Từ trường TĐ lan tỏa lên cao trên tầng khí quyển TĐ, từđộ cao 1000 km trở lên là từ quyển (Magnetosphere).
Cùng với tầng điện ly nĩ tạo nên phần khí quyển tầng cao của TĐ.
Từ quyển chịu ảnh hưởng trực tiếp của giĩ MT. Khi plasma trong giĩ MT đi vào từ trường TĐ, chúng sẽ tương tác và bị từ trường TĐ cản lại, tạo ra đường phân cách giữa từ trường và
dịng plasma, gọi là Magnetopause. Ở phía hướng về MT từ quyển đã bị dịng plasma nén lại, cách mặt đất khoảng 5 ÷ 10 lần bán kính TĐ (phần ban ngày). Phần bên trong được xác định là đáy tầng điện ly, tách phần dẫn điện với khí quyển trung hịa. Kích thước từ quyển tính ởđây được xác định dựa vào điều kiện cân bằng giữa năng lượng từ trường TĐ và động năng của những luồng hạt cĩ nguồn gốc từ bức xạ MT. Ở phần ban ngày này của từ quyển, giĩ MT với vận tốc lớn khi đến đụng lớp khí quyển TĐ sẽ gây ra sĩng chấn động (Shock Wave), tạo thành vùng gọi là
Hình 3.3. Xích đạo từ [11]
vùng cung va chạm (Shock Bow). Trong vùng này, giĩ MT bị chặn lại và nĩng lên. Khi xuyên qua nĩ bị lệch đi và đi quanh TĐ trong một vùng nhiễu loạn gọi là mặt vỏ từ (Magnetosheath). Sự chuyển động của các hạt tích điện trong giĩ MT tạo thành mơi trường từ liên hành tinh (Interplanetary Magnetic Field). Từ trường này làm trường địa từ mạnh và nén lại vào ban ngày, làm yếu và dãn ra vào ban đêm. Kết quả là ở phần ban đêm của TĐ từ quyển kéo dài thành 1 cái đuơi (Magnetotail),
cĩ kích thước rất lớn (cĩ khi bằng 60 lần bán kính TĐ). Do TĐ quay, một điểm trên TĐ sẽ cĩ thể ở vào vùng đối diện với MT hay “đuơi” từ quyển, tùy vào thời điểm ban ngày, ban đêm.
Một thành phần nữa tạo nên từ quyển là tầng điện ly. Tầng điện ly là mơi trường plasma, tức các hạt điện tích chuyển động, nên sẽ tạo ra từ trường.
Ngồi ra, các hạt mang điện khi đi vào TĐ sẽ bị các đường sức của TĐ “bẫy” lại, tạo thành vành đai phĩng xạ, vành đai này mang tên vành đai phĩng xạ
Van Allen (Van Allen Radiation Belts).Trong vành đai này cĩ vịng điện (Ring
curent) cĩ liên quan đến bão từ và bão điện ly.
Như vậy, từ quyển TĐ cĩ tính bất đối xứng theo ngày đêm, liên quan đến HĐMT và tầng điện ly. Vì vậy, nghiên cứu ảnh hưởng của HĐMT đến tầng điện ly thường liên quan đến từ quyển rất chặt chẽ.
3.3. Các quá trình liên quan đến trạng thái tầng điện ly
Cĩ thể nĩi trạng thái của các lớp điện ly trong tầng điện ly được xác định bởi nồng độ điện tử trong lớp điện ly và độ cao của nĩ. Cân bằng động được xác định bởi quá trình sinh và mất electron, thể hiện qua phương trình liên tục sau [47]:
) N ( div L q t N V − − = ∂ ∂ (3.3) Trong đĩ: q - mức (hay tốc độ ) sinh plasma (e-)
L - mức (hay tốc độ) mất e- do tái hợp
div(NV) - biểu diễn sự mất e- do chuyển dịch . N - nồng độ điện ly
Điện trường Từ trường Bức xạ MT Hệ số các quá trình tái hợp Chuyển dịch điện động Giĩ trung hịa Khuếch tán Nhiệt độ ) N ( div L q t N V − − = ∂ ∂ Tốc độ biến đổi nồng độđiện ly Quá trình sinh Quá trình mất Quá trình chuyển dịch
Quá trình chuyển dịch cĩ thể do các yếu tố như sự thay đổi nhiệt độ, giĩ trung hịa, sự khuếch tán và chuyển dịch điện động dưới tác dụng của điện, từ trường. Đặc biệt, các quá trình điện từ làm nên sự khác biệt cho tầng điện ly các vùng theo vĩđộ từ.
Ta cĩ thể biểu diễn các quá trình tác động lên trạng thái tầng điện ly bằng sơ đồ dựa trên phương trình liên tục như sau (hình 3.5)
Như vậy các quá trình vật lý xảy ra trong tầng điện ly là rất phức tạp. Trong đĩ quá trình chủ yếu là sự sinh plasma (Production), tức sự tạo thành ion và e- từ các nguyên tử, phân tử trung hịa dưới bức xạ MT (chú ý: trong plasma, số lượng hạt điện tích dương và điện tích âm bằng nhau. Đây là điều kiện tựa trung hịa về điện tích của plasma mà tầng điện ly phải thỏa mãn. Vì vậy, khi nĩi về plasma, ta gọi chung là số lượng electron, hay điện tử cho gọn). Các ion trong điện ly chủ yếu là N2+, O2+, O+ và NO+.
Ở vĩ độ trung bình và thấp, sự ion hĩa chủ yếu do bức xạ điện từ. Bức xạ hạt cĩ thể gây ion hĩa ở vĩ độ cao (do đặc điểm của từ trường TĐ). Sự quang ion hĩa cũng tùy thuộc vào sự thâm nhập của photon qua khí quyển. Mỗi nguyên tử lại cĩ thế ion hĩa khác nhau. Sự thay đổi cường độ bức xạ trong ngày dẫn đến sự thay
đổi nồng độ điện ly, được nghiên cứu khá kỹ bởi Chapman (phương trình Chapman). Tuy nhiên, nĩ khơng hồn tồn chính xác đối với lớp F, vì vậy ở đây ta khơng đề cập tới.
Các hạt mang điện trái dấu được tạo thành trong quá trình ion hĩa cĩ xu hướng kết hợp lại với nhau tạo thành nguyên tử hoặc phân tử trung hịa. Quá trình này được gọi là quá trình tái hợp, hay quá trình mất plasma (Loss). Trạng thái tầng điện ly cịn phụ thuộc vào quá trình tái hợp, vì do quá trình tái hợp nồng độ điện ly giảm đi. Đối với lớp F2 quá trình này rất quan trọng, bảo đảm cho sự tồn tại vềđêm của nĩ.
Đối với các lớp E, D, sự quang ion hĩa đĩng vai trị quan trọng trong việc duy trì trạng thái điện ly. Trong khi đĩ, lớp F là lớp điện ly cao nhất, các quá trình chuyển dịch (Transport) chiếm ưu thế. Sự dịch chuyển cĩ thể làm thay đổi nồng độ và độ cao của lớp điện ly. Đặc biệt, sự chuyển dịch điện từ tác động mạnh đến tầng điện ly, tạo nên tính đặc thu khu vực rõ rệt. Giĩ trung hịa cũng kết hợp với từ trường gây nhiều hiệu ứng trong tầng điện ly. Quá trình khuếch tán xảy ra giữa lớp F và quyển proton (tầng khí quyển cao hơn tầng điện ly) là đáng chú ý ở vùng vĩ độ cao. Chuyển động nhiệt cũng gây những chuyển dịch theo độ cao của tầng điện ly.
Các bức xạ gây ion hĩa, tạo nên tầng điện ly là bức xạ tia X (1- 700Ao), và bức xạ tử ngoại (170-1750 Ao), chủ yếu được tạo ra ở vùng Sắc cầu và Nhật hoa của MT. Vì vậy, khi xảy ra những dạng HĐMT ở vùng đĩ như BNMT, CME, lượng bức xạ này đột ngột thay đổi làm trạng thái điện ly biến động mạnh. Ngồi ra, những HĐMT đĩ cịn tạo nên bão từ. Đến lượt mình bão từ lại gây nên những thay đổi, chuyển dịch trong tầng điện ly, làm cho nĩ càng biến động phức tạp hơn.
Sau đây ta lần lượt xét các quá trình tác động lên trạng thái lớp F2 tầng điện ly xích đạo từ (LF2 TĐL XĐT)
3.3.1. Quá trình sinh trong lớp F2 (Production)
Đối với tầng điện ly vùng vĩ độ thấp và xích đạo, sự sinh plasma chủ yếu do sự quang ion hĩa. Các nguyên tử khí trung hịa bị tách ra thành electron và ion
dương dưới tác dụng của tia bức xạ MT, ở lớp F chủ yếu là bức xạ tia X và tia tử ngoại, bước sĩng dưới 91 nm hay 911 Ǻ (tương ứng với thế ion hĩa tới hạn của nguyên tử Oxy). Mức sinh là hàm của độ cao h và gĩc thiên đỉnh χđược Anderson đưa ra năm 1973 [83]: ( ) [ ] ∑ ∑ λ λ λ ∞λ σ λ τ − = χ j j j j n n , h exp F ) , h ( q (3.4) Trong đĩ: F : thơng l∞λ ượng bức xạ MT từđộ dày quang học zero
τ( )h,χ : độ dày quang học λ
λ η
σj ; j : hệ số quang ion hĩa và ion hĩa với phần tử thứ j Sơ đồ ion hĩa cĩ thể biểu diễn như sau:
hν + X → X+ + e- (3.5) Cụ thể là: O2 → O2+ + e- Mặt trời (hν) + N2 → N2+ + e- O → O+ + e- (3.6) N → N+ + e- Trong đĩ: h: hằng số Planck. ν: tần số của bức xạ MT.
Đối với lớp F2, sự ion hĩa chủ yếu do nguyên tử Oxy. Theo Chan và Walker, sự tạo thành O+ cĩ thể diễn ra cả về đêm, do tán xạ cộng hưởng của HeI 58,4 nm và HeII 30,4 nm và do bức xạ gần 91 nm tăng lên từ sự tái hợp O+.
3.3.2. Quá trình mất trong lớp F2 (Loss)
Dưới tác động của lực hút tĩnh điện, các ion và electron trong tầng điện ly cĩ thể kết hợp lại, tạo thành nguyên tử hoặc phân tử trung hịa, gọi là quá trình tái hợp, mà kết quả là làm giảm nồng độđiện ly. Đây là một quá trình phức tạp, phụ thuộc vào đặc tính hĩa học của các hạt trong tầng điện ly. Đối với lớp F2, năm 1973 Anderson đưa ra 2 loại phản ứng trao đổi điện tích dẫn đến mất O+ như sau :
O+ + O2 →k1
O2+ + O O+ + N2 →k2
Trong đĩ, hệ số k1 tỷ lệ với nhiệt độ khí trung hịa T, k2 là hằng số Sau đĩ, Chan và Walker bổ sung thêm các phản ứng sau:
NO+ + e- → N + O O2+ + e- → O + O
O+ + e- → O + hν (3.8) Thực ra, quá trình mất plasma trong lớp F cịn cĩ nhiều dạng phản ứng khác (năm 1980 Schunk và Raitt đưa ra 22 phản ứng), nhưng đĩ thuộc về lĩnh vực hĩa học về tầng điện ly, ta khơng đi sâu mà chỉ tìm hiểu sơ bộ như sau:
Cĩ hai loại tái hợp theo sơđồ sau:
1. Electron kết hợp với ion dương: X+ +e→X (3.9) Mức độ tái hợp được biểu diễn: [ ] 2 N N . X . L=α + =α (3.10) (Trong đĩ gọi N là số electron, ta giả sử bằng với số ion dương: [X+] = N) Với αđược gọi là hệ số tái hợp (Recombination Coefficient).
2. Electron kết hợp nguyên tử, phân tử trung hịa, tạo ra ion âm: M + e-→ M- (3.11) Mức kết hợp (kết dính) được biểu diễn:
L = βN (3.12) Trong đĩ βđược gọi là hệ số kết hợp (Attachment Coeficient).
Trong thực tế, lớp F thường bị mất e- theo sơ đồ 2 giai đoạn như sau: X+ + A2 → AX+ + A
AX+ + e - → A + X (3.13)
Đây gọi là quá trình tái hợp kết hợp (Dissociative Recombination), với A2 cĩ thể là O2 hoặc N2 và các giai đoạn ứng với các hệ số khác nhau, ví dụ:
O+ + N2 → NO+ + N, với mức tái hợp tỷ lệ với hệ số β (3.14) NO+ + e- → N + O với mức tái hợp tỷ lệ với hệ sốα (3.15)
Ởđây ta cĩ nhận xét, đối với lớp F2 sự sinh plasma chủ yếu do nguyên tử Oxy (O), sự mất cĩ sự tham gia của Nitơ phân tử (N2), với các hệ số tái hợp khác nhau. Như vậy, trạng thái của lớp F2 về mặt hĩa học sẽ phụ thuộc nhiều vào tỷ lệ cĩ mặt của hai thành phần này và các hệ số tái hợp liên quan.
3.3.3. Quá trình chuyển dịch trong lớp F2 (Transport)
Số hạng thứ 3 trong phương trình liên tục nĩi lên các tác động gây chuyển dịch trong tầng điện ly. Trong khí quyển cĩ thể xảy ra rất nhiều tác động khiến điện ly bị chuyển dịch. Ví dụ như: tác động của điện, từ trường, của giĩ trung hịa, với các đặc trưng khu vực, của sự khuếch tán v.v…Các quá trình này rất phức tạp và hiện cịn chưa được giải thích đầy đủ.
Số hạng chuyển dịch trong phương trình liên tục cĩ thể biểu diễn như sau [76]: div(NV)=NdivV+VgradN (3.16) Trong đĩ N – mật độđiện ly
V – vector vận tốc chuyển dịch trong tầng điện ly Vector vận tốc cĩ thể bao gồm:
V = VE +VW + VD (3.17) Với VE - vector vận tốc chuyển dịch điện động, gây ra bởi điện từ trường
VW - vector vận tốc chuyển dịch gây ra bởi giĩ trung hịa
VD - vector vận tốc chuyển dịch gây ra bởi sự khuếch tán
Ngồi ra, cịn phải kểđến các quá trình nhiệt rất phức tạp. Tĩm lại, số hạng này cĩ thể coi là số hạng nhiễu loạn mà càng nhiều thơng số bài tốn càng được giải chính xác.
3.3.3.1. Dynamo khí quyển và dịng điện xích đạo
Trong khí quyển các lớp khí cĩ thể bị dịch chuyển lên xuống, ngày đêm dưới tác dụng nhiễu gây ra bởi sự hấp dẫn của Mặt trăng, MT lên TĐ. Đây là chuyển động của các hạt tích điện cùng với các thành phần trung hịa dưới sự xuất hiện dịng điện trong tầng điện ly. Cơ chế này được gọi là dynamo khí quyển (tức cơ chế chuyển động sinh dịng điện).
Phương trình dynamo cĩ dạng:
J=σ.(V×B+E) (3.18) Trong đĩ E : vector cường độđiện trường tĩnh
V: vector vận tốc của ion
B: vector cảm ứng từ
σ: tenxơ điện dẫn
J: vector mật độ dịng điện
3.3.3.2. Sự chuyển dịch của lớp F2 XĐT dưới tác động của điện, từ trường.
• Dịng điện xích đạo.
Trong phương trình trên số hạng σ cĩ liên quan tới hướng của từ trường TĐ. Tại vùng XĐT, do hiệu ứng Cowling, độ dẫn điện tăng gấp chục lần, khiến dịng điện tăng cao được gọi là dịng điện xích đạo (Equatorial Electrojet). Dịng điện này cĩ ở độ cao gần 100 km (trong lớp E), trải vài độ (50) quanh XĐT. Dịng điện chạy về hướng đơng về ban ngày, hướng tây về ban đêm. Cường độ điện trường theo hướng đơng – tây là 0,5 mV/m, theo hướng thẳng đứng là 10 mV/m.
• Chuyển dịch E x B:
Trong trường hợp điện trường (E) thẳng gĩc với từ trường (B), lực Lorentz tác động sẽ gây chuyển dịch plasma với vận tốc:
2 B B E V = × (3.19) Trong đĩ V, E, B là các vector
Nĩi gọn, ta cĩ sự chuyển dịch E × B (E × B drift) khi điện trường và từ trường vuơng gĩc với nhau.
Trong tầng điện ly các lớp cĩ liên quan chặt chẽ với nhau, lớp E đĩng vai trị như dynamo (chuyển động sinh dịng điện) và lớp F như motor (dịng điện sinh chuyển động). Như vậy, dịng điện sinh ra trong lớp E sẽ gây ra chuyển dịch trong lớp F.
Ở vùng XĐT, từ trường TĐ song song với mặt đất. Dịng điện xích đạo lại chạy theo hướng đơng - tây (hoặc tây – đơng), tạo ra điện trường E vuơng gĩc với từ trường B. Do vậy, ở đây sẽ cĩ chuyển dịch E × B, gọi là sự nâng điện động
(Electrodynamic Lifting). Với E = 100 mV/m; B = 5.10-5 Wb/m2 (0,5 G) vận tốc chuyển dịch sẽ là 10 m/s.
Do dịng điện xích đạo đổi hướng, chạy về hướng đơng vào ban ngày, về hướng tây vào ban đêm, nên ban ngày LF2TĐLXĐT sẽđược nâng lên, ban đêm bị hạ xuống.
Ở Việt Nam, nghiên cứu về từ trường XĐT và dịng điện xích đạo cũng được chú ý, các kết quả cĩ thể xem trong tài liệu tham khảo số [2], [7], [20].
• Hiệu ứng vịi phun và dị thường xích đạo
Vùng điện ly vĩ độ thấp quanh XĐT cĩ dị thường nổi tiếng, gọi là dị
thường xích đạo (Equatorial Anomaly) hay dị thường Appleton. Theo đĩ, nồng độ e- khơng đạt cực đại (maximum) tại XĐT như ta nghĩ, mà là cực tiểu (minimum) tại XĐT (vùng trũng - Trough) và cĩ hai maximum tại vĩ độ từ ± 100 đến ± 200 (vùng đỉnh - Crest).
Đã cĩ nhiều lý thuyết giải thích vấn đề trên. Năm 1946 Mitra giải thích dị thường này cĩ thể do sự khuếch tán plasma dưới tác dụng của trọng lực và trường địa từ, kết hợp với giĩ trung hịa, làm điện ly dịch chuyển dọc đường sức từ, tạo