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.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ "Bong bóng plasma và đặc trưng dị thường ion hóa xích đạo khu vực Việt Nam và lân cận" của nghiên cứu sinh Nguyễn Thanh Dung được thực hiện tại Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, chuyên ngành Vật lý Địa cầu (mã số 9 44 01 11), dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Huy Minh và TS. Phạm Thị Thu Hồng, hoàn thành năm 2023.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Tác giả xác định tính cấp thiết của luận án xuất phát từ hai hướng: ứng dụng và khoa học. Về ứng dụng, sự phổ biến của công nghệ định vị toàn cầu (GPS) trong nhiều lĩnh vực kinh tế – kỹ thuật đặt ra yêu cầu hiểu rõ các tác nhân gây sai số tín hiệu, trong đó tầng điện ly là nguồn gây sai số lớn nhất. Các bất thường điện ly ban đêm – đặc biệt là bong bóng plasma xích đạo (EPB) – gây nhiễu loạn tín hiệu GPS, thậm chí dẫn đến mất tín hiệu hoàn toàn, mà con người không thể can thiệp trực tiếp, chỉ có thể nâng cao khả năng dự báo sự xuất hiện của chúng.

Về khoa học, lãnh thổ Việt Nam và khu vực Đông Nam Á nằm trong vùng dị thường ion hóa xích đạo (EIA): khu vực miền Bắc thuộc vùng đỉnh dị thường, khu vực miền Nam thuộc vùng đáy dị thường. Từ năm 2005, Viện Vật lý Địa cầu đã xây dựng mạng lưới trạm thu GPS liên tục tại Việt Nam thông qua các hợp tác với Đại học Rennes 1, Trường Viễn thông quốc gia Bretagne (Pháp), Đại học Quốc gia Đài Loan và Viện Các Khoa học Trái Đất SINICA Đài Loan. Nguồn số liệu phong phú này tạo điều kiện nghiên cứu điện ly khu vực trong thời gian dài hơn một chu kỳ hoạt động mặt trời, điều mà các nghiên cứu trước ở Việt Nam chưa thực hiện được.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án đặt ra ba mục tiêu cụ thể:

1. Làm sáng tỏ các quy luật biến đổi theo thời gian của các tham số dị thường ion hóa xích đạo khu vực Đông Nam Á, các dao động chu kỳ khác nhau và các nguyên nhân có thể của chúng.
2. Làm sáng tỏ các đặc trưng xuất hiện của các bất thường điện ly ban đêm khu vực nghiên cứu.
3. Làm sáng tỏ hiệu quả của mô hình điện ly tham chiếu quốc tế (IRI), mô hình TEC toàn cầu CODG và mô hình TEC dựa trên hàm trực giao thực nghiệm EOF ở khu vực vĩ độ thấp và khu vực xích đạo Việt Nam.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng: Tầng điện ly khu vực Đông Nam Á, tập trung vào dị thường ion hóa xích đạo (EIA) và bất thường điện ly ban đêm.
• Phạm vi không gian: Khu vực Việt Nam và lân cận (Đông Nam Á), bao phủ mạng lưới các trạm GPS liên tục từ nhiều quốc gia trong khu vực.
• Phạm vi thời gian: Giai đoạn 2008–2021 (cho nghiên cứu EIA, dài hơn một chu kỳ hoạt động mặt trời 11 năm) và 2008–2018 (cho nghiên cứu bất thường điện ly ban đêm và mô hình hóa EOF).

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu tác giả điểm lại

Tác giả tổng quan hai hướng chính: nghiên cứu EIA và nghiên cứu bất thường điện ly.

Về EIA, luận án điểm lại các công trình nền tảng: Rajaram (1977), Moffett (1979), Stening (1992) và Balan et al. là các bài đánh giá tổng quan quan trọng. Mô hình tầng điện ly-quyển plasma của Đại học Sheffield (SUPIM) được Anderson (1973) và các đồng nghiệp sử dụng để mô phỏng hiệu ứng vòi phun plasma. Nghiên cứu biến thiên EIA theo chu kỳ mặt trời được tiến hành bởi Huang & Cheng (1996) với số liệu từ trạm Lumping, Đài Loan. Wu et al. (2008) và Kumar et al. (2014) chỉ ra cường độ TEC của đỉnh EIA cực đại vào thời kỳ phân điểm và cực tiểu vào mùa hè. Tsai et al. (2001) sử dụng hai trạm GPS để xác định biến thiên mùa của đỉnh Bắc và Nam EIA. Zhao et al. (2009) nghiên cứu khí hậu học EIA giai đoạn 1996–2004 với mạng lưới GPS ở kinh tuyến 70–150°E. Huang et al. (2013) sử dụng mạng lưới trạm GPS tại kinh tuyến 110°E trong giai đoạn 2000–2011. Luan et al. (2015) dựa vào quan sát FORMOSAT-3/COSMIC (2007–2012) để phân tích bất đối xứng bán cầu EIA.

Về dao động QBO, Reed et al. (1961) và Ebdon & Veryard (1961) lần đầu tiên đưa ra thuật ngữ QBO với chu kỳ trung bình 26–28 tháng. Baldwin et al. (2001) có đánh giá tổng quan về QBO. Chen (1992) cung cấp bằng chứng phản ứng của tầng điện ly với QBO khí quyển. Tang et al. (2014) nghiên cứu biến thiên QBO tầng điện ly trong 1999–2011 với hệ số tương quan giữa QBO tầng điện ly và QBO tầng bình lưu bằng 0,704 giai đoạn 1999–2005.

Về bất thường điện ly, Booker & Wells (1938) lần đầu báo cáo spread-F xích đạo (ESF) tại Huancayo, Peru. Woodman & La Hoz (1976) sử dụng radar tán xạ rời rạc tại Jicamarca để lần đầu báo cáo sự suy giảm mật độ plasma liên quan đến bong bóng plasma xích đạo. Nishioka et al. (2008) sử dụng hệ thống GPS của IGS để nghiên cứu đặc trưng xuất hiện bong bóng plasma trên phạm vi toàn cầu, xác định hai cực đại xuất hiện trong năm ở khu vực châu Á vào tháng 3–4 và tháng 9–10. Maruyama & Matuura (1984), Burke et al. (2004) khẳng định sự xuất hiện đáng kể của bong bóng plasma ở khu vực châu Á xích đạo vào thời kỳ phân điểm. Basu et al. (1978, 2002) nghiên cứu cấu trúc không gian của bất thường điện ly và đặt vấn đề dự báo nhấp nháy điện ly còn là thách thức.

Về nghiên cứu trong nước, tác giả cho biết Viện Vật lý Địa cầu đã xây dựng mạng lưới GPS từ năm 2005 và đây là cơ sở hạ tầng quan trọng nhưng chưa được khai thác đầy đủ cho nghiên cứu điện ly trong khoảng thời gian dài.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Khoảng trống chính là chưa có nghiên cứu hệ thống, dài hạn (hơn một chu kỳ mặt trời) về EIA và bất thường điện ly ban đêm cho khu vực Đông Nam Á dựa trên mạng lưới trạm GPS liên tục tại Việt Nam và lân cận. Cụ thể, mối quan hệ định lượng giữa vị trí xuất hiện cực đại bất thường điện ly ban đêm và vị trí đỉnh EIA ban ngày tại khu vực này, cũng như hiệu quả so sánh của mô hình EOF so với IRI-2016 và CODG tại các trạm Phú Thụy và Bạc Liêu, chưa được làm rõ.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết và khái niệm nền tảng

Luận án sử dụng hệ thống lý thuyết vật lý địa cầu và vật lý plasma, bao gồm:

• Phương trình liên tục tầng điện ly mô tả sự thay đổi mật độ điện tử Ne theo thời gian theo công thức ∂Ne/∂t = q − l − ∇·(NeV), trong đó q là tốc độ sinh, l là tốc độ mất điện tử và V là vận tốc trôi dạt (Rishbeth & Garriot, 1969).
• Lý thuyết dynamo lớp E và lớp F: cơ chế sinh trường điện phân cực từ chuyển động gió trung hòa trong từ trường Trái Đất, dẫn đến hiệu ứng vòi phun plasma xích đạo (Equatorial Plasma Fountain – EPF) tạo ra EIA.
• Sự trôi dạt E×B: trôi dạt plasma vuông góc với vector trường từ và vector trường điện, cơ chế chính nâng plasma lên vùng F xích đạo vào ban ngày.
• Lý thuyết tuyến tính bất ổn định Rayleigh-Taylor va chạm (CRT): cơ chế chính tạo ra EPB sau hoàng hôn; tốc độ phát triển tuyến tính γ = (g/L·ν_in) + (E/LB) − (ν_in/Ω_i)·Wx − Wz, trong đó g là gia tốc trọng trường, L là chiều dài tỉ lệ gradient nghịch đảo, ν_in là tần số va chạm ion-hạt trung hòa.
• Sự gia tăng trước khi đảo ngược (PRE – Pre-reversal Enhancement): hiện tượng trường điện hướng Đông gia tăng sau hoàng hôn, dẫn đến nâng lớp F và kích hoạt bất ổn định R-T.
• El Niño và Dao động Nam (ENSO) và Dao động tựa hai năm (QBO – Quasi-Biennial Oscillation) của tầng bình lưu, được sử dụng như các tác nhân tầng khí quyển bên dưới ảnh hưởng lên điện ly.
• Hàm trực giao thực nghiệm (EOF – Empirical Orthogonal Function) và phân tích giá trị suy biến (SVD – Singular Value Decomposition) để mô hình hóa TEC.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án áp dụng phương pháp định lượng với các kỹ thuật xử lý số liệu sau:

• Phương pháp tính TEC: tổ hợp trị đo pha và trị đo giả khoảng cách trên hai tần số L1 và L2, sử dụng mô hình lớp đơn (thin shell) ở độ cao 300–400 km để chuyển STEC sang VTEC.
• Chỉ số tốc độ thay đổi TEC (ROTI – Rate of TEC Index): được tính để xác định và thống kê bất thường điện ly ban đêm, ngưỡng ROTI ≥ 0,5 TECU/min được sử dụng làm tiêu chí xác định bất thường.
• Bộ lọc thông dải (bandpass filter): để tách các thành phần dao động chu kỳ cụ thể.
• Phép biến đổi wavelet (wavelet transform): phân tích tương quan chéo giữa các chuỗi thời gian, với mức độ tin cậy 95% và nón ảnh hưởng (COI – cone of influence).
• Phương pháp phân tích biểu đồ chu kỳ Lomb-Scargle: xác định các chu kỳ dao động trong số liệu không đều.
• Phương pháp phân tích hàm trực giao thực nghiệm (EOF): mô hình hóa TEC, sử dụng phân tích giá trị suy biến (SVD) để tách các thành phần chính.
• Phương pháp làm hợp đường cong: xác định các tham số đỉnh EIA (biên độ, vĩ độ, thời gian xuất hiện).

Nguồn số liệu

Loại số liệu	Chi tiết
Số liệu GPS liên tục	Mạng lưới các trạm khu vực Đông Nam Á và IGS, giai đoạn 2008–2021
Trạm GPS tại Việt Nam	PHUT (Phú Thụy), BACL (Bạc Liêu), VINH, MTEV, DLAT và các trạm khác
Thông lượng mặt trời	F10.7 (chỉ số hoạt tính mặt trời)
Chỉ số địa từ	Dst (Disturbance-storm time)
Chỉ số ENSO	MEI.v2 (Multivariate ENSO Index Version 2)
QBO tầng bình lưu	Số liệu gió vĩ hướng hàng tháng từ 1980 đến nay
Mô hình tham chiếu	IRI-2016 và GIMs/CODG (Center for Orbit Determination in Europe Global model)

---

Nội dung chính theo từng chương

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

Chương này trình bày nền tảng lý thuyết của toàn bộ luận án. Phần đầu mô tả tầng điện ly từ độ cao 50–1500 km với ba lớp chính: lớp D (50–90 km), lớp E (90–150 km) và lớp F (phân thành F1 và F2 vào ban ngày). Tác giả trình bày phương trình liên tục cơ bản, cơ chế dynamo lớp E chi phối bởi các dao động triều khí quyển và dynamo lớp F do gió nhiệt quyển. Phần trung tâm của chương là cơ chế hình thành EIA qua hiệu ứng vòi phun plasma xích đạo và lý thuyết bất ổn định Rayleigh-Taylor dẫn đến sự hình thành bong bóng plasma.

Phần về hệ thống GPS trình bày cấu trúc ba bộ phận (không gian, điều khiển, sử dụng), tín hiệu L1 (1575,42 MHz) và L2 (1227,60 MHz) rút ra từ tần số cơ bản f₀ = 10,23 MHz, phương trình quan sát giả khoảng cách và pha mang cùng cách xác định TEC từ độ trễ tín hiệu qua phương trình Δρ_ion = (40,3/f²)·TEC. Bộ phận điều khiển gồm 4 trạm tại Hawaii, Kwajalein, Ascension Island, Diego Garcia và 1 trạm chủ tại Colorado Springs.

Phần tổng quan nghiên cứu trong nước xác nhận khoảng trống về nghiên cứu điện ly dài hạn tại khu vực và đặt cơ sở cho các chương tiếp theo.

Chương 2: Số liệu và các phương pháp nghiên cứu

Chương này mô tả chi tiết nguồn số liệu và các công cụ phân tích. Danh sách các trạm GPS liên tục khu vực Việt Nam và lân cận được liệt kê trong Bảng 2.1. Các trạm bao gồm MTEV, XMIS, PHUT, BAKO, DLAT, NTUS, BACL, ANMG, MLAY, TGIV, DBIV, SMAV, VINH, CMUM, HUE, CUSV, CPNM, HOCM, JOG2 và các trạm khác trong khu vực. Máy thu được sử dụng là model GSV4004, góc ngưỡng quan sát vệ tinh ≥ 20°.

Tác giả trình bày chi tiết thuật toán tính TEC từ tổ hợp trị đo pha và trị đo giả khoảng cách, cách áp dụng mô hình lớp đơn với hion trong khoảng 300–400 km. Phương pháp tính ROTI với ngưỡng 0,5 TECU/min được trình bày như công cụ chính để phát hiện bất thường điện ly. Phép biến đổi wavelet được áp dụng với mức tin cậy 95%, trong đó các mũi tên chỉ mối quan hệ pha (cùng pha chỉ về bên phải, ngược pha chỉ về bên trái). Mô hình tham chiếu IRI-2016 và mô hình CODG được mô tả như các đối chiếu để đánh giá mô hình EOF.

Chương 3: Dị thường ion hóa xích đạo khu vực Đông Nam Á

Chương này trình bày kết quả nghiên cứu EIA cho giai đoạn 2008–2021. Tác giả thành lập các sơ đồ TEC theo thời gian và vĩ độ, xác định và theo dõi ba tham số đặc trưng của đỉnh EIA: biên độ (TECU), vĩ độ (độ địa từ) và thời gian xuất hiện.

Các dao động chu kỳ chính được phân tích và tổng hợp trong Bảng 3 của luận án:

Chu kỳ dao động	Tham số phân tích	Liên quan đến
~15 ngày	Biên độ, vĩ độ, thời gian xuất hiện đỉnh EIA	Sóng hành tinh
~27 ngày	F10.7, biên độ đỉnh EIA	Chu kỳ tự quay mặt trời
6 tháng	Biên độ, vĩ độ, thời gian xuất hiện đỉnh EIA	ENSO (chỉ số MEI.v2)
1 năm	Biên độ, vĩ độ, thời gian xuất hiện đỉnh EIA	ENSO (MEI.v2)
~2 năm (QBO)	Biên độ đỉnh EIA	QBO tầng bình lưu (SQBO)

Dao động chu kỳ QBO tầng điện ly (IQBO) được kiểm tra tương quan với QBO tầng bình lưu (SQBO) bằng phép biến đổi wavelet chéo, trong đó mức độ tin cậy 95% được chỉ ra bằng đường bao. Biến thiên hàng năm của các tham số đỉnh EIA trong giai đoạn 2008–2021 cho thấy sự phụ thuộc rõ ràng vào thông lượng mặt trời F10.7. Chỉ số MEI.v2 được sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của ENSO lên biên độ dao động chu kỳ 6 tháng và 1 năm của vĩ độ đỉnh EIA.

Chương 4: Bất thường điện ly ban đêm khu vực Đông Nam Á

Chương này trình bày kết quả nghiên cứu bất thường điện ly ban đêm giai đoạn 2008–2018. Chỉ số ROTI được tính tại tất cả các trạm trong mạng lưới; ngưỡng ROTI ≥ 0,5 TECU/min được dùng để xác định các sự kiện bất thường.

Tần suất xuất hiện hàng tháng của bất thường điện ly được thống kê cho hai nhóm trạm riêng biệt: nhóm gồm MTEV, MLAY, TGIV, DBIV, SMAV, PHUT, VINH, CMUM, HUE, CUSV và nhóm gồm CPNM, HOCM, ANMG, NTUS, BAKO, JOG2, XMIS. Hệ số tương quan giữa tần suất xuất hiện bất thường điện ly và thông lượng mặt trời F10.7 hàng tháng tại các trạm được tổng hợp trong Bảng 4 của luận án.

Sơ đồ phân bố ROTI ≥ 0,5 TECU/min theo vĩ độ địa lý và thời gian quốc tế trong giai đoạn 2008–2018 cho thấy bất thường điện ly chỉ xuất hiện trong khoảng thời gian từ sau khi mặt trời lặn đến trước nửa đêm. Tần suất xuất hiện cực đại vào thời kỳ phân điểm trong năm. Phân tích định lượng cho thấy vĩ độ xuất hiện cực đại bất thường ban đêm cách vĩ độ cực đại EIA ban ngày khoảng 4°–5° về phía xích đạo.

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

Chương này áp dụng phân tích EOF để mô hình hóa TEC tại hai trạm đại diện cho hai vùng địa vật lý khác nhau: trạm Phú Thụy (vùng đỉnh dị thường, giai đoạn 2008–2018) và trạm Bạc Liêu (vùng đáy dị thường, giai đoạn 2015–2018).

Sáu hàm cơ sở đầu tiên mô tả biến thiên ngày đêm của TEC được trình bày. Vector cơ sở U1 có tương quan cao với giá trị TEC trung bình ngày đêm tại trạm Phú Thụy. Hệ số C1 của vector cơ sở U1 có tương quan cao với thông lượng bức xạ mặt trời F10.7. Tỉ lệ phần trăm các hệ số tương quan giữa 6 hệ số EOF đầu tiên với các chỉ số hoạt động mặt trời và hoạt tính từ được tổng hợp trong Bảng 5.

Kết quả so sánh với GPS TEC cho thấy mô hình EOF tái tạo tốt tiến trình ngày đêm của TEC trong cả ngày yên tĩnh và thời gian bão từ. Hai bão từ cụ thể được phân tích: ngày 16–20/3/2015 tại Phú Thụy và ngày 21–25/6/2015 tại Bạc Liêu. Đánh giá sai số bằng chỉ số RMSE (Root Mean Square Error) được tính cho ba mô hình IRI TEC, CODG TEC và EOF TEC so với GPS TEC, biến thiên ngày đêm của RMSE được trình bày cho cả hai trạm Phú Thụy và Bạc Liêu.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án tự nêu ba đóng góp mới như sau:

Đóng góp 1: Xác định một cách tin cậy các đặc trưng EIA và bất thường điện ly khu vực Đông Nam Á sử dụng chuỗi số liệu GPS dài hơn một chu kỳ hoạt động mặt trời (2008–2021). Phát hiện các dao động chu kỳ khác nhau của tầng điện ly khu vực Đông Nam Á thông qua các tham số đỉnh EIA, bao gồm biến thiên nội mùa (~15 ngày, ~27 ngày), biến thiên nửa năm, biến thiên năm và biến thiên chu kỳ tựa 2 năm (QBO), và chỉ ra sự phụ thuộc phức tạp vào hoạt tính mặt trời và các yếu tố tầng khí quyển bên dưới là ENSO và QBO.

Đóng góp 2: Chỉ ra một cách định lượng vị trí có tần suất xuất hiện bất thường điện ly cực đại so với vị trí đỉnh EIA. Kết quả cụ thể: bất thường điện ly ban đêm thường chỉ xuất hiện trong khoảng thời gian từ sau khi mặt trời lặn đến trước nửa đêm; mỗi năm bất thường điện ly xuất hiện cực đại vào thời kỳ phân điểm; vĩ độ xuất hiện cực đại bất thường ban đêm cách vĩ độ cực đại EIA ban ngày khoảng 4°–5° về phía xích đạo; tần suất xuất hiện phụ thuộc vào hoạt tính mặt trời.

Đóng góp 3: Khẳng định mô hình EOF mô phỏng tốt tiến trình ngày đêm của TEC trong thời gian yên tĩnh và bão từ, biến thiên theo mùa và theo hoạt tính mặt trời cho khu vực Việt Nam. Kết quả so sánh cho thấy mô hình EOF dự đoán sự biến đổi theo thời gian của TEC chính xác hơn so với các mô hình toàn cầu IRI-2016 và CODG.

Ý nghĩa thực tiễn mà tác giả nêu:

• Góp phần tăng thêm hiểu biết về đặc trưng EIA và bất thường điện ly ban đêm tại khu vực Đông Nam Á.
• Bổ sung các đặc trưng mang tính địa phương của tầng điện ly, góp phần cải tiến độ chính xác của mô hình điện ly tham chiếu quốc tế và bản đồ điện ly toàn cầu.
• Nâng cao hiệu quả sử dụng các hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu trong điều kiện tầng điện ly khu vực.
• Cung cấp thông tin hữu ích cho việc xây dựng các mô hình dự báo thời tiết không gian.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản không dành một mục riêng để nêu hạn chế của luận án. Tuy nhiên, dựa trên phạm vi nghiên cứu được xác định trong văn bản, có thể ghi nhận một số điểm có thể tiếp tục mở rộng:

Về phạm vi thời gian, giai đoạn nghiên cứu bất thường điện ly và mô hình EOF chỉ đến 2018, trong khi số liệu EIA được kéo dài đến 2021; việc mở rộng đồng bộ cả ba hướng cho cùng một giai đoạn có thể tăng tính nhất quán. Về phạm vi không gian, mô hình EOF chỉ được kiểm nghiệm tại hai trạm Phú Thụy và Bạc Liêu; việc áp dụng cho toàn mạng lưới khu vực Đông Nam Á là hướng có thể tiếp nối. Về phương pháp, luận án chưa đề cập đến việc xây dựng mô hình dự báo EPB theo thời gian thực, trong khi tác giả xác định đây là nhu cầu thực tiễn quan trọng.

---

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo trực tiếp cho các nhóm đối tượng sau:

Nghiên cứu sinh và nhà khoa học trong lĩnh vực vật lý địa cầu, vật lý tầng điện ly và thời tiết không gian, đặc biệt những người làm việc với số liệu GPS và kỹ thuật phân tích tín hiệu điện ly tại khu vực vĩ độ thấp và xích đạo. Chương 2 về phương pháp có giá trị như một tài liệu hướng dẫn kỹ thuật về cách tính TEC, ROTI và áp dụng phân tích EOF từ số liệu GPS.

Nhà nghiên cứu quan tâm đến mô hình hóa điện ly sẽ tìm thấy trong Chương 5 một kết quả so sánh hệ thống giữa ba mô hình (IRI-2016, CODG, EOF) cho khu vực Đông Nam Á với đánh giá sai số RMSE định lượng.

Kỹ sư và chuyên gia công nghệ GPS/GNSS tại Việt Nam và khu vực Đông Nam Á có thể sử dụng kết quả về phân bố không-thời gian của bất thường điện ly (Chương 4) để thiết kế các giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng điện ly trong hệ thống định vị.

Người làm công tác dự báo thời tiết không gian và quản lý hệ thống viễn thông vệ tinh sẽ quan tâm đến kết quả về tần suất xuất hiện và đặc trưng phân bố của bất thường điện ly ban đêm, cũng như mối liên hệ của chúng với hoạt tính mặt trời và vị trí đỉnh EIA.

Nhà nghiên cứu về tương tác khí quyển-điện ly (lower atmosphere coupling) sẽ thấy kết quả về dao động QBO, ENSO và sóng hành tinh ~15 ngày trong các tham số đỉnh EIA có liên quan đến hướng nghiên cứu tương tác dọc trong khí quyển.

---

Câu hỏi thường gặp

Câu hỏi 1: Luận án sử dụng số liệu từ những trạm GPS nào và trong giai đoạn bao lâu?

Luận án sử dụng số liệu từ mạng lưới các trạm GPS liên tục tại Việt Nam và lân cận (khu vực Đông Nam Á), bao gồm các trạm như MTEV, XMIS, PHUT, BAKO, DLAT, NTUS, BACL, ANMG, MLAY, TGIV, DBIV, SMAV, VINH, CMUM, HUE, CUSV, CPNM, HOCM, JOG2 cùng các trạm IGS khác. Giai đoạn số liệu cho nghiên cứu EIA là 2008–2021 (dài hơn một chu kỳ hoạt động mặt trời 11 năm), trong khi nghiên cứu bất thường điện ly ban đêm và mô hình hóa EOF sử dụng giai đoạn 2008–2018.

Câu hỏi 2: Tiêu chí nào được dùng để xác định sự kiện bất thường điện ly ban đêm?

Tác giả sử dụng chỉ số tốc độ thay đổi TEC (ROTI – Rate of TEC Index) với ngưỡng ROTI ≥ 0,5 TECU/min để xác định một sự kiện bất thường điện ly. Sơ đồ phân bố giá trị ROTI ≥ 0,5 TECU/min theo vĩ độ địa lý và thời gian quốc tế trong giai đoạn 2008–2018 được xây dựng cho toàn mạng lưới trạm GPS khu vực Đông Nam Á.

Câu hỏi 3: Mối quan hệ định lượng giữa vị trí bất thường điện ly ban đêm và vị trí đỉnh EIA ban ngày là gì?

Kết quả nghiên cứu cho thấy vĩ độ địa lý nơi tần suất xuất hiện bất thường điện ly ban đêm đạt cực đại cách vĩ độ cực đại của đỉnh EIA ban ngày khoảng 4°–5° về phía xích đạo. Kết quả này được xác định định lượng trong giai đoạn 2010–2017 và thể hiện trong biểu đồ so sánh vĩ độ địa lý của đỉnh EIA ban ngày và vị trí cực đại bất thường ban đêm.

Câu hỏi 4: Mô hình EOF có hiệu quả hơn IRI-2016 và CODG như thế nào trong mô phỏng TEC tại Việt Nam?

So sánh TEC từ GPS với TEC từ ba mô hình IRI-2016, CODG và EOF tại trạm Phú Thụy (giai đoạn 2008–2018) và Bạc Liêu (2015–2018) cho thấy mô hình EOF dự đoán sự biến đổi theo thời gian của TEC chính xác hơn so với hai mô hình toàn cầu IRI-2016 và CODG, cả trong điều kiện ngày từ yên tĩnh và bão từ (bão từ ngày 16–20/3/2015 tại Phú Thụy và 21–25/6/2015 tại Bạc Liêu). Sai số bình phương trung bình (RMSE) của ba mô hình được tính và so sánh theo biến thiên ngày đêm tại cả hai trạm.

Câu hỏi 5: Những dao động chu kỳ nào được phát hiện trong các tham số đỉnh EIA, và chúng liên quan đến các yếu tố nào?

Phân tích biểu đồ chu kỳ Lomb-Scargle và bộ lọc thông dải xác định năm nhóm dao động chính trong các tham số đỉnh EIA (biên độ, vĩ độ, thời gian xuất hiện) giai đoạn 2008–2021: (1) dao động ~15 ngày, được cho là liên quan đến sóng hành tinh; (2) dao động ~27 ngày, liên quan đến chu kỳ tự quay mặt trời và thông lượng F10.7; (3) dao động 6 tháng, có liên quan đến chỉ số MEI.v2 (ENSO); (4) dao động 1 năm, cũng có liên quan đến MEI.v2; (5) dao động tựa 2 năm (QBO), được kiểm tra tương quan với QBO tầng bình lưu bằng phép biến đổi wavelet chéo, với hệ số tương quan 0,704 được ghi nhận trong các nghiên cứu tham chiếu (Tang et al., 2014, giai đoạn 1999–2005).

---

Kết luận

Luận án cung cấp một nghiên cứu định lượng hệ thống về dị thường ion hóa xích đạo và bất thường điện ly ban đêm tại khu vực Đông Nam Á, sử dụng chuỗi số liệu GPS dài hơn một chu kỳ hoạt động mặt trời. Kết quả làm rõ các quy luật biến đổi chu kỳ của EIA với năm nhóm dao động từ ~15 ngày đến ~2 năm, trong đó có ảnh hưởng của các yếu tố tầng khí quyển bên dưới như ENSO và QBO tầng bình lưu. Về bất thường điện ly ban đêm, luận án xác định định lượng rằng vị trí xuất hiện cực đại của bất thường cách vĩ độ đỉnh EIA ban ngày khoảng 4°–5° về phía xích đạo, và hiện tượng này tập trung sau hoàng hôn đến trước nửa đêm, cực đại vào thời kỳ phân điểm. Về mô hình hóa, luận án khẳng định mô hình EOF mô phỏng TEC chính xác hơn so với IRI-2016 và CODG tại Phú Thụy và Bạc Liêu trong cả điều kiện yên tĩnh lẫn bão từ. Các kết quả này bổ sung các đặc trưng mang tính địa phương của tầng điện ly vùng vĩ độ thấp, có ứng dụng cho việc cải tiến mô hình điện ly toàn cầu và nâng cao chất lượng hệ thống định vị vệ tinh tại khu vực.

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.