1.5. Các thông tin sử dụng trong luận án
1.5.6. Thơng tin trích lọc cho hoạt động nâng lên sau hồng hơn của lớp F
1.5.6.1. Thơng tin từ các cơng trình đã cơng bố
Bảng 2: Các kết quả đã công bố về PSSR STT Tên vệ tinh/thiết bị Thời gian nghiên cứu SSN Đặc điểm vệ tinh/thiết bị
Thông tin được trích lọc
1 AE-E 5,6,7,8/1978-
1979 93
Thiết bị mang trên boong đo vận tốc dịch trượt ion Vận tốc nâng lên thẳng đứng tính được từ sự kết hợp hai dịch chuyển song song và vng góc với đường sức từ của ion 2 ROCSAT- 1 03/1999 – 6/2004 2000 89 120 64 Thiết bị mang trên boong đo vận tốc dòng ion
Vận tốc dịch trượt thẳng đứng trung bình
2003 trên đường bay vệ tinh qua khu vực ±50 quanh xích đạo từ. 3 ALTAIR 07-08/1990 24/7/1979 143 125 Radar tán xạ ngược hai tần số hoạt động ở chế độ quét liên tục Vận tốc dịch trượt thẳng đứng
Bảng 2 cho biết thông tin về các kết quả nghiên cứu liên quan đến vận tốc trượt thẳng đứng trung bình và cực đại đã được khảo sát tại Kwajalein (radar ALTAIR) và khu vực phụ cận (khảo sát bằng vệ tinh). Trong đó, tất cả các đo đạc với khoảng thời gian từ một ngày [120] đến hơn năm năm [48, 111] đều được trích lọc thơng tin tương ứng trong so sánh với kết quả từ điện ly đồ.
Tương tự như đối với việc trích lọc thơng tin cho hoạt động ESF, việc tập hợp tất cả các nghiên cứu đối với vận tốc nâng lên thẳng đứng nhằm tìm hiểu quy luật biến đổi theo thang thời gian hàng tháng của sự nâng lên sau hồng hơn của lớp F
(PSSR) trong mối quan hệ với ESF, từ đó giúp đánh giá vai trò của PSSR điều khiển ESF xuất hiện.
1.5.6.2. Thơng tin từ mơ hình
Mơ hình tồn cầu cho giá trị vận tốc nâng lên cực đại (VPSSR) được xây dựng bởi Scherliess và Fejer (1999) trong [46, 106] trên cơ sở số liệu quan trắc nhờ vệ tinh AE-E [46] và radar tán xạ không mạch lạc (Incoherent Scatter Radar, tín hiệu phát và thu khơng đồng nhất về dạng) tại Jicamarca. Trong luận án, kết quả từ mơ hình của Scherliess và Fejer năm 1999 được ký hiệu là SF99. Các tham số đầu vào cho mơ hình bao gồm: giờ địa phương, ngày trong năm (ví dụ, ngày 1 tháng 1 sẽ là ngày 01), kinh độ của vị trí cần khảo sát và số vết đen mặt trời (SSN). Sử dụng cùng khoảng thời gian trong mỗi đêm như đối với việc trích lọc thơng tin từ điện ly đồ (18h10 – 20h10 LT), chúng tơi chạy mơ hình cho hai năm 2011 (SSN = 56, độ hoạt
động mặt trời thấp) và 2000 (SSN = 120, độ hoạt động mặt trời cao) để lấy giá trị trung bình tháng của cực đại VPSSR.
1.5.6.3. Thông tin từ điện ly đồ
Độ cao biểu kiến tại 3 MHz (h’3(MHz)) của vết phản xạ thứ nhất trên điện ly đồ được sử dụng để tính vận tốc trượt thẳng đứng cực đại theo phương pháp sau:
- Điện ly đồ được chọn trong khoảng thời gian từ trước hồng hơn lớp E đến
trước nửa đêm, tương ứng với thời gian diễn ra hoạt động cấu trúc đáy lớp F.
- Chênh lệch giá trị h’3(MHz) từ hai điện ly đồ liên tiếp được sử dụng để tính vận tốc trượt thẳng đứng lên trên của đáy điện ly với giả định độ cao này tăng tuyến tính theo thời gian trong giai đoạn khảo sát.
- Giá trị lớn nhất trong chuỗi tính tốn trong mỗi đêm được chọn là giá trị vận tốc cực đại cho đêm này.
- Giá trị trung bình mỗi tháng được tính theo số đêm khảo sát, có loại trừ các nguyên nhân làm giảm độ tin cậy của số liệu (mất hay điện ly đồ không rõ ràng do lỗi thiết bị…). Hai trong số các nguyên nhân gây khó khăn trong việc xác định
h’3(MHz) là sự xuất hiện của ESF hoặc lớp E rời rạc (Es). Với ESF, điện ly đồ sẽ bị
loại bỏ trong chuỗi tính tốn nếu rìa phía dưới của vết khuếch tán khơng rõ ràng để xác định đúng độ cao. Với Es, do vết này có khả năng phản xạ tín hiệu ở vùng phản xạ bởi lớp F nên đôi khi vết che chắn một phần vết F ở khoảng tần số thấp.
Việc xác định h’3(MHz) vì thế khơng chính xác nếu Es mạnh xuất hiện. Từ đó, chúng tơi giả định như sau:
- VPSSR biến đổi từ từ theo thời gian với duy nhất một giá trị cực đại.
- Nếu Es xuất hiện trong khoảng thời gian có khả năng xảy ra cực đại giá trị vận tốc, đêm số liệu này bị loại bỏ.
- Nếu Es xuất hiện vào khoảng thời gian khác, VPSSR vẫn được tính theo phương thức bình thường như vừa mơ tả ở trên.
1.5.7. Thơng tin về gió trung hịa
Trong luận án chúng tôi sử dụng vận tốc của thành phần vĩ hướng gió trung hịa tính từ mơ hình tính vận tốc thành phần nằm ngang HWM93 (Horizontal Wind
Model 93 – phiên bản năm 1993) [58]. HWM là mơ hình thực nghiệm dựa trên cơ sở dữ liệu ban đầu từ vệ tinh AE-E và DE-2 (Dynamics Explorer - vệ tinh nghiên cứu động lực học khí quyển). Phiên bản năm 1993, nhờ bổ sung thêm số liệu quan trắc từ các hệ thiết bị khác (radar tán xạ không mạch lạc trên mặt đất, giao thoa kế quang học Fabry-Perot, radar khí tượng/thời tiết sử dụng tần số trung bình, số liệu từ thăm dị nhờ tên lửa) kết hợp với gradient gió trung hịa từ mơ hình chuẩn quốc tế về khí quyển của COSPAR – phiên bản năm 1986, đã có thể tính được vận tốc gió từ độ cao ngay trên bề mặt Trái Đất.
Tham số đầu vào của mơ hình bao gồm: kinh–vĩ độ địa lý của điểm khảo sát, thời gian và chỉ số hoạt động địa từ Ap. Phần mềm để sử dụng mơ hình, viết bằng ngơn ngữ FORTRAN, được tải về từ trang thông tin của NASA (National Aeronautics and Space Administration - Cơ quan hàng không vũ trụ quốc gia Mỹ) [157].
1.5.8. Thông tin về hoạt động đối lưu
Bản đồ thơng lượng bức xạ sóng dài phát ra từ Trái Đất (OLR) nội suy trung bình hàng tháng được sử dụng để xem xét vị trí của vùng hoạt động đối lưu. Trong luận án, 13 mảnh bản đồ được thành lập tương ứng với khoảng thời gian nghiên cứu từ tháng 01/2011 đến tháng 01/2012. Khu vực tính tốn trong bản đồ bao gồm từ 100S đến 200N vĩ độ địa lý (bao bọc xung quanh vùng vĩ độ từ thấp), từ 1650E đến 1700E kinh độ địa lý (xung quanh kinh tuyến địa lý qua Kwajalein). Khi đó, các khu vực có hoạt động đối lưu mạnh, nơi có nhiều khả năng AGW phát triển làm giảm cường độ bức xạ biểu diễn trong bản đồ OLR, có giá trị cường độ tiêu biểu trong khoảng từ dưới 205 đến 250 W/m2 [55, 145]. Theo thang chỉ thị màu, khu vực có màu xanh nước biển được xem là các vùng hoạt động đối lưu.
CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC DẠNG SĨNG QUY MƠ LỚN TỪ ĐIỆN LY ĐỒ VÀ VAI TRỊ CỦA NĨ ĐỐI VỚI SPREAD F
2.1. Đặt vấn đề
2.1.1. Tồn tại của các nghiên cứu trước đây
Việc nghiên cứu cấu trúc dạng sóng quy mơ lớn từ thăm dị nhờ vệ tinh C/NOFS và radar ALTAIR không khả dụng do số liệu quan trắc rất hạn chế; trong đó, ALTAIR chỉ có 1 tháng vận hành [119, 120] và C/NOFS không cung cấp số liệu đo đạc liên tục theo thời gian tại một vị trí nhất định [35]. Vì thế, việc sử dụng dấu hiệu điện ly đồ nhằm mô tả gián tiếp cấu trúc dạng sóng quy mơ lớn là giải pháp thích hợp trong bối cảnh thăm dị thẳng đứng có nguồn số liệu dồi dào ở hầu khắp các khu vực trong tám thập kỷ nghiên cứu hiện tượng. Tuy nhiên, vết phản xạ nhiều lần và vết phụ mới được chứng minh và ghi nhận bước đầu bằng việc phân tích từng đêm trong 4 bài báo [117, 127, 128, 132] với 4 đêm số liệu tương ứng; trong đó tính chất của vết phản xạ nhiều lần và cấu trúc dạng sóng quy mơ lớn chưa được so sánh trực tiếp với nhau để xem xét mức độ liên quan. Vì thế, cần có thêm bằng chứng thuyết phục, tiêu biểu hơn nhằm khẳng định thêm mối quan hệ của hai dấu hiệu này và cấu trúc dạng sóng quy mơ lớn (LSWS).
2.1.2. Hướng giải quyết trong luận án
Trong chương này, chúng tơi trình bày thêm một ví dụ cụ thể khác – đêm 24/04/2011 - từ quan trắc đồng thời bằng máy thăm dò điện ly và vệ tinh C/NOFS. Đây là đêm quan trắc tiêu biểu nhất trong toàn bộ chuỗi số liệu, cho kết quả nghiên cứu khơng những giúp khẳng định các tính chất đã được cơng bố trước đó mà cịn thể hiện một vài đặc tính mới, dẫn đến gợi ý về các mơ hình thực nghiệm thích hợp hơn để giải thích chính các kết quả quan trắc này [135].
Trong đêm này, lần đầu tiên chúng tôi so sánh trực tiếp các tính chất của vết phản xạ nhiều lần (MRE) với LSWS nhằm phác họa rõ nét hơn bối cảnh xuất hiện tuần tự từ sự nâng lên sau hồng hơn (PSSR), đến MRE mạnh và liên tục, tiếp theo là vết phụ (ST) và spread F hình thành. Từ nghiên cứu tính chất của MRE, kết hợp với
đề nghị về việc sử dụng MRE làm dấu hiệu thích hợp cho thơng tin về LSWS từ điện ly đồ.
Trong chương này, hai điểm cơ bản sau đây được vạch rõ: - Khẳng định mối liên quan MRE – LSWS.
- Tính chất của MRE để đại diện cho sự xuất hiện LSWS.
2.1.3. Khu vực và số liệu nghiên cứu
Chương 2 và 3 của luận án sử dụng số liệu thu thập tại khu vực trung tâm Thái Bình Dương. Trong khi tồn bộ vùng Thái Bình Dương được đánh dấu từ khoảng kinh độ 1200E đến 2400E, trải dài từ phía Tây Philippines đến California (Mỹ) thì trung tâm của vùng được tính cho khu vực các đảo từ Yap (thuộc Liên bang Micronesia) đến Majuro (thuộc Quốc đảo Marshall). Vị trí (tọa độ địa lý và vĩ độ từ niên đại 2011) và thiết bị hiện có tại các địa điểm được sử dụng trong luận án tại khu vực này cho trong bảng 3 và minh họa ở hình 2.1.
Trong chương này, chúng tôi sử dụng điện ly đồ và quan trắc nhờ vệ tinh C/NOFS cho đêm 24/04/2011. Điện ly đồ thu được tại đảo nhỏ Roi-Namur thuộc đảo san hơ vịng Kwajalein nhờ thiết bị thăm dị thẳng đứng vận hành bởi Phòng nghiên cứu Không quân Mỹ (Air Force Research Laboratory – AFRL) và cung cấp miễn phí trên trang thơng tin trực tuyến của Trường Đại học Massacheset tại Lowell (Digital Ionogram Database – DIDbase: cơ sở dữ liệu điện ly đồ số) [92, 156]. Thiết bị thu tín hiệu vệ tinh C/NOFS tại đảo Kosrae. Trong đó:
Điện ly đồ được thu nhận mỗi 7,5 phút trong khoảng từ 05h00 đến 11h00 giờ quốc tế (UT), (16h10 đến 22h10 giờ địa phương - LT). Với mỗi điện ly đồ, chúng tôi ghi nhận các thông tin tương ứng của các đối tượng nghiên cứu sau đây:
- Vết phản xạ bình thường: chiều cao biểu kiến (h’) ứng với mỗi tần số nhất định (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 và 10 MHz) của tất cả các điện ly đồ trong thời gian khảo sát, với giả định là mật độ điện tử tại đáy lớp F điện ly ban đêm ứng với tần số thăm dò 3 MHz. Đường biểu diễn h’ của tất cả các tần số theo thời gian UT cho biết hình ảnh của sự thay đổi về độ cao của các đường đẳng mật độ plasma điện ly.
Hình 2.1: Bản đồ các vị trí có thiết bị quan trắc sử dụng trong luận án (thêm trạm Baguio trong so sánh ở chương 4)
Bảng 3: Các địa điểm có số liệu sử dụng trong luận án
STT Tên trạm (viết tắt) Quốc gia (Vùng lãnh thổ) Kinh độ địa lý - Đông Vĩ độ địa lý - Bắc Vĩ độ từ - Bắc Thiết bị 1 Kosrae
(KOS) Liên bang Micronesia 1630 5,30 - 0,50 GRBR 2 Pohnpei (PNI) 158,2 0 6,960 0,40 - Thăm dò thẳng đứng - GRBR 3 Kwajalein (KWA) Cộng hòa Marshall 167,40 90 4,30 4 Majuro (MAJ) 171,5 0 7,10 2,90 GRBR 5 Phú Thụy (PTH) Việt Nam 21,030 105,90 14,37 0 Thăm dò thẳng đứng 6 Bạc Liêu (BCL) 105,71 0 9,30 1,60 7 Chiang Mai (CMU) Thái Lan 98,930 18,760 11,80 8 Chumphon (CPN) 99,37 0 10,720 30
- MRE: thời gian và tần số nhỏ nhất - lớn nhất của vết. Từ độ dốc của vết so với độ dốc của vết 1F tại một tần số nhất định, chúng tơi tính được bậc của MRE (nF) tương ứng với vết phản xạ thường.
- ST: thời gian xuất hiện.
- Vận tốc trượt thẳng đứng lên trên lớn nhất của PSSR
- ESF mạnh: được xác định từ sự trải rộng về độ cao của vết phản xạ tại 5 MHz, bao gồm thời gian xuất hiện, độ cao và độ trải rộng độ cao của vết.
Trong thời gian khảo sát ghi nhận ba đường bay của C/NOFS xung quanh các thời điểm trước SSE, sau SSF và trong thời gian xảy ra spread F mạnh. Mô tả
cấu trúc dạng sóng quy mơ lớn được tính từ TEC tuyệt đối [141]. Vận tốc dịch chuyển ngang của ion điện ly thu được từ thiết bị mang trên boong của C/NOFS, thuộc dự án CINDI (Coupled Ion-Neutral Dynamics Investigation – Nghiên cứu động lực học cặp Ion - hạt trung hòa) do NASA tài trợ. Số liệu được cung cấp miễn phí dưới sự bảo trợ của nhóm nghiên cứu CINDI trên trang thông tin trực tuyến của Trung tâm Khoa học không gian - Trường đại học Texas tại Dallas - Mỹ [158].
2.2. Kết quả và thảo luận
2.2.1. Vết phản xạ nhiều lần - dấu hiệu điện ly đồ của cấu trúc dạng sóng quy mơ lớn mơ lớn
2.2.1.1. Đặc tính của tầng điện ly đêm 24/04/2011
Vì sự khan hiếm của số liệu và quỹ đạo vệ tinh C/NOFS, chỉ có một số đêm quan trắc thấy nhiều hơn hai đường bay của vệ tinh qua khu vực khảo sát trong khoảng thời gian mong muốn. Đêm 24/04/2011, lần lượt ba đường bay của C/NOFS đi qua khu vực bao gồm Pohnpei, Kosrae, Kwajalein và Majuro vào hai thời điểm có khả năng xuất hiện LSWS và thời gian có hoạt động ESF. Trong đêm này có biến thiên đặc trưng theo thời gian của độ cao tầng điện ly trước nửa đêm, trong đó bao gồm ESF mạnh là kết quả của PSSR mạnh và LSWS rõ rệt xuất hiện ở đáy lớp F.
Toàn bộ biểu hiện của tầng điện ly trong đêm lựa chọn được tóm tắt bằng biểu diễn tổng hợp ở hình 2.2. Đường biểu diễn biến thiên theo thời gian của độ cao tương ứng với các tần số phản xạ khác nhau thể hiện bằng các đường liền nét đen có
điểm trịn màu đánh dấu độ cao ở thời gian tương ứng. Hồng hơn lớp E và lớp F
lần lượt là 07h42 UT (18h52 LT) và 08h12 UT (19h22 LT), đánh dấu bằng hai đường thẳng đứng liền nét màu xanh đen nhạt. Các cột thẳng đứng nâu nhạt đánh dấu thời gian, độ cao bắt đầu và kết thúc của các vết RSF ở 5 MHz. Khoảng thời gian xuất hiện ST chỉ thị bằng đoạn thẳng nằm ngang màu đen. Khoảng thời gian xuất hiện, tần số bắt đầu, tần số kết thúc của MRE thể hiện bằng các đoạn thẳng thẳng đứng màu vàng. Toàn bộ khoảng thời gian có MRE được làm nổi bật bằng vùng tô màu xanh lục đậm và giới hạn trong vòng tròn cùng màu. Ba khoảng thời gian có đường bay C/NOFS qua vị trí khảo sát được đánh dấu bằng thanh ngắn nằm ngang màu xanh nước biểm đậm. Trong đó, hai đường bay đầu trùng với thời điểm xuất hiện LSWS như được chỉ ra bằng mũi tên trong hình. Vận tốc cực đại của PSSR cũng được đánh dấu bằng mũi tên trong khoảng thời gian xảy ra MRE. Ba đường đứt nét xiên màu đen nối ba đường biểu diễn 5, 6 và 7 MHz trong khoảng thời gian 05h00 – 06h00 UT cho biết lưu ý về sự xuất hiện của nhiễu loạn điện ly di chuyển (Traveling Ionospheric Disturbance - TID). So sánh TID và MRE trong mối quan hệ với sự xuất hiện spread F sẽ được trình bày trong phần sau.
Trong đêm lựa chọn, lớp F vào trước khoảng thời gian 06h45 UT (17h55 LT)
vẫn giữ hình thái phân tầng ngang khá rõ rệt. Rất nhanh ngay sau thời điểm này, PSSR bắt đầu và tiếp tục diễn ra trong gần 2 giờ tiếp theo đến khoảng 08h45 UT (19h55 LT). MRE xuất hiện trong quá trình đáy lớp F đang được nâng lên nhờ