Tính chất của sự nâng lên sau hồng hơn của lớp F

1.3. Hai nguyên nhân gây biến thiên hàng ngày của sự xuất hiện sprea dF

1.3.1.2. Tính chất của sự nâng lên sau hồng hơn của lớp F

PSSR có một số đặc tính xuất hiện tiêu biểu như sau:

- Biến thiên theo kinh độ: vận tốc dịch chuyển thẳng đứng thay đổi không đáng kể trong thời kỳ phân điểm và đơng chí, biến thiên lớn trong giai đoạn hạ chí. Đặc biệt,

vào hạ chí có sự dịch chuyển về thời gian đạt cực đại của vận tốc dịch chuyển thẳng đứng trước khi đảo chiều của các khu vực kinh tuyến khác nhau [46] (hình 1.10). Cũng trong hình này, chúng tơi thêm vào kết quả nghiên cứu cho khu vực Ấn Độ [104]. Kết quả phù hợp với thăm dò tại các khu vực khác [7, 16, 45, 46, 52, 81]. Hình 1.10 cho thấy vận tốc dịch chuyển thẳng đứng cực đại mạnh nhất ở Thái Bình Dương (khoảng kinh tuyến 160 – 2000E) và yếu nhất ở Ấn Độ (trạm Kodaikanal).

- Thời điểm xảy ra cực đại vận tốc trượt thẳng đứng thay đổi theo mùa (hình 1.11): vận tốc tăng hầu như khớp với thời gian xảy ra hồng hơn lớp E, trừ tháng 6 [44].

- Phụ thuộc vào mức độ hoạt động mặt trời: hình 1.12 [45] cho thấy biến trình ngày đêm của vận tốc dịch chuyển thẳng đứng tại Jicamarca với cực đại vào phân điểm, hạ chí mạnh hơn đơng chí và giảm theo mức độ hoạt động mặt trời.

- Phụ thuộc vào hoạt động địa từ: vận tốc trượt cực đại thẳng đứng tăng đơn điệu theo chỉ số Ap (chỉ mức độ hoạt động địa từ trung bình hàng ngày) trong thời gian xảy ra nhiễu loạn từ (hình 1.13) [81].

1.3.1.3. Nghiên cứu mối quan hệ giữa sự nâng lên sau hồng hơn của lớp F và spread F

a. Độ cao của lớp F

Sự liên quan của PSSR được chú ý rất sớm [18, 29] với lưu ý đến xu hướng ESF xuất hiện khi lớp F đạt đến một độ cao nào đó và liên hệ mật thiết với vận tốc dịch chuyển thẳng đứng rất đáng kể của lớp F. Trong giai đoạn đầu của nghiên cứu mối quan hệ PSSR và ESF, sử dụng bảng thống kê về tần số tới hạn của lớp F [25, 27, 73, 74, 85, 86] hoặc chỉ số trải rộng độ cao [26, 87, 88, 89] để ghi nhận sự xuất hiện ESF, các kết quả thống kê chỉ ra rằng có mối quan hệ giữa độ cao lớp F và

ESF. Ví dụ, ngưỡng độ cao cho ESF xuất hiện vào khoảng 375 - 400 km [74, 86], khoảng 325 - 375 km [33] hay 450 km [65]. Tuy nhiên, cũng có các báo cáo về việc không tồn tại mối liên hệ giữa độ cao lớp F và spread F [27, 102, 103, 109].

b. Vận tốc dịch chuyển thẳng đứng

tốc dịch chuyển thẳng đứng cực đại được chú ý trong các nghiên cứu gần đây nhờ sự phát triển của cả thiết bị mặt đất và vệ tinh [8, 11, 14, 33, 47, 65]. Đặc biệt, kết quả từ [48] cho phép kết luận rằng PSSR hoàn toàn chi phối biến thiên mùa của ESF ở phạm vi toàn cầu khi chỉ ra phân bố hoạt động PSSR theo kinh độ hoàn toàn tương tự với ESF.

c. Lý thuyết về biến thiên theo mùa của spread F xích đạo

Hình 1.14. Khả năng xảy ra bong bóng plasma xích đạo quan trắc bởi vệ tinh DMSP trong các năm 1999 – 2002 [49]

Lý thuyết về mối quan hệ giữa ESF và độ dẫn Pedersen lấy tích phân theo đường sức được gọi là STBA (Solar Terminator - B Alignment - sự thẳng hàng của ranh giới ngày đêm và đường sức từ B) [123]. Theo lý thuyết này, khi đường phân cách ngày – đêm (Sunset terminator) thẳng hàng với đường sức từ trường thì hồng hơn xảy ra đồng thời trên hai lớp E liên hợp ở hai nửa bán cầu (nút hồng hơn - sunset node). Khi đó, gradient theo kinh tuyến của độ dẫn Pedersen lấy tích phân dọc theo đường sức từ trở nên dốc nhất. Vì thế, điện trường phân cực hướng Đơng trở nên mạnh nhất làm cho vận tốc PSSR lớn nhất và kéo theo tốc độ phát triển của bất ổn định Rayleigh - Taylor là mạnh nhất. Kết quả là hoạt động ESF (và/hoặc nhấp nháy sóng vơ tuyến) diễn ra mạnh nhất trong giai đoạn này. Lý thuyết STBA giải thích

được hầu hết đặc tính biến thiên theo mùa và theo kinh độ của sự xuất hiện ESF [6, 7, 22, 23, 49, 50, 60, 79, 111, 123, 129, 130].

Theo lý thuyết STBA, ESF xuất hiện nhiều trong thời kỳ phân điểm. Do đó, việc ESF xuất hiện trong giai đoạn hạ chí và đơng chí trở thành điểm chưa hợp lý của lý thuyết này so với kết quả quan trắc [5, 12]. Minh họa hình 1.14 cho thấy thời điểm xảy ra cực đại hoạt động EPB không trùng khớp với thời điểm xảy ra STBA (đường màu đen) tại ba khu vực bao gồm Nam Mỹ, Châu Phi và Trung tâm Thái Bình Dương [49]. Vì thế, câu hỏi đặt ra là tại sao lý thuyết STBA không đúng cho ba vùng này, hay yếu tố nào đã chi phối sự xuất hiện ESF vào các điểm chí nếu khơng phải PSSR?

1.3.2. Nguồn kích thích - 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 mơ 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 không 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 mô 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 quá trình kết nối ion - hạt trung hòa, 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

vịm nâng đầu tiên. Các cấu trúc vịm nâng – vịm sụt tiếp theo được hình thành và phát triển với cơ chế tương tự. Q trình trao đổi ion ở các vịm nâng và vòm 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 dịng 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).