Luận án Nghiên cứu các nguyên nhân gây biến thiên hàng ngày đối với sự phát triển của spread F xích đạo

Nội dung tài liệu: Luận án Nghiên cứu các nguyên nhân gây biến thiên hàng ngày đối với sự phát triển của spread F xích đạo

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _______________________ Nguyễn Thu Trang NGHIÊN CỨU CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY BIẾN THIÊN HÀNG NGÀY ĐỐI VỚI SỰ PHÁT TRIỂN CỦA SPREAD F XÍCH ĐẠO LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2016
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _______________________ Nguyễn Thu Trang NGHIÊN CỨU CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY BIẾN THIÊN HÀNG NGÀY ĐỐI VỚI SỰ PHÁT TRIỂN CỦA SPREAD F XÍCH ĐẠO Chuyên ngành: Vật lý địa cầu Mã số: 62440101 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. LÊ HUY MINH 2. TS. ROLAND TAKUYA TSUNODA Hà Nội – 2016
3. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả, số liệu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Thu Trang
4. LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu sinh chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các Thầy hướng dẫn, TS. Lê Huy Minh và TS. Roland Takuya Tsunoda, đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức và kỹ năng chuyên môn, nghề nghiệp trong toàn bộ khóa học và những khi nghiên cứu sinh gặp khó khăn, cần sự trợ giúp. Nghiên cứu sinh cũng xin tỏ lòng biết ơn Quý Thầy Cô trong Bộ môn Vật lý Địa cầu và Khoa vật lý đã nhiệt tình giảng dạy và động viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho nghiên cứu sinh trong toàn bộ khóa học. Sự cảm ơn chân thành cũng xin được gửi đến Quý Thầy Cô, anh, chị đang công tác tại các Phòng – Ban chức năng khác đã nhiệt tình giúp đỡ và hỗ trợ nghiên cứu sinh trong một số vấn đề liên quan đến khóa học. Nghiên cứu sinh cảm ơn Ban lãnh đạo và bạn bè, đồng nghiệp tại Viện Vật lý TP. HCM, Viện Vật lý địa cầu đã luôn bên cạnh cổ vũ, trợ giúp chuyên môn, tạo điều kiện và động viên nghiên cứu sinh vượt qua các khó khăn trong quá trình học tập, công tác. Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn sự hỗ trợ chuyên môn và cổ vũ tinh thần của Quý Thầy Cô, bạn bè, đồng nghiệp tại các cơ quan khác qua trao đổi học thuật, số liệu, tài liệu và các thảo luận hữu ích. Nghiên cứu sinh tri ân sự cung cấp số liệu và hỗ trợ chương trình xử lý miễn phí từ các tổ chức, website và dự án, chương trình hợp tác và đồng nghiệp cho toàn bộ quá trình nghiên cứu trong luận án. Nghiên cứu sinh biết ơn gia đình, người thân và những người bạn đã luôn tin tưởng và cổ vũ cho sự lựa chọn của nghiên cứu sinh trong công việc và cuộc sống. Hà Nội, tháng 6 năm 2016 Nghiên cứu sinh Nguyễn Thu Trang
5. MỤC LỤC Trang Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN LY VÙNG XÍCH ĐẠO VÀ SPREAD F 1.1. Điện ly vùng xích đạo .......................................................................................... 5 1.1.1. Tầng điện ly Trái Đất ...................................................................................... 5 1.1.2. Điện động lực học plasma điện ly xích đạo .................................................... 7 1.1.2.1. Đặc tính chuyển động của plasma điện ly ................................................. 7 1.1.2.2. Dòng điện xích đạo và dynamo lớp E...................................................... 11 1.1.2.3. Dynamo lớp F khu vực xích đạo vào ban đêm ........................................ 12 1.2. Spread F xích đạo ............................................................................................... 13 1.2.1. Spread F xích đạo và quan trắc spread F xích đạo ....................................... 13 1.2.2. Sự hình thành và phát triển spread F ............................................................ 16 1.3. Hai nguyên nhân gây biến thiên hàng ngày của sự xuất hiện spread F ............. 18 1.3.1. Sự nâng lên sau hoàng hôn (PSSR) của lớp F .............................................. 18 1.3.1.1. Cơ chế khả dĩ gây ra sự nâng lên sau hoàng hôn của lớp F .................... 18 1.3.1.2. Tính chất của sự nâng lên sau hoàng hôn của lớp F ................................ 19 1.3.1.3. Nghiên cứu mối quan hệ giữa sự nâng lên sau hoàng hôn của lớp F và spread F ..................................................................................................................... 21 1.3.2. Nguồn kích thích - cấu trúc dạng sóng quy mô lớn ...................................... 23 1.3.2.1. Cơ chế gây ra cấu trúc dạng sóng quy mô lớn ......................................... 23 1.3.2.2. Đặc tính của cấu trúc dạng sóng quy mô lớn ........................................... 25 1.3.3. Cơ chế điều khiển xuất hiện hàng ngày của spread F ................................... 25
6. 1.3.3.1. Sự kết hợp giữa sự nâng lên sau hoàng hôn của lớp F và cấu trúc dạng sóng quy mô lớn ........................................................................................................ 25 1.3.3.2. Ảnh hưởng từ hoạt động của sóng trọng lực và triều trong khí quyển Trái Đất .. 27 1.4. Các phương pháp thăm dò khí quyển - điện ly sử dụng trong luận án .............. 28 1.4.1. Thăm dò thẳng đứng ..................................................................................... 28 1.4.1.1. Nguyên lý ................................................................................................. 29 1.4.1.2. Spread F trên điện ly đồ ........................................................................... 29 1.4.1.3. Dấu hiệu điện ly đồ của cấu trúc dạng sóng quy mô lớn ......................... 30 1.4.2. Tính toán nồng độ điện tử tổng cộng (TEC) từ vệ tinh C/NOFS ................. 31 1.4.2.1. Nguyên lý ................................................................................................. 31 1.4.2.2. Cấu trúc dạng sóng quy mô lớn từ TEC .................................................. 32 1.4.3. Đo bức xạ sóng dài (OLR) phát ra từ Trái Đất ............................................. 33 1.4.3.1. Nguyên lý ................................................................................................. 33 1.4.3.2. Bản đồ tổng bức xạ sóng dài phát ra từ Trái Đất ..................................... 34 1.5. Các thông tin sử dụng trong luận án .................................................................. 35 1.5.1. Thông tin về độ hoạt động Mặt Trời ............................................................. 35 1.5.2. Thông tin về độ hoạt động bão từ toàn cầu ................................................... 35 1.5.3. Tính toán các thời điểm hoàng hôn lớp E và lớp F ...................................... 36 1.5.4. Tính toán thời điểm xảy ra hoàng hôn lớp E tại hai vùng liên kết ............... 36 1.5.5. Thông tin trích lọc cho hoạt động spread F .................................................. 39 1.5.5.1. Thông tin từ các công trình đã công bố ................................................... 39 1.5.5.2. Thông tin từ điện ly đồ ............................................................................ 43 1.5.6. Thông tin trích lọc cho hoạt động nâng lên sau hoàng hôn của lớp F ......... 44 1.5.6.1. Thông tin từ các công trình đã công bố ................................................... 44 1.5.6.2. Thông tin từ mô hình ............................................................................... 45 1.5.6.3. Thông tin từ điện ly đồ ............................................................................ 46 1.5.7. Thông tin về gió trung hòa ............................................................................ 46 1.5.8. Thông tin về hoạt động đối lưu ..................................................................... 47
7. CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC DẠNG SÓNG QUY MÔ LỚN TỪ ĐIỆN LY ĐỒ VÀ VAI TRÒ CỦA NÓ ĐỐI VỚI SPREAD F 2.1. Đặt vấn đề .......................................................................................................... 48 2.1.1. Tồn tại của các nghiên cứu trước đây ........................................................... 48 2.1.2. Hướng giải quyết trong luận án .................................................................... 48 2.1.3. Khu vực và số liệu nghiên cứu...................................................................... 49 2.2. Kết quả và thảo luận ........................................................................................... 51 2.2.1. Vết phản xạ nhiều lần - dấu hiệu điện ly đồ của cấu trúc dạng sóng quy mô lớn .............................................................................................................................. 51 2.2.1.1. Đặc tính của tầng điện ly đêm 24/04/2011 .............................................. 51 2.2.1.2. Tính chất của vết phản xạ nhiều lần ........................................................ 53 2.2.1.3. Tính chất của biến thiên nồng độ điện tử tổng cộng................................ 56 2.2.2. Vai trò của cấu trúc dạng sóng quy mô lớn với spread F ............................. 61 2.2.2.1. Mối quan hệ cấu trúc dạng sóng quy mô lớn – spread F ......................... 61 2.2.2.2. Tính chất của cấu trúc dạng sóng quy mô lớn ......................................... 63 2.3. Kết luận .............................................................................................................. 68 CHƯƠNG 3: VAI TRÒ CỦA SỰ NÂNG LÊN SAU HOÀNG HÔN CỦA LỚP F VÀ CẤU TRÚC DẠNG SÓNG QUY MÔ LỚN VỚI SPREAD F 3.1. Đặt vấn đề .......................................................................................................... 69 3.1.1. Tồn tại của các nghiên cứu trước đây ........................................................... 69 3.1.2. Hướng giải quyết trong luận án .................................................................... 69 3.1.3. Khu vực và số liệu nghiên cứu, tài liệu trích lọc .......................................... 70 3.2. Kết quả và thảo luận ........................................................................................... 71 3.2.1. Kết quả quan trắc spread F ........................................................................... 71 3.2.1.1. Spread F từ thăm dò vệ tinh .................................................................... 71 3.2.1.2. Spread F từ thăm dò thẳng đứng ............................................................. 81 3.2.2. Kết quả quan trắc sự nâng lên sau hoàng hôn của lớp F .............................. 82 3.2.2.1. Kết quả về sự nâng lên sau hoàng hôn của lớp F từ thăm dò vệ tinh ...... 82 3.2.2.2. Kết quả tính vận tốc nâng lên cực đại từ mô hình Scherliess-Fejer ........ 84
8. 3.2.2.3. Kết quả về sự nâng lên sau hoàng hôn của lớp F từ thăm dò thẳng đứng ............................................................................................................................... 85 3.2.3. Sự nâng lên sau hoàng hôn của lớp F và spread F ....................................... 87 3.2.4. Kết quả nghiên cứu cấu trúc dạng sóng quy mô lớn ..................................... 89 3.2.4.1. Đặc điểm biến thiên mùa của vết phản xạ nhiều lần ............................... 89 3.2.4.2. Phân bố theo thời gian của sự xuất hiện vết phản xạ nhiều lần .............. 91 3.2.4.3. Vùng hoạt động đối lưu và vết phản xạ nhiều lần ................................... 93 3.2.5. Thảo luận....................................................................................................... 94 3.2.5.1. Các kết quả chính ..................................................................................... 94 3.2.5.2. Giả thiết kiến nghị.................................................................................... 96 3.3. Kết luận ............................................................................................................ 102 CHƯƠNG 4: CẤU TRÚC BONG BÓNG PLASMA XÍCH ĐẠO QUAN TRẮC TẠI VIỆT NAM 4.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................ 104 4.1.1. Tồn tại của các nghiên cứu trước đây ......................................................... 104 4.1.2. Hướng giải quyết trong luận án .................................................................. 104 4.1.3. Khu vực và số liệu nghiên cứu................................................................... 105 4.2. Kết quả và thảo luận ......................................................................................... 106 4.2.1. Spread F khu vực xa xích đạo và bong bóng plasma khu vực xích đạo từ ............................................................................................................................... 106 4.2.2. Quan hệ giữa spread F tại Phú Thụy và cấu trúc bong bong plasma xích đạo ..... 109 4.2.3. Giải thích mới về dạng spread F tại Phú Thụy ........................................... 114 4.2.4. Tìm hiểu về nguồn gốc có thể gây ra spread F tại Phú Thụy ..................... 118 4.3. Kết luận ............................................................................................................ 125 KẾT LUẬN ............................................................................................................ 126 KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .................................. 128 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ............................................................................................................... 129 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 130
9. Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Ký hiệu, chữ Từ Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt viết tắt AGW Atmospheric Gravity Wave Sóng trọng lực khí quyển ALTAIR ARPA Long-Range Radar theo dõi và đo đạc ở Tracking and phạm vi rộng của ARPA Instrumentation Radar C/NOFS Communication/Navigation Hệ thống dự báo sự gián đoạn Outage Forecasting trong thông tin liên lạc/dẫn System đường DMSP Defense Meteorological Chương trình vệ tinh khí Satellite Program tượng quốc phòng EPB Equatorial Plasma Bubble Bong bóng plasma xích đạo ESF Equatorial Spread F Spread F xích đạo EEJ Equatorial ElectroJet Dòng điện xích đạo GRBR GNU Radio Beacon Thiết bị thu tín hiệu vô tuyến Receiver dẫn đường sử dụng bộ công cụ phần mềm miễn phí GNU GWBA Gravity Wave - B Sự thẳng hàng của đường sức Alignment trường từ và mặt đầu sóng trọng lực LSWS Large-Scale Wave Cấu trúc dạng sóng quy mô Structure lớn LT Local Time Thời gian địa phương MRD Multi-Reflected Doublet Vết kép phản xạ nhiều lần MRE Multi-Reflected Echo Vết phản xạ nhiều lần OLR Outgoing Long-wave Bức xạ sóng dài phát ra từ Radiation Trái Đất POF Percentage Of Frequence Phần trăm tần suất xuất hiện PSSR Post Sunset-Rise F layer Lớp F nâng lên sau hoàng hôn PTEC Perturbation TEC Nhiễu loạn nồng độ điện tử tổng cộng RSF Range Spread F Spread F trải rộng độ cao ROCSAT-1 Republic Of China Vệ tinh số 1 của Cộng Hòa SATellite 1 Trung Hoa
10. SSN SunSpot Number Số vết đen mặt trời SSE E-region sunset Hoàng hôn lớp E SSF F-region sunset Hoàng hôn lớp F ST Satellite Trace Vết phụ STBA Solar Terminator - ⃗ Sự thẳng hàng của đường sức Alignment trường từ ⃗ và đường ranh giới ngày – đêm TEC Total Electron Content Nồng độ điện tử tổng cộng TID Traveling Ionospheric Nhiễu loạn điện ly di chuyển Disturbance UT Universal Time Thời gian quốc tế VTEC Vertical TEC Nồng độ điện tử tổng cộng theo phương thẳng đứng