñiện trường Từ quyển) TEC Total Electron Content [tổng nồng ñộ (dung lượng) ñiện ly] GPS Global Position System (hệ thống định vị tồn cầu) MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài luận án Gần ñây việc nghiên cứu mối quan hệ Mặt trời (MT) - Trái ñất (TĐ) thời tiết vũ trụ ñang ñiểm nóng, ñược nhiều người quan tâm Đó ñời sống người ñược nâng cao phụ thuộc nhiều vào công nghệ vũ trụ Vì vậy, việc nghiên cứu tác động MT lên TĐ, nhằm nắm vững quy luật tự nhiên, vận dụng ñể trì ñiều kiện tốt ñẹp cho ñời sống phòng tránh thiên tai, việc làm cấp thiết có ý nghĩa thực tiễn to lớn MT, nguồn gốc lượng trình TĐ, ln có biến đổi phức tạp, lúc n tĩnh, lúc hoạt động mạnh Chu kỳ (hay cịn gọi chu trình) hoạt động Mặt trời (HĐMT) thường kéo dài 11 năm Bức xạ MT ñến TĐ thay ñổi theo chu kỳ ñó Tầng ñiện ly lớp khí tầng cao TĐ hình thành từ ion hóa khơng khí xạ MT (bức xạ tử ngoại tia X), nơi chịu ảnh hưởng HĐMT cách trực tiếp rõ rệt Đây tầng khí có tính ứng dụng cao kỹ thuật truyền thơng, việc nghiên cứu nhằm nắm vững qui luật nó, phục vụ nhu cầu phát triển xã hội cần thiết HĐMT với biến thiên xạ mang tính chu kỳ làm trạng thái tầng ñiện ly bị biến ñổi theo chu kỳ ñó Đặc biệt, dạng hoạt ñộng BNMT, CME, gọi chung bão MT, gây biến động đột ngột, dội cho khí tầng cao TĐ, bão từ bão ñiện ly Đó biến đổi “thời tiết vũ trụ” mà người cần biết trước để phịng tránh Vì vậy, việc nghiên cứu ảnh hưởng hoạt động MT lên trạng thái tầng ñiện ly quan trọng, cần ñược tiến hành thường xuyên, lâu dài Tầng điện ly vùng xích đạo từ (XĐT) chịu tác động từ trường TĐ lên q trình chuyển ñộng hạt mang ñiện, tạo nên hình thái ñặc biệt cho tầng ñiện ly khu vực Nghiên cứu tầng ñiện ly XĐT ñang ñược tập trung ý Cho ñến nay, tầng ñiện ly khu vực miền Nam Việt Nam, ñược quan trắc Đài quan trắc khí Hóc Mơn, TP HCM, thuộc vùng XĐT, ñược thành lập ñi vào hoạt ñộng từ năm 2000 nên chưa ñược nghiên cứu nhiều, chưa trọn chu kỳ HĐMT Việc tiếp tục nghiên cứu cần thiết, nghiên cứu mà phục vụ trực tiếp cho u cầu phát triển đất nước Mục đích, mục tiêu nghiên cứu luận án Đề tài “ nghiên cứu ảnh hưởng Mặt trời lên trạng thái lớp F2 tầng điện ly xích đạo từ” có nội dung rộng hướng nghiên cứu lâu dài Trong khn khổ có hạn thời gian, mục đích luận án cần xác định cách cụ thể hơn, với phạm vi nghiên cứu phù hợp Đó tiến hành khảo sát trạng thái lớp F2 tầng ñiện ly TP HCM, thuộc vùng XĐT, năm cuối chu kỳ HĐMT thứ 23 (chủ yếu năm từ 2002 ñến 2006), nhằm làm rõ tác ñộng MT lên tầng ñiện ly, bổ sung hiểu biết tầng ñiện ly khu vực Theo sát với nội dung luận án phần nghiên cứu có mục tiêu cụ thể sau: - Khảo sát chu kỳ HĐMT thứ 23 để có số liệu HĐMT, nguyên nhân biến ñộng trạng thái lớp F2 tầng ñiện ly thời gian đó, nhằm thu thập số liệu MT, phục vụ nghiên cứu ñiện ly - Khảo sát biến thiên ngày ñêm foF2 quan trắc TP HCM, nhằm khẳng định hình thái lớp F2 mang ñặc trưng lớp F2 tầng ñiện ly xích ñạo từ (LF2 TĐL XĐT) - Áp dụng số liệu tầng điện ly quan trắc TP HCM vào cơng thức Allen phụ thuộc tần số tới hạn trưa trung bình hàng năm ( f F2 ) số VĐMT trung bình hàng năm ( R ), nhằm tìm qui luật biến thiên theo chu kỳ HĐMT cho lớp F2 tầng ñiện ly TP HCM - Khảo sát phản ứng lớp F2 trước biến ñộng bất thường MT giai ñoạn cuối chu kỳ hoạt ñộng, trận bão MT cụ thể (tháng 9/2005), nhằm tìm hiểu diễn biến lớp F2 tầng ñiện ly TP HCM trước biến ñộng thời tiết vũ trụ - Tiến hành quan sát, chụp ảnh MT kính thiên văn thời điểm có bão MT (9/2005), nhằm gắn kết việc nghiên cứu tầng điện ly với cơng tác giảng dạy môn thiên văn Đối tượng, phạm vi nghiên cứu luận án Như vậy, ñối tượng nghiên cứu luận án LF2 TĐL XĐT, với số liệu Đài quan trắc khí Hóc Mơn, TP HCM, năm sau cực ñại chu kỳ HĐMT thứ 23 (từ 2002 đến 2006), với thơng số tần số tới hạn foF2, độ cao biểu kiến h’F2 Phương pháp nghiên cứu Trong luận án tác giả sử dụng phương pháp thống kê, so sánh, ñối chiếu số liệu Đây phương pháp thường ñược sử dụng nghiên cứu tầng ñiện ly Số liệu Số liệu MT ñược lấy từ trang web MT có uy tín Tuy nhiên, số liệu phải chọn lọc, tính tốn phù hợp với mục ñích, mục tiêu nghiên cứu Số liệu tầng ñiện ly Đài quan trắc khí Hóc Mơn, TP HCM cung cấp Nhiệm vụ luận án luận điểm cần bảo vệ Luận án có nhiệm vụ tính qui luật mối quan hệ HĐMT trạng thái LF2 TĐL XĐT Trong ñó, cần bảo vệ luận ñiểm : - Về việc tìm cơng thức mối quan hệ tần số tới hạn foF2 trưa trung bình hàng năm số VĐMT trung bình hàng năm, đặc trưng cho lớp F2 tầng ñiện ly TP HCM, dựa cơng thức Allen Do cơng thức Allen tìm thấy từ số liệu tầng điện ly vùng vĩ độ trung bình cách lâu, sử dụng cho tầng ñiện ly vùng XĐT, với số liệu thống kê sử dụng luận án chưa nhiều (5 năm) nên chưa thuyết phục Tuy nhiên, kết ñạt ñược rõ ràng nên cần ñược bảo vệ - Phản ứng tầng ñiện ly trước bão MT cho thấy liên quan chặt chẽ tới vị trí vùng hoạt động (vị trí xuất phát bão, hay tâm bão) ñĩa MT thời ñiểm xảy bão MT Đây quan điểm khơng mới, ñược ý Ở Việt Nam thường xét phản ứng tầng ñiện ly trước bão từ, hệ bão MT, ý thay ñổi vị trí bão MT ñĩa MT Trong luận án, tác giả khảo sát phản ứng tầng ñiện ly theo sát biến ñổi vị trí xuất phát bão quay MT thời ñiểm xảy trận bão Đây cách tiếp cận mẻ, cần ñược bảo vệ Những ñiểm luận án Việc tiến hành khảo sát tầng ñiện ly với số liệu giai ñoạn chưa nghiên cứu, nhằm tìm qui luật điểm luận án Tìm hệ số b nhằm biến biểu thức Allen thành ñẳng thức ñặc trưng cho tầng ñiện ly TP HCM ñiểm luận án Hơn nữa, việc khảo sát nhiễu loạn ñiện ly ñứng từ góc độ quan sát biến động MT (sự thay đổi vị trí vị trí xuất phát bão theo quay MT, thời ñiểm xảy trận bão), đồng thời kèm theo hình ảnh quan trắc vị trí vùng hoạt động kính thiên văn nhằm mục đích minh họa, làm bật vai trị vị trí bão MT tác động bão MT ñến trạng thái tầng ñiện ly ñiểm luận án Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Việc nghiên cứu ảnh hưởng MT lên trạng thái tầng ñiện ly nằm khuôn khổ ngành Vật lý mối quan hệ MT- TĐ Chỉ qui luật chi phối mối quan hệ phức tạp, cịn nhiều vấn đề chưa sáng tỏ ln có ý nghĩa khoa học to lớn Trong khuôn khổ hạn hẹp thời gian, chưa có phát mới, với góc ñộ nghiên cứu mình, luận án ñã ñưa kết luận mang tính khoa học, khẳng định phụ thuộc trạng thái tầng ñiện ly vào HĐMT Việc nghiên cứu số liệu ñiện ly vùng cụ thể (TP HCM) góp phần bổ sung vào khối kiến thức vốn cịn ỏi tầng điện ly địa phương này, có ý nghĩa thực tiễn thuyết phục, phục vụ cho u cầu phát triển ñất nước lĩnh vực truyền thông, sử dụng thiết bị vệ tinh, công nghệ vũ trụ Mặt khác, quan sát nghiên cứu MT Việt Nam chưa ñược tiến hành Gắn kết việc nghiên cứu tầng ñiện ly với giảng dạy, quan sát MT luận án việc làm cần thiết, mang tính khoa học, đáng khích lệ Cơ sở tài liệu Các tài liệu ñược sử dụng luận án sách giáo khoa chun ngành báo, cơng trình nghiên cứu cơng bố ấn phẩm có uy tín, đưa lên mạng trang web chun mơn Vì vậy, nguồn tài liệu ñáng tin cậy, làm sở khoa học vững cho nghiên cứu luận án Cấu trúc luận án Nội dung luận án trình bày chương phần mở ñầu, kết luận, kiến nghị, phụ lục, gồm 108 trang, 39 hình ảnh, ñồ thị, 19 bảng biểu Các bảng, hình ñược ñánh số theo chương thống kê phần ñầu luận án (trang viii, ix), cơng thức đánh số theo chương Các cụm từ viết tắt ñược ñưa phần ñầu luận án (trang vii) Nội dung luận án gồm sau: Chương 1- Tổng quan nghiên cứu hoạt ñộng Mặt trời tầng điện ly Trái đất: trình bày việc nghiên cứu lĩnh vực mà tác giả lựa chọn ngồi nước, nêu vấn đề cịn tồn mà tác giả cần tập trung giải Chương - Mặt trời : Nguồn phát lượng xạ - hoạt động Mặt trời: trình bày vấn đề MT có liên quan đến luận án Chương - Lớp F2 tầng ñiện ly Trái ñất tác ñộng Mặt trời: trình bày vấn đề lớp F2 tầng điện ly tính chất LF2 TĐL XĐT Chương –Kết nghiên cứu ảnh hưởng hoạt ñộng Mặt trời lên trạng thái lớp F2 tầng ñiện ly quan trắc TP Hồ Chí Minh: trình bày kết nghiên cứu tác giả lớp F2 tầng ñiện ly quan trắc TP HCM Phần kết luận kiến nghị: gồm tổng kết kết nghiên cứu luận án kiến nghị vấn ñề cần phải tiếp tục nghiên cứu, làm rõ Phần phụ lục: gồm phụ lục liên quan ñến việc nghiên cứu luận án Tóm lại, việc nghiên cứu ảnh hưởng MT lên trạng thái tầng ñiện ly TĐ cơng việc có ý nghĩa to lớn, khó khăn cịn nhiều điều nan giải Luận án hy vọng đóng góp phần nhỏ bé vào cơng việc lâu dài 117 86 Zeilik M., Gregory S A., Smith E P (1992), Astronomy and Astrophysics, Saunders College Publishing, USA 87 Zirin H (1988), Astrophysics of the Sun, CambridgeUniversity Press, G B Русский язык 88 Академия Наук СССР (1970), Исследование ионосферы, изд “Наука”, Новосибирск 89 Антонова Л А, Иванов Г С-Холодный (1989), Солнечная активность и Ионосфера, изд “Наука”, Москва 90 Бакулин П И,…(1974), Курс общей астрономии, изд “Наука”, Москва 91 Гершман Б Н, (1984), Волновые явления в ионосфере и космической плазм, изд “Наука”, Москва 92 Дагаев М М, Демин В Г…(1983), Астрономия, изд “Просвещение”, Москва 93 Коваленко В А (1983), Солнечный ветер, изд “Наука”, Москва 94 Мизун Ю Г (1985), Ионосфера земли, изд “Наука”, Москва 95 Прист Э Р (1985), Солнечная магнитогидродинамика, изд “ Мир”, Москва 96 Ришбет Г., Гарриот О К (1975), Введение в физику ионосферы, гидрометеоиздат, Ленинград 97 Северный А Б (1988), Некоторые проблемы физики солнца, изд “Наука”, Москва Một số tài liệu tham khảo mạng không rõ tên tác giả: 98 http://www.tpub.com/neets/book10/40h.htm: Variation in the ionosphere 99 From Wikipedia : Ionosphere, Geomagnetic storm, Ring curent, Coronal mass ejection, space weather, K-index, Dst-index… 100 http://en.wikipedi.org/wiki/image.orbit.svg: Study of low latitude ionospheric irregularuty structure based on LITN 101 http://lasp.colorado.edu: 4-17 September 2005 Solar Storm Period 118 PHỤ LỤC GIỚI THIỆU VỀ SỐ LIỆU MẶT TRỜI (Theo trang web: fpt://fpt.ngdc.noaa.gov) CHỈ SỐ VĐMT TRONG NGÀY NĂM 2003(DAILY SUNSPOT NUMBERS 2003) =============================================================================== Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Yr Day 31 40 48 93 99 42 100 49 46 76 124 92 2003 01 27 43 59 103 86 38 97 56 46 68 112 72 2003 02 66 36 57 90 95 40 80 76 47 62 72 72 2003 03 65 35 80 72 96 47 67 73 50 49 52 66 2003 04 68 50 65 60 93 59 56 87 39 50 12 59 2003 05 86 68 63 52 78 86 63 83 37 41 45 2003 06 90 82 79 48 65 98 85 78 30 41 12 32 2003 07 108 87 66 34 33 101 89 69 25 43 21 26 2003 08 109 93 89 42 20 111 90 70 17 47 39 16 2003 09 117 73 71 38 17 111 74 72 25 45 39 25 2003 10 117 73 69 25 36 116 61 72 34 44 30 25 2003 11 104 71 56 37 38 115 68 71 29 25 11 25] 2003 12 94 59 45 38 41 96 96 70 30 13 21 28 2003 13 94 45 58 35 43 81 96 63 33 13 23 31 2003 14 84 31 63 29 50 63 105 67 42 13 33 30 2003 15 84 20 62 16 51 57 105 73 46 19 42 39 2003 16 81 10 41 19 39 56 112 74 58 30 34 68 2003 17 77 20 43 27 44 68 121 67 58 41 52 71 2003 18 87 33 39 34 48 76 128 58 52 41 70 71 2003 19 93 44 29 45 61 74 161 62 46 47 90 74 2003 20 68 46 23 58 50 62 146 58 50 59 97 60 2003 21 86 34 75 65 61 123 69 57 58 83 74 2003 22 70 28 27 73 57 66 100 76 65 61 109 76 2003 23 76 28 33 73 37 68 78 82 64 75 107 59 2003 24 59 32 52 89 39 76 47 82 67 88 123 44 2003 25 72 30 70 86 52 82 28 89 77 89 119 40 2003 26 85 43 81 103 57 93 33 90 79 133 132 31 2003 27 85 34 91 100 62 93 50 95 71 165 121 34 2003 28 84 112 109 56 94 43 85 74 167 113 26 2003 29 62 112 98 44 92 38 74 66 167 116 17 2003 30 41 102 42 42 65 160 12 2003 31 -79.7 46.0 61.1 60.0 54.6 77.4 83.3 72.7 48.7 65.5 67.3 46.5 -Values are final 119 PHỤ LỤC GIỚI THIỆU SỐ LIỆU VỀ MẶT TRỜI ( Theo trang web http://www.swpc.noaa.gov) 2002 Daily Solar Data Radio SESC Area Solar X-Ray Flares -Flux Sunspot 10E-6 New Mean Bkgd X-Ray Optical Date 10.7cm Number Hemis Regions Field Flux C M X S 2002 01 01 232 222 1360 -999 C1.6 0 0 2002 01 02 231 241 1205 - 999 C2.7 14 0 2002 01 03 220 229 1170 -999 C2.3 12 0 15 0 2002 01 04 218 248 1190 -999 C1.9 0 2002 01 05 212 201 1120 -999 C1.9 18 0 2002 01 06 197 143 850 -999 C1.4 10 0 15 0 2002 01 07 189 158 570 -999 C1 0 0 2002 01 08 199 143 680 -999 C1.0 0 0 2002 01 09 229 159 1090 -999 C4.2 15 1 2002 01 10 225 179 1160 -999 C2.5 0 17 0 2002 01 11 229 195 1480 -999 C2.1 12 0 2002 01 12 233 174 1500 - 999 C1.5 13 0 2002 01 13 241 190 1650 999 C1.6 20 0 2002 01 14 229 191 1580 -999 C2.0 4 2002 01 15 218 155 1510 -999 * 0 11 0 2002 01 16 216 131 1030 -999 * 12 15 0 2002 01 17 212 122 1140 -999 C1.8 0 0 2002 01 18 211 156 1030 -999 C1.1 0 0 2002 01 19 214 153 1110 -999 C1.0 0 2002 01 20 222 212 1150 -999 C1.1 0 0 2002 01 21 225 187 1400 -999 C1.1 0 0 2002 01 22 229 178 1130 -999 C1.0 11 0 2002 01 23 227 272 1250 -999 C1.3 0 0 2002 01 24 231 173 1180 -999 C1.2 0 0 2002 01 25 235 196 1120 -999 C1.7 0 0 2002 01 26 240 194 1320 -999 C2.1 0 2002 01 27 248 189 1440 -999 C2.0 0 0 120 PHỤ LỤC GIỚI THIỆU VỀ SỐ LIỆU ĐỊA TỪ (Theo trang web http://swpc.noaa.gov) CHỈ SỐ ĐỊA TỪ TRONG NGÀY, 7- 15/9/2005 Product: Daily Geomagnetic Data 2005_DGD.txt # # Prepared by the U.S Dept of Commerce, NOAA, Space Environment Center # Please send comment and suggestions to SEC.Webmaster@noaa.gov # # 2005 Daily Geomagnetic Data # # Middle Latitude High Latitude Estimated # - Fredericksburg College Planetary # Date A K-indices A K-indices A K-indices # -2 2005 09 07 18 3 5 15 3 1 15 3 4 2005 09 08 1 1 3 1 1 2 2005 09 09 12 4 29 1 6 17 4 4 2005 09 10 15 2 3 4 52 5 30 2 5 5 2005 09 11 53 5 131 8 6 105 5 2005 09 12 32 5 136 5 66 6 6 2005 09 13 26 5 3 96 5 8 51 6 4 2005 09 14 13 2 49 6 25 3 5 3 2005 09 15 22 3 5 3 76 7 43 3 2005 09 16 11 2 2 54 18 4 3 121 PHỤ LỤC GIỚI THIỆU ĐÀI QUAN TRẮC KHÍ QUYỂN HĨC MƠN HÌNH ẢNH ĐÀI QUAN TRẮC KHÍ QUYỂN HĨC MƠN Đài quan trắc khí Hóc Mơn ((106.340E, 10.510N, 2.90N dip lat) thành lập ngày 29 tháng năm 1997 Đài ñược Canada Nhật giúp trang bị hệ thống thiết bị thăm dò ñiện ly vô tuyến (CADI) Thiết bị ñã hoạt ñộng thu thập số liệu từ năm 2000 Ăngten phát Ăngten thu Tồn cảnh Đài quan trắc khí Hóc Mơn CẤU TẠO VÀ NGUN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY CADI Ionosonde ñược sử dụng Đài quan trắc khí Hóc Mơn máy thăm dị tầng ñiện ly Canada (Canadian Avanced Digital Ionosonde – CADI) A- Cấu tạo: Gồm phần sau: - Máy phát: phát tín hiệu sóng vơ tuyến theo phương thẳng ñứng, dải tần số từ 1MHz ñến 20MHz - Máy thu: thu tín hiệu phản xạ - Máy tính: điều khiển thiết bị hoạt ñộng - Hệ thống Ăngten gồm: ăngten phát thẳng ñứng, ñộ cao:16m dàn ăngten thu theo hướng Đông – Tây – Nam – Bắc Thiết bị ñược ñiều khiển tự ñộng chương trình giao diện cài đặt máy vi tính Máy cài đặt để thu nhận điện ly ñồ trong: 5, 10 15 phút tùy thuộc vào yêu cầu nghiên cứu 122 Máy thu Máy phát Máy tính Sơ đồ máy CADI B – Ngun tắc hoạt động Sóng vơ tuyến phát dải tầng liên tục theo phương thẳng ñứng Khi tần số sóng vơ tuyến song phát lên tần số va chạm hạt mang ñiện plasma ñiện ly phản xạ lại mặt đất ta thu tín hiệu máy thu Thời gian trễ tín hiệu phản xạ hàm tần số, ñộ cao biểu kiến ñược tính từ thời gian trễ sóng phản xạ- độ cao biểu kiến ñộ cao mà ñó sóng phản xạ giả thiết sóng vơ tuyến truyền với vận tốc ánh sáng C - Phương pháp xử lý số liệu quan trắc Sóng phản xạ máy tính ghi lại dạng file số liệu theo ngày Cứ 15 phút có ñiện ly ñồ thể trạng thái tầng ñiện ly Như vậy, cài ñặt chế ñộ 15’ ngày sẻ có 96 điện ly ñồ ñược máy tính ghi lại Số liệu ñược đồng nghiệp làm việc Đài Hóc Mơn số hóa lấy trung bình theo Hai thơng số xử lý số liệu tần số tới hạn (fo) ñộ cao biểu kiến (h’) 123 PHỤ LỤC GIỚI THIỆU BẢNG SỐ LIỆU ĐIỆN LY DẠNG TEXT SỐ LIỆU ĐIỆN LY NGÀY 050909 hhmm foF2 h'F hmF2 hpF2 0000 7.27 223 339 256.1 0015 7.20 234 262 279.1 0030 7.57 200 256 291.5 0045 7.61 213 278 302.0 0100 7.46 179 272 320.7 0115 7.85 205 293 343.6 0130 8.09 207 304 358.2 0145 8.30 202 325 383.2 0200 7.97 223 327 422.7 0215 8.25 383 379 431.1 0230 7.42 354 420 472.7 0430 7.42 399 - 437.3 0615 7.81 370 386 399.8 0630 8.17 367 396 410.2 0645 8.42 365 - 404.0 0700 8.69 362 385 404.0 0715 8.51 357 413 404.0 0730 8.64 349 - 416.5 0745 8.82 365 399 416.5 0800 8.86 312 383 416.5 0815 8.91 218 387 416.5 0830 8.86 226 373 416.5 0845 9.18 207 409 416.5 0900 8.95 223 354 408.2 0915 9.05 265 389 408.2 0930 9.14 252 375 391.5 0945 9.00 223 362 385.3 1000 9.52 275 370 372.8 1015 9.66 278 356 360.3 1030 9.09 262 336 360.3 1045 9.37 249 329 351.9 1100 8.25 260 317 308.2 1115 9.33 270 - 341.5 1130 9.14 270 342 326.9 1145 8.91 270 309 310.3 1200 8.86 260 299 293.6 1215 8.05 249 275 293.6 1230 6.84 236 286 270.7 1330 7.12 252 278 1345 7.27 255 281 1400 7.49 228 313 297.8 1415 7.61 260 326 316.5 1430 7.16 281 343 329.0 1445 6.87 291 376 354.0 1500 6.18 315 377 372.8 1515 5.61 320 380 1530 5.41 362 410 1545 4.77 351 394 1615 4.46 344 383 1630 4.48 367 385 2145 3.62 226 245 2200 3.55 234 286 2215 3.41 241 269 2230 3.95 247 256 2245 4.99 244 277 2300 6.05 223 223 2315 6.57 228 - 247.8 2330 6.80 234 229 247.8 2345 6.94 223 228 247.8 124 PHỤ LỤC GIỚI THIỆU BẢNG SỐ LIỆU ĐIỆN LY DẠNG EXCEL 125 PHỤ LỤC GIỚI THIỆU KHẢO SÁT SỐ LIỆU MẶT TRỜI I CÁC THÔNG SỐ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG MẶT TRỜI 1.Vết đen Mặt trời : số vết đen, diện tích vết đen Mặt trời Vết đen Mặt trời có lẽ đặc điểm cho biết độ hoạt động của Mặt trời dễ quan sát Nó theo dõi cách có hệ thống nhờ kính thiên văn từ thời Galileo thu thập thành tập hợp liệu cho biết hoạt động Mặt trời đầy đủ a Số vết đen Mặt trời : Hai số vết đen Mặt trời sử dụng chính: - Số vết đen Mặt trời quốc tế tính báo cáo Trung tâm liệu số vết đen Mặt trời (SIDC) Brussels, Bỉ - Số vết đen Mặt trời Boulder: tính báo cáo hiệp hội NOAA SEC Boulder, Colorado, Hoa Kì Ngoài NOAA công bố số vết đen nhóm b Diện tích vị trí vết đen: Thông số số vết đen thông số tốt cho biết hoạt động Mặt trời thông tin bổ sung cách Mặt trời thay đổi phải cần đến liệu cho biết kích cỡ vị trí vết đen Đài quan sát hoàng gia Greenwich thu thập thông tin từ tháng năm 1847 nhờ tập hợp trạm quan sát, đến năm 1976 ngưng Tiếp đó, Hiệp hội khí học đại dương học quốc gia Hoa Kì (NOAA) thực công việc từ năm 1976 Nhờ tạo nên liệu đầy đủ từ năm 1874 c Cách lấy công bố liệu vết đen mặt trời trung tâm phân tích liệu tác động mặt trời (SIDC), Brussel, Bỉ SIDC tập hợp số liệu số vết đen trạm quan sát khắp giới – khoảng 70 trạm: 10% Bỉ, 60% nước châu Âu khác, phần lại thuộc châu khác Tất số vết đen xác định theo công thức Wolf với hệ số k khác trạm quan sát khác nhau, ví dụ trạm Locarno có k = 0,6 Vì liệu đến với tốc độ khác nhau, nên trước hết SIDC đưa số vết đen tạm thời (tập hợp khoảng 40 trạm) công bố Sau đưa số vết đen xác định: SIDC tính số vết đen từ tập hợp khoảng 70 trạm, số khác không 5% so với số vết đen tạm thời, số vết đen tạm thời công nhận số vết đen xác định; trường hợp lại số vết đen tính số vết đen xác định Nói được kiểm tra với số vết đen 10 trạm quan sát đánh giá tốt (trong có trạm Locarno) với thông lượng xạ 10,7cm để đảm bảo phân bố bất thường Nếu sai lệch SIDC loại số liệu không bình thường tính số vết đen xác định từ tập hợp số liệu lại Đến năm 1992, SIDC công bố số liệu vết đen Mặt trời hai bán cầu Mặt trời Cách tính số vết đen giống số vết đen Mặt trời toàn phần riêng cho bán cầu Giá trị tạm thời tính từ khoảng 30 trạm, giá trị xác định tính từ khoảng 50 trạm Dó nhiên tính phải đảm bảo tổng số vết đen nửa cầu bắc số vết đen nửa cầu Nam số vết đen toàn phần (nói trên) 126 Cách SIDC làm trơn vết đen hàng tháng: Số vết đen thay đổi hàng ngày cách trật tự, trung bình tháng Sự trật tự làm ta thấy đặc tính hoạt động mặt trời, muốn đạt yêu cầu sau phải làm trơn số vết đen Cách thông thường tìm trung bình 13 tháng, tập trung tháng cần tính Công thức làm trơn vết đen tháng: R sm = (R -6 /2 + R -5 + R -4 + R -3 + R -2 + R -1 + R + R +1 +R +2 +R +3 + R +4 + R +5 + R +6 /2) 12 Rsm: số vết đen tháng làm trơn R : số vết đen tháng cần làm trơn R+i: số vết đen tháng sau tháng cần làm trơn i tháng Như muốn làm trơn số vết đen cho tháng phải biết số vết đen 13 tháng, tập trung tháng cần làm trơn Lấy ví dụ muốn làm trơn số vết đen tháng năm 2002 Thế phải biết số vết đen tháng năm 2002 (tất nhiên), số vết đen tháng trước (từ tháng năm 2002 đến tháng năm 2002) tháng sau (từ tháng năm 2002 đến tháng năm 2003) Tháng 10 11 12 Số vết ñen 114.1 107.4 98.4 120.7 120.8 88.3 99.6 116.4 109.6 97.5 95.5 80.8 31 Số vết đen tháng 7/2002 làm trơn: Rsm = 114,1/ + 107,4 + 98,4 + 120,7 + 120,8 + 88,3 + 99,6 + 116,4 + 109,6 + 97,5 + 95,5 + 80,8 + 31/ =102,7 12 Số liệu lấy từ www.sidc.oma.be có cấu trúc sau: Số liệu hàng ngày: cho biết số vết đen đóa Mặt trời vào ngày công bố Cấu trúc số liệu công bố: Cột thứ nhất: năm, tháng ngày Cột thứ hai: năm phần trăm năm (theo năm Julian: 365,25 ngày) Cột thứ ba: số vết đen Cột thứ tư thứ năm (có từ năm 1992) : số vết đen nửa cầu Bắc nửa cầu Nam mặt trời Ví dụ: số liệu vết đen hàng ngày từ ngày 1.1.2005 đến ngày 5.1.2005 20050101 20050102 20050103 20050104 20050105 2005.002 2005.005 2005.008 2005.010 2005.013 32 32 24 14 11 24 32 16 14 11 8 0 127 Số liệu hàng tháng: trung bình (thông thường) số vết đen tháng công bố Cột thứ nhất: năm tháng Cột thứ hai: năm phần trăm năm (năm Julian = 365,25 ngày), lấy theo ngày tháng Cột thứ ba: số vết đen hàng tháng Cột thứ tư: số vết đen hàng tháng làm trơn Ví dụ: số vết đen hàng tháng từ tháng 1.2002 đến tháng 5.2002 200201 2002.042 114.1 113.5 200202 2002.122 107.4 114.6 200203 2002.204 98.4 113.3 200204 2002.286 120.7 110.5 200205 2002.371 120.8 108.8 Số liệu hàng năm: trung bình số vết đen năm công bố Cột thứ nhất: năm (lấy giữa, ví dụ 1995,5) Cốt thứ hai: số vết đen trung bình năm Ví dụ: số vết đen từ năm 2000 đến năm 2004 2000.5 119.6 2001.5 111.0 2002.5 104.0 2003.5 63.7 2004.5 40.4 Thông lượng 10,7cm Sử dụng vết đen để đánh giá hoạt động Mặt trời phổ biến, số vết đen quan sát dụng cụ khác vị trí khác nên điều kiện quan sát khác đáng kể, dẫn đến số vết đen thực có khả biến thiên theo cách khác với cách biến thiên số vết đen công bố Thông lượng 10,7cm (viết gọn F10,7) lượng xạ toàn phần Mặt trời đơn vị thời gian qua diện tích cho trước, xung quanh bước sóng vô tuyến 10,7cm tương đương tần số 2,8GHz Nó đo dụng cụ thống mặt kỹ thuật, đồng thời số liệu thay đổi thất thường lượng bước sóng vô tuyến bị tầng khí Trái đất hấp thụ Một chứng máy thu vô tuyến dời từ Ottawa (phía Đông Canada) tới Penticton, Bristish Columbia (phía Tây Canada) liệu thống nhất, làm tin thông số tốt để đánh giá hoạt động Mặt trời Thông lượng đo từ đầu năm 1947, số liệu hàng tháng công bố từ tháng năm 1947 (5 chu kỳ), đơn vị sfu (solar flux unit) 1sfu = 10-22 J.m2 Hz-1 Số liệu F10,7 công bố trang web www.drao-ofr.hia-iha.nrc-cnrc.gc.ca, có cấu trúc sau: Cột thứ : ngày Julian (ngày tính từ trưa ngày 1.1.4713 TCN Nó tiện lợi cho quan sát thiên văn lâu dài cần liệu cổ, chẳng hạn nghiên cứu biến đổi, người sử dụng không cần phải mã hóa lại.) Cột thứ hai : số quay Carrington (số lần mặt trời quay kể từ ngày 9.11.1853) 128 Cột thứ ba, thứ tư, thứ năm, thứ sáu : năm, tháng, ngày, quốc tế lúc đo F10,7 Cột thứ bảy : thông lượng qua đơn vị diện tích quan sát Cột thứ tám : thông lượng qua đơn vị diện tích điều chỉnh (được điều chỉnh trình đo khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời thay đổi Số liệu điều chỉnh vào khoảng cách trung bình trình đo) Cột thứ chín : thông lượng qua đơn vị diện tích serie D (là số liệu hiệu chỉnh nhân với 0,9 Hệ số 0,9 hệ số nhân để thống đo thông lượng toàn phổ sóng điện từ) Ví dụ số liệu thông lượng 10,7cm công bố ngày đầu tháng 1.2001: Cột 02451911.250 02451911.333 02451911.416 02451912.250 02451912.333 02451912.416 02451913.250 02451913.333 02451913.416 001971.424 001971.427 001971.430 001971.461 001971.464 001971.467 001971.497 001971.500 001971.503 2001 2001 2001 2001 2001 2001 2001 2001 2001 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 02 02 02 03 03 03 1800 000169.9 2000 000171.0 2200 000172.7 1800 000170.8 2000 000176.1 2200 000174.0 1800 000168.7 2000 000169.9 2200 000174.1 000164.2 000165.3 000167.0 000165.2 000170.2 000168.2 000163.1 000164.2 000168.3 000147.8 000148.8 000150.3 000148.7 000153.2 000151.4 000146.8 000147.8 000151.5 2 2 2 2 0 0 0 0 10 OK OK OK OK OK OK OK OK OK 11 12 Caùc số liệu liệu số vết đen quốc tế, số vết đen nhóm, diện tích vết đen thông lượng 10,7 theo dõi chặt chẽ khoa học từ kỷ 20 trước cho thấychỉ số có mối tương quan với tốt việc đánh giá hoạt động Mặt trời Hệ số tương quan số Zurich diện tích vết đen 0,994, cao so với hệ số tương quan số nhóm vết đen diện tích vết đen – 0,988 Hệ số tương quan số Zurich số nhóm vết đen với thông lượng 10,7 0,997 0,994 Hình cho thấy số số Zurich, số nhóm vết đen, diện tích vết đen thông lượng 10,7 tương quan với tốt 129 Bùng nổ Mặt trời Khi công bố số liệu bung nổ Mặt trời người ta quan tâm đến loại C, M, X loại B có lượng xạ không đáng kể Số liệu bùng nổ Mặt trời lấy miễn phí trang web: http://www.sec.noaa.gov Số liệu cho với số liệu số khác : thông lượng xạ 10,7cm, số vết đen (SEC), diện tích vết đen, …trong loại xạ bùng nổ Mặt trời cho cột thứ 10, 11, 12 (loại C, loại M loại X) Một mảng số liệu cho ngày đầu tháng 5.2003: Cột1 2003 2003 2003 2003 2003 2003 2003 2003 2003 05 05 05 05 05 05 05 05 05 01 02 03 04 05 06 07 08 09 149 144 148 142 129 129 110 101 97 171 175 134 172 144 117 109 33 23 1710 1750 1440 1850 1400 1480 1160 300 320 0 0 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -999 B5.2 B3.6 B5.4 B5.8 B5.1 B5.4 B6.0 B5.3 B2.7 10 11 12 13 14 15 16 14 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 II CHU KÌ HOẠT ĐỘNG MẶT TRỜI THỨ 23 Sự dự báo hoạt động mặt trời Cuối kỷ 20, nhà khoa học mặt trời xây dựng chế hoat động mặt trời, nắm tay nhiều phương pháp tiên đoán hoat động mặt trời Trong chu kì hoat ñộng mặt trời thứ 23 hoï co dịp ñể kiểm tra mô hình xây dựng Từ ngày đến 23 tháng 9.1996, 12 nhà khoa học từ nước Úc, Mỹ, Anh, Đức NOAA hỗ trợ quan khoa học vũ trụ NASA mời đến Boulder, Colorado tham dự hội nghị để đưa tiên đoán sớm hoạt động MT biến thiên địa từ chu kì HĐMT thứ 23 12 nhà khoa học sử dụng phương pháp tiên đoán khác chia thành lớp, với lớp lại xem xét chi tiết để đưa đại diện Và kết tiên đoán số vết đen thông lượng 10,7cm thống cuối cùng: Tham số Số vết đen (trơn) hàng tháng Thông lượng 10,7cm hàng tháng Cực đại 160 ± 30 205 ± 30 130 Chu ky HĐMT thứ 23 theo dự báo dựa vao thông lượng F10,7 Chu kì HĐMT thứ 23 tiên đoán bắt đầu vào tháng năm 1996, cực đại tiên đoán xảy vào khoảng tháng năm 2000 Dự đoán chu kì HĐMT thứ 23 xấp xỉ chu kì trước không chu kì 19 Thực tế Trên thực tế: vùng hoạt động xuất vào tháng 5.1996 Cực đại vào khoảng tháng năm 2000 với số vết đen trơn đỉnh 120,8 Các vấn ñề khác chu kỳ thứ 23 ñược trình bày luận án 131 PHU LỤC MỘT SỐ CHÚ THÍCH Về thuật ngữ Luận án nghiên cứu lĩnh vực cịn chưa phổ biến nhiều Việt Nam (về Mặt trời), cách sử dụng thuật ngữ ñã ñược dịch sang tiếng Việt gây tranh cãi, cách dịch chưa thống nhất, ví dụ : Từ Solar cycle: Được dịch chu kỳ (hoặc chu kì) Mặt trời [16], [17], [21], [24] Nhưng có sách dịch chu trình [23], chu kỷ [1] Vì vậy, luận án tác giả đưa cách dịch mình, dựa theo số đơng, đồng thời có đưa thêm tiếng Anh Trong luận án, tác giả sử dụng chu kỳ HĐMT cho thuật ngữ Từ Sunspot: phần lớn sách dịch vết đen Mặt trời, có sách dịch Nhật ban Trong luận án tác giả dùng vết ñen Mặt trời (VĐMT) Các thuật ngữ khác dịch thích theo ngun tắc Đơn vị Tác giả thường giữ nguyên ñơn vị theo sách trích dẫn, khơng qui đổi để tiện theo dõi Thực ra, đại lượng đo có luận án không nhiều không phức tạp, việc chấp nhận Tuy nhiên, tiếp đầu ngữ cách ký hiệu cịn bị tranh cãi, ví dụ: Đơn vị đo độ dài (Kilomet) : Tiếp ñầu ngữ kilo quốc tế qui ñịnh k, Việt Nam qui ñịnh K (Theo sách Tra cứu tóm tắt vật lý, tác giả Kiriakin N I., dịch giả Đặng Quang Khang, 1978, NXBKH&KT, Hà Nội) Vì vậy, theo qui định Việt Nam có ký hiệu ñơn vị Km Cũng tương tự với ñơn vị ño lượng eV, với bội số kilo viết theo tiếng Việt phải KeV Tuy nhiên, thói quen, nhiều sách tiếng Việt dùng km, keV Vì vậy, tác giả sử dụng km, keV Đơn vị ño nhiệt ñộ Kelvin: Cũng tương tự, quốc tế K, Việt Nam (vẫn theo sách trên) 0K Tác giả sử dụng K Các chữ số luận án ñược viết theo qui ñịnh tiếng Việt, có dấu phẩy trước phần thập phân Nhưng bảng Excel ñể theo qui ñịnh tiếng Anh, dấu chấm Các vấn ñề khác Trong hướng dẫn thực qui chế ñào tạoTiến sĩ Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP HCM khơng qui định phải đặt dấu chấm sau tiêu đề, luận án khơng thực việc ñặt dấu chấm sau tiêu ñề, số người quen làm việc Ký hiệu vector công thức luận án thường không dùng dấu mũi tên, mà in ñậm, cho thống với cách ký hiệu phần lớn tài liệu tham khảo Các hình ảnh để minh họa giữ ngun cho thật xác, khơng chỉnh sửa dịch sang tiếng Việt, có đề nguồn trích dẫn ... HÀ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MẶT TRỜI LÊN TRẠNG THÁI CỦA LỚP F2 TẦNG ĐIỆN LY XÍCH ĐẠO TỪ Chuyên ngành: Địa vật lý Mã số: 1.02.24 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS HOÀNG THÁI... nghiên cứu luận án Đề tài “ nghiên cứu ảnh hưởng Mặt trời lên trạng thái lớp F2 tầng điện ly xích ñạo từ? ?? có nội dung rộng hướng nghiên cứu lâu dài Trong khn khổ có hạn thời gian, mục đích luận án. .. đến luận án Chương - Lớp F2 tầng ñiện ly Trái đất tác động Mặt trời: trình bày vấn ñề lớp F2 tầng ñiện ly tính chất LF2 TĐL XĐT Chương –Kết nghiên cứu ảnh hưởng hoạt ñộng Mặt trời lên trạng thái