8. í nghĩa khoa học và thực ti ễn
3.1.3Tỏch 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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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 Doumouya cho biờn độ EEJ gần như bằng zero) đó cú sự phõn bố theo kinh tuyến liờn tục hơn và EEJ cú độ lớn nhất định; cỏc vựng cú biờn độ lớn tại chõu Á và Peru, kết quả của nghiờn cứu này và kết quả của Doumouya tương đương nhau. Như vậy, việc sử dụng cỏc đa thức cú bậc khỏc nhau đó cho phộp tỏch hết được phần trường từ
do EEJ gõy ra trờn toàn kinh tuyến và việc tớnh toỏn vẫn hoàn toàn tựđộng.
Lưu ý rằng, việc sử dụng một đa thức để mụ tả cỏc tớn hiệu trong phần trường dư về cơ bản là khụng dựa trờn một cơ sở vật lý nào, mà cỏc đa thức chỉđể biểu diễn
Hỡnh 3.6: Xấp xỉ trường bằng cỏc đa thức cú bậc khỏc nhau. (Đường màu xanh nước biển là phần trường dư, màu xanh lỏ cõy là đa thức bậc 6, màu đỏ là đa thức bậc 8).
Hỡnh 3.7: Xấp xỉ trường bằng cỏc đa thức cú bậc khỏc nhau. (Đường màu xanh nước biển là phần trường dư, màu xanh lỏ cõy là đa thức bậc 6, màu đỏ là đa thức bậc 12).
Hỡnh 3.8: Xấp xỉ trường bằng cỏc đa thức cú bậc khỏc nhau. (Đường màu xanh nước biển là phần trường dư, màu xanh lỏ cõy là đa thức bậc 6, màu đỏ là đa thức bậc 18).
Hỡnh 3.9: Trường từ do EEJ gõy ra (đường màu xanh dựng đa thức bậc 12, đường màu đỏ là đa thức bậc 18).
Hỡnh 3.10: Trường từ do EEJ gõy ra (∆F) tớnh từ số liệu CHAMP bằng đa thức cú bậc cốđịnh là 12 (Theo Doumouya et al., [37]).
Hỡnh 3.11: Trường từ do EEJ gõy ra (∆F) tớnh từ số liệu CHAMP bằng cỏc đa thức cú bậc từ 6-12.
phần trường từ của cỏc dũng điện trờn quy mụ toàn cầu gõy ra như hệ dũng Sq, cỏc hệ dũng trờn từ quyển và sự đúng gúp của trường từ do lớp vỏ của Trỏi Đất. Cỏc phần trường từ của hệ dũng Sq và trường vỏ phõn bố trờn phạm vi vĩ độ rộng hơn, chỉ cú phần trường từ do EEJ gõy ra là được giới hạn trong một khoảng vĩ độ nhất
định dựa vào tớnh chất này chỳng ta xấp xỉ phần trường dư bằng đa thức với một mục đớch là để “cụ lập” phần ảnh hưởng của EEJ. Tớnh chất này cũng đó được Alken và Maus [23]; Kim và Scott [62]; Langel et al. [69] và nhiều nghiờn cứu khỏc đó đề
cập đều cho rằng cỏc bước súng dài của tớn hiệu cơ sở thỡ ứng với hệ dũng Sq và trường của vỏ Trỏi Đất để tỏch phần trường từ do EEJ gõy ra từ số liệu thu được trờn cỏc vệ tinh khỏc nhau.
3.2 Kết quả tớnh trường từ do EEJ gõy ra từ số liệu CHAMP 3.2.1 Biờn độ trường từ do EEJ gõy ra
Trong nghiờn cứu này sử dụng số liệu trường tổng (F) thu được trờn CHAMP từ thỏng 1/2002 đến 12/2007. Áp dụng thuật toỏn đó nờu ở trờn cho toàn bộ 9695 lỏt cắt số liệu là biờn độ (lấy giỏ trị tuyệt đối) của trường từ do EEJ gõy ra (∆F) hỡnh 3.12. Với cỏc hỡnh 3.12a,b,c,d,e,f ứng với cỏc năm từ 2002 đến 2007. Từ kết quả
tớnh này cú những nhận xột quan trọng sau:
- ∆F nằm trong khoảng từ 20nT đến 67nT (tớnh tại độ cao quỹ đạo của CHAMP), tại cỏc vựng kinh tuyến khỏc nhau và tại cỏc thời gian khỏc nhau giỏ trị
này cũng khỏc nhau.
- Tại khu vực kinh tuyến chõu Á (900E - 1400E), ∆F tăng lờn đỏng kể (cú thể đạt tới 67nT) vào năm 2002 và 2003 và xuất hiện đều đặn trong tất cả cỏc năm đó tớnh. Sự xuất hiện cực trị ở khu vực này đó được Doumbia et al. [38], Doumouya [115], hay của Alken [23,24] đề cập, trong nghiờn cứu này với chuỗi số liệu dài 6 năm liờn tục khẳng định tồn tại đỉnh cực trị của EEJ tại khu vực kinh tuyến qua Việt Nam. Cho đến nay, vẫn chưa cú bất kỳ một nghiờn cứu nào đề cập về nguồn gốc của cực trị này để giải thớch sự tồn tại của nú, vỡ vậy cần thiết phải cú thờm nhiều số liệu cho khu vực này để khẳng định sự tồn tại và tăng cường nghiờn cứu thờm.
- Tại khu vực Nam Mỹ, trung tõm Thỏi Bỡnh Dương, phớa tõy của Trung Phi (600W-100E; 1500E-1800E) biờn độ của trường từ do EEJ gõy ra ở mức trung bỡnh trong khoảng 30-55nT.
- Tại khu vực phớa đụng chõu Phi, một phần phớa tõy Ấn Độ Dương, Đại Tõy Dương và tõy bắc Brazil biờn độ của EEJ đạt mức thấp chỉ cũn khoảng 20nT-30nT. - Vị trớ cực trị của trường từ do EEJ gõy ra nằm khỏ trựng với xớch đạo từ và biờn độ của trường từ giảm dần về hai phớa của xớch đạo từ nờn việc lựa chọn độ
rộng ảnh hưởng của EEJ trờn quĩ đạo của vệ tinh CHAMP là ±100 là phự hợp.
- Biờn độ của trường từ do EEJ gõy ra tớnh được từ số liệu vệ tinh CHAMP cú xu hướng giảm dần từ 67nT năm 2002 cũn 53nT năm 2007 và khụng hoàn toàn đối xứng qua xớch đạo từ. Chỳ ý rằng trờn hỡnh vẽ này cũng cú những khu vực khụng cú số liệu, cú nghĩa rằng trong khoảng thời gian này vệ tinh CHAMP khụng bay qua vựng kinh tuyến này vào giữa trưa địa phương.
Hỡnh 3.12b: Trường từ do EEJ gõy ra (∆F) tớnh từ số liệu CHAMP-2003.
Hỡnh 3.12d: Trường từ do EEJ gõy ra (∆F) tớnh từ số liệu CHAMP-2005.
Hỡnh 3.12f: Trường từ do EEJ gõy ra (∆F) tớnh từ số liệu CHAMP-2007.
3.2.2 Mật độ dũng điện tại tõm EEJ
Từ giỏ trị biờn độ trường từ do EEJ gõy ra tớnh cho từng năm lấy ra giỏ trị lớn nhất (giỏ trị tuyệt đối) trờn từng lỏt cắt số liệu cho từng năm. Hỡnh 3.13 là một vớ dụ
biểu diễn biờn độ cực đại (dấu chữ thập) của trường từ do EEJ gõy ra cho cả năm 2007 tại cỏc kinh tuyến khỏc nhau. Để xỏc định giỏ trị trung bỡnh (đường màu đỏ) biờn độ của trường từ cho từng kinh tuyến, chỳng tụi xấp xỉ cỏc giỏ trị biờn độ
trường từ do EEJ tớnh được bằng cỏc đa thức theo kinh tuyến cú bậc (D) sao cho giỏ trịđộ lệch bỡnh phương trung bỡnh (RMS) của cỏc giỏ trị biờn độ EEJ quan sỏt được so với giỏ trị xấp xỉ bằng đa thức là nhỏ nhất đối với từng khu vực kinh tuyến trong dải 15o. Để trỏnh sự thay đổi nhảy bậc ở đầu và cuối dải kinh tuyến, chỳng tụi lấy gối khoảng kinh tuyến 100. Với cỏch tớnh toỏn như vậy, bậc của đa thức và giỏ trịđộ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
lệch bỡnh phương trung bỡnh của trường từ gõy bởi EEJ tớnh cho từng năm được tổng hợp trong bảng 3.2. Theo bảng này, bậc của đa thức cựng thay đổi khụng nhiều trong khoảng 52 đến 55; từ 2002 đến 2007 hoạt động mặt trời giảm dần, bậc đa thức xấp xỉ giỏ trị trung bỡnh mật độ dũng EEJ cũng cú xu thế giảm dần từ 54 - 55 xuống