Nghiên cứu về bong bóng plasma và tầng điện ly ảnh hưởng đến tín hiệu GPS

Luận án tiến sĩ vật lý phân tích vật lý địa cầuv bong bóng plasma và đặc trưng dị thường ion hóa xích đạo khu vực việt nam và lân cận, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực

• Tác giả: Nguyễn Thanh Dũng
• Người hướng dẫn: TS. Lê Huy Minh
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam
• Chuyên ngành: Vật lý
• Đề tài: Nghiên cứu về bong bóng plasma và ảnh hưởng của tầng điện ly đến tín hiệu GPS tại Việt Nam
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TẦNG ĐIỆN LY, HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU VÀ NGHIÊN CỨU ĐIỆN LY VÙNG VĨ ĐỘ THẤP SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ GPS
• 1.1. Khái quát về tầng điện ly
• 1.2. Nguồn gốc sự hình thành tầng điện ly
• 1.3. Các lớp điện ly
• 1.4. Hợp phần ion
• 1.5. Dị thường ion hóa xích đạo
• 1.6. Sự chuyển động của các hạt trong lớp F
• 1.7. Sự trôi dạt E × B
• 1.8. Bất thường điện ly
• 1.9. Bong bóng plasma xích đạo
• 1.10. Lý thuyết tuyến tính bất ổn định Rayleigh-Taylor
• 1.11. Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS
• 1.12. Các bộ phận của hệ thống định vị GPS
• 1.12.1. Bộ phận không gian
• 1.12.2. Bộ phận điều khiển
• 1.12.3. Bộ phận sử dụng
• 1.13. Cấu trúc tín hiệu GPS
• 1.14. Các đại lượng quan sát của GPS
• 1.14.1. Giả khoảng cách
• 1.14.2. Quan sát pha mang (Carrier phase)
• 1.15. Ảnh hưởng của tầng điện ly tới việc truyền tín hiệu GPS
• 1.16. Tổng quan tình hình nghiên cứu điện ly vùng vĩ độ thấp sử dụng công nghệ GPS
• 1.16.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 1.16.2. Dị thường ion hóa xích đạo
• 1.16.3. Bất thường điện ly
• 1.16.4. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 2. CHƯƠNG 2: SỐ LIỆU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Số liệu sử dụng
• 2.1.1. Số liệu từ các trạm thu GPS
• 2.1.2. Thông tin vệ tinh
• 2.1.3. Thông lượng mặt trời F10.7
• 2.1.4. Chỉ số Dst
• 2.1.5. El Niño và Dao động Nam (ENSO)
• 2.1.6. Dao động tựa hai năm (QBO) của tầng bình lưu
• 2.1.7. Mô hình điện ly tham chiếu quốc tế IRI
• 2.1.8. Mô hình TEC toàn cầu GIMs (CODG)
• 2.2. Các phương pháp nghiên cứu
• 2.2.1. Phương pháp tính TEC
• 2.2.2. Chỉ số tốc độ thay đổi TEC
• 2.2.3. Phương pháp làm hợp đường cong
• 2.2.4. Xử lý tín hiệu số
• 2.2.4.1. Bộ lọc thông dải
• 2.2.4.2. Phép biến đổi wavelet
• 2.2.5. Phương pháp phân tích biểu đồ chu kỳ Lomb-Scargle
• 2.2.6. Phương pháp phân tích hàm trực giao thực nghiệm
• 3. CHƯƠNG 3: DỊ THƯỜNG ION HÓA XÍCH ĐẠO KHU VỰC ĐÔNG NAM Á
• 3.1. Biến động ngày đêm của TEC tại các trạm
• 3.2. Đặc trưng dị thường ion hóa xích đạo khu vực Đông Nam Á
• 3.3. Các sơ đồ TEC theo thời gian và vĩ độ
• 3.4. Biến thiên theo mùa và biến thiên theo hoạt tính mặt trời
• 3.5. Biến thiên hàng năm của các đỉnh EIA
• 3.6. Các dao động tuần hoàn của các đỉnh EIA khu vực Đông Nam Á
• 3.6.1. Dao động chu kỳ ~15 ngày
• 3.6.2. Dao động chu kỳ 27 ngày
• 3.6.3. Dao động chu kỳ 6 tháng
• 3.6.4. Dao động chu kỳ 1 năm
• 3.6.5. Dao động chu kỳ tựa 2 năm (QBO)
• 4. CHƯƠNG 4: BẤT THƯỜNG ĐIỆN LY BAN ĐÊM KHU VỰC ĐÔNG NAM Á
• 4.1. Biến thiên ngày đêm của chỉ số tốc độ biến đổi TEC
• 4.2. Tần suất xuất hiện các bất thường điện ly
• 4.3. Sự phân bố của bất thường điện ly theo vĩ độ và thời gian
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ HÌNH HÓA TEC QUAN SÁT BẰNG CÁC HÀM TRỰC GIAO THỰC NGHIỆM VÀ SO SÁNH VỚI CÁC MÔ HÌNH TEC TOÀN CẦU
• 5.1. Mô hình hóa TEC bằng phương pháp EOF
• 5.2. Phép phân tích EOF dữ liệu TEC
• 5.3. Phân tích các hệ số EOF
• 5.4. So sánh TEC quan sát với TEC từ các mô hình
• 5.4.1. Đối với các ngày yên tĩnh
• 5.4.2. Đối với các ngày bão từ
• 5.5. Đánh giá sai số các mô hình
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Bong Bóng Plasma Ảnh Hưởng GPS tại Việt Nam 55 ký tự

Sự phát triển của khoa học và công nghệ đã thúc đẩy việc ứng dụng rộng rãi các thiết bị điện tử trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là công nghệ định vị toàn cầu (GPS). Ban đầu, GPS phục vụ mục đích quân sự, nhưng từ năm 1993, nó được ứng dụng trong dân sự, bao gồm lập bản đồ, khảo sát và nghiên cứu khoa học. Trong khoa học Trái Đất, GPS đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu tầng điện ly, đánh giá hàm lượng hơi nước tầng đối lưu và dịch chuyển kiến tạo. Tầng điện ly, nằm ở độ cao 50-1500 km, bị ảnh hưởng bởi bức xạ mặt trời và vũ trụ, chứa nhiều electron và ion. Hàm lượng điện tử tổng cộng (TEC) là tham số quan trọng để theo dõi các tác động thời tiết không gian. Dựa trên ảnh hưởng của tầng điện ly tới tín hiệu GPS, các nhà khoa học đã xây dựng thuật toán và phần mềm để nghiên cứu đặc trưng và động lực học của tầng điện ly, bao gồm dị thường ion hóa xích đạo (EIA) và các bất thường điện ly, đặc biệt là bất thường điện ly ban đêm. Điều này rất quan trọng cho chất lượng tín hiệu GPS tại Việt Nam. Vì vậy, nghiên cứu về bong bóng plasma và ảnh hưởng của nó đến tín hiệu GPS là rất cần thiết.

1.1. Tầm Quan Trọng Nghiên Cứu Tầng Điện Ly và GPS Việt Nam

Nghiên cứu tầng điện ly và ảnh hưởng của nó đến hệ thống định vị toàn cầu GPS tại Việt Nam có ý nghĩa quan trọng trong nhiều lĩnh vực. Cụ thể, nghiên cứu giúp cải thiện độ chính xác của hệ thống định vị trong các ứng dụng như giao thông vận tải, nông nghiệp chính xác và quản lý tài nguyên. Hơn nữa, nghiên cứu này góp phần vào việc hiểu rõ hơn về thời tiết không gian và ảnh hưởng của nó đến các hệ thống công nghệ trên Trái Đất. Luận án này sẽ cung cấp các kiến thức và dữ liệu quan trọng cho việc phát triển các mô hình dự báo sự nhiễu loạn tầng điện ly và giảm thiểu tác động tiêu cực của chúng đến tín hiệu GPS.

1.2. Tổng Quan về Dị Thường Ion Hóa Xích Đạo EIA tại Đông Nam Á

Dị thường ion hóa xích đạo (EIA) là một hiện tượng quan trọng trong tầng điện ly, đặc biệt ở khu vực Đông Nam Á. EIA được đặc trưng bởi một vùng trũng mật độ ở xích đạo từ và hai đỉnh mật độ electron ở khoảng ±15°-20° vĩ độ từ. Các yếu tố như gió mặt trời, sự vận chuyển plasma dọc theo đường sức từ và các tác động của tầng khí quyển bên dưới có thể làm thay đổi cấu trúc của EIA. Việc nghiên cứu EIA là một chủ đề thú vị và quan trọng trong khoa học vũ trụ, góp phần vào việc hiểu rõ hơn về động lực học của tầng điện ly và ảnh hưởng của nó đến tín hiệu GPS.

II. Thách Thức Sai Số GPS do Tầng Điện Ly ở Việt Nam 59 ký tự

Tầng điện ly tạo ra những thách thức đáng kể đối với độ chính xác của hệ thống GPS. Sai số GPS do tầng điện ly là một vấn đề nghiêm trọng, đặc biệt tại khu vực Việt Nam và các khu vực lân cận, nơi mà hoạt động của tầng điện ly rất phức tạp. Hàm lượng điện tử trong tầng điện ly có thể thay đổi theo thời gian và vị trí, gây ra sự chậm trễ và khúc xạ tín hiệu GPS, dẫn đến sai số trong định vị. Các bất thường điện ly, như bong bóng plasma, có thể gây ra nhiễu và mất tín hiệu GPS. Nghiên cứu chi tiết về ảnh hưởng tầng điện ly GPS Việt Nam là cần thiết để phát triển các phương pháp hiệu chỉnh và giảm thiểu sai số, đảm bảo độ tin cậy của hệ thống GPS trong các ứng dụng quan trọng như hàng không, hàng hải và đo đạc chính xác. Đánh giá sự suy giảm tín hiệu GPS là một phần quan trọng trong nghiên cứu này.

2.1. Nghiên Cứu Sự Nhiễu Loạn Tầng Điện Ly và Bong Bóng Plasma

Việc nghiên cứu sự nhiễu loạn tầng điện ly và bong bóng plasma là rất quan trọng để hiểu rõ hơn về các yếu tố gây ra sai số trong hệ thống GPS. Các bong bóng plasma là những vùng có mật độ electron thấp, có thể gây ra sự tán xạ và nhiễu tín hiệu GPS. Nghiên cứu này cần tập trung vào việc xác định tần suất xuất hiện và đặc điểm của bong bóng plasma Việt Nam tại khu vực Việt Nam và các khu vực lân cận, cũng như ảnh hưởng của chúng đến chất lượng tín hiệu GPS. Các phương pháp phát hiện bong bóng plasma cần được nghiên cứu và phát triển để cải thiện khả năng dự báo và giảm thiểu tác động của chúng.

2.2. Ảnh Hưởng của Hoạt Động Mặt Trời và Thời Tiết Không Gian

Hoạt động mặt trời và thời tiết không gian có ảnh hưởng đáng kể đến tầng điện ly và tín hiệu GPS. Các cơn bão mặt trời và các sự kiện phóng xạ có thể gây ra sự gia tăng đột ngột trong mật độ electron của tầng điện ly, dẫn đến sự thay đổi lớn trong sự chậm trễ và khúc xạ tín hiệu GPS. Nghiên cứu này cần tập trung vào việc đánh giá tác động của thời tiết không gian lên tín hiệu GPS tại Việt Nam, đặc biệt là trong các thời điểm có hoạt động mặt trời cao. Các mô hình dự báo tầng điện ly cần được cải thiện để dự đoán chính xác hơn tác động của hoạt động mặt trời đến tín hiệu GPS.

III. Giải Pháp Mô Hình Hóa và Hiệu Chỉnh Lỗi Tầng Điện Ly GPS 58 ký tự

Để giảm thiểu sai số GPS do tầng điện ly, việc phát triển các mô hình tầng điện ly chính xác là rất cần thiết. Các mô hình này có thể được sử dụng để hiệu chỉnh sự chậm trễ và khúc xạ tín hiệu GPS, cải thiện độ chính xác của định vị. Các kỹ thuật khắc phục lỗi tầng điện ly GPS cần được nghiên cứu và phát triển, bao gồm các phương pháp sử dụng dữ liệu từ các trạm tham chiếu GPS và các mô hình toán học. Mô hình tầng điện ly cho Việt Nam cần được xây dựng dựa trên dữ liệu quan sát thực tế và các mô hình toàn cầu, nhằm phản ánh chính xác đặc điểm của tầng điện ly trong khu vực. Nghiên cứu này sẽ đóng góp vào việc nâng cao độ tin cậy và chính xác của hệ thống GPS trong nhiều ứng dụng.

3.1. Sử Dụng Dữ Liệu GPS và Mô Hình Hóa Tổng Hàm Lượng Electron TEC

Dữ liệu GPS và mô hình hóa tổng hàm lượng electron (TEC) đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng các mô hình tầng điện ly. Dữ liệu từ các trạm GPS có thể được sử dụng để tính toán TEC, là một chỉ số quan trọng để mô tả trạng thái của tầng điện ly. Các mô hình hóa TEC, như mô hình IRI (International Reference Ionosphere) và các mô hình toàn cầu, có thể được sử dụng để dự đoán TEC và hiệu chỉnh lỗi do tầng điện ly gây ra. Phân tích dữ liệu GPS ở Việt Nam kết hợp với các mô hình hóa TEC sẽ cung cấp thông tin quan trọng cho việc xây dựng bản đồ TEC Việt Nam chính xác.

3.2. Phát Triển Thuật Toán Hiệu Chỉnh Lỗi Dựa Trên Dữ Liệu Quan Sát

Việc phát triển các thuật toán hiệu chỉnh lỗi dựa trên dữ liệu quan sát là một phần quan trọng của việc giảm thiểu sai số GPS do tầng điện ly. Các thuật toán này có thể sử dụng dữ liệu từ các trạm tham chiếu GPS để ước tính sự chậm trễ và khúc xạ tín hiệu GPS và áp dụng các hiệu chỉnh. Các phương pháp như Differential GPS và SBAS (Satellite-Based Augmentation System) có thể được sử dụng để cải thiện độ chính xác của hệ thống GPS. Việc phát triển các thuật toán hiệu chỉnh lỗi phù hợp với đặc điểm của tầng điện ly tại Việt Nam là rất cần thiết để đạt được độ chính xác định vị cao.

IV. Ứng Dụng Nghiên Cứu Cải Thiện Định Vị GPS tại Việt Nam 60 ký tự

Nghiên cứu về bong bóng plasma và ảnh hưởng tầng điện ly GPS Việt Nam có nhiều ứng dụng thực tiễn quan trọng. Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để cải thiện độ chính xác của hệ thống GPS trong các ứng dụng như giao thông vận tải, nông nghiệp chính xác, quản lý tài nguyên và nghiên cứu khoa học. Việc dự báo sự nhiễu loạn tầng điện ly và bong bóng plasma có thể giúp giảm thiểu tác động tiêu cực của chúng đến các hệ thống công nghệ dựa trên GPS. Ngoài ra, nghiên cứu này có thể cung cấp thông tin quan trọng cho việc phát triển các hệ thống thông tin liên lạc vệ tinh và các ứng dụng khác liên quan đến tầng điện ly.

4.1. Ứng Dụng Trong Giao Thông Vận Tải và Nông Nghiệp Chính Xác

Trong lĩnh vực giao thông vận tải, độ chính xác của hệ thống GPS là rất quan trọng cho việc điều hướng và quản lý giao thông. Việc cải thiện độ chính xác của GPS thông qua việc hiệu chỉnh lỗi tầng điện ly có thể giúp giảm thiểu tai nạn giao thông và nâng cao hiệu quả vận tải. Trong nông nghiệp chính xác, GPS được sử dụng để điều khiển máy móc nông nghiệp và quản lý tài nguyên. Việc cải thiện độ chính xác của GPS có thể giúp tăng năng suất cây trồng và giảm thiểu lãng phí tài nguyên.

4.2. Ứng Dụng Trong Nghiên Cứu Khoa Học và Quản Lý Tài Nguyên

Trong nghiên cứu khoa học, GPS được sử dụng để nghiên cứu các hiện tượng tự nhiên, như dịch chuyển kiến tạo và biến đổi khí hậu. Việc cải thiện độ chính xác của GPS có thể giúp nâng cao độ tin cậy của các nghiên cứu khoa học. Trong quản lý tài nguyên, GPS được sử dụng để lập bản đồ và giám sát các tài nguyên thiên nhiên. Việc cải thiện độ chính xác của GPS có thể giúp quản lý tài nguyên hiệu quả hơn.

V. Kết Luận Tương Lai Nghiên Cứu Tầng Điện Ly GPS tại VN 57 ký tự

Nghiên cứu về bong bóng plasma và ảnh hưởng tầng điện ly GPS Việt Nam là một lĩnh vực quan trọng và đầy tiềm năng. Các kết quả nghiên cứu có thể đóng góp vào việc cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống GPS, cũng như hiểu rõ hơn về các hiện tượng tự nhiên trong tầng điện ly. Trong tương lai, việc phát triển các mô hình tầng điện ly tiên tiến và các thuật toán hiệu chỉnh lỗi hiệu quả sẽ tiếp tục là một ưu tiên. Hợp tác quốc tế và trao đổi dữ liệu cũng sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sự phát triển của lĩnh vực này. Nghiên cứu ITES (Ionospheric Total Electron Content) Việt Nam sẽ là một hướng đi quan trọng.

5.1. Hướng Phát Triển Mô Hình Tầng Điện Ly và Thuật Toán Hiệu Chỉnh

Trong tương lai, việc phát triển các mô hình tầng điện ly tiên tiến và các thuật toán hiệu chỉnh lỗi hiệu quả sẽ tiếp tục là một ưu tiên. Các mô hình này cần phải phản ánh chính xác đặc điểm của tầng điện ly trong khu vực Việt Nam và các khu vực lân cận, cũng như có khả năng dự đoán sự nhiễu loạn tầng điện ly và bong bóng plasma. Các thuật toán hiệu chỉnh lỗi cần phải có khả năng giảm thiểu sai số GPS trong nhiều điều kiện khác nhau.

5.2. Tăng Cường Hợp Tác Quốc Tế và Chia Sẻ Dữ Liệu Nghiên Cứu

Hợp tác quốc tế và trao đổi dữ liệu đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sự phát triển của lĩnh vực nghiên cứu về tầng điện ly và GPS. Chia sẻ dữ liệu từ các trạm GPS và các nguồn khác có thể giúp cải thiện độ chính xác của các mô hình tầng điện ly và các thuật toán hiệu chỉnh lỗi. Hợp tác với các nhà khoa học trên thế giới có thể giúp trao đổi kiến thức và kinh nghiệm, cũng như phát triển các phương pháp nghiên cứu mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TẦNG ĐIỆN LY, HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU VÀ NGHIÊN CỨU ĐIỆN LY VÙNG VĨ ĐỘ THẤP SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ GPS Trong chương này NCS giới thiệu khái quát về tầng điện ly: khái niệm tầng điện ly, các lớp điện ly, sự hình thành tầng điện ly, dị thường ion hóa xích đạo, các bất thường điện ly, bất ổn định Rayleigh-Taylor, El Niño và dao động Nam (ENSO: El Niño- Southern Oscillation) của khí quyển, dao động tựa hai năm (QBO– Quasi- Biennual Oscillation) của tầng bình lưu, hệ thống định vị GPS, các nghiên cứu điện ly vùng vĩ độ thấp sử dụng công nghệ GPS. Khái quát về tầng điện ly 1. Nguồn gốc sự hình thành tầng điện ly Tầng điện ly là vùng khí quyển ở trên cao của Trái Đất, được hình thành do bức xạ mặt trời và bức xạ vũ trụ, nằm ở độ cao khoảng 50 km đến 1500 km so với mặt đất (hình 1.1), ở đó quá trình ion hóa đủ mạnh ảnh hưởng tới sự truyền sóng radio [7]. Mức độ ion hóa trong tầng điện ly phụ thuộc vào 3 yếu tố cơ bản: năng lượng bức xạ mặt trời gây ion hóa, hệ số hấp thụ năng lượng của các thành phần khí và mật độ khí quyển.

Sau khi khí quyển trung hòa bị ion hóa, một quá trình ngược lại gọi là quá trình tái hợp giữa điện tử và ion xảy ra liên tục nhưng chậm chạp, vì vậy trong khoảng thời gian ban đêm mật độ điện tử vẫn còn được duy trì (Rishbeth & Garriot, 1969 [8]). Sơ đồ các lớp khí quyển và các lớp của tầng điện ly (Rishbeth & Garriot [8]) Plasma tầng điện ly, hay khí ion hóa, bao gồm các ion và các electron được hình thành từ sự ion hóa các hạt trung hòa bởi năng lượng bức xạ mặt trời, và trở lại là Luận án tiến sĩ 8 khí trung hòa bởi sự tái tổ hợp các ion và các điện tử. Lớp khí quyển trung hòa bị đốt nóng bởi sự hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời và được duy trì ở trạng thái cân bằng được thiết lập giữa sự tác động cưỡng bức của lực hấp dẫn của Trái Đất và građient áp suất khí quyển. Lớp khí trung hòa hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời tùy thuộc vào độ cao và kết cấu hình thái thể khí có mặt trong một lớp riêng biệt.

Ở dưới độ cao khoảng 170 km thể khí liên tục Shumann-Runge của bức xạ cực tím (UV: ultraviolet radiation) có bước sóng từ 130-170 nm đóng vai trò là nguồn bức xạ chính, ban đầu là phản ứng phân ly O2. Trong phạm vi độ cao từ 170-300 km, bức xạ cực tím cực đại (EUV: Extreme ultraviolet, bước sóng   102.5 nm) trở thành nguồn nhiệt chính do sự ion hóa thể khí loại nguyên tử và phân tử. Những photon có bước sóng   102.5 nm bị hấp thụ gần như hoàn toàn do sự quang ion hóa N2, O2, và O, và năng lượng dư thừa từ đó được dùng hết vào quá trình ion hóa và vào sự kích thích ion trở thành năng lượng động học của những quá trình quang điện. Những phản ứng tái tổ hợp ion và sự va chạm giữa ion và nguyên tử cũng trở thành một nguồn nhiệt.

Để hiểu được sự hình thành tầng điện ly, đầu tiên chúng ta phải nắm được quá trình sinh và mất plasma biến đổi như thế nào theo độ cao trong phạm vi tầng điện ly. Sau khi hình thành, plasma được vận chuyển bởi sự tác động của trọng lực, građient áp suất, lực điện từ và bởi sự va chạm với các hạt trung hòa. Phương trình liên tục bao gồm các tác động này là phương trình cơ bản miêu tả sự hình thành tầng điện ly. Những điều kiện tầng điện ly khác nhau quan sát được (ví dụ., những biến thiên mùa, dị thường ion hóa xích đạo, bão điện ly gây ra bởi nhiễu loạn từ, những cấu trúc bất thường…) có thể hiểu được bằng cách xem xét các số hạng trong phương trình liên tục.

Phương trình liên tục có chứa các số hạng biểu thị hiệu ứng của các quá trình khác nhau làm thay đổi mật độ điện tử Ne. Các phương trình liên tục cũng có thể viết hoặc cho các ion âm hoặc cho các ion dương hoặc bất kỳ hợp phần nào mà hàm lượng của chúng thay đổi theo thời gian. Trong một đơn vị thể tích chúng ta có phương trình [8,9,10]: [Tốc độ thay đổi mật độ điện tử] = [Tốc độ tạo điện tử] - [Tốc độ mất điện tử] - [thay đổi do quá trình vận chuyển] Ne   t  q  l  Ne    Ne V   (1.1) Luận án tiến sĩ 9 trong đó: Ne: mật độ điện tử; V : vận tốc trôi dạt thực; q và l: lần lượt là tốc độ sinh và mất điện tử, những giá trị sinh và mất được xác định chủ yếu bằng năng lượng ion hóa bức xạ mặt trời và những phản ứng tái tổ hợp ion. Trong tầng điện ly, ở dưới độ cao 200 km, quá trình vận chuyển không lớn do đó chúng ta có thể bỏ qua đại lượng này thu được phương trình ‘quang hóa’ chỉ chứa Ne đạo hàm.

Hơn nữa ‘hằng số thời gian’ liên quan tới số hạng mất mát l nhỏ hơn t nhiều các số hạng khác, vì thế phương trình ‘cân bằng quang hóa’ q = l(Ne) là thích hợp. Điều này đúng đối với các lớp D, E và F1 vào ban ngày. Trên khoảng độ cao 250 km, các số hạng quang hóa q và l trong phương trình liên tục không còn chiếm ưu thế và do đó ‘trạng thái vận chuyển’ tồn tại. Các lớp điện ly Dựa vào các tuyến mật độ điện tử đạt cực đại ở một độ cao nào đó mà người ta phân chia tầng điện ly thành nhiều lớp theo trật tự tăng dần chiều cao được gọi là lớp D (ở độ cao 50-90 km), lớp E (90-150 km), và lớp F, vào ban ngày lớp F được phân thành lớp F1 và F2.

Tuyến mật độ điện tử và ion theo chiều cao (mô hình điện ly tham chiếu quốc tế IRI): a) tại thời điểm 1200 LT, b) tại thời điểm 0000 LT Hình 1.2 là một ví dụ về tuyến mật độ điện tử và mật độ theo mô hình IRI của một số loại ion dương trên tầng điện ly (He+, H+, O+, NO+, O2+) theo chiều cao vào thời gian ban ngày 1200 LT (hình 1.2a) và vào thời gian ban đêm 0000 LT (hình 1. Trên các đường cong mật độ điện tử đạt cực đại rõ rệt ở độ cao lớn hơn khoảng 200 km, gọi là cực đại lớp F (ban đêm) hoặc cực đại lớp F2 (ban ngày). Bên trên cực Luận án tiến sĩ 10 đại lớp F hoặc lớp F2 mật độ điện tử giảm dần theo chiều cao. Ban đêm lớp E giảm rất mạnh và hầu như không tồn tại.

Mỗi một lớp điện ly được đặc trưng bởi các tham số: độ cao của lớp: h; chiều dày của lớp: y; mật độ điện tử cực đại: Ne. Các tham số này phụ thuộc vào: thời gian trong ngày, mùa trong năm, hoạt tính mặt trời, hoạt động địa từ và vị trí địa lý của mỗi khu vực. Hợp phần ion Hợp phần ion và hợp phần khí trung hòa được xác định bằng các tài liệu đo đạc bằng tên lửa cùng với các phổ kế khối lượng và vệ tinh. Johnson (1969) [12] đã tổng kết các kết quả của phép đo nồng độ được minh họa trên hình 1.

Kết quả ở hình này minh họa các điều kiện ban ngày trung bình trong thời kỳ vết đen mặt trời cực tiểu. Hợp phần khí quyển và tầng điện ly trong thời gian ban ngày dựa trên các phép đo phổ kế khối lượng và vệ tinh [12]. Quan sát trên mô hình có thể thấy rằng vào ban ngày, ở dưới độ cao 165 km, các ion NO+ và O+2 chiếm ưu thế, trên độ cao đó O+ chiếm ưu thế nhất. Vào ban đêm ở độ cao khoảng 220 km bắt đầu có sự chuyển tiếp.

Các ion khác có mặt với hàm lượng rất nhỏ. Hợp phần khí trung hòa chính trong nhiệt quyển là O, N2, và O2. Như vậy các ion được tạo ra bởi quá trình quang ion hóa là: O+, N2+, O2+ thông qua các phản ứng quang hóa sau [8,9,10]: Quang hóa + O + h  O + e N2 + h  N2+ + e O2 + h  O2+ + e Di chuyển hoặc thay đổi + + O + O2  O2 + O O+ + N2  NO+ + N N2+ + O  NO+ + N N2+ + O  O+ + N 2 N2+ + O2  O2+ + N2 Tái hợp phân ly O2+ + e  O* + O** NO+ + e  N* + O* N2+ + e  N* + N** Luận án tiến sĩ 11 Trong đó, h là hằng số Planck,  là tần số bức xạ, dấu * và dấu ** thể hiện ion ở hai trạng thái kích thích khác nhau. Các mũi tên trong các phương trình quang hóa, di chuyển hoặc thay đổi và tái hợp phân ly thể hiện quá trình tạo thành các ion và các hợp phần khí trung hòa trong mỗi kiểu phản ứng.

Dynamo lớp E Dynamo lớp E chi phối bởi các dao động triều của khí quyển [13,14]. Triều trong khí quyển là các dao động tuần hoàn của không khí có quy mô toàn cầu. Các triều khí quyển này được tạo ra do hơi nước và khí quyển hấp thụ bức xạ năng lượng mặt trời trong ngày. Các triều trong khí quyển có biên độ lớn nhất chủ yếu được tạo ra ở tầng đối lưu và tầng bình lưu, chúng lan truyền ra khỏi các vùng nguồn và di chuyển lên quyển giữa và nhiệt quyển.

Trong trường hợp không có bất kỳ sự suy giảm hay sự bẫy nào, động năng trên một đơn vị thể tích (pU2/2) của quá trình lan truyền lên trên có xu hướng không đổi và do đó vận tốc U tăng theo chiều cao. Khả năng của dạng triều để tạo ra các dòng điện tầng điện ly phụ thuộc vào bước sóng dọc của nó. Dạng triều có bước sóng dọc ngắn có xu hướng tạo ra các dòng điện có hướng ngược nhau sau mỗi vài km mà nó gây ra, do đó, các dòng điện theo phương ngang liên kết với nhau theo phương thẳng đứng rất nhỏ. Do đó chỉ những dao động triều đồng pha ở trên độ cao tầng điện ly có độ dẫn điện lớn (~90-120 km ở lớp E) sẽ sinh ra các dòng điện có cường độ lớn trên tầng điện ly thiết lập quá trình dynamo [13,14,15,16,17].

Gió trung hòa cùng với các thành phần nhật triều và bán nhật triều khí quyển gây ra các dòng điện chạy trong vùng có độ cao khoảng ~90-120 km.