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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ TP Hồ Chí Minh – Năm 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRANG PHỤ BÌA 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 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 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Nguyễn Ngọc Thu TS Trần Quốc Hà TP Hồ Chí Minh – Năm 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các lý thuyết, luận điểm khoa học kết nghiên cứu tác giả khác có tham khảo luận án trích dẫn Số liệu trạm quan trắc khác sử dụng luận án có đồng ý thực theo sách sử dụng số liệu trạm quan trắc Số liệu quan sát đại học Tây Nguyên kết nêu luận án chưa cơng bố tài liệu cơng trình khác Tác giả ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian thực luận án, TS Nguyễn Ngọc Thu TS Trần Quốc Hà với vai trò người hướng dẫn chuyên môn động viên tinh thần giành nhiều thời gian, cơng sức, trí tuệ hướng dẫn cho tác giả Bằng nhiệt huyết, thầy cô hướng dẫn sửa chữa kịp thời sai sót để luận án hồn thiện Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn vô vàn, chân thành sâu sắc đến thầy cô hướng dẫn Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS TS Nguyễn Thành Vấn tồn thể cán Bộ mơn Vật lý Địa cầu, Khoa Vật lý Vật lý Kỹ thuật, Trường ĐH KHTN Tp Hồ Chí Minh ủng hộ, động viên, giúp đỡ mặt để tác giả hồn thành khóa học bổ sung kiến thức tạo điều kiện tốt để tác giả thực luận án Tác giả xin cảm ơn đến bạn, đồng nghiệp Bộ môn Vật lý Khoa KHTN&CN trường ĐH Tây Nguyên giúp đỡ, động viên tạo điều kiện mặt thời gian để tác giả yên tâm thực luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn đến Phịng Vật lý Khí Vũ trụ - Viện Vật lý, Tp Hồ Chí Minh, phòng Vật lý Ứng dụng - Viện Khoa học Công nghệ Ứng dụng Nha Trang, hệ thống VLF UltraMSK, hệ thống VLF AVON - Đại học Chi Ba Viện Nghiên cứu môi trường Trái đất Vũ trụ (ISEE) - Đại học Nagoya, Nhật Bản cung cấp số liệu ELF/VLF cho luận án để thực việc so sánh, đánh giá độ tin cậy số liệu đề tài Cuối cùng, tác giả xin cảm ơn sâu sắc thành viên gia đình đồng hành, ủng hộ, động viên to lớn tinh thần suốt thời gian qua iii MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT viii DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ x MỞ ĐẦU CHƯƠNG - TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU LỚP D TẦNG ĐIỆN LY 1.1 Các nghiên cứu lớp D tầng điện ly giới 1.2 Các nghiên cứu lớp D tầng điện ly Việt Nam 11 1.3 Các nhiệm vụ cần giải 12 CHƯƠNG –LÝ THUYẾT LỚP D TẦNG ĐIỆN LY VÀ SỰ NHIỄU LOẠN Ở LỚP NÀY 13 2.1 Sơ lược tầng điện ly Trái đất 13 2.2 Lớp D tầng điện ly 14 2.2.1 Các nguồn ion hóa lớp D 14 2.2.2 Sơ lược hóa học lớp D 17 2.2.3 Tính chất lớp D 18 2.3 Các phương pháp quan trắc lớp D 20 2.3.1 Nghiên cứu lớp D sử dụng Riometer 20 2.3.2 Phương pháp MF radar 20 iv 2.3.3 Phương pháp radar tán xạ không kết hợp 21 2.3.4 Các phương pháp quan trắc khác 22 2.4 Các nguyên nhân gây nhiễu loạn lớp D 23 2.4.1 Sơ lược hoạt động Mặt trời 23 2.4.2 Ảnh hưởng bùng nổ mặt trời bão từ lên lớp D tầng điện ly 26 2.4.3 Nhiễu loạn lớp D phóng điện sét 28 CHƯƠNG – SỰ LAN TRUYỀN SÓNG ELF/VLF TRONG ỐNG DẪN SÓNG TRÁI ĐẤT – TẦNG ĐIỆN LY 33 3.1 Mơ hình ống dẫn sóng Trái đất – tầng điện ly 33 3.1.1 Nguồn xạ sóng ELF/VLF 33 3.1.2 Mơ hình ống dẫn sóng lý tưởng Trái đất – tầng điện ly 36 3.1.3 Đặc điểm lan truyền sóng ELF/VLF EIWG thực tế 38 3.2 Sự lan truyền sóng ELF/VLF với chế độ tweek 41 3.2.1 Đặc điểm tweek 41 3.2.2 Các cơng thức tính tốn thơng số lớp D 46 CHƯƠNG – THIẾT BỊ THU ELF/VLF VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU 50 4.1 Dụng cụ quan sát 50 4.1.1 Sơ đồ khối máy thu ELF/VLF 50 4.1.2 Ăng-ten ELF/VLF 51 4.1.3 Bộ phận thu nhận lưu trữ số liệu 53 4.2 Quan sát 56 4.2.1 Ghi nhận tweek 56 4.2.2 Ghi nhận tín hiệu băng thơng hẹp VLF/19.8 kHz 58 4.3 Xử lý số liệu 62 4.3.1 Xử lý tweek 62 v 4.3.2 Xử lý số liệu băng thông hẹp 64 4.4 Độ tin cậy máy thu TNU 68 4.4.1 So sánh số liệu tweek máy thu TNU máy thu AWESOME68 4.4.2 So sánh số liệu băng thông hẹp máy thu TNU máy thu AWESOME 74 CHƯƠNG - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 79 5.1 Giới thiệu chung 79 5.2 Khảo sát đặc điểm lớp D ban đêm vùng vĩ độ thấp xích đạo từ 80 5.2.1 Đặt vấn đề 80 5.2.2 Nội dung nghiên cứu kết 81 5.3 Ảnh hưởng bùng nổ mặt trời lên lớp D 97 5.3.1 Đặt vấn đề 97 5.3.2 Nội dung nghiên cứu kết 98 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 117 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO 121 PHỤ LỤC 1: ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA MÁY THU ELF/VLF 135 PHỤ LỤC 2: BẢNG KẾT QUẢ PHÂN TÍCH TWEEK GHI TẠI TNU VÀ VT NGÀY 11 THÁNG NĂM 2014 139 PHỤLỤC 3: GIỚI THIỆU BẢNG SỐ LIỆU BĂNG THÔNG RỘNG DẠNG EXCEL 141 PHỤ LỤC 4: CÁC THÔNG SỐ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA MẶT TRỜI 142 PHỤ LỤC 5: GIẢI THÍCH MỘT SỐ THUẬT NGỮ 146 vi PHỤ LỤC 6: BẢNG THỐNG KÊ NHỮNG NGÀY CÓ SỐ VĐMT CAO VÀ CÁC NGÀY CÓ BNMT LỚP X 147 PHỤ LỤC 7: NHỮNG TRẬN BÙNG NỔ MẶT TRỜI MẠNH LỚP X TỪ NĂM 2011 - 2014 149 PHỤ LỤC 8: BẢNG SỐ LIỆU CÁC SỰ KIỆN BÙNG NỔ MẶT TRỜI VÀ CÁC THÔNG SỐ ĐIỆN LY LỚP D TẠI TÂY NGUYÊN 151 PHỤ LỤC 9: BẢNG SỐ LIỆU CÁC SỰ KIỆN BÙNG NỔ MẶT TRỜI VÀ CÁC THÔNG SỐ ĐIỆN LY LỚP D TẠI DUNEDIN 155 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ADC Analog to digital converter (chuyển đổi tương tự sang số) BNMT Bùng nổ mặt trời CME Coronal mass ejection (sự phóng vật chất Nhật hoa) EIWG Earth-ionosphere waveguide (ống dẫn sóng Trái đất – tầng điện ly) ELF Extremely low frequency (tần số cực thấp) EUV Extreme ultraviolet (tử ngoại cực mạnh) GCR Galactic cosmic ray (tia vũ trụ) GOES Geostationary operational environmental satellite (vệ tinh địa tĩnh) GPS Global positioning system (hệ thống định vị toàn cầu) GRB Gamma ray bursts (sự bùng nổ tia Gamma) h’ Độ cao tham chiếu lớp D IRI International reference ionosphere (mơ hình điện ly tham chiếu quốc tế) KAG Kagoshima (tên trạm ELF/VLF Kagoshima, Nhật Bản) LEP Lightning-induced electron precipitation (lắng tụ điện tử sét) LF Low frequency (tần số thấp) LT Local time (giờ địa phương) LWPC Long Wavelength Propagation Capability (chương trình khả lan truyền sóng dài) LWPM Long Wave Propagation Model (mơ hình lan truyền sóng dài) MSK Minimum shift key (đánh tín hiệu dịch chuyển tối thiểu) MT Mặt trời PCA Polar cap radio absorption (sự hấp thụ sóng vơ tuyến chỏm cực) PPS Pulse per second (xung giây) PSE Post-storm effect (ảnh hưởng sau bão) QE field Quasi-electrostatic field (điện trường chuẩn tĩnh) viii QTE Quasi-transverse electric (điện trường chuẩn ngang) QTEM Quasi-transverse electromagnetic (điện từ trường chuẩn ngang) QTM Quasi-transverse magnetic (từ trường chuẩn ngang) REP Relativistic electron precipitation (sự lắng tụ điện tử tương đối tính) Rz Số vết đen mặt trời SID Sudden ionospheric disturbance (nhiễu loạn điện ly bất ngờ) TĐ Trái đất TE Transverse electric (điện trường ngang) TEM Transverse electromagnetic (điện từ trường ngang) TM Transverse magnetic (từ trường ngang) TNU Tay Nguyen University (trường đại học Tây Nguyên) UT Universal time (giờ quốc tế) UV Ultraviolet (tử ngoại) VĐMT Vết đen mặt trời VLF Very low frequency (tần số thấp)  Gradient mật độ điện tử A Hiệu biên độ sóng VLF điều kiện nhiễu loạn điều kiện yên tĩnh P Hiệu pha sóng VLF điều kiện nhiễu loạn điều kiện yên tĩnh ix ... khí tầng điện ly sinh điện tử tự hạt mang điện tích d? ?ơng Tầng điện ly phân thành lớp chính: D, E F Lớp D lớp thấp tầng điện ly Vào ban ngày xạ MT nguồn ion hóa tầng điện ly lớp F chia thành lớp. .. ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRANG PHỤ BÌA 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:... lớp D tầng điện ly giới 1.2 Các nghiên cứu lớp D tầng điện ly Việt Nam 11 1.3 Các nhiệm vụ cần giải 12 CHƯƠNG –LÝ THUYẾT LỚP D TẦNG ĐIỆN LY VÀ SỰ NHIỄU LOẠN Ở LỚP NÀY