Nghiên Cứu Tầng Điện Ly và Ảnh Hưởng Đến Hệ Thống GPS Tại Việt Nam

Tài liệu nghiên cứu Bong bóng plasma và đặc trưng dị thường ion hóa xích đạo khu vực việt nam và lân cận, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Tác giả: Nguyễn Thanh Dũng
• Người hướng dẫn: Lê Huy Minh
• Trường học: Học Viện Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam
• Chuyên ngành: Vật Lý
• Đề tài: Nghiên Cứu Tầng Điện Ly và Ảnh Hưởng Đến Hệ Thống GPS Tại Việt Nam
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• 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
• 2.2. Số liệu từ các trạm thu GPS
• 2.3. Thông tin vệ tinh
• 2.4. Thông lượng mặt trời F10.7
• 2.5. Chỉ số Dst
• 2.6. El Niño và Dao động Nam (ENSO)
• 2.7. Dao động tựa hai năm (QBO) của tầng bình lưu
• 2.8. Mô hình điện ly tham chiếu quốc tế IRI
• 2.9. Mô hình TEC toàn cầu GIMs (CODG)
• 2.10. Các phương pháp nghiên cứu
• 2.10.1. Phương pháp tính TEC
• 2.10.2. Chỉ số tốc độ thay đổi TEC
• 2.10.3. Phương pháp làm hợp đường cong
• 2.10.4. Xử lý tín hiệu số
• 2.10.5. Bộ lọc thông dải
• 2.10.6. Phép biến đổi wavelet
• 2.10.7. Phương pháp phân tích biểu đồ chu kỳ Lomb-Scargle
• 2.10.8. 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. Tổng Quan Nghiên Cứu Tầng Điện Ly và Hệ Thống GPS

Nghiên cứu tầng điện ly và ảnh hưởng của nó đến hệ thống GPS là một lĩnh vực quan trọng, đặc biệt tại Việt Nam. Tầng điện ly Việt Nam, một phần của khí quyển Trái Đất, đóng vai trò then chốt trong việc truyền và phản xạ sóng vô tuyến. Sự biến đổi của tầng điện ly gây ra bởi hoạt động của Mặt Trời và các yếu tố khác có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của định vị GPS và các hệ thống định vị toàn cầu khác. Ảnh hưởng tầng điện ly đến GPS thể hiện qua độ trễ tín hiệu và nhiễu loạn, làm giảm độ tin cậy của vị trí GPS. Các nghiên cứu về biến động tầng điện ly và mô hình hóa TEC (Total Electron Content) rất quan trọng để cải thiện độ chính xác của hệ thống GPS Việt Nam. Hiểu rõ hơn về thời tiết không gian và ảnh hưởng của Mặt Trời đến tầng điện ly là điều cần thiết để giảm thiểu các tác động tiêu cực đến tín hiệu GPS và các ứng dụng liên quan.

1.1. Tìm hiểu Khái niệm và Vai trò của Tầng Điện Ly

Tầng điện ly là một lớp khí quyển nằm ở độ cao từ 50 đến 1500 km, chứa nhiều electron và ion được tạo ra bởi bức xạ mặt trời và vũ trụ. Theo luận án của Nguyễn Thanh Dung năm 2023, hàm lượng điện tử tổng cộng (TEC) là một tham số quan trọng để theo dõi các tác động thời tiết không gian có thể xảy ra. Tầng điện ly ảnh hưởng đến sự truyền tín hiệu vô tuyến và có thể gây ra nhiễu loạn và độ trễ tín hiệu. Việc nghiên cứu và dự đoán các hiện tượng trong tầng điện ly có ý nghĩa quan trọng đối với nhiều lĩnh vực, đặc biệt là định vị GPS và thông tin liên lạc vệ tinh.

1.2. Tầm quan trọng của Hệ Thống GPS trong Đời sống và Khoa học

Hệ thống GPS Việt Nam đã trở thành một phần không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực của đời sống và khoa học. Từ định vị và dẫn đường trong giao thông vận tải đến khảo sát địa chất và nghiên cứu môi trường, GPS cung cấp thông tin vị trí chính xác và đáng tin cậy. Tuy nhiên, độ chính xác của GPS có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác nhau, bao gồm cả tầng điện ly. Lỗi GPS do tầng điện ly là một vấn đề cần được giải quyết để đảm bảo hiệu suất tối ưu của hệ thống. Các phương pháp hiệu chỉnh và mô hình hóa tầng điện ly đang được phát triển để giảm thiểu các tác động tiêu cực đến độ chính xác GPS.

II. Vấn Đề Ảnh Hưởng Tầng Điện Ly tới Độ Chính Xác GPS

Ảnh hưởng tầng điện ly đến GPS là một vấn đề quan trọng cần được xem xét khi sử dụng hệ thống GPS Việt Nam. Độ trễ tầng điện ly GPS là một trong những yếu tố chính gây ra sai số trong định vị GPS. Các biến đổi trong tầng điện ly, chẳng hạn như scintillation và các geomagnetic storm, có thể làm gián đoạn tín hiệu GPS và làm giảm độ chính xác của vị trí GPS. Các nghiên cứu về mô hình tầng điện ly Việt Nam đang được tiến hành để hiểu rõ hơn về các quá trình vật lý trong tầng điện ly và phát triển các phương pháp hiệu chỉnh sai số hiệu quả. Việc cải thiện độ chính xác GPS trong điều kiện tầng điện ly biến động là một thách thức đối với các nhà khoa học và kỹ sư.

2.1. Phân tích Chi tiết Các Loại Sai Số GPS do Tầng Điện Ly

Tầng điện ly gây ra nhiều loại sai số khác nhau trong định vị GPS. Độ trễ tín hiệu là một trong những sai số lớn nhất, do tín hiệu GPS phải đi qua tầng điện ly và bị chậm lại do tương tác với các electron tự do. Theo nghiên cứu, hàm lượng điện tử tổng cộng (TEC) dọc theo đường truyền tín hiệu quyết định độ trễ này. Ngoài ra, scintillation (sự nhấp nháy tín hiệu) cũng là một vấn đề nghiêm trọng, gây ra bởi các biến động nhỏ trong mật độ electron của tầng điện ly. Các geomagnetic storm (bão địa từ) có thể làm tăng cường các hiệu ứng này, gây ra sai số lớn hơn trong vị trí GPS.

2.2. Các Yếu tố Môi Trường ảnh hưởng đến Tầng Điện Ly

Nhiều yếu tố môi trường có thể ảnh hưởng đến tầng điện ly và gây ra các biến đổi trong mật độ electron. Hoạt động của Mặt Trời, bao gồm các solar flare (bùng nổ mặt trời) và các geomagnetic storm, là một trong những yếu tố quan trọng nhất. Các solar flare có thể gây ra sự gia tăng đột ngột trong bức xạ cực tím (EUV), làm tăng mật độ electron trong tầng điện ly. Ngoài ra, các yếu tố khác như mùa, thời gian trong ngày và vị trí địa lý cũng có thể ảnh hưởng đến tầng điện ly. Hiểu rõ các yếu tố này là rất quan trọng để dự đoán và giảm thiểu các tác động tiêu cực đến hệ thống GPS.

III. Cách Giảm Thiểu Ảnh Hưởng Tầng Điện Ly lên GPS tại VN

Để giảm thiểu ảnh hưởng tầng điện ly đến GPS tại Việt Nam, cần có các phương pháp hiệu chỉnh và mô hình hóa chính xác. Việc sử dụng mô hình tầng điện ly Việt Nam phù hợp là rất quan trọng để ước tính và loại bỏ độ trễ tín hiệu. Các phương pháp hiệu chỉnh sai số dựa trên dữ liệu từ các trạm GNSS (Hệ thống Vệ tinh Định vị Toàn cầu) và các mô hình TEC (Total Electron Content) toàn cầu có thể được sử dụng để cải thiện độ chính xác GPS. Dự báo tầng điện ly cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc cảnh báo trước các sự kiện thời tiết không gian có thể gây ra gián đoạn tín hiệu GPS. Việc kết hợp các phương pháp này có thể giúp giảm thiểu các tác động tiêu cực của tầng điện ly đến hệ thống GPS và các ứng dụng liên quan.

3.1. Phát triển và Ứng dụng Mô Hình Tầng Điện Ly cho Việt Nam

Phát triển mô hình tầng điện ly Việt Nam là một bước quan trọng để cải thiện độ chính xác GPS trong khu vực. Các mô hình này cần phải tính đến các đặc điểm địa lý và khí hậu đặc trưng của Việt Nam. Dữ liệu từ các trạm GNSS và các nguồn khác có thể được sử dụng để xây dựng và kiểm tra các mô hình này. Theo luận án của Nguyễn Thanh Dung (2023), việc sử dụng các hàm trực giao thực nghiệm (EOF) có thể giúp mô hình hóa TEC một cách hiệu quả. Việc tích hợp các mô hình này vào các hệ thống định vị GPS có thể giúp giảm thiểu sai số do tầng điện ly gây ra.

3.2. Ứng dụng Các Phương Pháp Hiệu Chỉnh Sai Số GPS Tiên tiến

Các phương pháp hiệu chỉnh sai số GPS tiên tiến có thể giúp giảm thiểu ảnh hưởng tầng điện ly một cách hiệu quả. Các phương pháp này bao gồm việc sử dụng các thuật toán hiệu chỉnh dựa trên TEC, các bộ lọc Kalman và các kỹ thuật học máy. Các phương pháp này có thể giúp ước tính và loại bỏ độ trễ tín hiệu, giảm thiểu scintillation và các sai số khác. Việc triển khai các phương pháp này trong các hệ thống định vị GPS có thể cải thiện đáng kể độ chính xác GPS trong điều kiện tầng điện ly biến động.

3.3 Sử dụng dữ liệu từ GNSS để theo dõi và cải thiện độ chính xác.

Dữ liệu từ mạng lưới các trạm GNSS (Hệ thống Vệ tinh Định vị Toàn cầu) cung cấp thông tin liên tục về tầng điện ly. Các trạm này đo lường độ trễ tín hiệu và các thông số khác liên quan đến tầng điện ly. Phân tích dữ liệu này cho phép các nhà khoa học theo dõi sự biến đổi của tầng điện ly, xác định các khu vực có nguy cơ cao về scintillation và các hiện tượng khác. Thông tin này có thể được sử dụng để cải thiện các mô hình tầng điện ly và các phương pháp hiệu chỉnh sai số, từ đó nâng cao độ chính xác GPS.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Thực Tiễn Ảnh Hưởng Tầng Điện Ly Đến GPS

Các nghiên cứu thực tiễn về ảnh hưởng tầng điện ly đến GPS tại Việt Nam đã mang lại nhiều kết quả quan trọng. Các nghiên cứu này đã xác định được các đặc điểm của tầng điện ly Việt Nam, bao gồm các biến đổi theo mùa, theo thời gian trong ngày và theo hoạt động của Mặt Trời. Theo luận án Tiến sĩ của Nguyễn Thanh Dung, các bất thường điện ly ban đêm thường xuyên xuất hiện tại khu vực vĩ độ thấp Việt Nam. Những nghiên cứu này cũng đã đánh giá hiệu quả của các phương pháp hiệu chỉnh sai số khác nhau và xác định các phương pháp phù hợp nhất cho điều kiện cụ thể của Việt Nam. Kết quả của các nghiên cứu này có thể được sử dụng để cải thiện độ chính xác GPS và nâng cao hiệu suất của các ứng dụng liên quan.

4.1. Phân tích Dữ Liệu Thực Tế từ Các Trạm GPS tại Việt Nam

Việc phân tích dữ liệu thực tế từ các trạm GPS tại Việt Nam là một phần quan trọng của các nghiên cứu về ảnh hưởng tầng điện ly. Dữ liệu này cung cấp thông tin chi tiết về độ trễ tín hiệu, scintillation và các hiện tượng khác. Bằng cách phân tích dữ liệu này, các nhà khoa học có thể hiểu rõ hơn về các quá trình vật lý trong tầng điện ly và xác định các khu vực có nguy cơ cao về các vấn đề liên quan đến GPS. Kết quả phân tích này có thể được sử dụng để cải thiện các mô hình tầng điện ly và các phương pháp hiệu chỉnh sai số.

4.2. Đánh Giá Hiệu Quả của Các Phương Pháp Hiệu Chỉnh Sai Số

Đánh giá hiệu quả của các phương pháp hiệu chỉnh sai số là một bước quan trọng để cải thiện độ chính xác GPS tại Việt Nam. Các phương pháp khác nhau có thể có hiệu quả khác nhau trong các điều kiện khác nhau. Bằng cách so sánh kết quả của các phương pháp khác nhau với dữ liệu thực tế, các nhà khoa học có thể xác định các phương pháp phù hợp nhất cho điều kiện cụ thể của Việt Nam. Kết quả đánh giá này có thể được sử dụng để lựa chọn và triển khai các phương pháp hiệu chỉnh sai số hiệu quả nhất.

V. Tương Lai Hướng Nghiên Cứu và Phát Triển Tầng Điện Ly GPS

Trong tương lai, nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực tầng điện ly và GPS sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện độ chính xác GPS và nâng cao hiệu suất của các ứng dụng liên quan. Các hướng nghiên cứu tiềm năng bao gồm việc phát triển các mô hình tầng điện ly tiên tiến hơn, sử dụng các kỹ thuật học máy để dự đoán các biến đổi trong tầng điện ly, và tích hợp dữ liệu từ các nguồn khác nhau để cung cấp thông tin toàn diện hơn. Việc hợp tác quốc tế cũng rất quan trọng để chia sẻ dữ liệu, kinh nghiệm và kiến thức. Với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, hệ thống GPS sẽ trở nên chính xác và đáng tin cậy hơn, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của xã hội.

5.1. Phát triển Các Kỹ Thuật Dự Báo Tầng Điện Ly Hiện Đại

Phát triển các kỹ thuật dự báo tầng điện ly hiện đại là một hướng nghiên cứu quan trọng. Các kỹ thuật này có thể giúp cảnh báo trước các sự kiện thời tiết không gian có thể gây ra gián đoạn tín hiệu GPS. Các kỹ thuật dự báo tầng điện ly có thể dựa trên các mô hình vật lý, các thuật toán học máy hoặc sự kết hợp của cả hai. Dữ liệu từ các trạm GNSS, các vệ tinh và các nguồn khác có thể được sử dụng để cải thiện độ chính xác của các dự báo.

5.2. Ứng Dụng Trí Tuệ Nhân Tạo AI trong Nghiên Cứu Tầng Điện Ly

Ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) trong nghiên cứu tầng điện ly là một lĩnh vực đầy hứa hẹn. Các thuật toán học máy có thể được sử dụng để phân tích dữ liệu lớn từ các trạm GNSS, các vệ tinh và các nguồn khác. Các thuật toán này có thể giúp xác định các mẫu và mối quan hệ phức tạp trong dữ liệu, từ đó cải thiện mô hình tầng điện ly, các phương pháp hiệu chỉnh sai số và các kỹ thuật dự báo tầng điện ly.

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 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) 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.