Đối với lớp điện ly ở đây cần chú ý vai trị của điện từ trường, xin đề cập một số cơng trình nghiên cứu giải thích như sau [47], [73], [76], [77]:
Hình thái biến thiên ngày đêm của LF2 TĐL XĐT từ là cĩ một cực tiểu lúc gần sáng, biến thiên nhanh lúc bình minh, tồn tại vềđêm và thường cĩ 2 cực đại về ban ngày, cĩ vết lõm (Bite - out) vào lúc giữa trưa. Trong các năm 1967- 1969 Kohl, King và Robb, Windle đã giải thích dựa trên chuyển dịch do giĩ trung hịa, tạo thành dưới tác động nhiệt. Mặt khác, độ sâu của vết lõm phụ thuộc vào vĩ độ, chứng tỏ vai trị của điện - từ trường. Người ta cho rằng chính hiệu ứng vịi phun đã làm LF2 TĐL XĐT vùng trũng bị giảm vào giữa trưa, tạo ra hai cực đại, trong khi tại vùng đỉnh dị thường cĩ thể khơng cĩ vết lõm như vậy.
Sự tồn tại vềđêm của LF2 TĐL XĐT được giải thích bằng cơ chế “vịi phun ngược”, giúp chuyển plasma từ vùng vĩ độ cao về vùng vĩ độ thấp gần XĐT, làm cho nĩ tồn tại về đêm. Điều này khác với sự giải thích sự tồn tại về đêm của F2 vĩ độ trung bình là do sự khuếch tán plasma từ quyển proton. Sự thay đổi hướng của dịng điện xích đạo xảy ra vào lúc hồng hơn và bình minh là lời giải thích cho sự biến thiên nhanh chĩng của tầng điện ly vào những thời điểm này. Mặc dù vậy, đây vẫn chỉ là những giải thích sơ bộ, vấn đề thực ra cịn rất phức tạp (ví dụ vai trị của giĩ địa phương (Zonal Wind) dẫn đến sự phân cực, tạo ra dị thường giĩ về đêm, đang được đề cập ở một số vùng cận xích đạo [49], [77], [74], [83]), hoặc sự tồn tại của dịng điện ngược xích đạo v.v…, vấn đề cần phải được nghiên cứu kỹ hơn).
Việc khảo sát biến thiên ngày đêm của lớp F2 tại TP. HCM đã được tiến hành từ năm 2001 (Hình 3.7). Kết quả cho thấy hình thái của nĩ thể hiện rõ đặc tính của LF2 TĐL XĐT: biến thiên nhanh vào lúc bình minh, cĩ một cực tiểu vào
khoảng 5 LT, cĩ vết lõm giữa trưa, với hai cực đại trong ngày và tồn tại ở mức cao về đêm.
Hình 3.7. Biến thiên ngày đêm của foF2 tại TP. HCM năm 2002 [10].
3.4.2. Sự biến thiên của lớp F2 tầng điện ly theo chu kỳ hoạt động Mặt trời
Nhưđã phân tích ở các phần trên, HĐMT biến thiên theo chu kỳ, trong đĩ số lượng VĐMT thay đổi, dẫn đến tác nhân gây ion hĩa là tia X và tia tử ngoại thay đổi theo chu kỳ, từđĩ trạng thái của tầng điện ly thay đổi rõ rệt theo chu kỳ HĐMT. Đối với lớp F2 tần số tới hạn (foF2), và qua đĩ là nồng độ e- cực đại, độ cao của cực đại (hmF2) và độ dày của lớp đều phụ thuộc vào số VĐMT.
Ví dụ về sự biến thiên của lớp F2 theo số VĐMT trong một chu kỳ đã xảy ra được khảo sát và ghi nhận lại trong bảng 3.1
Qua bảng 3.1 ta thấy khi HĐMT mạnh, số VĐMT tăng thì các thơng số điện ly tăng và ngược lại. Điều đĩ chứng tỏ sự phụ thuộc của trạng thái điện ly vào HĐMT. Khi MT hoạt động mạnh, các bức xạ gây ion hĩa được tăng cường, do đĩ nồng độ điện ly tăng cao. HĐMT thay đổi theo chu kỳ, sự thay đổi trạng thái điện ly cĩ lẽ cũng phải phải tuân theo qui luật chu kỳ. Ta sẽ nghiên cứu để tìm ra qui luật phụ thuộc vào HĐMT của LF2 TĐL XĐTtrên số liệu miền Nam Việt Nam.
Bảng 3. 1. Ví dụ về biến thiên của lớp F2 theo HĐMT [96]. Thơng sốđiện ly HĐMT cực tiểu HĐMT cực đại Số VĐMT (R) Lớp F2 giữa trưa: Cực đại nồng độ e- (Nm) Độ cao của cực đại (hm) Lớp F2 nửa đêm: Cực đại nồng độ e- (Nm) Độ cao của cực đại (hm) 0 4. 1011 m-3 240 km 1011 m-3 320 km 180 16.1011 m-3 320 km 5. 1011 m-3 380 km
Allen [47], [48], [75], [89], [96] sau khi khảo sát số liệu thu được trong những năm 50 của thế kỷ XX tại một số trạm điện ly đã đưa ra cơng thức liên hệ giữa lớp F2 tầng điện ly và HĐMT như sau:
Nếu ta lấy trung bình cả năm của tần số tới hạn của F2 vào lúc giữa trưa (ký hiệu f0F2) và so sánh với số vết đen trung bình năm ( R ) tương ứng thì cĩ biểu thức sau:
f0F2∼ (1 + 0,02 R )1/2 (3.22) Như vậy, cơng thức thực nghiệm này cho thấy giữa trạng thái của lớp điện ly F2 và độ HĐMT cĩ sự liên hệ rõ rệt, đĩ là quan hệ biến thiên cùng chiều: khi MT hoat động mạnh, số VĐMT cao thì tần số tới hạn của F2 trung bình giữa trưa(từ đĩ suy ra nồng độ điện ly của lớp F2 ) tăng và ngược lại. Tuy nhiên, biểu thức này cần được khảo sát qua nhiều chu kỳđể cĩ con số thống kê chính xác. Đồng thời cũng cần kiểm chứng với lớp F2 các vùng khác nhau, trong đĩ cĩ LF2 TĐL XĐT. Trong luận án này, đây là cơ sở để nghiên cứu tìm ra qui luật phụ thuộc vào HĐMT của LF2 TĐL XĐTtrên số liệu miền Nam Việt Nam.
Tác động của HĐMT chẳng những thể hiện ở quan hệ giữa nồng độ điện ly và số VĐMT mà cịn thể hiện ở các nhiễu loạn của điện ly khi cĩ bão MT (BNMT, CME).
3.4.3. Nhiễu loạn điện ly
Nhiễu loạn điện ly được hiểu là sự lệch khỏi trạng thái bình thường của nĩ. Trong luận án này chúng ta quan tâm đến những nhiễu loạn do MT gây ra. Đĩ là những nhiễu loạn thường gắn liền với các dạng HĐMT gây biến động bất thường, đột ngột như BNMT và CME, gọi chung là bão MT. Cĩ thể phân loại nhưsau:
1. Nhiễu loạn điện ly đột ngột 2. Bão điện ly
3. Các hiện tượng hấp thụ mũ cực
Ở vùng XĐT khơng cĩ hiện tượng hấp thụ mũ cực, ta khơng xét đến.
• Nhiễu loạn điện ly đột ngột
Được định nghĩa là sự tăng đột ngột nồng độ e- vào ban ngày do bức xạ MT tăng cường trong bão MT (đối với vùng XĐT và vùng vĩ độ thấp là bức xạđiện từ). Vì bức xạ điện từcủa MT đến TĐ trong vịng khoảng 8 phút nên nhiễu loạn này xảy ra gần như ngay khi cĩ BNMT. Trong đĩ, do các bức xạ tăng cường cĩ khả năng đâm xuyên cao (bức xạ tử ngoại và tia X) nên lớp D bị ảnh hưởng nhiều, với nhiễu loạn đột ngột trong lớp D gọi là SID (Sudden Ionospheric Disturbance). Nồng độ lớp F2 cũng tăng cao trong thời gian đĩ.
• Bão điện ly
Hình thái nhiễu loạn thường gặp trong lớp F2 là bão điện ly. Do nằm sát từ quyển, bão điện ly được coi là chẳng những cĩ liên quan đến HĐMT, mà cịn với cả những nhiễu loạn trong trường địa từ là bão từ. Người ta nhận thấy bão điện ly thường xảy ra khi VĐMT đi vào kinh tuyến trung tâm. Tuy nhiên, cũng cĩ khi nĩ xảy ra mà trên MT khơng cĩ vết đen nào! Bão điện ly cũng thường xảy khi cĩ bão từ, nhưng cũng cĩ khi cĩ bão từ mà khơng cĩ bão điện ly. Điều này gây khĩ khăn cho việc dự báo điện ly và vì thế ta cần phải nghiên cứu phản ứng của điện ly trước bão MT, bão từ cụ thểđể ghi nhận qui luật của nĩ, lý giải cơ chế, tiến tới dự báo, dự phịng.
- Sporadic E (ES), làm chắn sĩng phản xạ từ các lớp điện ly bên trên, ảnh hưởng đến việc thăm dị điện ly F2.
- Spread F (FS), gây tán xạ sĩng vơ tuyến. - sự mất tín hiệu.
Ngày nay, nhiễu loạn điện ly gây ra bởi HĐMT là một trong những vấn đề của vật lý về mối quan hệ MT - TĐ. Theo quan điểm hiện đại, các bức xạ phĩng ra từ bão MT khi đi qua mơi trường liên hành tinh sẽ làm thay đổi tính chất của nĩ. Từ quyển là bức tường đầu tiên mà các bức xạ đĩ đụng phải. Khi đĩ chúng sẽ gây ra những tác động nén, kéo đường sức từ, làm từ trường thay đổi đột ngột, gọi là bão
từ, quan sát được trên TĐ. Khi từ trường TĐ thay đổi, tầngđiện ly chắc chắn bị ảnh hưởng. Vậy các tác động lên tầng điện ly cĩ thể là cả một chuỗi liên hồn , từ bão MT đến bão từ và cả hai cùng tác động lên tầng điện ly. Ta sẽ xem xét lần lượt các mắt xích của quá trình này.
a. Bão từ
Bão từ nĩi chung cĩ 3 pha sau:
- Pha đầu (Initial phase): là sự tăng từ trường (thể hiện rõ nhất là thành phần H), cĩ thể tăng từ từ hoặc tăng bất ngờ (ký hiệu SC: Sudden Commencement) trên
các ký đồ từ. Pha này liên quan đến sự nén ép của giĩ MT lên từ quyển.
- Pha chính (Main phase): là sự giảm mạnh của thành phần từ trường H, tạo thành cực tiểu, kéo dài từ vài giờ đến vài ngày. Pha này cĩ liên quan đến các vịng điện cĩ trong vành đai phĩng xạ Van Allen của từ quyển.
- Pha phục hồi (Recovery phase): là sự trở lại chậm chạp của từ trường, kéo dài cỡ vài ngày. Pha này cĩ liên quan đến sự khuyếch tán của các hạt tích điện cấu tạo nên vịng điện nĩi trên.
Bão từ xảy ra hầu như đồng thời khắp nơi trên TĐ, nhưng mức độ cĩ thể khác nhau. Để ghi nhận đặc trưng cho mức độ nhiễu loạn từ các nhà khoa học đã sử dụng các chỉ số như : Dst, Kp, Ap.
Chỉ số nhiễu loạn Dst (Disturbance Storm Time Index): là chỉ số biểu diễn sự biến đổi của thành phần nằm ngang H của từ trường TĐ, được đo chủ yếu từ các
trạm địa từ gần xích đạo từ, do Sugiura đề xuất năm 1964. Về ý nghĩa vật lý nĩ cho thơng tin về các vịng điện được tạo ra bởi proton và electron trong từ quyển. Vịng điện này tạo ra từ trường ngược với từ trường TĐ. Khi vịng điện này được tăng cường từ trường TĐ yếu đi. Giá trị Dst âm biểu hiện điều đĩ.
Chỉ số hành tinh Kp (Planetary Index): chỉ số này biểu diễn mối liên hệ giữa giĩ MT và mức nhiễu loạn của trường địa từ, cĩ liên quan từ dịng electrojet cực
quang (Auroral Electrojet). Chỉ số Kp lấy trung bình từ một chuỗi các trạm địa từ trên TG. Chỉ số Kp được biểu diễn bằng ball (thang giả logarith), mỗi ball ứng với biên độ dao động từ trong 3 giờ và được chia làm 5 ball. Chỉ số Kp liên hệ với vận tốc giĩ MT như sau: v(km/s) = (8,44 ± 0,74)ΣKp + (330 ± 17). Với ΣKp lấy trung bình của 8 giá trị Kp theo giờ quốc tế. Chỉ số này do Bartel đưa ra năm 1930.
Chỉ số Ap (A Index): khi cần phải đánh giá biến thiên địa từ của một ngày thì việc lấy trung bình chỉ số K khơng cĩ ý nghĩa, vì sự biến thiên từđánh giá bằng K khơng phải là tuyến tính. Cho nên phải xây dựng một thang tuyến tính, đĩ là thang A (hay a). Mối liên hệ giữa Kp và Ap được trình bày trong bảng 3.2
Bảng 3.2. Mối liên quan giữa Kp và Ap [47]. K Giá trị biến thiên (nT hay γ) A 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 – 4 5 – 9 10 – 19 20 – 39 40 – 69 70 – 119 120 – 199 200 – 329 330 – 499 500 đến > 500 0 3 7 15 27 48 80 140 240 400
Bão từ được đánh giá qua chỉ số Ap như sau: 50 > Ap > 30: Bão từ yếu (Minor storm)
100 > Ap > 50: Bão từ mạnh (Major storm)
Ap > 100: Bão từ rất mạnh (Severe storm).
Ngồi ra, nếu xét bão từ trên tồn cầu, cần chú ý chỉ số AE (Auroral
Electrojet Index), là chỉ số biểu diễn biến động từ (thành phần H) trong vùng cực quang.
Trong thời gian cĩ bão từ, lớp điện ly F2 thường trở nên bất ổn, gián đoạn, cĩ thể biến mất và đặc biệt cĩ thể xảy ra bão điện ly.
b.Bão điện ly
Bão điện ly trong lớp F xảy ra tương tự như bão từ, nhưng khơng hồn tồn giống hệt. Nĩ thường xảy ra sau bão từ vài ngày. Bắt đầu thường là đột ngột – SC
(Sudden Commencement) – hoặc từ từ. Pha bắt đầu hay pha dương (Positive
Phase) thường kéo dài vài giờ, khi đĩ nồng độ điện ly Ne và tổng hàm lượng
electron (TEC-Total Electron Content) tăng mạnh. Pha chính hay pha âm (Negative
Phase) các thơng số lại giảm xuống dưới lúc bình thường. Sau đĩ điện ly từ từ trở lại trạng thái bình thường trong pha hồi phục (Recovery Phase). Bão điện ly thường xảy ra khi (nhưng khơng phải luơn luơn) cĩ bão từ đột ngột gây ra bởi bão MT. Vì vậy nghiên cứu bão điện ly thường đi cùng với khảo sát bão từ và sử dụng các chỉ sốđịa từ Dst, Kp, Ap.
Bão điện ly khơng chỉ biến thiên theo thời gian mà cịn phụ thuộc vào thời điểm. Pha âm thường yếu vào lúc giữa trưa và chiều, nhưng lại mạnh vào lúc sáng và đêm. Pha dương thường giống nhau ở tất cả các trạm quan sát, thường bị bỏ qua vào ban đêm. Hiệu ứng mùa và hiệu ứng bán cầu cũng được ghi nhận. Pha âm thường mạnh và pha dương thường yếu ở bán cầu mùa đơng, ở cả hai bán cầu Bắc – Nam. Bão điện ly cĩ thể cĩ dạng những cơn bão chỉ là pha dương (nồng độ e- tăng so với ngày khơng biến động), hoặc là pha âm (nồng độ e- giảm) và được gọi là bão điện ly dương, hoặc bão điện ly âm (hay hiệu ứng dương, âm).
Bão điện ly xảy ra khơng phải lúc nào cũng giống nhau, chỗ nào cũng như nhau. Hiện nay cịn rất nhiều vấn đề chưa sáng tỏ, cịn nhiều việc liên quan mà ta chưa nắm bắt được. Cĩ nhiều giả thiết đề ra để giải thích cơ chế bão, nhưng chưa cĩ một lý thuyết nào hồn tồn thuyết phục. Vậy, ở đây ta sẽ điểm qua một số vấn đề sau:
Nghiên cứu bão điện ly bắt đầu bằng khảo sát các điện ly đồ từ năm 1935 với thơng số foF2, hmF2. Với phương pháp thăm dị thẳng đứng, người ta nhận thấy đường cong h’(f) ở vùng vĩ độ trung bình cho thấy foF2 thường giảm, trong khi độ cao biểu kiến h’F2 tăng mạnh. Sự tăng này lúc đầu được cho là độ cao thực tăng, nhưng đúng ra là h’F2 tăng do sự trễ nhĩm của tín hiệu (sĩng vơ tuyến) mà thơi. Nĩ được coi như sự nhạy cảm của dụng cụ đo trước biến động trong lớp F. Bằng phương pháp trans – ionospheric radio propagation người ta thường đo hàm lượng
electron (electron content). Tỷ số hàm lượng electron I và nồng độ điện ly cực đại Nmax cho biết độ dày τ (Slab Thickness) của lớp điện ly:
τ = I / Nmax (3.23) Ngày nay, các khảo sát bão điện ly thường sử dụng các thơng số I và τ. Sự giải thích bão điện ly dựa trên cơ sở phương trình liên tục, cần chú ý đến sự tạo thành (sinh) plasma dưới tác dụng của bức xạđiện từ tăng cường và bức xạ hạt; sự thay đổi trong vận tốc tái hợp dưới tác dụng của thành phần hĩa học và nhiệt độ, sự chuyển dịch của plasma giữa quyển ion và quyển proton, tác động của giĩ trung hịa và của điện, từ trường. Đồng thời cần phải xét một cách tổng thể bởi các quá trình xảy ra trong điện ly cĩ thể liên quan đến nhau, giữa vùng vĩđộ cao và vĩđộ thấp, giữa tầng điện ly và các tầng khí quyển khác (nhiệt quyển, proton quyển, từ quyển). Nhiều ý kiến cho rằng các cơ chế tạo nên dị thường của lớp F2 được tăng