1.5. Các thông tin sử dụng trong luận án
1.5.4. Tính tốn thời điểm xảy ra hồng hơn lớ pE tại hai vùng liên kết
Nút hồng hơn (Sunset node) lớp E là thời điểm xảy ra hồng hơn đồng thời tại hai lớp E liên hợp trên cùng một kinh tuyến từ, được xác định nhờ điểm cắt nhau của
hai đường cong thể hiện thời điểm Mặt Trời lặn trên hai lớp E tính cho cùng một vị trí quan trắc trong một khoảng thời gian tùy ý (ví dụ, một năm…) [123]. Khi đó, cơng thức (4) trong tài liệu này thể hiện điều kiện để có hồng hơn trên lớp E là:
arccos tgS tgE
Hồng hơn trên lớp E liên hợp (hồng hơn lớp E’) được tính tốn tương tự với quy ước về dấu ngược lại.
Với: Δ: góc giờ giữa một điểm trên xích đạo từ và điểm dưới Mặt Trời (S)
δ: góc giờ giữa một điểm trên xích đạo từ và điểm trên lớp E thuộc cùng kinh tuyến từ với điểm thuộc xích đạo đang xét
θ: vĩ độ địa lý
Hình 1.24. Vị trí quan trắc (K) và hai lớp E liên hợp, điểm cắt xích đạo từ của kinh tuyến từ chứa EE’ (Q) biểu diễn trên mơ phỏng Trái Đất như hình trịn đơn vị
Tuy nhiên, bắt buộc phải bổ sung vị trí của điểm quan trắc để tính tốn vĩ độ địa lý và độ từ khuynh của giao điểm (Q) giữa kinh tuyến từ chứa điểm quan trắc và vĩ độ từ. Minh họa hình 1.24 - vẽ lại từ hình 1 trong [123] - chỉ rõ vị trí của Kwajalein và giao điểm Q, trong đó:
N: cực Bắc địa từ
l: khoảng cách (theo vĩ độ địa lý) từ Q đến E và đến E’ D: độ từ thiên
Khi đó, hai thơng số cần tính cho vị trí Q được xác định bởi:
Q arcsin sin KcoslKcosKsinlKcosDK (1.26) arcsin sin cos
cos K K Q Q D D (1.27) Với lưu ý rằng độ từ thiên và độ từ khuynh tại Kwajalein được cung cấp trên trang thông tin trực tuyến của Cơ quan quản lý Khí quyển và Đại dương quốc gia Mỹ (NOAA) [165]. Từ độ từ khuynh có thể tính được vĩ độ từ K theo giả định trường từ Trái Đất giống như trường từ của thanh nam châm (dạng đơn giản nhất của mô hình IGRF - International Geomagnetic Reference Field: Trường địa từ chuẩn quốc
tế), 0 7,5 K D và 0 4, 26 K .
Hình 1.25: Nút hồng hơn lớp E tại Kwajalein trong giai đoạn 01/2011 – 01/2012; các đường liền nét thể hiện biến thiên theo ngày của thời điểm hồng hơn lớp E,
các đường đứt nét cho lớp E liên hợp
Vĩ độ địa lý của E và S được tính bằng:
0 3600 23.44 cos 10 365 S N (1.29) với N =1 ứng với ngày đầu tiên trong chuỗi tính tốn.
Áp dụng các cơng thức từ (1.26) đến (1.29) vào (1.25) và quy ước về dấu của l cho lớp E’, với chuỗi thời gian từ tháng 1/2011 đến tháng 1/2012, sử dụng các giá trị l khác nhau (50, 100, 150, 200), biểu diễn ở hình 1.25 (đường liền nét cho lớp E,
đường đứt nét cho lớp E’) cho thấy hai điểm giao nhau của hai họ đường cong chính là nút hồng hơn lớp E tại Kwajalein cần tìm (xảy ra khoảng đầu tháng 4 và đầu
tháng 9 năm 2011).
1.5.5. Thơng tin trích lọc về hoạt động spread F 1.5.5.1. Thơng tin từ các cơng trình đã cơng bố
Nhấp nháy điện ly là hiện tượng tín hiệu vơ tuyến bị biến đổi nhanh, đột ngột về pha và/hoặc về biên độ, là kết quả của quá trình các bất ổn định trong tầng điện ly tác động lên sóng vơ tuyến. Vì thế, hiện tượng nhấp nháy vào ban đêm là biểu hiện của hoạt động spread F hoặc bong bóng plasma xích đạo (EPB).
Thơng tin trong bảng 1 liệt kê các kết quả về nhấp nháy điện ly, khả năng xuất hiện EBP tại khu vực Trung tâm Thái Bình Dương và Việt Nam từ một số vệ tinh nghiên cứu khí quyển - điện ly đã được cơng bố. Việc trích lọc thơng tin có hai mục đích: thứ nhất là nhằm đưa tất cả các kết quả nghiên cứu về cùng thang thời gian mỗi tháng để so sánh đồng thời với các kết quả nghiên cứu ESF – hai yếu tố điều khiển từ điện ly đồ và spread F tại trạm xa xích đạo (trong mối liên hệ với cấu trúc bong bóng plasma xích đạo), thứ hai là nhằm tìm hiểu quy luật xuất hiện ESF hàng tháng trong mối liên hệ với hai yếu tố điều khiển theo độ hoạt động mặt trời.
Bảng 1: Nguồn thơng tin trích lọc cho ESF/EPB và nhấp nháy điện ly
STT Tên vệ tinh Thời gian nghiên cứu
Số vết đen
Mặt Trời Đặc điểm vệ tinh Thơng tin được trích lọc
1 INTERSAT 09/1970 - 10/1971 67
- Vệ tinh địa tĩnh
- Thiết bị mang phát tín hiệu ở dải tần 4 và 6 GHz
- Suy hao của tín hiệu lớn hơn 0,5 dB - biểu hiện spread F mạnh
- Tháng xuất hiện cực đại nhấp nháy điện ly
2 TACSAT 10/1970 - 06/1972 67 - 69
- Vệ tinh địa tĩnh
- Thiết bị mang phát tín hiệu ở tần số 254,1 MHz
- Suy hao của tín hiệu lớn hơn 10 dB - biểu hiện spread F mạnh
- Phần trăm sự xuất hiện nhấp nháy POFTACSAT
3 Wideband 10/1976 - 10/1977 28
- Quỹ đạo tròn, đồng bộ Mặt Trời, độ cao 1030 km, góc nghiêng mặt phẳng quỹ đạo lớn.
- Thiết bị mang phát ra mười sóng vơ tuyến; bảy sóng tập trung quanh tần số 413 MHz.
- Chỉ số nhấp nháy điện ly S4 >0,6 ứng với dải tần 413 MHz - biểu hiện spread F mạnh.
- Phần trăm sự xuất hiện nhấp nháy POFWB
4 MARISAT 02/1979 - 12/1979 155
- Vệ tinh địa tĩnh
- Thiết bị mang phát tín hiệu ở dải tần 257,55 và 1542 MHz
- Suy hao của tín hiệu lớn hơn 6 dB - biểu hiện spread F mạnh - Tháng xuất hiện cực đại nhấp nháy điện ly
5 AE-E 01/1978 - 9/1980 93
- Quỹ đạo tròn, độ nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo so với mặt phẳng quỹ đạo Trái Đất là 19,760, độ cao từ 300 đến 475 km.
- Thiết bị mang trên boong đo mật độ ion.
- Sự suy giảm mật độ plasma trong khoảng 500 km dọc theo mỗi đường bay.
- Khả năng xảy ra bất ổn định điện ly – POFAE-E. 6 DMSP 1989 - 1992 1993 1998 1999 - 2002 2000 2003 2011 01/2007 - 12/2009 135 55 64 107 120 64 50 5
- Quỹ đạo tròn, đồng bộ với Mặt Trời, hướng cực, mặt phẳng quỹ đạo nghiêng 98,70 so với mặt phẳng quỹ đạo Trái Đất, độ cao 840 km.
- Đầu dò trên boong đo mật độ plasma trên đường bay vệ tinh.
- Sự suy giảm mật độ plasma trên mỗi đường bay cắt xích đạo từ hoặc qua khu vực xích đạo từ vào trước hoặc sau nửa đêm địa phương.
- Tỉ lệ xảy ra bong bóng plasma xích đạo – POFDMSP vào cả hai khoảng thời gian trước và sau nửa đêm địa phương.
7 ROCSAT-1 03/1999 - 6/2004 2000 2003 89 120 64
- Quỹ đạo tròn, độ cao khoảng 600 km, độ nghiêng mặt phẳng quỹ đạo so với mặt phẳng quỹ đạo Trái Đất là 350.
- Thiết bị mang trên boong đo mật độ plasma trên đường bay vệ tinh.
- Sự suy giảm mật độ plasma trong mỗi lưới vuông 10 theo kinh tuyến-vĩ tuyến, cho biết cấu trúc nhiễu loạn trong khoảng 7,5 – 75 km.
- Tỉ lệ xảy ra bong bóng plasma xích đạo – POFROCSAT.
8 C/NOFS 05/2008 - 03/2010 4
- Quỹ đạo elip, độ cao 375- 710 km, góc nghiêng giữa mặt phẳng quỹ đạo và mặt phẳng hoàng đạo là 130, chu kỳ khoảng 90 phút.
- Cảm biến trên boong đo mật độ plasma điện ly dọc theo đường bay vệ tinh.
- Sự suy giảm mật độ plasma trong mỗi ô vuông 10 theo vĩ tuyến và 100 theo kinh tuyến vào thời gian sau nửa đêm địa phương.
- Độ hoạt động bất ổn định plasma điện ly – POFC/NOFS
1.5.5.2. Thông tin từ điện ly đồ
Trong thời gian ban đêm, lớp đáy điện ly có mật độ plasma vào khoảng 105 el/cm3, tương ứng với tần số phản xạ sóng vơ tuyến khoảng 3 MHz. Dạng spread F trải rộng theo độ cao (Range Spread F – RSF) chiếm ưu thế vào trước nửa đêm với hình dạng đơn giản nhất (hình 1.19). Để xem xét sự hình thành cấu trúc của đáy lớp
F, chúng tôi sử dụng vết RSF tại 3 MHz trong khoảng thời gian từ trước hồng hơn
lớp E đến trước nửa đêm địa phương. Vết RSF tại 5 MHz cũng trong khoảng thời
gian này cho biết spread F mạnh (xảy ra ở độ cao bên trên đáy lớp F).
Để xét mức độ hoạt động ESF theo tháng, chúng tôi sử dụng tần suất xuất hiện ESF (POFESF) được tính bằng hai cách sau:
- Cách 1:
Phương pháp tính này cũng là một điểm mới trong luận án vì chưa tác giả nào sử dụng cách thức tương tự để xem xét biến thiên mùa (theo tháng) của ESF; tuy nhiên, cách tính này phù hợp để so sánh với kết quả thăm dị vệ tinh
Hình 1.26. Vết phản xạ bị khuếch tán tại vùng tần số thấp được xác định là RSF
Trong đó, đêm có ESF được xác định khi có RSF xuất hiện trên điện ly đồ vào bất kỳ thời điểm nào trong khoảng thời gian khảo sát. Phương pháp này đã được sử dụng trong [73, 74] bằng điện ly đồ thực và [90] bằng bảng số liệu tần số tới hạn lớp F (f plot – ESF được ghi nhận khi không xác định được tần số tới hạn của lớp F từ điện ly đồ thực). Kết quả từ phương pháp này chỉ dùng để tham khảo khi tiến hành so sánh kết quả từ cách 1 với các kết quả từ công bố khác.
Hình 1.26 là ví dụ điển hình về RSF xuất hiện trước nửa đêm vào ngày 26/06/2011 tại Kwajalein, trong đó vết phản xạ bị dày lên nằm trong khoảng tần số 2.8 đến 5.2 MHz trong khi vết mảnh thể hiện ở các tần số cao hơn. Theo cách 1, điện ly đồ này được ghi nhận là một trường hợp có RSF tại 3 MHz và được cộng vào số điện ly đồ xuất hiện ESF cho tháng 6/2011. Theo cách 2, đêm 26/6/2011 được tính là một đêm có RSF bất kể RSF có hay khơng xuất hiện vào các thời điểm khác trong cùng đêm này.
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 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