1.3. Hai nguyên nhân gây biến thiên hàng ngày của sự xuất hiện sprea dF
1.3.2. Nguồn kích thíc h cấu trúc dạng sóng quy mơ lớn
Cấu trúc dạng sóng quy mơ lớn (Large-Scale Wave Structure – LSWS) là những biến điệu dạng sóng theo độ cao của các đường đẳng mật độ plasma điện ly đáy lớp
F [120], làm phá vỡ cấu trúc phân tầng ngang ban đầu của khu vực này.
1.3.2.1. Cơ chế gây ra cấu trúc dạng sóng quy mơ lớn
a. Dấu hiệu của cấu trúc lõm ở đáy lớp F: thể hiện ở các kết quả quan trắc sau:
Hình 1.15: Vết kép phản xạ nhiều lần xuất hiện lúc 18h47 và vết phụ lúc 20h32 (giờ địa phương) quan trắc ngày 24/04/2011 tại Kwajalein
- Vết phản xạ nhiều lần (Multi-reflected Echo – MRE): giống như vết 1F nhưng độ dốc lớn hơn rất nhiều [117, 128], có thể xuất hiện thành cặp gọi là vết kép phản
xạ nhiều lần (Multi-reflected Doublet – MRD, hình 1.15a) [131]. Vai trị của MRE là dấu hiệu điện ly đồ của LSWS cũng mới chỉ được nghiên cứu gần đây [128, 131]. - Vết phụ (Satellite Trace – ST, hình 1.15b): có hình dạng giống và xuất hiện gần vết F bình thường (vết 1F) trước khi xảy ra ESF [6, 74, 152]. Vai trò của ST là dấu hiệu điện ly đồ của LSWS mới được chứng minh trong thời gian gần đây [117, 127].
- Sự mờ đi của sóng vơ tuyền tần số cao: gây ra do sự gia tăng hiệu ứng đa đường truyền do cấu trúc lõm liên quan đến LSWS. Hiện tượng có một số tính chất tương tự với hoạt động ESF [69, 112].
- Độ dốc của các vết F: là một dấu hiệu nữa của sự phát triển cấu trúc lõm liên
quan đến LSWS [120, 124] nhưng hiếm khi quan trắc thấy trên điện ly đồ.
b. Sự xuất hiện cấu trúc dạng sóng quy mơ lớn: ghi nhận trong các quan trắc
sau đây:
- Truyền sóng qua xích đạo (TransEquatorial Propagation - TEP): nghiên cứu gián tiếp đầu tiên về đặc tính của LSWS tìm thấy bước sóng theo phương ngang của phân bố mảng bất đồng nhất khoảng 210 - 640 km, vận tốc trượt hướng Đông 110 - 400 m/s, thời gian xuất hiện 20 – 60 phút [98, 99].
- Radar tán xạ ngược rời rạc và vệ tinh: hình ảnh trực quan về LSWS thu được nhờ ALTAIR (ARPA Long-Range Tracking And Instrumentation Radar – Radar theo dõi và đo đạc ở phạm vi rộng ARPA) (hình 1.6) [120] cho thấy LSWS có bước sóng 400 km, phù hợp với kết quả từ các hệ thiết bị quan trắc khác (TEP, vệ tinh) [98, 107, 116, 142].
- Phát quang khí quyển vào ban đêm: sự suy hao ở bước sóng 630 nm trong các ảnh quan trắc toàn cảnh bầu trời đêm có bề dày theo phương Đông – Tây vào khoảng 50-200 km và trải dài trong khoảng 120 vĩ độ [146].
c. Lý thuyết về vai trò của cấu trúc dạng sóng quy mơ lớn
Mặc dù ý tưởng về sự hình thành nguồn kích thích được đưa ra khá sớm [98, 99] và chứng minh bằng lý thuyết trong một vài báo cáo [61, 66, 68], nhưng bằng chứng thực nghiệm cho thấy mối quan hệ trực tiếp giữa sóng trọng lực khí quyển (Atmospheric Gravity Wave – AGW) và ESF mới được chỉ ra gần đây [129, 131].
Bối cảnh về sự hình thành mầm mống nhiễu loạn diễn ra như sau: độ lớn của sự kích thích plasma phụ thuộc vào kết quả kết hợp ion – hạt trung hịa, trong đó nhiễu loạn của gió trung hịa U(liên quan đến AGW) được chuyển thành điện trường phân cực mà đến lượt nó, cùng với từ trường nằm ngang tại xích đạo, lại giúp vận chuyển plasma trượt thẳng đứng lên phía trên để tạo thành mầm mống nhiễu loạn [68, 131]. Do kết hợp ion – hạt trung hịa chỉ có hiệu quả khi mặt đầu sóng của AGW định hướng theo đường sức của từ trường B [61] nên nhiễu loạn mạnh nhất khi khu vực nguồn gây ra AGW định xứ gần xích đạo từ. Khi đó, sự định hướng này tạo ra sự truyền AGW theo phương ngang. Điều kiện được gọi tên là “sự thẳng hàng theo đường sức từ B của mặt đầu sóng trọng lực” (Gravity Wave -B Alignment - GWBA) [131]. Do AGW sinh ra trong khu vực hội tụ giữa các chí tuyến (Inter- Tropical Convergence Zone – ITCZ) nên điều kiện được thỏa mãn khi ITCZ di chuyển ngang qua xích đạo từ [79, 129, 131]. Sự di chuyển của ITCZ theo mùa giúp trả lời câu hỏi về hoạt động ESF thời kỳ đơng chí ở khu vực Nam Mỹ, Châu Phi tuy nhiên vẫn chưa lý giải được ESF yếu ở khu vực quanh Việt Nam [129, 131].
1.3.2.2. Đặc tính của cấu trúc dạng sóng quy mơ lớn: bao gồm:
- Xuất hiện xung quanh thời điểm hồng hơn lớp E, khuếch đại qua quá trình lớp F nâng lên sau hồng hơn nhờ bất ổn định Rayleigh – Taylor tổng quát.
- Bước sóng vào khoảng vài trăm km và biên độ vài chục km.
- Ở giai đoạn phát triển ban đầu, LSWS gần như không dịch chuyển ngang.
- Bong bóng plasma ban đầu phát triển trên đỉnh của cấu trúc vòm nâng liên quan với LSWS, tiếp theo là các cấu trúc thứ cấp.
- Rìa phía tây của cấu trúc vịm nâng ln nhiễu loạn hơn rìa phía đơng.
Khơng chỉ là mầm mống nhiễu loạn, LSWS còn làm thay đổi điều kiện nền giúp thỏa mãn tốc độ phát triển của các cấu trúc quy mô nhỏ hơn, trong đó có gradient mật độ điện tử và độ cong khác nhau ở vùng đỉnh và đáy của một vòm nâng [124].
1.3.3. Cơ chế điều khiển xuất hiện hàng ngày của spread F
1.3.3.1. Sự kết hợp giữa sự nâng lên sau hồng hơn của lớp F và cấu trúc dạng sóng quy mơ lớn
Hình 1.16. Cấu trúc sóng quy mơ lớn và sự nâng lên sau hồng hơn trong q trình hình thành và phát triển bong bóng plasma xích đạo [139]
Việc cả hai lý thuyết dựa chủ yếu vào vai trò điều khiển của riêng PSSR hoặc LSWS khơng hồn tồn giải thích được biến thiên mùa của ESF đã gợi ý đến khả năng kết hợp của cả hai yếu tố. Tsunoda đề nghị quá trình sau đây (hình 1.16) là tổng hợp về quá trình hình thành EPB [137, 138, 139]:
- Trên điện ly đồ có thể vẫn quan sát được ESF, tuy nhiên PSSR khơng đủ mạnh để kích thích EPB phát triển nếu khơng có mầm mống nhiễu loạn [132].
- LSWS xuất hiện vào buổi chiều muộn (xung quanh hồng hơn lớp E) [40, 116]. - LSWS phát triển trong thời gian diễn ra PSSR nhờ quá trình Rayleigh – Taylor tổng quát [120, 128].
- EPB sơ cấp xuất hiện tại đỉnh của các cấu trúc vòm nâng vào cuối của PSSR (xung quanh thời điểm hồng hơn lớp F) [119, 120, 154].
- EPB thứ cấp phát triển dọc theo rìa phía Tây của cấu trúc vịm nâng (lúc này là LSWS) [122] và đồng thời là sự suy yếu của LSWS.
Tuy vẫn còn ý kiến về cơ chế làm suy yếu cấu trúc sóng quy mơ lớn nhưng ngày càng có nhiều bằng chứng khẳng định sự phù hợp của quá trình vừa nêu đối với biến thiên hàng ngày của sự xuất hiện spread F xích đạo.
1.3.3.2. Ảnh hưởng từ hoạt động của sóng trọng lực và triều trong khí quyển Trái Đất quyển Trái Đất
Hình 1.17. Sự hình thành cấu trúc vịm nâng dưới tác dụng của sóng trọng lực khí quyển [138]
LSWS và AGW có mối liên quan trực tiếp, trong đó q trình dynamo AGW kích thích sinh ra LSWS. AGW - điều khiển bởi bức xạ nhiệt mặt trời địa phương - được kích thích và sinh ra trong các vùng đối lưu quy mơ trung bình (Mesoscale Convection Cell – MCC) tồn tại ở trung tâm vùng hội tụ giữa hai chí tuyến (ITCZ) trong tầng đối lưu. Sau đó, AWG truyền đến nhiệt quyển tại độ cao lớp F. Tại đây, AGW gây ra các nhiễu loạn dạng sóng của gió trung hịa (U). Nhờ q trình kết nối ion - hạt trung hịa, các nhiễu loạn được chuyển sang plasma trong khu vực đáy lớp F. Khi đó, như mơ tả ở hình 1.17 [138], AGW lan truyền theo hướng Tây, từ
trường nằm ngang đi vào mặt giấy (hướng Bắc), U hướng thẳng đứng lên trên, tương tác U B tạo điện trường hướng Tây điều khiển dòng Pedersen theo hướng này (dòng các ion dương) gây ra sự tích tụ các ion dương ở rìa phía tây, kết quả là tạo ra điện trường phân cực hướng đông. Đến lượt nó, điện trường phân cực địa phương cùng với từ trường làm dịch chuyển ion theo cùng hướng với U. Quá trình chuyển dịch diễn ra trong điều kiện gradient plasma hướng lên trên làm biến điệu các đường đẳng mật độ plasma đáy lớp F theo độ cao, hình thành một cấu trúc
vòm nâng đầu tiên. Các cấu trúc vịm nâng – vịm sụt tiếp theo được hình thành và phát triển với cơ chế tương tự. Quá trình trao đổi ion ở các vịm nâng và vịm sụt là ngày càng mạnh thêm do sự thay đổi của độ dẫn theo chiều cao làm thay đổi điện trường phân cực. Tồn bộ q trình diễn ra mạnh mẽ nhất khi nhiễu loạn của gió trung hịa và/hoặc sự kết hợp ion-hạt trung hòa mạnh mẽ nhất. Điều kiện này được thỏa mãn trong lý thuyết GWBA như vừa trình bày ở phần trên.
AGW nằm trong nhóm các hiện tượng sóng có quy mơ trung bình trong khơng gian. Triều là hiện tượng sóng ở quy mô không gian lớn nhất (toàn cầu), thể hiện các mode có cấu trúc chặt chẽ theo cả kinh và vĩ độ. Các chế độ của hoạt động triều có chu kỳ vào khoảng 8, 12 và 24 giờ, tương ứng với các mode 3, 2 và 1. Triều có thể gây ra bởi hiệu ứng hấp dẫn hoặc nhiệt. Về cơ bản, “dynamo khí quyển” thể hiện ảnh hưởng của các hoạt động triều đến tầng điện ly có thể tóm tắt như sau:
- Mặt Trời và Mặt Trăng gây ra lực triều trong khí quyển.
- Lực triều tạo sóng trong khí quyển làm cho khơng khí chuyển động.
- Chuyển động khơng khí (hạt trung hịa) cắt ngang các đường sức từ gây lực điện động cảm ứng. Đến lượt nó, các lực này điều khiển dòng điện ở độ cao thuộc tầng điện ly gây ra biến đổi từ trường.
- Hệ thống gồm điện trường, các dòng hạt mang điện trong quá trình kể trên ảnh hưởng lớn đến các lớp điện ly. Cụ thể, ảnh hưởng đến hệ thống dịng n tĩnh và dịng điện xích đạo trong lớp E, hoặc sự tích tụ điện tích (do biến đổi độ dẫn theo
không gian) làm hình thành điện trường phân cực (trường tĩnh điện) có thể trượt theo các đường sức từ trường đến độ cao thuộc lớp F điều khiển sự dịch chuyển
plasma trong lớp này.
Hiện nay, hoạt động triều và AGW là các chủ đề rất quan trọng trong nghiên cứu nguyên nhân gây biến thiên hàng ngày của ESF [9].
1.4. Các phương pháp thăm dị khí quyển - điện ly sử dụng trong luận án 1.4.1. Thăm dò thẳng đứng 1.4.1. Thăm dò thẳng đứng
Thiết bị gồm một máy phát và máy thu hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ sóng vơ tuyến của tầng điện ly. Máy phát thẳng đứng sóng vơ tuyến tần số cao (1- 30 MHz) được mã hóa vào tầng điện ly. Tín hiệu phát dạng xung với tần số tăng dần, chu kỳ phát được cài đặt tùy vào mục tiêu nghiên cứu (ví dụ 15 phút) [19].
Các sóng có tần số trùng với tần số plasma điện ly sẽ bị phản xạ lại, sóng có tần số cao hơn sẽ truyền qua. Thiết bị thu đo thời gian tín hiệu từ lúc phát đi đến khi nhận về sẽ cho biết độ cao biểu kiến nơi sóng bị phản xạ trên tầng điện ly, với giả sử vận tốc truyền sóng bằng vận tốc ánh sáng. Đường biểu diễn độ cao phản xạ phụ thuộc vào tần số sóng vơ tuyến phát đi được gọi là điện ly đồ. Tần số lớn nhất tại mỗi điểm uốn trên đường biểu diễn là tần số cực đại của lớp điện ly (tần số tới hạn f0).
1.4.1.2. Spread F trên điện ly đồ
ESF thể hiện trên điện ly đồ là các vết trải rộng theo độ cao và theo tần số khi độ dày của vết phản xạ lớn hơn 30 km và 0.3 MHz tương ứng (hình 1.19) [24].
Tùy từng mục đích nghiên cứu cụ thể, người ta lựa chọn các thông số khác nhau liên quan đến sự xuất hiện và độ trải rộng của vết phản xạ, ví dụ: thời gian - tần số xảy ra trải rộng, độ dày của vết, thời gian tồn tại của vết… Với ưu thế về tính địa phương và liên tục, ESF trên điện ly đồ có thể được sử dụng độc lập hoặc kết hợp thành chuỗi mạng lưới quan trắc theo thời gian, kinh – vĩ độ và phối hợp với quan
trắc bằng các hệ thống khác (vệ tinh, quang học…) để nghiên cứu tiến trình xuất hiện – phát triển và kết thúc của ESF.
Hình 1.19. Spread F theo độ cao (bên trái) và theo tần số (bên phải) [24]
1.4.1.3. Dấu hiệu điện ly đồ của cấu trúc dạng sóng quy mơ lớn
Sự xuất hiện của vết phản xạ nhiều lần (MRE) và vết phụ (ST) được giải thích bằng mơ hình đơn giản ở hình 1.20 [117]. Lớp F được biểu diễn bằng các đường đẳng mật độ plasma với tần số tương ứng. Giả sử xuất hiện một vịm nâng gần phía trên máy thăm dị (vị trí O) với bán kính khoảng 300 km, giới hạn ở khu vực mật độ plasma thấp (dưới 4 MHz).
Các tia R1, R2, R3 (hình 1.20 bên trái) phản xạ duy nhất một lần rồi trở về máy thu gọi là “monostatic”. Các tia R31, R32, R33 bị phản xạ theo phương nghiêng và không trở về máy thu gọi là “bistatic”. Khi lớp F được phân lớp ngang, chỉ có các tia monostatic ngay phía trên O. Khi xuất hiện vịm nâng, các tia này bắt đầu bị lệch ra khỏi phương thẳng đứng thành phản xạ nghiêng. Trên hình vẽ, ∆R là khoảng cách giữa độ lớn bán kính hai cung trịn tạo bởi độ cong của đường đẳng mật độ 2 MHz (đáy lớp F). Khi đó, các tia R1, R2, R3 tạo thành spread F trải rộng theo độ cao (Range Spread F – RSF) ở 2 MHz với độ lớn của khuếch tán độ cao là ∆R. Trong khi tại các khoảng tần số plasma cao hơn, tia phản xạ về ngay phía trên O vẫn thể hiện vết F bình thường như minh họa bởi 1F. Điều này giải thích hình dạng vết RSF đặc trưng xuất hiện vào giai đoạn đầu của hoạt động ESF hàng đêm. Đồng thời cấu trúc “lõm” tạo hiệu ứng hội tụ tia phản xạ khi các tia đồng pha trở về máy thu, giúp
các tia có thể phản xạ nhiều lần giữa điện ly – mặt đất và tạo thành các vết nF với n là số lần phản xạ qua lại. Nếu chu kỳ phát xung (Inter-pulse Period - IPP) của tín hiệu thăm dị dài hơn thời gian trễ của tia nF cao nhất, trên điện ly đồ sẽ xuất hiện tuần tự từ vết 1F đến vết nF. Ngược lại, chu kỳ phát xung ngắn hơn thời gian trễ của tia quay về thì vết nF bị “nhận diện sai” về độ cao và xuất hiện là vết MRE.
Hình 1.20. Nguyên lý hình thành vết phản xạ nhiều lần (bên trái) và vết phụ (bên phải) [117]
Ở hình 1.20 (bên phải), cấu trúc vịm nâng sau khi được hình thành di chuyển theo hướng Đơng [124], các tia phản xạ 1F và R1F vẫn được thể hiện trên điện ly đồ là vết phản xạ bình thường trong khoảng 2-5 MHz, trong khi tia RS tại 2 MHz sẽ xuất hiện trên điện ly đồ ở độ cao cao hơn vết R1F khoảng ∆R. Khi hai vết phản xạ chính và phụ cịn phân biệt được trên điện ly đồ thì ta có vết phụ và vết này khơng phải là một phần của RSF.
1.4.2. Tính tốn nồng độ điện tử tổng cộng (TEC) từ vệ tinh C/NOFS 1.4.2.1. Nguyên lý 1.4.2.1. Nguyên lý
Vệ tinh C/NOFS hoạt động ở độ cao 375-710 km, góc nghiêng giữa mặt phẳng quỹ đạo và mặt phẳng hoàng đạo là 130, chu kỳ 90 phút [35]. Thiết bị CERTO trên boong phát liên tục sóng vơ tuyến ở hai dải tần số 150 và 400 MHz. Thiết bị thu tín hiệu số trên mặt đất (được thiết kế và phát triển bởi nhóm nghiên cứu của giáo sư
Mamoru Yamamoto, Trường Đại học Kyoto - Nhật Bản [166]) nhằm thu nhận tín hiệu và tính tốn TEC tương đối [153] theo đường truyền vệ tinh - mặt đất.
Độ lệch pha của hai sóng vơ tuyến có tần số khác nhau thu nhận tại cùng một máy thu ở cùng thời điểm được biểu diễn như sau [142].
2 1 2 2 2 1 2 1 40.3 1 1 r Ndx q q f c q q (1.24) Với 1 và2tương ứng là pha của tín hiệu 150 và 400 MHz đo được tại thiết bị thu,
q1 = 3, q2 = 5, fr = 50 MHz là tần số cơ bản, c là vận tốc ánh sáng, Ndx là nồng độ