Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ địa vật lý với đề tài "Nghiên cứu dòng điện xích đạo (EEJ) từ số liệu vệ tinh CHAMP và từ số liệu mặt đất ở khu vực Việt Nam và các vùng lân cận" do nghiên cứu sinh Lê Trường Thanh thực hiện, tập trung giải quyết các bài toán về cấu trúc, động lực học của hệ dòng điện xích đạo (Equatorial Electrojet - EEJ) và mô hình hóa trường từ bình thường (TTBT) cùng dị thường từ tại khu vực Việt Nam và vùng lân cận.
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Hệ dòng điện xích đạo (EEJ) là một dải dòng điện hẹp chạy theo hướng Tây - Đông trong tầng điện ly ở độ cao khoảng 105 km tại khu vực xích đạo từ vào ban ngày. Mặc dù chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng thể trường từ quan sát được, EEJ gây ra những biến thiên cục bộ có biên độ lớn, có thể lên tới hàng trăm nanoTesla (nT) tại các vùng vĩ độ thấp và cận xích đạo như Việt Nam.
Trước đây, việc nghiên cứu EEJ chủ yếu phụ thuộc vào chuỗi số liệu từ các trạm quan sát địa từ trên mặt đất với mạng lưới phân bố thưa thớt, không đồng đều giữa đất liền và đại dương. Các nghiên cứu quốc tế trước đó sử dụng số liệu vệ tinh quỹ đạo thấp (như POGO, MAGSAT, Ørsted) thường bị hạn chế do quỹ đạo bay quá cao, thời gian hoạt động ngắn hoặc quỹ đạo không cắt qua xích đạo từ vào giữa trưa địa phương. Công trình của Doumouya và cộng sự (2004) khi xử lý số liệu vệ tinh CHAMP trong hai tháng (tháng 8 và tháng 9 năm 2001) đã phát hiện mật độ dòng EEJ đạt cực đại tại kinh tuyến $105^\circ\text{E}$ đi qua lãnh thổ Việt Nam. Tuy nhiên, chuỗi số liệu hai tháng là quá ngắn để phản ánh các biến thiên chu kỳ dài (theo mùa, theo hoạt động Mặt Trời), đồng thời năm 2001 là đỉnh chu kỳ hoạt động Mặt Trời khiến việc tách trường gặp nhiều sai số do nhiễu từ quyển.
Về phương diện từ trường bình thường, từ sau tập bản đồ TTBT niên đại 2003.5 do Hà Duyên Châu thành lập năm 2003 dựa trên phương pháp đa thức bậc hai tại 58 điểm đo lặp mặt đất, Việt Nam chưa triển khai thêm đợt đo lặp hay công bố mô hình TTBT mới. Phương pháp đa thức bậc hai truyền thống bộc lộ hạn chế khi ngoại suy trên phạm vi không gian rộng và hoàn toàn thiếu số liệu quan sát trên vùng biển, thềm lục địa. Luận án đã khai thác số liệu trường từ ban ngày của vệ tinh CHAMP kết hợp đài địa từ mặt đất trong 6 năm (2002–2007) để nghiên cứu EEJ, đồng thời tận dụng số liệu CHAMP ban đêm để tính toán mô hình TTBT và dị thường từ cho khu vực Việt Nam và lân cận bằng phương pháp phân tích điều hòa chỏm cầu (SCHA).
Mục tiêu nghiên cứu
- Sử dụng chuỗi số liệu trường từ thu được trên vệ tinh CHAMP cùng số liệu tại các đài địa từ để nghiên cứu các đặc trưng cơ bản của EEJ, so sánh kết quả tính toán giữa số liệu vệ tinh và số liệu mặt đất.
- Xây dựng mô hình thực nghiệm (mô hình 3EM) để biểu diễn định lượng sự biến đổi của EEJ theo kinh độ, vĩ độ và thời gian địa phương trên quy mô toàn cầu.
- Nghiên cứu và áp dụng phương pháp phân tích điều hòa chỏm cầu (Spherical Cap Harmonic Analysis - SCHA) để tính toán trường từ bình thường và trường dị thường từ cho khu vực Việt Nam và vùng lân cận niên đại 2007.0.
Nhiệm vụ nghiên cứu
- Thu thập, chuẩn hóa và xử lý chuỗi số liệu trường từ liên tục 6 năm (2002–2007) từ vệ tinh CHAMP và số liệu trung bình giờ của 6 đài địa từ mặt đất đại diện cho ba khu vực kinh tuyến trên thế giới.
- Phát triển thuật toán tách trường từ do EEJ gây ra từ số liệu trường dư vệ tinh CHAMP bằng đa thức có bậc biến đổi thay vì bậc cố định; xác định các thông số vật lý của EEJ (biên độ trường $\Delta F$, mật độ dòng đỉnh $j_0$, nửa bề rộng $a$, vị trí tâm dòng điện) và phân tích quy luật biến thiên theo không gian, thời gian, mùa và chu kỳ vết đen Mặt Trời.
- Ứng dụng mô hình thực nghiệm 3EM mô phỏng các thành phần trường từ do EEJ gây ra và kiểm chứng với số liệu quan sát thực tế từ CHAMP.
- Xây dựng cơ sở lý thuyết, thuật toán và chương trình tính toán phương pháp phân tích điều hòa chỏm cầu SCHA để phân tách nguồn trường bên trong và bên ngoài Trái Đất.
- Thiết lập tập bản đồ TTBT gồm 7 thành phần từ trường ($F, H, X, Y, Z, D, I$) niên đại 2007.0 và bản đồ các thành phần dị thường từ khu vực Việt Nam và lân cận từ số liệu CHAMP.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ dòng điện xích đạo (EEJ) trên quy mô toàn cầu và kinh tuyến qua Việt Nam; trường từ bình thường và trường dị thường từ khu vực Việt Nam và lân cận.
- Phạm vi thời gian: Chuỗi số liệu nghiên cứu EEJ kéo dài 6 năm liên tục từ năm 2002 đến năm 2007; mô hình TTBT và dị thường từ được xác lập cho niên đại 2007.0 (sử dụng số liệu 4 tháng đầu năm 2007).
- Phạm vi không gian: Nghiên cứu EEJ trên phạm vi toàn cầu dọc theo dải xích đạo từ; nghiên cứu TTBT và dị thường từ giới hạn trong khu vực chỏm cầu bao trùm lãnh thổ, lãnh hải Việt Nam và các vùng lân cận.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Lịch sử nghiên cứu trường địa từ và dòng điện xích đạo (EEJ)
Hiện tượng tăng cao bất thường của biên độ biến thiên ngày đêm thành phần nằm ngang ($H$) tại trạm địa từ Huancayo (Peru) được McNish ghi nhận lần đầu tiên vào năm 1934. Năm 1947, Egedal khẳng định hiện tượng này xuất hiện tại các trạm nằm trong dải hẹp $\pm 5^\circ$ dọc theo xích đạo từ. Đến năm 1951, Chapman đưa ra cơ chế vật lý giải thích hiện tượng này là do sự tồn tại của hệ dòng điện chảy về phía Đông trong tầng điện ly vào ban ngày, sinh ra bởi sự bất đồng nhất độ dẫn điện dưới tác động bức xạ Mặt Trời, và đặt tên là Equatorial Electrojet (EEJ).
| Tác giả / Năm |
Nguồn dữ liệu sử dụng |
Phát hiện và kết quả chính |
| Forbush (1961) |
5 trạm địa từ tại Peru (20 ngày yên tĩnh) |
Xác định bề rộng EEJ là 660 km, độ cao 100 km, xác định tâm EEJ khu vực Nam Mỹ. |
| Onwumechili (1967) |
Các đài địa từ vùng vĩ độ thấp |
Biên độ thành phần $H$ tại xích đạo từ lớn gấp 2 đến 2,5 lần so với vùng vĩ độ trung bình. |
| Fambitakoye & Mayaud (1976) |
9 đài địa từ dọc kinh tuyến $17^\circ\text{E}$ (Trung Phi), 171 ngày yên tĩnh (1968–1970) |
Nửa bề rộng $a$ đạt cực đại 486 km vào giữa trưa (12h30 LT), thu hẹp về 291 km lúc 16h30 LT; mật độ dòng tại tâm $j_0$ đạt cực đại 145 A/km lúc 11h30 LT; $a$ và $j_0$ cực đại vào phân điểm và mùa hè, cực tiểu vào mùa đông. |
| Rastogi (1976) |
Các trạm Trivandrum, Kodaikanal, Annamalainagar, Alibag (Ấn Độ) |
Biến thiên thành phần $H$ liên hệ chặt chẽ với EEJ, phụ thuộc mùa và chu kỳ hoạt động Mặt Trời. |
| Hesse (1990–1991) |
29 trạm ghi từ tại Brazil (16 ngày yên tĩnh) |
Xác định nửa bề rộng EEJ là $403 \pm 67\text{ km}$, vị trí tâm dòng điện tại vĩ độ $5,5^\circ \pm 2^\circ\text{S}$. |
| Doumouya và nnk (1998) |
10 trạm địa từ tại Tây Phi (kinh tuyến $5^\circ\text{W}$, năm 1993) |
Thành phần $H$ đạt cực đại 125 nT lúc 12h15 LT, thành phần $Z$ có cực trị $+40\text{ nT}$ (bắc) và $-50\text{ nT}$ (nam), nửa bề rộng $303 \pm 29\text{ km}$, mật độ dòng $j_0 = 232\text{ A/km}$. |
| Cain & Sweeney (1972), Onwumechili (1977) |
Vệ tinh POGO (chuỗi ~2.000 lát cắt) |
Nửa bề rộng EEJ là $235 \pm 14\text{ km}$, mật độ dòng $232 \pm 63\text{ A/km}$, phát hiện một cực đại EEJ tại kinh tuyến $100^\circ\text{E}$. |
| Kim và nnk (1999) |
Vệ tinh POGO (57 lát cắt toàn cầu) |
Cường độ trường do EEJ gây ra tại độ cao vệ tinh đạt từ 5–15 nT, cực đại tại kinh tuyến $60^\circ\text{W}$. |
| Cohen (1984), Langel (1985), Yanagisawa (1985) |
Vệ tinh MAGSAT |
Ghi nhận ảnh hưởng trên thành phần $X, Z$; phát hiện dòng ngược xích đạo (chảy Đông - Tây) vào sáng sớm và chiều tối. |
| Jadhav và nnk (2002) |
Vệ tinh Ørsted (1999–2000) |
Mật độ dòng $j_0$ biến thiên từ 80–240 A/km theo kinh độ, ghi nhận cực đại tại kinh tuyến $135^\circ\text{E}$. |
| Doumouya và nnk (2004) |
Vệ tinh CHAMP (tháng 8–9/2001) |
Biên độ trường do EEJ gây ra từ 20–60 nT; phát hiện cấu trúc 4 đỉnh cực đại toàn cầu, đỉnh lớn nhất tại kinh tuyến $105^\circ\text{E}$. |
| Lühr và nnk (2004) |
Vệ tinh CHAMP (2000–2004) |
Mật độ dòng $j_0$ trung bình đạt 150 A/km; cực đại tại $60^\circ\text{W}$ và $100^\circ\text{E}$, cực tiểu tại $40^\circ\text{E}$. |
| Alken và Maus (2007) |
Tổ hợp vệ tinh CHAMP, SAC-C, Ørsted (1999–2006) |
Biên độ EEJ trên CHAMP lớn nhất (10–45 nT), SAC-C nhỏ nhất (0–18 nT); xác nhận cấu trúc 4 đỉnh toàn cầu, so sánh với mô hình sóng triều khí quyển GSWM-02. |
Tại Việt Nam, các nghiên cứu về EEJ và biến thiên từ trường được triển khai dựa trên mạng lưới trài trạm mặt đất:
- Đặng Văn Hưng (1985) thiết lập các mô hình biểu diễn dòng đơn giản (dòng thẳng, băng dòng đồng nhất, băng dòng Gauss) và phân tích ảnh hưởng của EEJ đến minh giải số liệu từ tellua.
- Trương Quang Hảo (1987) sử dụng thành phần thẳng đứng $Z=0$ để xác định vị trí xích đạo từ qua các năm 1978, 1985, 1988, 1990 tại các vĩ độ $8^\circ 50'$, $8^\circ 39'$, $8^\circ 35'$, $8^\circ 32'$, chỉ ra tốc độ dịch chuyển về phía Nam trung bình 4 km/năm.
- Nguyễn Thị Kim Thoa và cộng sự (1990, 1992) phân tích biến thiên ngày đêm thành phần $H$, ghi nhận biên độ tại Đà Lạt là 55 nT và tại Cái Nước (gần tâm EEJ) đạt xấp xỉ 100 nT.
- Lương Văn Trương (1990) sử dụng số liệu 10 trạm tại Việt Nam và Ấn Độ xác định nửa bề rộng EEJ là $413 \pm 49\text{ km}$, mật độ dòng cực đại 152 A/km, trục EEJ dịch chuyển Bắc - Nam với tốc độ 5–30 km/h.
Nghiên cứu trường từ bình thường và phương pháp SCHA
Tại Việt Nam, các mô hình TTBT trước đây bao gồm:
- Niên đại 1961.0 do Tổng cục Địa chất lập cho thành phần $Z, F$ miền Bắc.
- Niên đại 1970 do Nguyễn San thành lập từ 70 điểm đo tuyệt đối.
- Niên đại 1973.0 do Lê Minh Triết và cộng sự (1974) lập từ 69 điểm đo bằng đa thức bậc 2 với sai số $\pm 25\text{ nT}$; sau đó được Hà Duyên Châu (1979) hiệu chỉnh lọc dị thường lớn.
- Niên đại 1975.5 do Phạm Văn Thục, Trương Quang Hảo công bố cho 5 thành phần ($F, H, Z, D, I$) từ gần 300 điểm đo từ kế proton.
- Niên đại 1980 do Nguyễn Văn Giảng (1988) tính từ số liệu vệ tinh MAGSAT bằng phân tích điều hòa cầu (Spherical Harmonic Analysis - SHA) bậc $n=m=13$, sai số tổng hợp $\pm 60\text{ nT}$.
- Niên đại 1991.5 (Nguyễn Thị Kim Thoa và nnk, 1992) dựa trên 56 điểm đo chuẩn với sai số $\sigma_F = 9\text{ nT}$, $\sigma_H = 9\text{ nT}$, $\sigma_Z = 4\text{ nT}$; các niên đại đo lặp 1997.5 và 2003.5 (Hà Duyên Châu) trên mạng lưới 58 điểm đo lặp mặt đất.
Phương pháp phân tích điều hòa chỏm cầu (SCHA) do Haines đề xuất năm 1985 giải quyết bài toán biên trên chỏm cầu hình học, cho phép mô hình hóa trường từ khu vực trên các độ cao khác nhau mà không cần dữ liệu toàn cầu. Các công trình của Haines (1985, Canada, $\theta_0=30^\circ$, $K_{\max}=16$), De Santis (1989, Italy), Duka (1998, Italy), Kotzé (2001, Nam Mỹ, $\theta_0=20^\circ$, $K_{\max}=8$), Gu (2006, Trung Quốc, 170 điểm đo, $K_{\max}=8$, sai số $\sigma_X=84,6\text{ nT}, \sigma_Y=71,4\text{ nT}, \sigma_Z=95,2\text{ nT}$), Thébault (2006, Pháp) và Zhi (2011, Philippines) đã chứng minh tính hiệu quả vượt trội của SCHA so với phương pháp đa thức truyền thống.
Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết
- Khắc phục hạn chế về độ dài và độ bao phủ của chuỗi số liệu vệ tinh: Luận án sử dụng chuỗi 6 năm liên tục (2002–2007) của vệ tinh CHAMP kết hợp đồng bộ với 6 đài địa từ mặt đất, giúp làm sáng tỏ các quy luật biến thiên không gian - thời gian, biến thiên theo mùa và chu kỳ hoạt động Mặt Trời của EEJ.
- Kiểm chứng và khẳng định tính chất dị thường cực đại của mật độ dòng EEJ tại khu vực kinh tuyến qua Việt Nam ($105^\circ\text{E}$).
- Giải quyết khoảng trống hơn 10 năm không có bản đồ TTBT tại Việt Nam: Ứng dụng phương pháp SCHA với số liệu CHAMP ban đêm để xây dựng bản đồ TTBT và dị thường từ niên đại 2007.0 bao phủ hoàn chỉnh cả đất liền và vùng biển thềm lục địa Việt Nam.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết vật lý địa từ và tầng điện ly
-
Độ dẫn điện tầng điện ly: Dưới tác động của bức xạ tử ngoại và tia X từ Mặt Trời, các phân tử khí trong tầng điện ly (độ cao 60–1.500 km) bị ion hóa tạo ra môi trường plasma. Tại lớp E (độ cao 90–150 km), chuyển động của các hạt tích điện chịu sự chi phối của điện trường $\mathbf{E}$, từ trường Trái Đất $\mathbf{B}$ và va chạm với các hạt trung hòa. Tensor độ dẫn điện bao gồm:
- Độ dẫn dọc (song song với đường sức từ): $\sigma_{//}$
- Độ dẫn Pedersen (cùng hướng với điện trường vuông góc $\mathbf{B}$): $\sigma_P$
- Độ dẫn Hall (vuông góc với cả $\mathbf{E}$ và $\mathbf{B}$): $\sigma_H$
- Tại vùng xích đạo từ, đường sức từ nằm ngang ($I=0^\circ$), sự tích tụ điện tích tạo nên điện trường phân cực thẳng đứng hướng lên, sinh ra dòng Hall bổ sung theo phương ngang, dẫn đến độ dẫn Cowling:
$$\sigma_C = \sigma_P + \frac{\sigma_H^2}{\sigma_P}$$
Độ dẫn Cowling $\sigma_C$ tại lớp E tăng vọt gấp nhiều lần so với $\sigma_P$, tạo điều kiện hình thành dải dòng điện xích đạo EEJ có cường độ cao chảy về phía Đông.
-
Mô hình thực nghiệm biểu diễn EEJ (Mô hình 3EM):
Mật độ dòng EEJ được mô hình hóa theo hàm phụ thuộc không gian và thời gian:
$$j(x, \lambda, t) = j_0(\lambda) \cdot j(x) \cdot G(t)$$
Trong đó:
- $j(x)$ là hàm phân bố theo vĩ độ (khoảng cách $x$ tính từ tâm EEJ), biểu diễn dưới dạng phân bố parabol bậc $m=2$ hoặc $m=4$ (theo Fambitakoye và Mayaud):
$$j(x) = \left[1 - \left(\frac{x - x_0}{a}\right)^2\right]^m$$
với $a$ là nửa bề rộng dòng điện, $x_0$ là vị trí tâm EEJ.
- $G(t)$ là hàm biến thiên theo thời gian địa phương $t$, đạt cực đại tại thời điểm giữa trưa địa phương $t_m \approx 11\text{h}30 - 12\text{h}00\text{ LT}$ trong khoảng thời gian ban ngày $T=12\text{ giờ}$:
$$G(t) = \cos^2\left(\frac{\pi (t - t_m)}{T}\right)$$
- $j_0(\lambda)$ là mật độ dòng cực đại tại tâm phụ thuộc vào kinh độ $\lambda$.
- Phương pháp phân tích điều hòa chỏm cầu (SCHA):
Thế vị từ $V$ thỏa mãn phương trình Laplace $\nabla^2 V = 0$ trên một chỏm cầu bán kính góc $\theta_0$. Nghiệm của phương trình được khai triển thành chuỗi các hàm Legendre liên kết bậc thực $n_k(m)$:
$$V(r, \theta, \lambda) = a_E \sum_{m=0}^{M} \sum_{k=m}^{K_{\max}} \left[ \left(\frac{a_E}{r}\right)^{n_k(m)+1} g_k^{mi} + \left(\frac{r}{a_E}\right)^{n_k(m)} g_k^{me} \right] P_{n_k(m)}^m(\cos\theta) \cos(m\lambda)$$
$$+ a_E \sum_{m=1}^{M} \sum_{k=m}^{K_{\max}} \left[ \left(\frac{a_E}{r}\right)^{n_k(m)+1} h_k^{mi} + \left(\frac{r}{a_E}\right)^{n_k(m)} h_k^{me} \right] P_{n_k(m)}^m(\cos\theta) \sin(m\lambda)$$
Trong đó $a_E = 6.371,2\text{ km}$ là bán kính Trái Đất chuẩn; $g_k^{mi}, h_k^{mi}$ là các hệ số Gauss của nguồn trường bên trong (vỏ và nhân Trái Đất); $g_k^{me}, h_k^{me}$ là các hệ số Gauss của nguồn trường bên ngoài (tầng điện ly và từ quyển); $n_k(m)$ là bậc thực không nguyên, được xác định từ điều kiện biên tại biên chỏm cầu $\theta_0$:
$$P_{n_k(m)}^m(\cos\theta_0) = 0 \quad \text{hoặc} \quad \frac{d P_{n_k(m)}^m(\cos\theta_0)}{d\theta} = 0$$
Các thành phần vector trường địa từ được tính từ gradient của thế vị:
$$X = \frac{1}{r} \frac{\partial V}{\partial \theta}, \quad Y = -\frac{1}{r \sin\theta} \frac{\partial V}{\partial \lambda}, \quad Z = \frac{\partial V}{\partial r}$$
Nguồn tư liệu và kỹ thuật phân tích
- Dữ liệu vệ tinh CHAMP:
- Do Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Đức (GFZ) cung cấp qua Trung tâm ISDC trong khuôn khổ hợp tác giữa Viện Vật lý Địa cầu Hà Nội và Viện Vật lý Địa cầu Paris (IPGP).
- Sử dụng số liệu Mức 3 (Level 3) đã hiệu chỉnh tọa độ địa lý, độ cao và hệ quy chiếu NEC (North-East-Center).
- Chuỗi dữ liệu: Trường tổng $F$ đo bằng từ kế Overhauser (OVM) từ tháng 7/2001 đến tháng 12/2007 (tần số 1 Hz, dải đo 18.000–65.000 nT, sai số tuyệt đối $\pm 0,5\text{ nT}$); Vector 3 thành phần $X, Y, Z$ đo bằng từ kế Fluxgate (FGM) từ tháng 1/2006 đến tháng 12/2007 (tần số 50 Hz, nén lấy mẫu 1 giây, sai số $\pm 1\text{ nT}$).
- Độ cao vệ tinh suy giảm theo thời gian: từ 454 km (năm 2001) xuống 348 km (năm 2007), góc nghiêng quỹ đạo $87,3^\circ$, chu kỳ $93,55\text{ phút/vòng}$ (~15,5 vòng/ngày).
- Dữ liệu đài địa từ mặt đất:
- 6 đài quan sát thuộc mạng lưới INTERMAGNET và MAGDAS: Bạc Liêu (BCL), Phú Thụy (PHU) thuộc Việt Nam; Addis Ababa (AAE, Ethiopia), Qsaybeh (QSB, Lebanon) thuộc Châu Phi; Huancayo (HUA, Peru), Fuquene (FUQ, Colombia) thuộc Châu Mỹ.
- Lựa chọn các ngày địa từ yên tĩnh: chỉ số hoạt tính $Kp \le 3^+$ và $am < 20\text{ nT}$, loại trừ các ngày bão từ và dư chấn bão từ.
- Kỹ thuật xử lý và phần mềm:
- Lập trình tính toán các thuật toán SCHA, mô hình 3EM, ma trận nghịch đảo bình phương tối thiểu và chuyển đổi tọa độ trên ngôn ngữ Visual Fortran 5.0.
- Thư viện đọc định dạng chuẩn CDF (Common Data Format) của NASA.
- Sử dụng mô hình trường chính IGRF và POMME 3.0 để tách trường lõi; mô hình trường toàn cầu CM4 để đánh giá trường biến thiên tĩnh ngày đêm $Sq$.
- Biểu diễn và thành lập bản đồ bằng phần mềm đồ họa Gnuplot 4.0 và các công cụ bổ trợ.
Nội dung chính theo từng chương
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU DÒNG ĐIỆN XÍCH ĐẠO, TỪ TRƯỜNG BÌNH THƯỜNG VÀ SỐ LIỆU NGHIÊN CỨU
Chương 1 hệ thống hóa các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về EEJ trên thế giới và tại Việt Nam từ đầu thế kỷ 20 đến nay. Tác giả phân tích ưu thế và hạn chế của các phương pháp quan sát địa từ: từ trạm mặt đất (mạng INTERMAGNET, MAGDAS), tên lửa khí tượng, radar tầng điện ly (VHF, HF) đến các vệ tinh quỹ đạo thấp. Chương này làm rõ cấu trúc kỹ thuật của vệ tinh CHAMP, bao gồm từ kế Fluxgate FGM 3 trục và từ kế cộng hưởng từ proton Overhauser OVM, quy trình xử lý dữ liệu từ Mức 0 đến Mức 4 tại trung tâm Neustrelitz và Weilheim (Đức). Đồng thời, tác giả tổng hợp lịch sử đo đạc, xây dựng các bản đồ TTBT tại Việt Nam qua các thời kỳ (1961, 1970, 1973, 1975.5, 1980, 1991.5, 1997.5 và 2003.5), chứng minh tính cấp thiết của việc áp dụng phương pháp phân tích điều hòa chỏm cầu SCHA với dữ liệu vệ tinh CHAMP.
CHƯƠNG 2: SỰ HÌNH THÀNH DÒNG ĐIỆN XÍCH ĐẠO VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐIỀU HÒA CHỎM CẦU
Chương 2 trình bày cơ sở vật lý của độ dẫn điện tầng điện ly tại vùng vĩ độ thấp, phân tích cơ chế hình thành hiệu ứng Cowling và dải dòng điện EEJ ở độ cao xấp xỉ 105 km. Tác giả thiết lập hệ phương trình toán học của mô hình thực nghiệm 3EM tích hợp hàm phân bố vĩ độ $j(x)$ (dạng parabol với tham số $a, x_0$), hàm biến thiên ngày đêm $G(t)$ và hàm mật độ dòng cực đại $j_0(\lambda)$. Phần thứ hai của chương xây dựng chi tiết cơ sở toán học của phương pháp phân tích điều hòa chỏm cầu SCHA: quy trình xác định bậc thực không nguyên $n_k(m)$ của đa thức Legendre liên kết $P_{n_k}^m(\cos\theta)$ với góc mở chỏm cầu $\theta_0 = 40^\circ$, phương pháp nghịch đảo ma trận số liệu bằng thuật toán bình phương tối thiểu có trọng số để tách biệt hoàn toàn hệ số thế vị nguồn trong ($g_k^{mi}, h_k^{mi}$) và nguồn ngoài ($g_k^{me}, h_k^{me}$).
CHƯƠNG 3: DÒNG ĐIỆN XÍCH ĐẠO TỪ SỐ LIỆU VỆ TINH CHAMP VÀ TỪ CÁC ĐÀI ĐỊA TỪ
Chương 3 trình bày phương pháp luận và kết quả thực nghiệm tách trường từ do EEJ gây ra từ số liệu CHAMP:
- Thuật toán tách trường: Từ số liệu ban ngày, trừ đi trường chính của Trái Đất (sử dụng mô hình POMME 3.0), lọc nhiễu chu kỳ nhỏ bằng đa thức bậc 60, sau đó xấp xỉ trường dư bằng đa thức bậc biến đổi từ bậc 6 đến bậc 18 (xác định bậc tối ưu $N=12$) để tách trường biến thiên tĩnh $Sq$ và trích xuất thành phần do EEJ gây ra ($\Delta F$).
- Đặc trưng không gian và mật độ dòng: Phân tích toàn bộ các lát cắt quỹ đạo vệ tinh giai đoạn 2002–2007 chỉ ra rằng biên độ trường EEJ ($\Delta F$) biến thiên từ 10–45 nT ở độ cao vệ tinh. Mật độ dòng điện đỉnh $j_0$ đạt trung bình khoảng 150 A/km. Trên quy mô toàn cầu tồn tại cấu trúc 4 đỉnh cực đại của $j_0$, trong đó đỉnh cực đại lớn nhất nằm tại khu vực kinh tuyến Đông Nam Á qua Việt Nam ($105^\circ\text{E}$), vượt trội so với các đỉnh tại Nam Mỹ ($60^\circ\text{W}$), Trung Phi và Thái Bình Dương.
- So sánh với số liệu đài địa từ mặt đất: Sử dụng 3 cặp đài chuẩn (BCL - PHU, HUA - FUQ, AAE - QSB) để tính trường $H_{EEJ} = \Delta H_{\text{xích đạo}} - \Delta H_{\text{chuẩn}}$ và mật độ dòng $j_0$. Kết quả tính toán từ CHAMP có độ tương quan chặt chẽ với số liệu trạm mặt đất, sai số độ lệch bình phương trung bình RMS giữa hai phương pháp đạt mức thấp.
- Quy luật biến thiên thời gian:
- Biến thiên theo mùa: Cả dữ liệu CHAMP và đài địa từ đều thể hiện rõ cực đại mật độ dòng $j_0$ vào các tháng phân điểm (xuân phân tháng 3–4 và thu phân tháng 9–10), cực tiểu vào mùa đông (tháng 11–12).
- Biến thiên theo hoạt động Mặt Trời: Mật độ dòng $j_0$ suy giảm tuyến tính theo sự suy giảm của số lượng vết đen Mặt Trời trung bình tháng từ năm 2002 (giai đoạn hoạt động mạnh) đến năm 2007 (giai đoạn cực tiểu).
- Mô hình hóa: Ứng dụng mô hình 3EM tính toán các thành phần trường $\Delta H, \Delta Z, \Delta F$, cho kết quả khớp với dữ liệu quan sát thực tế trên vệ tinh CHAMP.
CHƯƠNG 4: TRƯỜNG TỪ BÌNH THƯỜNG KHU VỰC VIỆT NAM VÀ LÂN CẬN TỪ SỐ LIỆU VỆ TINH CHAMP
Chương 4 áp dụng phương pháp SCHA để xây dựng mô hình trường từ bình thường và dị thường từ cho khu vực Việt Nam và lân cận:
- Lựa chọn dữ liệu và xử lý: Lựa chọn số liệu ban đêm (từ 22h00 đến 05h00 LT) trong 4 tháng đầu năm 2007 của vệ tinh CHAMP (độ cao ~350 km) nhằm loại bỏ hoàn toàn ảnh hưởng của EEJ và trường dòng điện cảm ứng ban ngày.
- Xác lập mô hình SCHA: Chọn tâm chỏm cầu tại khu vực Việt Nam, góc mở chỏm cầu $\theta_0 = 40^\circ$. Đánh giá sai số RMS với các bậc khai triển nguồn trong $K_{int}$ khác nhau từ 1 đến 8; xác định bậc tối ưu cho khu vực là $K_{int} = 4$ tương ứng với việc mô tả các bước sóng trường từ kích thước trung bình và lớn của vỏ Trái Đất.
- Thành lập tập bản đồ TTBT niên đại 2007.0: Tính toán và vẽ các bản đồ đẳng trị cho 7 thành phần từ trường: trường tổng $F$ (khoảng cách đường đẳng trị 500 nT), thành phần nằm ngang $H$ (500 nT), thành phần hướng Bắc $X$ (500 nT), thành phần hướng Đông $Y$ (250 nT), thành phần thẳng đứng $Z$ (500 nT), độ từ thiên $D$ ($0,2^\circ$), và độ từ khuynh $I$ ($5^\circ$).
- Đánh giá sai số và so sánh quốc tế: So sánh kết quả mô hình SCHA với mô hình trường chuẩn toàn cầu IGRF 2007.0, độ chênh lệch cường độ trường toàn phần $\Delta F_{DL}$ tại bề mặt đất nằm trong giới hạn sai số cho phép.
- Thành lập bản đồ dị thường từ: Thực hiện phép trừ trường TTBT mô hình SCHA khỏi trường quan sát thực tế để thu được tập bản đồ dị thường từ của 4 thành phần ($\Delta X_a, \Delta Y_a, \Delta Z_a, \Delta F_a$), phản ánh cấu trúc từ tính của thạch quyển và các đới kiến tạo khu vực Đông Nam Á.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về khoa học và lý luận
- Khẳng định dị thường cực đại của EEJ tại khu vực kinh tuyến qua Việt Nam: Luận án là công trình đầu tiên tại Việt Nam sử dụng chuỗi số liệu vệ tinh CHAMP kéo dài 6 năm (2002–2007) đồng bộ với mạng lưới trạm địa từ mặt đất quốc tế và trong nước để khẳng định mật độ dòng EEJ tại khu vực Đông Nam Á (kinh tuyến $105^\circ\text{E}$) đạt giá trị cực đại trên quy mô toàn cầu.
- Cải tiến phương pháp tách trường EEJ từ số liệu vệ tinh: Xây dựng quy trình phân tách trường EEJ bằng phương pháp xấp xỉ đa thức bậc biến đổi (bậc từ 6 đến 18, tối ưu bậc 12) trên từng lát cắt quỹ đạo, loại bỏ hiện tượng méo dạng trường do áp đặt bậc đa thức cố định.
- Ứng dụng thành công phương pháp phân tích điều hòa chỏm cầu (SCHA): Lần đầu tiên nghiên cứu, lập trình hoàn chỉnh thuật toán và ứng dụng phương pháp SCHA tại Việt Nam để mô hình hóa trường từ khu vực từ số liệu vệ tinh quỹ đạo thấp, tách biệt chính xác nguồn trường nội sinh và ngoại sinh.
Đóng góp mới về thực tiễn và ứng dụng
- Xây dựng tập bản đồ TTBT niên đại 2007.0 hoàn chỉnh: Cung cấp tập bản đồ số hóa 7 thành phần trường địa từ ($F, H, X, Y, Z, D, I$) bao trùm toàn bộ diện tích đất liền, vùng biển đặc quyền kinh tế và thềm lục địa Việt Nam cùng các nước lân cận.
- Thành lập tập bản đồ dị thường từ khu vực: Bản đồ các thành phần dị thường $\Delta X_a, \Delta Y_a, \Delta Z_a, \Delta F_a$ niên đại 2007.0 cung cấp tài liệu phục vụ minh giải cấu trúc địa chất sâu, khoanh vùng cấu trúc kiến tạo móng và định hướng tìm kiếm khoáng sản có từ tính.
- Phục vụ hiệu chỉnh đo đạc địa vật lý và định vị: Số liệu định lượng về biên độ, pha và quy luật biến thiên của EEJ cung cấp cơ sở hiệu chỉnh ảnh hưởng của dòng điện tầng điện ly trong các phương pháp thăm dò từ tellua, đo lặp từ trường mặt đất, khảo sát từ hàng không - từ biển và hỗ trợ hiệu chỉnh độ trễ tầng điện ly trong hệ thống định vị vệ tinh GPS/GNSS.
Kiến nghị và giải pháp đề xuất
- Kiến nghị tiếp tục duy trì và nâng cấp các trạm quan sát địa từ mặt đất tại Việt Nam (Bạc Liêu, Phú Thụy, Đà Lạt) đạt chuẩn quốc tế INTERMAGNET để cung cấp chuỗi dữ liệu liên tục cho các nghiên cứu biến thiên thế kỷ.
- Đề xuất mở rộng ứng dụng phương pháp SCHA trên nguồn dữ liệu từ chùm vệ tinh thế hệ mới SWARM của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) để cập nhật các bản đồ TTBT cho các niên đại tiếp theo với độ phân giải không gian cao hơn.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế được ghi nhận trong văn bản
- Số liệu trạm địa từ Bạc Liêu trong năm 2007 bị gián đoạn do sự cố thiết bị kỹ thuật, làm ảnh hưởng đến tính liên tục của chuỗi so sánh mặt đất - vệ tinh riêng cho năm 2007 tại đài này.
- Độ cao bay của vệ tinh CHAMP giảm dần từ 454 km xuống 348 km trong giai đoạn 2001–2007; sự thay đổi độ cao giữa các năm đòi hỏi phải chuẩn hóa quy đổi về mặt đẳng cao khi phân tích biến thiên dài hạn.
- Mô hình TTBT SCHA niên đại 2007.0 được xây dựng dựa trên số liệu vệ tinh ban đêm giai đoạn 4 tháng đầu năm 2007, chưa tích hợp trực tiếp số liệu đo lặp từ kế mặt đất phân bố dày đặc trên toàn quốc tại cùng niên đại do thiếu các chiến dịch đo đạc thực địa.
Hướng nghiên cứu tiếp
- Khai thác dữ liệu từ các chùm vệ tinh đa quỹ đạo (như SWARM) kết hợp số liệu mạng lưới quan sát địa từ mặt đất để nâng cao bậc khai triển SCHA, từ đó trích xuất chi tiết hơn các dải dị thường từ thạch quyển có bước sóng ngắn.
- Nghiên cứu cơ chế tương tác giữa sóng triều khí quyển, gió trung hòa và mật độ ion hóa tầng điện ly nhằm xây dựng mô hình vật lý dự báo chính xác biên độ và vị trí tâm EEJ theo thời gian thực tại khu vực Đông Nam Á.
Giá trị tham khảo
- Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Địa vật lý, Vật lý Địa cầu, Vật lý Khí quyển và Không gian: Luận án cung cấp hệ thống cơ sở lý thuyết về điện động lực học tầng điện ly vùng xích đạo, phương pháp toán học giải bài toán biên phân tích điều hòa chỏm cầu (SCHA), và thuật toán xử lý dữ liệu từ kế vệ tinh. Các thuật toán lập trình bằng Fortran và kỹ thuật nghịch đảo số liệu là tài liệu tham khảo trong đào tạo và nghiên cứu chuyên sâu.
- Đối với các cơ quan khảo sát địa chất, dầu khí và khoáng sản (Tổng cục Địa chất và Khoáng sản, Viện Dầu khí Việt Nam): Bản đồ TTBT niên đại 2007.0 và bản đồ dị thường từ các thành phần là tài liệu chuẩn phục vụ việc loại bỏ trường bình thường trong xử lý tài liệu từ hàng không, từ biển, phục vụ lập bản đồ địa chất và tìm kiếm khoáng sản.
- Đối với các cơ quan đo đạc hàng hải, hàng không và quốc phòng: Các bảng số liệu và bản đồ độ từ thiên ($D$), độ từ khuynh ($I$) cung cấp thông số chuẩn xác cho việc hiệu chỉnh la bàn dẫn đường và các thiết bị định vị từ tính trên vùng biển và vùng trời Việt Nam.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao mật độ dòng EEJ tại kinh tuyến qua Việt Nam lại đạt giá trị cực đại so với các khu vực khác trên thế giới?
Theo số liệu vệ tinh CHAMP và các nghiên cứu mô hình hóa, tại khu vực Đông Nam Á (kinh tuyến $\approx 105^\circ\text{E}$), vị trí xích đạo từ có góc nghiêng từ trường bằng $0^\circ$ nằm rất gần xích đạo địa lý. Cấu hình hình học này kết hợp với sự phân bố bức xạ Mặt Trời mạnh, sự hội tụ của các sóng triều khí quyển và sự gia tăng cục bộ của độ dẫn điện Cowling $\sigma_C$ trong tầng điện ly lớp E làm cho mật độ dòng EEJ tại đây đạt giá trị cao nhất trên toàn cầu, vượt qua cả các đỉnh dị thường ở Nam Mỹ và Châu Phi.
2. Phương pháp phân tích điều hòa chỏm cầu (SCHA) có ưu điểm gì vượt trội so với phương pháp phân tích điều hòa cầu (SHA) và phương pháp đa thức bậc hai?
- So với SHA (toàn cầu): SHA đòi hỏi phải có số liệu bao phủ đều khắp toàn bộ bề mặt Trái Đất và chỉ mô tả tốt các bước sóng dài (bậc thấp). Khi cần mô tả trường khu vực chi tiết, SHA đòi hỏi bậc khai triển $n$ rất cao, dẫn đến khối lượng tính toán lớn và sai số tăng nếu số liệu phân bố không đều. Phương pháp SCHA giải bài toán biên trên một chỏm cầu hình học giới hạn ($\theta_0 = 40^\circ$), cho phép sử dụng số liệu trong vùng để mô tả các bước sóng trường khu vực từ vài trăm đến hàng nghìn km mà không cần số liệu toàn cầu.
- So với phương pháp đa thức bậc hai: Đa thức bậc hai chỉ phù hợp cho diện tích nhỏ, có sai số biên lớn khi ngoại suy ra biển và không phân tách được nguồn gốc bên trong và bên ngoài của trường từ. SCHA thỏa mãn phương trình Laplace $\nabla^2 V = 0$, cho phép biểu diễn trường từ đồng thời ở các độ cao khác nhau và tách biệt chính xác thế vị nguồn trong ($g_k^{mi}, h_k^{mi}$) và nguồn ngoài ($g_k^{me}, h_k^{me}$).
3. Vệ tinh CHAMP sử dụng những loại từ kế nào và sai số đo đạc thực tế là bao nhiêu?
Vệ tinh CHAMP được trang bị hai loại thiết bị đo từ trường chính:
- Từ kế Fluxgate (FGM): Gồm 3 trục vuông góc lắp đặt trên cấu trúc CSC (compact spherical coil), đo 3 thành phần vector $X, Y, Z$ trong dải đo $\pm 65.000\text{ nT}$, tần số lấy mẫu 50 Hz, sai số tuyệt đối $\pm 1\text{ nT}$, sai số bình phương trung bình của nhiễu $\approx 0,5\text{ nT}$.
- Từ kế Proton Overhauser (OVM): Đo trường từ tổng $F$ dựa trên nguyên lý cộng hưởng từ proton, dải đo từ 18.000 đến 65.000 nT, tần số lấy mẫu 1 Hz, độ phân giải 10 pT, sai số tuyệt đối cỡ $\pm 0,5\text{ nT}$, sai số do nhiễu dưới 50 pT.
4. Quy luật biến thiên theo mùa và theo chu kỳ Mặt Trời của EEJ được luận án xác định như thế nào?
- Biến thiên theo mùa: Mật độ dòng đỉnh $j_0$ của EEJ đạt giá trị cực đại vào các tháng phân điểm (xuân phân và thu phân), đạt giá trị cực tiểu vào các tháng mùa đông. Hiện tượng này được giải thích bởi sự thay đổi góc chiếu bức xạ Mặt Trời và động lực học của hệ thống gió tầng điện ly.
- Biến thiên theo chu kỳ Mặt Trời: Giá trị trung bình năm của mật độ dòng $j_0$ có mối tương quan thuận tuyến tính với số lượng vết đen Mặt Trời trong giai đoạn 2002–2007, giảm dần từ năm 2002 (thời kỳ hoạt động mạnh) đến năm 2007 (thời kỳ hoạt động yên tĩnh).
Kết luận
Luận án tiến sĩ của nghiên cứu sinh Lê Trường Thanh đã giải quyết trọn vẹn hai bài toán lớn của địa từ học khu vực bằng việc khai thác chuỗi số liệu 6 năm (2002–2007) của vệ tinh CHAMP và hệ thống đài địa từ mặt đất. Tác giả đã làm sáng tỏ cấu trúc không gian - thời gian của hệ dòng điện xích đạo, khẳng định đặc trưng cực đại toàn cầu của mật độ dòng EEJ tại kinh tuyến $105^\circ\text{E}$ đi qua Việt Nam, đồng thời mô hình hóa thành công hệ dòng này bằng mô hình thực nghiệm 3EM. Luận án đã áp dụng phương pháp phân tích điều hòa chỏm cầu (SCHA) để thành lập bộ bản đồ trường từ bình thường 7 thành phần và bản đồ dị thường từ niên đại 2007.0 bao phủ toàn diện lãnh thổ và lãnh hải Việt Nam, cung cấp cơ sở dữ liệu khoa học có độ chính xác cao phục vụ công tác nghiên cứu địa vật lý, khảo sát tài nguyên khoáng sản và an ninh hàng hải.
