Quá trình chuyển dịch trong lớp F2 (Transport)

Một phần của tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của mặt trời lên trạng thái của lớp f2 tầng điện ly xích đạo từ (Trang 54)

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 quyn và dịng đin 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. S chuyn dch ca lp F2 XĐT dưới tác động ca đin, t 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, gi 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 vùng trũng tại XĐT và vùng đỉnh hai bên. Năm 1947 Martyn cho rằng cĩ ảnh hưởng của dịng điện xích đạo. Dịng điện này đã gây ra sự nâng điện động. Tổng hợp sự nâng điện động (vuơng gĩc với từ trường B) và sự khuếch tán (song song với từ trường B), cùng với giĩ trung hịa dọc kinh tuyến đã dẫn đến sự tiêu giảm nồng độ điện ly tại XĐT, do lực tổng hợp mang plasma đi khỏi đĩ, và hạ nĩ xuống vùng hai bên, tạo thành vùng trũng và vùng đỉnh. Hiện tượng này gần giống hình ảnh nước vọt lên từđài phun nước, bắn ra xung quanh nên được gọi là hiệu ứng vịi

phun (Fountain Effect) (Hình 3.6).

Dị thường xích đạo biến thiên trong ngày. Cực đại thường vào 14 giờ địa phương và dị thường khác, thường lớn hơn, vào lúc chiều trong năm MT hoạt động

mạnh. Các đỉnh cực đại Nam và Bắc bán cầu khơng hồn tồn bằng nhau, điều này cĩ thể do giĩ trung hịa liên bán cầu tác động.

Năm 1966 Hardson và Moffett đề xuất hiệu ứng vịi phun ngược (Reverse Fountain), theo đĩ plasma cĩ thểđổ ngược về vùng trũng, làm tăng nồng độ điện ly ở đây. Khi trung bình ngày đêm của vận tốc chuyển dịch thẳng đứng của plasma bằng khơng, tức cĩ sự cân bằng giữa việc nâng lên vào ban ngày và hạ xuống vào ban đêm, hiệu ứng ngược sẽ cĩ thể xảy ra [76].

Hình 3.6. Minh họa hiệu ứng vịi phun và dị thường xích đạo [100].

3.3.3.3. Quá trình chuyn dch bi giĩ trung hịa và s khuếch tán

Giĩ trung hịa

Trong phương trình liên tục, thành phần giĩ trung hịa cĩ đĩng gĩp vào quá trình chuyển dịch điện ly trong đĩ đối với lớp F2 chủ yếu là thành phần giĩ dọc theo đường sức từ gây chuyển dịch cùng theo phương đĩ với vận tốc:

VW = (U.B).B/B2 (3.20) Với U là vector vận tốc giĩ trung hịa

Tác động này cịn được gọi là chuyển dịch do giĩ kinh tuyến gây ra

Sự khuếch tán.

Một tác động gây chuyển dịch điện ly là sự khuếch tán, là số hạng thứ 3 trong phương trình vận tốc vD. Đây là một số hạng biểu diễn tốc độ khuếch tán của plasma, nĩ phụ thuộc vào hệ số khuếch tán D, vào trọng lực và vào đạo hàm bậc 1, bậc 2 của mật độ plasma và nhiệt độ theo hướng của trường địa từ. Số hạng này trong phương trình cĩ dạng:

- div(NVD) = D D N (3.21) Trong đĩ D là tốn tử vi phân phức hợp, liên quan đến đạo hàm bậc 1 và bậc 2 trong hệ tọa độ cực.

Vấn đề tác động của sự khuếch tán được đưa ra từ năm 1928 bởi Hulburt; sau đĩ được Ferraro hồn tất về mặt tốn học. Trong những nghiên cứu trước đây người ta cho rằng vai trị gây nhiễu loạn của nĩ khơng lớn. Tuy nhiên, Yonezawa và Ratcliffe (1956) đã chỉ ra rằng sự khuếch tán cĩ thể giải thích một số vấn đề trong tầng điện ly, đặc biệt là tầngđiện ly vĩ độ cao, trong đĩ cĩ sự khuếch tán giữa tầng điện ly và quyển proton.

Như đã nĩi ở phần trước, số hạng chuyển dịch đưa thêm vào nhiều yếu tố nhiễu loạn mà giải được càng nhiều bài tốn càng chính xác. Theo đĩ ta cịn phải xét đến tác động nhiệt. Tác động nhiệt lên khí quyển gây dãn nở ta đã biết từ lâu. Lớp F2 cũng thay đổi theo phương thẳng đứng dưới tác động nhiệt. Vấn đề nhiệt độ electron và ion cũng đã được đề cập trong các nghiên cứu, dù khơng nhiều.

Tĩm lại, để giải được phương trình liên tục về trạng thái điện ly với các yếu tố tác động như đã nêu trên, dù chỉ là mức độ gần đúng, cũng rất phức tạp. Trong đĩ, việc khảo sát tầng điện ly ở những ngày yên tĩnh sẽ ít các yếu tố nhiễu loạn. Cịn vào những ngày cĩ biến động MT và địa từ các yếu tố đĩ khơng thể bỏ qua. Song, nhiều khi rất khĩ khăn để cĩ thể giải được chính xác bài tốn nhiễu loạn điện ly. Việc nghiên cứu nhiễu loạn điện ly hiện nay chủ yếu vẫn là khảo sát, đúc kết kinh nghiệm hơn là cĩ thể giải đáp chính xác nguyên nhân nào gây ra các nhiễu loạn đĩ.

Một phần của tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của mặt trời lên trạng thái của lớp f2 tầng điện ly xích đạo từ (Trang 54)

Tải bản đầy đủ (PDF)

(127 trang)