8. í nghĩa khoa học và thực ti ễn
3.1.1 Lựa chọn số liệu vệ tinh CHAMP
Trong nghiờn này, chỳng tụi sẽ sử dụng số liệu trường tổng F thu được trờn vệ
tinh CHAMP từ năm 2002 đến năm 2007, do số liệu F phong phỳ hơn số liệu cỏc thành phần trường từ. Hơn nữa, biến thiờn của F tương tự với biến thiờn của H vựng xớch đạo từ, khi ra xa xớch đạo, độ từ khuynh (I) tăng lờn chỳng ta sẽ gặp sai số nhỏ
khi xỏc định biờn độ trường từ của EEJ, vớ dụ theo kết quả nghiờn cứu của Nguyễn Thị Kim Thoa và nnk. [15], biến thiờn của H và của F tại trạm Đà Nẵng của Việt Nam (cỏch xớch đạo từ 822km) chỉ gõy ra sai số khoảng 5% về biờn độ. Chỳng tụi cũng đó thử tớnh sai số khi sử dụng số liệu trường tổng F thay vỡ dựng thành phần H trường từ thu được trờn vệ tinh CHAMP cho năm 2006 và 2007 mà chỳng tụi cú số
liệu, kết quả biờn độ của EEJ đó bị lệch đi trung bỡnh 2.6nT cho toàn bộ số liệu và giỏ trị này là khỏ nhỏ so với trường từ do EEJ gõy ra.
Việc lựa chọn số liệu để tớnh toỏn EEJ dựa vào ba tiờu chớ sau: đầu tiờn là do EEJ chỉ xuất hiện trong phần được chiếu sỏng của tầng điện ly, do vậy chỉ khi vệ
tinh bay qua xớch đạo từ trong khoảng thời gian giữa trưa từ 10giờ đến 14giờ (giờ địa phương) được giữ lại. Tiờu chớ thứ hai là cỏc lỏt cắt số liệu trải dài theo vĩ độ
phải bao quanh khu vực chịu ảnh hưởng của EEJ và đủ rộng để cho phộp khai thỏc hết thụng tin về EEJ (kộo dài từ 40 N 0 đến 40 S theo v0 ĩ độ từ). Tiờu chớ thứ ba là yờu cầu về hoạt động địa từ tại thời điểm vệ tinh cắt qua xớch đạo từ, để giảm ảnh hưởng do cỏc dũng điện của từ quyển, chỳng tụi giới hạn những thời gian mà cú chỉ số
KP≤3+ tương ứng với sự biến đổi của trường từ nhỏ hơn 18nT.
chọn thụng qua chỉ số am của những ngày trường yờn tĩnh (am<20nT). Bảng 3.1 tổng kết toàn bộ số ngày và số lỏt cắt số liệu cho từng năm thỏa món cỏc điều kiện trờn, tổng cộng cú 9695 lỏt cắt cho 6 năm số liệu.
Bảng 3.1: Số liệu vệ tinh CHAMP sử dụng để nghiờn cứu về EEJ
Năm Số ngày lấy số liệu Số lỏt cắt số liệu 2002 167 1575 2003 158 1345 2004 162 1426 2005 170 1647 2006 173 1668 2007 189 2034 3.1.2 Tỏch trường từ chớnh và lọc nhiễu
Ngày nay, cú nhiều mụ hỡnh khỏc nhau để biểu diễn phần trường chớnh BGp
trờn toàn cầu. Chẳng hạn như: mụ hỡnh IGRF (International Geomagnetic Reference
Field - IGRF) của Hội Địa từ và Cao khụng, mụ hỡnh WMM (World Magnetic Model) của Cục địa chất Mỹ và Cục Địa chất Anh, mụ hỡnh POMME của Maus… Trong quỏ trỡnh xử lý số liệu vệ tinh MAGSAT, trong cỏc nghiờn cứu của Langel et al., [67], Cohen [34] đó sử dụng mụ hỡnh IGRF với hài điều hũa bậc n=13 để tớnh cho trường chớnh. Trong nghiờn cứu của Lỹrh et al., [71] đó đó sử dụng mụ hỡnh POMME-1.4 với bậc n=15 và gần đõy Lỹrh và Maus [72] đó sử dụng mụ hỡnh POMME-2.4 với bậc n=90 cho trường chớnh và một phần trường vỏ Trỏi Đất. Trong nghiờn cứu này, chỳng tụi sử dụng mụ hỡnh IGRF-11 [47-48] với bậc n=13 để loại đi phần trường chớnh, cỏc hệ số tớnh biến thiờn thế kỷ sử dụng đến bậc n=8.
Để tớnh được phần trường chớnh nhờ mụ hỡnh IGRF-11 trờn, ngoài cỏc hệ số
trờn chỳng ta cũn cần biết thụng tin tại từng điểm ghi số liệu trờn vệ tinh CHAMP như: kinh độ, vĩ độ, độ cao và thời gian đo. Như vậy, phần trường dư cũn lại FGres
sau khi trừđi phần trường chớnh BGp là:
FGres = B - BG Gp
(3.2) trong đú BG là biờn độ của trường từ ghi được trờn vệ tinh CHAMP. Áp dụng cụng
thức (3.2) cho tất cả cỏc lỏt cắt số liệu trong vũng 6 năm đó lựa chọn sẽ thu được phần trường dư (một vài vớ dụ như trờn hỡnh 3.1). Qua tớnh toỏn, biờn độ của phần trường dư đạt khoảng từ -80nT đến 150nT tựy thuộc vào vị trớ và thời gian khỏc nhau. Như phương trỡnh (3.2) chỉ ra phần trường dư này bao gồm trường của lớp vỏ
Trỏi Đất, trường từ do cỏc hệ dũng điện nằm bờn ngoài Trỏi Đất gõy ra.
Cú một khú khăn là từ phần trường dư này, chỳng ta khụng thể tỏch riờng
được phần trường từ của từng nguồn khỏc nhau khi chỉ dựa vào cỏc tớnh chất vật lý của chỳng. Tuy nhiờn, do trường từ của lớp vỏ Trỏi Đất coi như khụng đổi theo thời gian và khi nhỡn vào phần trường dư này, cú nhận xột là cỏc đường cong hầu như cú hỡnh dạng gần giống nhau và bao gồm một “tớn hiệu” cơ sở cú bước súng dài chồng chập lờn một “tớn hiệu” cú bước súng ngắn hơn, tớn hiệu cú bước súng ngắn tương
ứng với vựng “lừm” xuống của tớn hiệu và trựng với vựng xớch đạo từ (trung tõm của xớch đạo từđược hiển thị bằng điểm 0° trờn trục vĩđộ từ và vị trớ của điểm thấp nhất vựng lừm xuống thỡ trựng với điểm 00 này). Như vậy, vựng lừm xuống này được cho là phản ảnh phần ảnh hưởng của EEJ thu được trờn cỏc lỏt cắt số liệu vệ tinh CHAMP. Vựng lừm xuống trờn những lỏt cắt số liệu (Hỡnh 3.1) cũng thay đổi từ lỏt cắt này sang lỏt cắt khỏc kể cả về biờn độ cũng như bề rộng và hỡnh dỏng, nú phản ỏnh sự thay đổi của EEJ theo thời gian và trong khụng gian mà điều này sẽ được nghiờn cứu kỹ hơn trong phần tiếp theo. Do vậy chỳng ta cần tỡm một phương phỏp
để tỏch riờng phần “lừm xuống” của tớn hiệu thỡ sẽ tớnh được phần trường từ gõy ra bởi EEJ cần quan tõm.
Trong phần trường dư chỳng ta nhận thấy cựng với tớn hiệu cơ sở tồn tại cỏc dao động cú biờn độ nhỏ, tần số cao khụng ứng với tớn hiệu cần quan tõm, và cỏc tớn hiệu tần số cao này được coi như nhiễu. Để lọc đi cỏc dao động này, chỳng tụi dựng cỏc đa thức bậc rất cao (trong nghiờn này sử dụng bậc 60) như được biểu diễn trờn hỡnh 3.2 với đường màu đỏ là phần trường dư, đường màu đen (nằm giữa đường màu đỏ) là phần trường đó lọc đi phần dao động tần số cao. Trờn hỡnh 3.3 là phần nhiễu loạn tần số cao được tỏch ra từ phần trường dư. Qua tớnh toỏn, biờn độ của phần nhiễu này khỏ nhỏ và chỉ nằm trong khoảng ±5nT cú rất ớt giỏ trị vượt ra ngoài khoảng trờn.
Hỡnh 3.1: Phần trường dư (Fres) sau khi trừđi phần trường chớnh tại cỏc kinh tuyến khỏc nhau (Một vài lỏt cắt số liệu trong thỏng 1/2002).
Hỡnh 3.2: Lọc nhiễu chu kỳ nhỏ trong phần trường dư (đường màu đỏ là trường dư, màu đen là trường đó lọc với đa thức bậc 60).
Hỡnh 3.3: Biờn độ của nhiễu (nT) lọc bằng đa thức bậc cao.
3.1.3 Tỏch phần trường từ do EEJ gõy ra từ phần trường dư
Như trờn đó trỡnh bày, phần trường dư cũn lại sau khi loại bỏ nhiễu sẽ gồm trường của hệ dũng nằm ngoài (EEJ, Sq…) cũng như cảm ứng của nú và trường của vỏ Trỏi Đất gõy ra. Do vậy, chỳng ta cần tỡm một cỏch hợp lý để tỏch riờng phần trường từ do EEJ gõy ra (∆F). Điều này cú thể thực hiện được khi dựa vào tớnh chất trường từ do EEJ gõy ra chỉ giới hạn trong một khoảng vĩđộ hẹp, từđú cú thể tỏch riờng ra được vựng vĩđộ bịảnh hưởng bởi EEJ. Hiện nay, để tỏch phần trường từ do EEJ gõy ra từ số liệu trường từ thu được trờn cỏc vệ tinh, hầu hết cỏc tỏc giảđều dựa trờn cỏc phương phỏp nội suy toỏn học hoặc sử dụng cỏc “bộ lọc” khỏc nhau. Chẳng hạn để tỏch phần ảnh hưởng của EEJ quan sỏt trờn vệ tinh POGO và Orsted, trong nghiờn cứu của Cain [30]; Agu [22]; Jadhav [61] đều dựng phương phỏp kết nối cỏc cạnh của tớn hiệu bằng một đoạn thẳng để tỏch lấy phần lừm xuống của tớn hiệu (Hỡnh 3.4). Biờn độ của phần trường từ do EEJ gõy ra được đỏnh giỏ bằng sự chờnh lệch giữa giỏ trịở trung tõm của đoạn thẳng này và giỏ trị cực tiểu của tớn hiệu trong khoảng vĩ tuyến mà EEJ tỏc động và chớnh là độ dài đoạn thẳng CC’.
Phần trường dư thu được từ vệ tinh MAGSAT trong nghiờn cứu của Langel [69] cũng bao gồm một tớn hiệu cơ sở cú bước súng dài và một tớn hiệu cú bước súng ngắn hơn và cú tớnh đối xứng nhất định qua hai bờn xớch đạo từ, do vậy tỏc giảđó sử
dụng bộ lọc cắt tần số cao Kaiser với bước súng 8000km để tỏch phần ảnh hưởng của EEJ. Trong nghiờn cứu của Kim [62] cũng đó ỏp dụng bộ lọc Kaiser khi tỏc giả
cắt cỏc súng cú bước súng lớn hơn 12000km. Trong nghiờn cứu của Lỹhr [71], tỏc giảđó sử dụng bộ lọc là cỏc cửa sổ với kớch thước là 80 (hay đó lọc súng bước súng lớn hơn 10000 km) để loại bỏ phần trường từ của cỏc hệ dũng trong từ quyển, dũng Sq để tớnh phần trường do EEJ gõy ra từ số liệu vệ tinh CHAMP. Doumouya [37] đó sử dụng bộ lọc là đa thức cú bậc cố định là 12 để tớnh cho toàn bộ số liệu vệ tinh CHAMP để thuận tiện cho việc tớnh toỏn. Tuy nhiờn, chỳng ta nhận thấy cỏc phương phỏp trờn đều sử dụng một bộ lọc cố định ỏp dụng cho toàn bộ số liệu, điều này
đồng nghĩa với việc chỳng ta đó cắt đi với cựng một bước súng từ tớn hiệu cơ sở, mà trong thực tế cỏc hệ dũng điện này đều biến đổi theo cả khụng gian và thời gian do vậy nú sẽ cú cỏc bước súng khỏc nhau. Do vậy, biờn độ của EEJ tớnh được từ cỏc phương phỏp này sẽ khụng phản ỏnh hết được hết cỏc quy luật phõn bố của nú.
Hỡnh 3.4: Tỏch phần trường từ do EEJ gõy ra từ phần trường dư Fres. (Theo Cain và Sweeney, [30]).
Trong nghiờn cứu này, để tỏch phần trường từ do EEJ gõy ra chỳng tụi sử
dụng bộ lọc là cỏc đa thức dạng như của Doumouya nhưng cỏc đa thức cú bậc khỏc nhau cho từng lỏt cắt số liệu. Việc cỏc tớn hiệu được xấp xỉ bằng cỏc đa thức và lựa chọn bậc của đa thức dựa vào cỏc giả thiết sau:
- Trường từ biến thiờn theo thời gian ghi được trờn vệ tinh cho một lỏt cắt số
liệu là khụng đỏng kể (thời gian để vệ tinh CHAMP cắt qua xớch đạo từ 100đến -100 mất khoảng 5phỳt).
- Trường từ của EEJ gõy ra chỉ trong một dải hẹp dọc theo xớch đạo từ và làm giảm đi biờn độ của trường tổng (F) thu được trờn vệ tinh và tạo ra phần lừm xuống trong số liệu của từng lỏt cắt trờn số liệu vệ tinh (Hỡnh 3.5).
- Độ rộng vựng ảnh hưởng của EEJ: Do EEJ chỉ tồn tại như một dải dũng hẹp chạy trong khoảng vĩ độ ±50 dọc theo xớch đạo từ, dựa vào tớnh chất này ta cú thể
giới hạn vựng ảnh hưởng của EEJ trờn cỏc lỏt cắt số liệu của vệ tinh CHAMP trờn độ
cao quỹ đạo của vệ tinh CHAMP trong khoảng từ -100 đến 100 theo vĩ độ. Với bề
rộng này đảm bảo hầu như lấy hết được phần lừm xuống trong phần trường dư và thuận tiện cho việc xõy dựng thuật toỏn xử lý số liệu. Hỡnh 3.5 trỡnh bày một vớ dụ
về việc tỏch phần trường từ do EEJ gõy ra từ phần trường dư, vựng lừm xuống do EEJ trong khoảng ±100 (vĩ độ từ) sẽ được xấp xỉ bằng đa thức bậc 12 (ứng với
đường nột rời phớa trờn) cũn vựng nằm ngoài ảnh hưởng của EEJ (từ -400 đến -100 và từ 100 đến 400) sẽ được xấp xỉ bằng đa thức bậc cao tựy ý để sao cho phản ỏnh hết được tớn hiệu cơ sở này (trong nghiờn cứu này sử dụng đa thức bậc 30). Phần trường do EEJ gõy ra (đường nột liền ở phớa dưới) được tớnh bằng hiệu của hai
đường cong trờn.
- Bậc của đa thức: việc lựa chọn bậc của đa thức dựng để xấp xỉ phần trường vỏ và phần trường ngoài khụng do EEJ gõy ra trong vựng ảnh hưởng của EEJ cú ảnh hưởng đến biờn độ của trường từ do EEJ thu được, nờn việc lựa chọn bậc đa thức tối
ưu cũng rất quan trọng. Bậc đa thức phụ thuộc vào hỡnh dỏng đường cong, bề rộng của vựng lừm trong lỏt cắt số liệu thu được và cựng với kinh nghiệm tớnh toỏn. Việc lấy đa thức bậc quỏ cao cú thể làm suy giảm tớn hiệu cần tỏch và ngược lại, do vậy Doumouya [37] đó khuyến nghị chỉ nờn sử dụng cỏc đa thức cú bậc từ 6-12 là hợp lý vỡ sử dụng những đa thức cú bậc nhỏ hơn 6 sẽ làm thay đổi quỏ nhiều hỡnh dỏng
đường cong cả phần nằm ngoài vựng ảnh hưởng của EEJ và lấy những đa thức cú bậc lớn hơn 12 thỡ biờn độ của trường từ do EEJ gõy ra thay đổi khụng nhiều.
Trong nghiờn cứu này, chỳng tụi cũng đó thử nghiệm dựng cỏc đa thức cú bậc từ 6 đến 18 cho phần trường dư với một số lỏt cắt được biểu diễn trờn cỏc hỡnh 3.6- 3.7-3.8. Trờn hỡnh 3.6, đường màu xanh nước biển là phần trường từ dư chứa phần
ảnh hưởng của EEJ, đường màu xanh lỏ cõy ứng với đa thức bậc 6 và đường màu đỏ
là đa thức bậc 8. Tương tự, trờn hỡnh 3.7 biểu diễn đường màu xanh lỏ cõy là đa thức bậc 6 và màu đỏ là đa thức bậc 12. Trờn hỡnh 3.8, đường màu xanh lỏ cõy ứng với đa thức bậc 6 và đường màu đỏ là đa thức bậc 18. Qua tớnh toỏn, chỳng tụi cũng nhận thấy rằng với cỏc đa thức cú bậc lớn hơn 12 sẽ cho biờn độ của EEJ thay đổi khụng nhiều như kết quả nghiờn cứu của Doumouya. Hỡnh 3.9 là kết quả tớnh biờn độ của EEJ tớnh được với đường màu xanh ứng với đa thức bậc 12, và đường màu đỏ là đa thức bậc 18, hai đường cong này trong vựng ảnh hưởng của EEJ (vĩ độ từ -100 đến 100) hầu như trựng khớt với nhau. Do vậy trong nghiờn cứu này chỉ lựa chọn cỏc đa thức cú bậc từ 6-12.
Để sử dụng cỏc đa thức cú bậc khỏc nhau ỏp dụng cho toàn bộ cỏc lỏt cắt số
liệu được tựđộng, dựa trờn những giả thiết sau:
- Trường từ do EEJ gõy ra thu được trong cựng một vựng kinh tuyến giới hạn trong khoảng 100 là thay đổi khụng nhiều (thường <4nT so với giỏ trị trung bỡnh trong khoảng kinh tuyến trờn).
- Với những ngày trường từ yờn tĩnh, trường từ do EEJ gõy ra trong cựng một vựng giới hạn trờn thay đổi khụng quỏ nhanh từ ngày này qua ngày khỏc (thường <5nT so với giỏ trị trung bỡnh).
Dựa vào hai giả thiết trờn, để viết chương trỡnh tớnh toỏn cho toàn bộ số
liệu và lấy ra bậc đa thức tối ưu sao cho với cỏc lỏt cắt số liệu trong cựng một khoảng kinh tuyến trờn và cho những ngày cú số liệu liờn tục, sẽ tự động chọn bậc
đa thức tối ưu sao cho biờn độ của EEJ thu được trong vựng đú cú sự chờnh lệch là ớt nhất. Với những khoảng thời gian ngắt quóng quỏ dài (như những ngày bóo từ, ngày khụng cú số liệu vệ tinh...) thỡ quỏ trỡnh trờn lại lặp lại từ đầu. Quỏ trỡnh tớnh toỏn này được tự động hoàn toàn và đảm bảo phản ỏnh được tớnh chất khu vực vừa cú tớnh địa phương của hệ dũng EEJ.
Tiếp theo, so sỏnh kết quả tớnh trường từ do EEJ gõy ra của nghiờn cứu này với kết quả tớnh của Doumouya với cựng một khoảng thời gian số liệu (thỏng 8,9 năm 2001). Hỡnh 3.10 là kết quả tớnh ∆F với đa thức cú bậc cố định 12 của Doumouya [37] cũn hỡnh 3.11 là kết quả tớnh với việc sử dụng cỏc đa thức cú bậc từ
6 đến 12 (lấy giỏ trị tuyệt đối). Từ hỡnh này chỳng ta nhận thấy: giỏ trị cực đại của EEJ trờn hỡnh 3.11 lớn hơn hỡnh 3.10 khoảng 4nT; Tại cỏc khu vực cú ∆F thấp (Đại Tõy Dương, trung tõm Thỏi Bỡnh Dương và Brasil nơi cỏc kết quả tớnh của