CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU DÒNG ĐIỆN XÍCH ĐẠO, TỪ TRƯỜNG BÌNH THƯỜNG VÀ SỐ LIỆU NGHIÊN CỨU Nghiên cứu về từ trường Trái Đất là một trong những bộ môn ra đời sớm nhất của vật lý địa cầu. Các nhà triết học cổ Hy Lạp đã viết về “đá nam châm” vào khoảng 800 năm trước Công nguyên (BC); các tính chất của đá nam châm được người Trung Quốc biết từ khoảng 300 BC. Vào khoảng thời gian 300BC-200BC, người Trung Quốc đã biết sử dụng địa bàn thô sơ làm bằng đá nam châm. Các địa bàn kim nam châm treo trên dây hoặc tựa trên một trục nhỏ được người Trung Quốc sử dụng vào khoảng năm 1000 sau công nguyên [70].
Nhưng nghiên cứu về trường địa từ chỉ thực sự phát triển khi vào năm 1600 Gilbert xuất bản cuốn sách “De Magnete”, một chuyên khảo khoa học quan trọng trong đó tác giả đã tổng kết tất cả các kết quả đã nghiên cứu về trường địa từ bao gồm cả các kết quả nghiên cứu trong khoảng 17 năm của ông. Trong chuyên khảo này ông đã nhận ra rằng Trái Đất bản thân nó như là một nam châm khổng lồ. Đây là một nhận thức vô song về một đặc trưng địa vật lý, ra đời trước các định luật hấp dẫn của Newton khoảng một thế kỷ. Henry Gellibrand (1597-1637), nhà toán học và thiên văn học người Anh, đã phát hiện ra độ từ thiên của trường địa từ thay đổi theo thời gian.
Vào thế kỷ 18 và 19 nhiều phép đo từ đã được thực hiện. Năm 1837 bản đồ toàn cầu của cường độ trường toàn phần, độ từ khuynh và độ từ thiên đã được công bố, mặc dù số liệu được đo đạc ở những thời điểm rất khác nhau và mật độ điểm đo còn thưa thớt. Để phân tích tập hợp số liệu này Gauss [118] đã áp dụng phương pháp phân tích điều hòa cầu (mà ngày nay mang tên ông); năm 1839 ông đã nhận ra rằng phần chính của trường từ Trái Đất là trường lưỡng cực có nguồn gốc bên trong Trái Đất. Hiện nay, các nghiên cứu về trường địa từ được thực hiện theo ba hướng chính là: nghiên cứu trường từ không đổi (bản đồ các yếu tố từ mặt đất, từ trường bình thường, biến thiên thế kỷ…); nghiên cứu biến thiên từ (biến thiên ngày đêm, dòng điện xích đạo, vòng dòng, bão từ…) và nghiên cứu cổ từ.
Trong luận án này, 7 chủ yếu đề cập đến những kết quả nghiên cứu về EEJ trên toàn cầu cũng như tại Việt Nam và việc xây dựng bản đồ TTBT cho khu vực Việt Nam và lân cận. Tất cả các nghiên cứu về trường địa từ đều phải dựa vào các quan trắc trường từ, các đài địa từ đã cung cấp số liệu phục vụ các nghiên cứu khác nhau trong hơn một trăm năm qua. Mặc dù trong thời gian qua với nỗ lực đặt thêm nhiều trạm quan sát trường địa từ trên mặt đất, thông qua các chương trình như: INTERMAGNET, MAGDAS với hơn một trăm đài quan sát nằm rải rác trên khắp thế giới đã được thành lập. Tuy nhiên, tại nhiều vùng trên bề mặt Trái Đất vẫn không có số liệu và các trạm phân bố không đều như tại các đại dương hay vùng có dân cư thưa thớt, đây chính là một hạn chế khi dùng số liệu tại các đài trạm để nghiên cứu về trường địa từ.
Chính vì vậy, vào khoảng những năm 60 của thế kỷ trước đã xuất hiện các dự án quan sát trường từ Trái Đất bằng vệ tinh nhân tạo. Việc một loạt các vệ tinh nghiên cứu về các trường vật lý của Trái Đất ra đời là một cuộc cách mạng lớn để chúng ta nghiên cứu về trường địa từ. Quan sát trường địa từ trên các vệ tinh có quỹ đạo thấp (Low Earth Orbit - LEO) thường cung cấp những số liệu rất quan trọng để giúp chúng ta có cái nhìn tổng quát về trường từ của Trái Đất và các biến đổi của nó trên toàn cầu cũng như cho từng khu vực. Số liệu trường từ thu được trên các vệ tinh thường liên tục trong thời gian dài, bao quát trên toàn cầu và có mật độ dày đặc.
Hơn nữa, việc quan sát trường từ tại một độ cao nhất định sẽ gần với những hệ dòng điện chảy bên ngoài Trái Đất hơn, do vậy sẽ phản ánh chi tiết hơn về những hệ dòng điện này. Trong công trình này chúng tôi sử dụng số liệu trường từ thu được trên vệ tinh CHAMP và kết hợp sử dụng số liệu tại 6 đài địa từ trên bề mặt Trái Đất trong đó có số liệu tại hai đài địa từ của Việt Nam để tiến hành nghiên cứu.1 Một số kết quả nghiên cứu về EEJ ở trong và ngoài nước Trong khi nghiên cứu biến thiên trường từ đều đặn hàng ngày của những ngày trường từ yên tĩnh ghi được tại trạm Huancayo thuộc Peru (gần xích đạo từ), năm 1934 McNish [80] đã phát hiện ra sự lớn bất thường của biên độ biến thiên ngày đêm của thành phần nằm ngang (H). Hiện tượng này cũng được Edegal vào năm 1947 [40] quan sát thấy tại các trạm nằm trong một dải rộng ±50 dọc theo xích đạo từ (Hình 1. Sau đó, vào năm 1951, Chapman [32] đã giải thích sự 8 tăng bất thường của trường từ là do vào ban ngày tại xích đạo từ tồn tại một hệ dòng điện chạy về phía đông trên tầng điện ly và hệ dòng điện này được sinh ra do những bất đồng nhất độ dẫn trong tầng điện ly do tác động của bức xạ Mặt Trời và được đặt tên là dòng điện xích đạo (EEJ).
Sau này, nhờ những quan sát bằng tên lửa và các trạm rada và nhiều số liệu khác đã khẳng định sự tồn tại của hệ thống dòng điện này, với bề dày khoảng 15km và nằm ở độ cao khoảng 105km so với bề mặt Trái Đất [103].1: Vị trí của xích đạo từ và vùng chịu ảnh hưởng mạnh của dòng điện xích đạo trên toàn cầu (Theo Nguyễn Thị Kim Thoa và nnk, [15]). Từ năm Vật lý địa cầu quốc tế 1957-1958, nhiều đài địa từ trên thế giới đã được xây dựng, trong đó có những đài ở vùng vĩ độ thấp và vùng xích đạo ở Nam Mỹ (Peru, Brazil), châu Phi, châu Á trong đó có Ấn Độ và Việt Nam. Sau này, vào những năm 1970 với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, một loạt các vệ tinh nhân tạo chuyên dụng để nghiên cứu về trường địa từ đã được phóng vào quỹ đạo. Những số liệu ghi trường từ trên các vệ tinh đã góp phần nâng cao hiểu biết của chúng ta về trường địa từ nói chung hay dòng điện xích đạo nói riêng.1 Một số kết quả nghiên cứu EEJ trên thế giới Trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về EEJ được công bố dựa trên nhiều loại số liệu khác nhau như: số liệu từ các trạm radar, tên lửa, từ vệ tinh (POGO, Orsted, MAGSAT, CHAMP) và từ các đài địa từ.
Sau đây sẽ trình bày vắn 9 tắt những kết quả nghiên cứu về EEJ đã đạt được từ nhiều nguồn số liệu khác nhau trong thời gian qua trên thế giới. * Nghiên cứu EEJ từ số liệu các đài địa từ Các kết quả nghiên cứu trường từ do hệ dòng EEJ gây ra và các biến đổi của nó theo không gian và thời gian thường được sử dụng nhiều nhất là số liệu địa từ tại các đài trạm trên mặt đất, đó là các băng ghi biến thiên hàng ngày của các thành phần trường địa từ. Với mục đích để nghiên cứu về EEJ, một mạng lưới các trạm đã được thành lập gần đường xích đạo từ tập trung tại một số quốc gia hay khu vực như: Peru, Nigeria, khu vực Trung Phi, Ấn Độ và Brazil. Những kết quả của các nghiên cứu trên đã cung cấp những thông số cơ bản của EEJ tại từng kinh tuyến khác nhau như bề rộng, biên độ, vị trí xích đạo từ….
Tại khu vực châu Mỹ, Forbush [49] đã sử dụng số liệu các thành phần trường từ trong vòng 20 ngày (trường từ yên tĩnh) tại 5 trạm địa từ tại Peru, đã xác định được chiều rộng của EEJ là 660km, độ cao 100km và tìm được vị trí tâm của EEJ trung bình cho vùng kinh tuyến này. Tuy nhiên, do chỉ có đài Huancayo nằm gần xích đạo từ và một trạm nằm ở phía nam của xích đạo từ còn ba đài ở phía bắc thì lại nằm quá xa vùng ảnh hưởng của EEJ, do đó kết quả tính EEJ còn nhiều hạn chế về vị trí tâm của EEJ. Sau đó, ngoài những số liệu này, Onwumechili [84] đã sử dụng thêm số liệu tại các trạm khác trong vùng để nghiên cứu biến thiên hàng ngày của trường địa từ vùng vĩ độ thấp và trung bình cho thấy tại xích đạo từ, biên độ của thành phần H có thể gấp 2 đến 2,5 lần so với vùng vĩ độ trung bình. Trong nghiên cứu của Hesse [59] đã sử dụng số liệu của 29 trạm ghi từ tại Brazil ở cả hai bên của xích đạo từ trong vòng 4 tháng (1990-1991) và chọn ra 16 ngày trường từ yên tĩnh để nghiên cứu về EEJ và đã xác định được ½ bề rộng của EEJ tại khu vực là 403±67km và tâm của EEJ tại vĩ độ 5,50 ± 20S.
Tại Ấn Độ, năm 1976 Rastogi [92-93] đã tìm hiểu về các tính chất của EEJ từ số liệu biến thiên hàng ngày các thành phần H và Z ghi lại tại các trạm Trivandrum, Kodaikanal, Annamalaïnagar và Alibag. Nghiên cứu này cho thấy rằng biến đổi của H tại trạm Trivandrum nằm trong vùng xích đạo liên hệ chặt chẽ với EEJ và cũng thay đổi theo mùa và hoạt tính mặt trời. Tuy nhiên, công bố này sử dụng số liệu ở 10 khu vực Ấn Độ nằm bán cầu bắc, nên không cho thông tin về biên độ trường từ do EEJ gây ra ở phía nam bán cầu. Ở khu vực châu Phi, năm 1976 Fambitakoye và Maynard [43-46] đã sử dụng số liệu tại 9 đài địa từ trong khu vực.
Các số liệu này được đo đạc đồng thời ở cả chín trạm trải dài trên khoảng 3000km dọc theo kinh tuyến 17°E cắt qua xích đạo từ, kéo dài từ tháng 11 năm 1968 đến tháng 3 năm 1970. Từ số liệu trung bình giờ của 171 ngày trường từ yên tĩnh, Fambitakoye đã thành lập các đường cong biến đổi theo thời gian và theo vĩ độ của SR cho các thành phần H, Z và D kéo dài từ 7h30’ đến 16h30’ giờ địa phương và tính ra phần trường từ do EEJ gây ra sau khi trừ đi giá trị trung bình giữa đêm.