CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN LY VÙNG XÍCH ĐẠO VÀ SPREAD F 1. Điện ly vùng xích đạo 1. Tầng điện ly Trái Đất Tầng điện ly của Trái Đất là khu vực khí quyển bị ion hóa một phần nằm ở khoảng độ cao từ 60 đến 1000 km trên mặt đất, trong đó tồn tại trạng thái cân bằng động của đồng thời các hạt ion dương, ion âm và electron tự do trong môi trường các hạt trung hòa. Do nồng độ hạt ion âm không đáng kể nên nồng độ electron tự do và ion dương gần bằng nhau và tầng điện ly được xem như trung hòa điện.
Môi trường trung hòa điện này bao gồm electron và các hạt mang điện âm - dương được gọi là môi trường plasma điện ly.1: a) Tốc độ sinh ion theo độ cao với các nguồn ion hóa khác nhau [144]; b) tuyến mật độ ion [144]; c) tuyến mật độ electron [94] Vùng xích đạo từ là khu vực nằm trong khoảng ±100 vĩ độ từ [133] xung quanh xích đạo từ (độ từ khuynh I = 00). Trong vùng này, tầng điện ly được tạo thành chủ yếu do quá trình ion hóa các khí trong khí quyển nhờ năng lượng nằm trong vùng phổ tia X và tia cực tím của Mặt Trời. Mức độ ion hóa phụ thuộc vào ba yếu tố: năng lượng bức xạ mặt trời, mức độ hấp thụ năng lượng của các khí và mật độ khí quyển. Cực đại mật độ điện tử đạt được tại độ cao có sự thỏa mãn cả ba điều kiện này.1a [144] biểu thị tốc độ ion hóa tiêu biểu theo độ cao với các nguồn ion hóa khác nhau; trong đó, các đường liền nét cho biết nguồn ion hóa thường xuyên 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com vào thời gian ban ngày (1 - tia X và tia tử ngoại) và đường đứt nét cho các nguồn không liên tục hoặc biến thiên mạnh theo thời gian (2 - electron cực quang, 3 - tia X từ bùng nổ sắc cầu, 4 - tia vũ trụ trong hệ Mặt Trời, 5 - ánh sáng Mặt Trời tán xạ và ánh sáng từ các ngôi sao, 6 - tia vũ trụ trong dải ngân hà).
Quá trình ion hóa bắt đầu bằng các phản ứng quang phân (bức xạ mặt trời phân rã các phân tử khí trung hòa thành các nguyên tử), sau đó là phản ứng ion hóa (các phần tử trung hòa và nguyên tử bị ion hóa thành các ion và electron), trong đó các khí chính trong khí quyển (O, O2, N2) bị ion hóa thành các ion tương ứng (O+, O2+, NO+). Sau khi được tạo thành, trong quá trình di chuyển và va chạm, các ion và electron có thể tái kết hợp thành phân tử trung hòa hoặc phản ứng với các phần tử khí khác để tiếp tục tạo ra các hạt mang điện. Vì thế, nồng độ electron tự do (và ion dương) phụ thuộc vào tốc độ của các quá trình sinh và mất của chính các electron này.1b [144] biểu thị phân bố tiêu biểu của các ion chính trong tầng điện ly vào thời gian ban ngày. Sự hiện hữu của nhiều loại phân tử khí khác nhau trong khí quyển với các đặc tính ion hóa không giống nhau dẫn đến sự tồn tại nhiều cực trị nồng độ điện tử trong tầng điện ly.
Khi đó, tầng điện ly được chia thành các lớp D, lớp E và lớp F theo đặc tính về mật độ điện tử. Đặc trưng cho mỗi lớp có các tham số: độ cao, bề dày và mật độ điện tử cực đại, các tham số này đều biến đổi theo thời gian, hoạt tính mặt trời và vị trí địa lý của điểm quan sát.1c [94] mô tả hình thái các lớp điện ly vào thời gian ban ngày và ban đêm ở thời kỳ hoạt động mặt trời cực đại và cực tiểu. Lớp F là lớp cao nhất của tầng điện ly, được tạo thành do bức xạ cực tím mặt trời, các ion chủ yếu là NO+ và O+ với O+ chiếm ưu thế. Khi Mặt Trời lặn, độ cao của lớp nằm trong khoảng 250 - 500 km.
Lớp F được xem là “lớp phản xạ sóng chủ yếu” của tầng điện ly với tần số có thể lên đến 25 MHz. Ban ngày, lớp chia thành hai lớp và chỉ còn một lớp vào ban đêm. Tổng các hạt trung hòa nhiều hơn khoảng nghìn lần so với số hạt electron trong lớp F và hàng chục triệu lần trong lớp E, vì thế, tầng điện ly được xem như môi trường gần trung hòa với những tính chất chuyển động của plasma điện ly bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi điện trường và từ trường. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Điện động lực học plasma điện ly xích đạo 1. Đặc tính chuyển động của plasma điện ly Chuyển động của plasma điện ly vừa có tính chất của các hạt mang điện chi phối bởi trường điện từ Trái Đất, vừa có tính chất của dòng trung hòa với ion và các electron chuyển động cùng nhau. Hệ phương trình Maxwell trong hệ SI để xem xét chuyển động của các hạt mang điện có dạng [67]: e(ni ne ) (1.3) Phương trình (1.1) cho biết sự tích tụ điện tích dư thừa (chênh lệch giữa mật độ ion ni và mật độ electron ne) sẽ sinh ra điện trường phân cực E. Sau đó, chính điện trường phân cực này sẽ có ảnh hưởng quan trọng đến quá trình chuyển động của plasma điện ly.
Phương trình (1.2) mô tả điều kiện xấp xỉ tĩnh điện của plasma điện ly (đặc biệt trong lớp F) khi không có sự thay đổi đáng kể của từ trường theo thời gian. Phương trình (1.3) – j là mật độ dòng điện - có được từ điều kiện điện trường biến thiên chậm theo thời gian. Trong tầng điện ly, người ta quan tâm đến quá trình động lực học và các lực điện sẽ làm cho (1.3) không còn nghiệm đúng, từ đó dẫn đến sự tích lũy điện tích thừa và đưa đến kết quả ở phương trình (1. Đặc biệt, trong lớp F ban đêm, điều kiện (1.2) áp dụng với thành phần điện trường trong mặt phẳng vuông góc với các đường sức từ là một trong các cơ chế tạo thành sự tăng thành phần điện trường hướng Đông, giúp điều khiển quá trình hình thành spread F xích đạo.
Plasma điện ly tồn tại trong trường điện từ Trái Đất bất đẳng hướng nên tính chất chuyển động của các hạt mang điện theo các hướng không giống nhau. Vì thế, ta định nghĩa ba thành phần chuyển động trong hệ tọa độ vuông góc (hướng Đông, hướng Bắc và hướng thẳng đứng) như sau: - Thành phần song song: song song với (dọc theo) từ trường Trái Đất B. - Thành phần Pedersen: vuông góc với B và song song với điện trường E. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Thành phần Hall: vuông góc với đồng thời B và E.
Độ linh động ( ): được xác định là tỉ số giữa vận tốc của nó và điện trường tương ứng gây ra chuyển động này. Ba thành phần của độ linh động bao gồm: - Thành phần song song: 1 0 (1.4) B trong đó n : tần số va chạm hiệu dụng (tỉ số giữa tần số va chạm hạt α-trung hòa với tần số hồi chuyển của hạt α).4) cho thấy độ linh động tăng đáng kể theo chiều cao khi khả năng va chạm với hạt trung hòa giảm xuống. Vì thế, độ linh động của ion trong lớp F và electron lớp E khác biệt rõ rệt khi ion gần như không va chạm với hạt trung hòa còn electron bị điều khiển hoàn toàn bởi va chạm [67]. - Độ linh động Hall: 1 1 1 2 H (1.5) B 1 2 B 2n 2 - Độ linh động Pedersen: 1 1 n P H (1.6) B 1 2 B 2n 2 Sử dụng các giá trị tần số va chạm trong [94], có thể thấy: - Trên độ cao lớp D: e 1 , He B 1 , 0e 1 He , Pe 0 : electron di chuyển dễ dàng dọc theo đường sức trường từ và chỉ chuyển động vuông góc với các đường sức dưới tác dụng của điện trường, không chuyển động theo hướng Pedersen.
- Đối với ion: trong độ cao lớp E: i2 1 , Pi 0i 1 , Hi 1Pi. Trong lớp F: i2 1 , Hi B 1 , Pi i B 1 i2 0i , ion và electron trong lớp F trượt cùng vận tốc theo hướng Hall nên không có dòng Hall. Dòng Pedersen rất nhỏ nhưng có vai trò quan trọng trong việc điều khiển dynamo lớp F ban đêm. Nếu không có điện trường ngoài và gió trung hòa, vận tốc chuyển động của electron và ion trong mặt phẳng vuông góc với đường sức từ được biểu diễn: 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.8) Với b̂ là vecto đơn vị của B và g là vecto gia tốc trọng trường.
Do i e nên Vi Ve : trọng lực điều khiển dòng ion (Pedersen) hướng Đông tại xích đạo; dòng này tham gia vào quá trình bất ổn định gây ra hiện tượng spread F. Độ dẫn điện ( ): là tỉ số giữa mật độ dòng với điện trường tác dụng tương ứng. Khi đó, 0 , p và H là các độ dẫn song song, Pedersen và Hall: Ne i e 0 (1.11) B 1 i 1 e2 2 Trong lớp E ( i2 1 và e2 1 ): Ne 1 i e P (1.13) B 1 i2 Ở độ cao bên trên lớp E ( i2 1 ): Nei P Ne B i e B (1.14) Kết quả mô tả ở hình 1.2 từ mô hình thực nghiệm của Richmond [93] cho các tuyến độ dẫn và mật độ điện tử theo độ cao với giá trị các tham số B=2,93×10-5 T, thông lượng bức xạ mặt trời F10.Hz-1) và góc thiên đỉnh mặt trời bằng 0. Mô hình cho biết tương quan độ lớn của ba thành phần độ dẫn theo độ cao phù hợp tốt với lý thuyết và kết quả quan trắc.
Mật độ dòng theo phương vuông góc điều khiển bởi trọng lực trong lớp F ban đêm được cho bởi: 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nei g B j PVg B P Eg (1.15) B i g Với Vg được xác định như vận tốc trọng trường hiệu dụng, vì thế Eg Vg B có i vai trò như điện trường hướng Đông tương đương. Dòng này tỉ lệ với điện trường hiệu dụng có độ lớn tăng theo độ cao – là một đặc tính điều khiển bất ổn định Rayleigh – Taylor.