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 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 ø q l ø Ne ù Ne V ù (1.1) 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 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** 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.