Tổng quan luận án

Tầng điện ly là vùng khí quyển trên cao của Trái Đất (độ cao khoảng 50–1500 km), chứa mật độ lớn các hạt mang điện tự do (electron và ion). Sự tồn tại và biến động của môi trường plasma này gây khúc xạ, trễ pha và nhấp nháy tín hiệu vô tuyến truyền từ các vệ tinh định vị toàn cầu (GPS) xuống mặt đất. Tại khu vực xích đạo và vĩ độ thấp, hai hiện tượng điện động lực học quan trọng và phức tạp nhất là dị thường ion hóa xích đạo (Equatorial Ionization Anomaly - EIA) và các bất thường điện ly ban đêm (liên quan trực tiếp đến bong bóng plasma xích đạo - Equatorial Plasma Bubble - EPB). Sự xuất hiện của các cấu trúc bất đồng nhất plasma này gây suy giảm chất lượng định vị, dẫn đường và thông tin vệ tinh. Khu vực lãnh thổ Việt Nam và lân cận (Đông Nam Á) nằm trọn trong đới dị thường ion hóa xích đạo (miền Bắc nằm ở vùng đỉnh dị thường, miền Nam nằm ở vùng đáy dị thường), nhưng trước đây các nghiên cứu còn hạn chế về độ dài chuỗi số liệu quan sát liên tục và việc mô hình hóa cục bộ còn thiếu tính hệ thống. Do đó, luận án tiến hành nghiên cứu thực nghiệm nhằm làm sáng tỏ các quy luật biến đổi của EIA, bất thường điện ly ban đêm và đánh giá khả năng mô hình hóa TEC tại khu vực.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là làm sáng tỏ các quy luật biến đổi theo thời gian của dị thường ion hóa xích đạo, đặc trưng xuất hiện của các bất thường điện ly ban đêm và hiệu quả của các mô hình điện ly ở Việt Nam và lân cận (khu vực Đông Nam Á).

Mục tiêu cụ thể gồm 3 nội dung:

  1. Làm sáng tỏ các quy luật biến đổi theo thời gian của các tham số dị thường ion hóa xích đạo khu vực Đông Nam Á, các dao động chu kỳ khác nhau và các nguyên nhân có thể của chúng.
  2. Làm sáng tỏ các đặc trưng xuất hiện của các bất thường điện ly ban đêm khu vực nghiên cứu.
  3. Làm sáng tỏ hiệu quả của mô hình điện ly tham chiếu quốc tế (International Reference Ionosphere - IRI), mô hình hàm lượng điện tử tổng cộng (Total Electron Content - TEC) toàn cầu CODG (thuộc Trung tâm Xác định Quỹ đạo châu Âu - CODE) và mô hình TEC dựa trên hàm trực giao thực nghiệm (Empirical Orthogonal Function - EOF) ở khu vực vĩ độ thấp và khu vực xích đạo Việt Nam.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Tầng điện ly vĩ độ thấp và xích đạo; các tham số hàm lượng điện tử tổng cộng thẳng đứng (VTEC); các tham số đặc trưng của đỉnh dị thường ion hóa xích đạo (biên độ TEC, vĩ độ địa lý và thời gian xuất hiện); chỉ số tốc độ thay đổi TEC (ROTI); các hiện tượng bong bóng plasma xích đạo (EPB) và bất thường điện ly ban đêm.
  • Phạm vi không gian: Lãnh thổ Việt Nam và khu vực lân cận (khu vực Đông Nam Á), bao gồm hệ thống trạm GPS liên tục tại Việt Nam do Viện Vật lý Địa cầu quản lý (Phú Thụy, Bạc Liêu, Vinh, Mường Tè, Mường Lay, Thuận Giáo, Điện Biên, Sơn Mạ, Huế, TP. Hồ Chí Minh, và chuỗi trạm cắt ngang đới đứt gãy Sông Hồng) kết hợp với các trạm thuộc mạng lưới Dịch vụ GPS Quốc tế (IGS) trong khu vực (CPNM, HOCM, ANMG, NTUS, BAKO, JOG2, XMIS, DLAT, BACL, PHUT, MTEV).
  • Phạm vi thời gian: Chuỗi số liệu đo GPS liên tục từ năm 2008 đến năm 2021 (dài hơn một chu kỳ hoạt động mặt trời 11 năm) đối với nghiên cứu EIA; giai đoạn 2008–2018 đối với phân tích bất thường điện ly ban đêm ROTI; và các khoảng thời gian đối sánh mô hình hóa EOF tại Phú Thụy (2008–2018) và Bạc Liêu (2015–2018).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Hiện tượng dị thường ion hóa xích đạo (EIA) với cấu trúc vùng trũng mật độ điện tử ở xích đạo từ và hai đỉnh mật độ ở khoảng ±15°–20° vĩ độ từ được phát hiện và nghiên cứu bởi nhiều tác giả qua các thời kỳ. Về mặt lý thuyết, cơ chế hình thành EIA thông qua hiệu ứng vòi phun plasma xích đạo (Equatorial Plasma Fountain - EPF) với sự trôi dạt $\vec{E} \times \vec{B}$ hướng lên trên vào ban ngày và khuếch tán dọc theo đường sức từ trường đã được làm sáng tỏ bởi Appleton (1946), Martyn (1947), Rishbeth & Garriot (1969), Anderson (1973), Moffett (1979) và Balan et al. (1997). Các nghiên cứu hình thái học của Huang et al. (1989), Huang & Cheng (1996), Tsai et al. (2001), Lin et al. (2001), Zhao et al. (2009), Huang et al. (2013), Luan et al. (2015) và Liu et al. (2020) đã chỉ ra rằng biên độ và vị trí đỉnh EIA biến đổi mạnh mẽ theo giờ địa phương, mùa trong năm, chu kỳ hoạt động mặt trời, đồng thời phụ thuộc vào kinh tuyến do cấu hình trường địa từ và sự ghép nối với khí quyển bên dưới (sóng hành tinh, dao động QBO, ENSO).

Đối với các bất thường điện ly ban đêm và bong bóng plasma (EPB), Booker & Wells (1938) lần đầu quan sát thấy hiện tượng Spread-F xích đạo (ESF) bằng kỹ thuật thăm dò thẳng đứng. Woodman & La Hoz (1976) sử dụng radar Jicamarca đã chứng minh sự suy giảm mật độ plasma và đề xuất cơ chế bất ổn định Rayleigh-Taylor va chạm (CRT), sau đó được mô phỏng số và phát triển bởi Scannapieco & Ossakow (1976), Haerendel (1973), Sultan (1996) và Kelley (2009). Đặc trưng nhấp nháy tín hiệu vô tuyến dải L và trôi dạt EPB được khảo sát bởi Aarons (1982), Basu et al. (1978, 2002), Rama Rao et al. (2006), Burke et al. (2004), Nishioka et al. (2008), Seo et al. (2011) và Ajith et al. (2015).

Khoảng trống nghiên cứu: Mặc dù các hiện tượng trên đã được nghiên cứu ở nhiều kinh tuyến trên thế giới, tại khu vực Đông Nam Á nói chung và Việt Nam nói riêng vẫn thiếu các phân tích định lượng dài hạn (trên 1 chu kỳ mặt trời) về mối liên hệ đồng thời giữa các chu kỳ dao động nội mùa (15 ngày, 27 ngày), nửa năm, năm và chu kỳ tựa 2 năm (QBO) của các đỉnh EIA với các chỉ số khí quyển (ENSO, SQBO) và hoạt tính mặt trời ($F_{10.7}$). Bên cạnh đó, mối quan hệ định lượng về mặt vị trí không gian giữa cực đại xuất hiện bất thường điện ly ban đêm với đỉnh cực đại EIA ban ngày chưa được xác lập chi tiết trên chuỗi quan sát GPS dày đặc. Việc kiểm chứng sai số của các mô hình toàn cầu (IRI-2016, CODG) và xây dựng mô hình tham số hóa cục bộ bằng phương pháp EOF tại khu vực Việt Nam cũng là khoảng trống thực tiễn cần giải quyết.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Luận án dựa trên các nguyên lý vật lý địa cầu và điện động lực học tầng điện ly:

  • Phương trình liên tục của plasma tầng điện ly: Mô tả tốc độ thay đổi mật độ điện tử $N_e$ thông qua phương trình cân bằng quang hóa và vận chuyển: $$\frac{\partial N_e}{\partial t} = q - l(N_e) - \nabla \cdot (N_e \vec{V})$$ Trong đó $q$ là tốc độ sinh điện tử do bức xạ cực tím (EUV) quang ion hóa các thành phần khí trung hòa ($O, N_2, O_2$); $l$ là tốc độ mất mát do tái hợp phân ly; $\vec{V}$ là vận tốc trôi dạt thực của plasma.
  • Cơ chế Dynamo và hiệu ứng vòi phun plasma: Vào ban ngày, trường điện dynamo lớp E hướng từ Tây sang Đông kết hợp với từ trường nằm ngang $\vec{B}$ tại xích đạo từ tạo ra lực đẩy trôi dạt thẳng đứng $\vec{V}_d = \frac{\vec{E} \times \vec{B}}{B^2}$. Plasma được nâng lên độ cao lớn của lớp F rồi khuếch tán lưỡng cực dọc theo đường sức từ về hai bán cầu dưới tác dụng của trọng lực và gradient áp suất, hình thành hai đỉnh EIA.
  • Lý thuyết bất ổn định Rayleigh-Taylor va chạm (CRT): Giải thích sự hình thành bong bóng plasma xích đạo (EPB). Sau hoàng hôn, sự biến mất của lớp E dẫn đến sự suy giảm độ dẫn và xuất hiện hiện tượng tăng cường điện trường trước khi đảo chiều (Pre-reversal Enhancement - PRE). Lớp F bị nâng cao, tạo ra gradient mật độ thẳng đứng dốc ngược (chất lỏng nặng nằm trên chất lỏng nhẹ). Tốc độ phát triển bất ổn định tuyến tính $\gamma$ được biểu diễn tổng quát: $$\gamma = \frac{1}{L} \left( \frac{g}{\nu_{in}} + \frac{E_x}{B} - \frac{\nu_{in}}{\Omega_i} W_x \right) - \nu_R$$ Trong đó $L$ là chiều dài tỉ lệ gradient nghịch đảo, $\nu_{in}$ là tần số va chạm ion-hạt trung hòa, $g$ là gia tốc trọng trường, $E_x$ là trường điện hướng Đông, $W_x$ là gió vĩ hướng và $\nu_R$ là tốc độ tái tổ hợp.

Nguồn tư liệu và dữ liệu quan sát

Luận án sử dụng tập dữ liệu thực nghiệm đồng bộ gồm:

  1. Số liệu đo pha mang ($L_1, L_2$) và giả khoảng cách mã ($P_1, P_2$ hoặc $C/A$) từ mạng lưới máy thu GPS liên tục tại Việt Nam và các trạm IGS Đông Nam Á giai đoạn 2008–2021.
  2. Dữ liệu hoạt tính bức xạ mặt trời: Thông lượng bức xạ vô tuyến mặt trời bước sóng 10,7 cm ($F_{10.7}$ và giá trị trung bình $F_{10.7av}$) tính bằng đơn vị sfu ($10^{-22} \text{ W/m}^2\text{Hz}$).
  3. Dữ liệu hoạt động địa từ: Chỉ số thời gian bão từ $Dst$ (Disturbance-storm time).
  4. Dữ liệu khí quyển liên quan: Chỉ số đa biến El Niño - Dao động Nam phiên bản 2 (Multivariate ENSO Index - MEI.v2) và chỉ số gió vĩ hướng bình lưu xích đạo (SQBO) tại các mức áp suất chuẩn.
  5. Dữ liệu mô hình đối chiếu: Mô hình điện ly tham chiếu quốc tế phiên bản IRI-2016 và Bản đồ điện ly toàn cầu GIM/CODG của CODE.

Phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật phân tích

  • Kỹ thuật tính hàm lượng điện tử tổng cộng (TEC): Áp dụng mô hình lớp đơn điện ly (Single Layer Model - SLM) ở độ cao giả định $h_{ion} = 400\text{ km}$ và góc cắt vệ tinh $\ge 20^\circ$. Hàm lượng điện tử tổng cộng nghiêng (STEC) được trích xuất từ tổ hợp tuyến tính trị đo pha và mã nhằm loại bỏ sai số đồng hồ và độ trễ đối lưu, sau đó hiệu chỉnh sai số phần cứng máy thu - vệ tinh (DCB) và quy đổi sang VTEC thông qua hàm chiếu góc thiên đỉnh $z'$ tại điểm cắt tầng điện ly (IPP): $$\text{VTEC} = \text{STEC} \cdot \cos z'$$
  • Chỉ số tốc độ thay đổi TEC (ROTI): Dùng để định lượng mức độ bất thường điện ly và cấu trúc EPB. Chỉ số ROT được tính theo độ biến thiên TEC trên đơn vị thời gian ($\text{TECU/min}$), từ đó ROTI là độ lệch chuẩn của ROT trong khoảng thời gian trượt 5 phút: $$\text{ROTI} = \sqrt{\langle \text{ROT}^2 \rangle - \langle \text{ROT} \rangle^2}$$ Ngưỡng $\text{ROTI} \ge 0,5\text{ TECU/min}$ được chọn làm tiêu chuẩn xác định sự xuất hiện bất thường điện ly ban đêm.
  • Phương pháp phân tích phổ và chu kỳ:
    • Bộ lọc thông dải (Band-pass filter) để tách các thành phần tần số mong muốn.
    • Phân tích biểu đồ chu kỳ Lomb-Scargle: Xử lý chuỗi số liệu thời gian không đều nhằm tìm kiếm các chu kỳ dao động tuần hoàn chính (15 ngày, 27 ngày, 6 tháng, 1 năm, QBO ~2 năm).
    • Phép biến đổi Wavelet liên tục và phân tích Wavelet chéo (Cross-wavelet transform): Đánh giá mối quan hệ pha và độ tương quan giữa QBO điện ly (IQBO) và QBO tầng bình lưu (SQBO).
  • Phương pháp hàm trực giao thực nghiệm (EOF) và phân tích giá trị suy biến (SVD): Dùng để phân rã ma trận dữ liệu VTEC thực nghiệm theo thời gian và không gian thành tích của các hàm cơ sở không gian $U_k$ và các hệ số biến thiên theo thời gian $C_k$: $$\text{TEC}(d, t) = \sum_{k=1}^{M} U_k(t) \cdot C_k(d)$$ Các hệ số $C_k$ sau đó được mô hình hóa theo $F_{10.7av}$ và $Dst$ nhằm tái tạo trường TEC cục bộ.

Nội dung chính theo từng chương

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

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về vật lý tầng điện ly: nguồn gốc hình thành từ bức xạ mặt trời, đặc điểm các lớp D, E, F1, F2 và thành phần ion theo độ cao. Trình bày chi tiết cơ chế động lực học của dynamo lớp E và dynamo lớp F. Phân tích bản chất vật lý của dị thường ion hóa xích đạo (EIA) thông qua hiệu ứng vòi phun plasma và cơ chế hình thành bong bóng plasma (EPB) theo lý thuyết bất ổn định Rayleigh-Taylor. Chương này cũng trình bày tổng quan cấu trúc tín hiệu ba thành phần của GPS, bản chất các đại lượng đo giả khoảng cách và pha mang, nguyên lý tán xạ sóng và công thức tính độ trễ điện ly tỷ lệ nghịch với bình phương tần số mang. Cuối chương là phần tổng quan tài liệu về tình hình nghiên cứu EIA, bất thường điện ly trên thế giới và tại Việt Nam.

Chương 2: Số liệu và các phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết nguồn dữ liệu quan sát từ mạng lưới trạm GPS liên tục tại khu vực Việt Nam và Đông Nam Á, cùng các chỉ số hoạt tính mặt trời $F_{10.7}$, chỉ số địa từ $Dst$, các chỉ số khí quyển MEI.v2, SQBO và các mô hình chuẩn IRI, CODG. Trình bày quy trình xử lý số liệu bao gồm: thuật toán kết hợp trị đo pha và giả khoảng cách để tính VTEC, loại bỏ sai số DCB, kỹ thuật tính chỉ số ROT và ROTI, phương pháp làm hợp đường cong, bộ lọc thông dải, phân tích phổ Lomb-Scargle, biến đổi Wavelet chéo và phương pháp phân tích hàm trực giao thực nghiệm EOF dựa trên phân tích suy biến SVD.

Tham số / Dữ liệu Nguồn cung cấp / Mô tả kỹ thuật Mục đích sử dụng trong luận án
Trị đo pha và mã GPS Mạng lưới trạm GPS Việt Nam & IGS Đông Nam Á Tính toán VTEC, ROT và ROTI giai đoạn 2008–2021
Chỉ số $F_{10.7}$ Dữ liệu thông lượng bức xạ mặt trời vô tuyến 10,7 cm Đánh giá ảnh hưởng của hoạt tính mặt trời lên TEC và EIA
Chỉ số $Dst$ Dữ liệu biến thiên từ trường bão từ toàn cầu Phân tích biến động tầng điện ly trong các ngày bão từ
Chỉ số MEI.v2 & SQBO Dữ liệu quan sát ENSO và gió bình lưu xích đạo Đối sánh dao động chu kỳ 6 tháng, 1 năm và QBO của EIA
Mô hình IRI-2016 & CODG Mô hình tham chiếu quốc tế & Bản đồ GIM của CODE Đối sánh độ chính xác với số liệu GPS và mô hình EOF

Chương 3: Dị thường ion hóa xích đạo khu vực Đông Nam Á

Chương 3 trình bày các kết quả xây dựng bản đồ đẳng trị VTEC theo thời gian và vĩ độ giai đoạn 2008–2021. Khảo sát biến thiên ngày đêm, biến thiên theo mùa và theo chu kỳ mặt trời của các tham số đỉnh EIA:

  • Biến thiên biên độ: Biên độ TEC của cả hai đỉnh Bắc và Nam đạt cực đại vào các tháng phân điểm (tháng 3–4 và tháng 9–10), đạt cực tiểu vào thời kỳ hạ chí (tháng 6–7), thể hiện rõ tính chất biến đổi nửa năm (semiannual variation). Biên độ TEC tương quan chặt chẽ với thông lượng bức xạ mặt trời $F_{10.7}$.
  • Thời gian xuất hiện và vị trí vĩ độ: Đỉnh EIA hình thành từ khoảng 10:00 LT, đạt cực đại trong khoảng 13:00–16:00 LT. Vị trí vĩ độ của đỉnh dịch chuyển về phía cực vào thời kỳ phân điểm và dịch chuyển về phía xích đạo vào mùa đông.
  • Các chu kỳ dao động chính: Kết quả phân tích Lomb-Scargle chỉ ra 5 chu kỳ dao động chủ đạo trong các tham số của đỉnh EIA:
    1. Dao động chu kỳ ~15 ngày: Liên quan đến sóng hành tinh nội mùa truyền từ khí quyển bên dưới lên tầng điện ly.
    2. Dao động chu kỳ ~27 ngày: Bị điều biến bởi chu kỳ tự quay của Mặt Trời, thể hiện rõ ở giai đoạn hoạt tính mặt trời cực đại.
    3. Dao động chu kỳ 6 tháng (nửa năm): Phản ánh sự thay đổi góc chiếu bức xạ mặt trời và sự biến đổi của gió trung hòa kinh tuyến.
    4. Dao động chu kỳ 1 năm: Phản ánh sự bất đối xứng bán cầu và tương quan với dao động ENSO (MEI.v2).
    5. Dao động chu kỳ tựa 2 năm (QBO): Tách được thành phần IQBO trong phần dư TEC và chứng minh bằng Wavelet chéo rằng IQBO đồng pha với SQBO tầng bình lưu ở mức tin cậy 95%.

Chương 4: Bất thường điện ly ban đêm khu vực Đông Nam Á

Chương 4 tập trung phân tích đặc trưng xuất hiện của các bất thường điện ly ban đêm dựa trên chỉ số $\text{ROTI} \ge 0,5\text{ TECU/min}$ từ chuỗi số liệu 2008–2018:

  • Biến thiên ngày đêm và theo mùa: Bất thường điện ly ban đêm chủ yếu xuất hiện sau khi mặt trời lặn (từ khoảng 19:00 LT đến trước nửa đêm 24:00 LT), do cơ chế bất ổn định Rayleigh-Taylor va chạm phát triển mạnh sau khi có sự gia tăng PRE. Tần suất xuất hiện hàng tháng đạt cực đại tại hai thời kỳ phân điểm (xuân phân và thu phân), rất hiếm khi xuất hiện vào thời kỳ hạ chí và đông chí.
  • Mối quan hệ với hoạt tính mặt trời: Tần suất xuất hiện bất thường điện ly tỷ lệ thuận với hoạt tính mặt trời ($F_{10.7}$), xuất hiện dày đặc vào các năm hoạt tính cực đại (2013–2014) và giảm rõ rệt vào các năm cực tiểu (2008–2009, 2017–2018).
  • Phân bố không gian định lượng: Thống kê sự phân bố theo vĩ độ cho thấy vị trí có tần suất xuất hiện cực đại của bất thường điện ly ban đêm nằm cách vị trí đỉnh cực đại EIA ban ngày khoảng 4°–5° vĩ độ địa lý về phía xích đạo từ.

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

Chương 5 xây dựng mô hình hóa chuỗi số liệu VTEC bằng phương pháp EOF tại hai trạm đại diện: Phú Thụy (vùng đỉnh EIA) và Bạc Liêu (vùng đáy EIA):

  • Phân tích hàm EOF: Sáu hàm cơ sở đầu tiên ($U_1$ đến $U_6$) mô tả hầu như toàn bộ sự biến thiên ngày đêm của TEC. Trong đó, hàm cơ sở thứ nhất $U_1$ phản ánh dạng biến thiên ngày đêm trung bình, và hệ số tương ứng $C_1$ có tương quan rất cao với thông lượng mặt trời $F_{10.7}$.
  • Tái tạo và kiểm chứng: Mô hình EOF kết hợp đầu vào $F_{10.7av}$ và $Dst$ có khả năng tái tạo sát thực chuỗi TEC thực nghiệm trong cả điều kiện từ yên tĩnh lẫn thời kỳ bão từ mạnh (sự kiện bão từ 16–20/3/2015 tại Phú Thụy và 21–25/6/2015 tại Bạc Liêu).
  • Đánh giá sai số: Tính toán sai số bình phương trung bình (RMSE) cho thấy mô hình EOF đạt độ chính xác cao nhất (RMSE thấp nhất), mô hình CODG cho sai số trung bình, trong khi mô hình tham chiếu IRI-2016 có độ lệch và RMSE lớn nhất so với giá trị quan sát thực tế từ máy thu GPS.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học

  1. Xác lập hệ thống tham số EIA trên chuỗi quan sát dài hạn: Sử dụng chuỗi số liệu GPS liên tục dài hơn 1 chu kỳ hoạt động mặt trời (2008–2021) để xác định các đặc trưng hình thái học và động lực học của dị thường ion hóa xích đạo khu vực Đông Nam Á. Phát hiện và làm sáng tỏ 5 chu kỳ dao động chính (~15 ngày, ~27 ngày, 6 tháng, 1 năm, và QBO ~2 năm) của các đỉnh EIA, chứng minh sự ghép nối động lực học phức tạp giữa hoạt tính mặt trời và khí quyển bên dưới (ENSO, QBO tầng bình lưu, sóng hành tinh).
  2. Làm sáng tỏ quy luật định lượng của bất thường điện ly ban đêm: Xác định quy luật xuất hiện của bất thường điện ly ban đêm khu vực Đông Nam Á giai đoạn 2008–2018 (chủ yếu tập trung từ sau hoàng hôn đến trước nửa đêm vào các tháng phân điểm và phụ thuộc vào $F_{10.7}$). Đóng góp phát hiện định lượng quan trọng: vị trí cực đại xuất hiện bất thường điện ly ban đêm dịch chuyển khoảng 4°–5° vĩ độ địa lý về phía xích đạo so với vị trí đỉnh cực đại EIA ban ngày.
  3. Phát triển mô hình hóa TEC cục bộ bằng EOF: Chứng minh phương pháp hàm trực giao thực nghiệm EOF mô phỏng chính xác tiến trình biến thiên ngày đêm, theo mùa và theo hoạt tính mặt trời của TEC tại khu vực đỉnh (Phú Thụy) và đáy (Bạc Liêu) dị thường. Kết quả khẳng định mô hình EOF cục bộ có độ chính xác cao hơn rõ rệt so với các mô hình toàn cầu IRI-2016 và CODG trong cả ngày yên tĩnh lẫn ngày bão từ.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Cần tiếp tục duy trì và mở rộng mạng lưới trạm thu GNSS đa tần, đa hệ thống liên tục trên toàn lãnh thổ Việt Nam để nâng cao độ phân giải không gian và thời gian trong theo dõi tầng điện ly.
  • Tích hợp các tham số đặc trưng địa phương và thuật toán EOF vào việc hiệu chỉnh các mô hình dự báo thời tiết không gian khu vực, nhằm nâng cao độ chính xác cho các hệ thống định vị vệ tinh, dẫn đường hàng không và thông tin vô tuyến sóng ngắn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Luận án chủ yếu sử dụng số liệu từ hệ thống định vị GPS với mô hình lớp đơn mỏng giả định ở độ cao 400 km, chưa phân tách chi tiết sự phân bố theo chiều thẳng đứng của mật độ điện tử trong từng lớp điện ly riêng biệt. Chuỗi số liệu phân tích bất thường điện ly ROTI và mô hình hóa EOF tại một số trạm phía Nam (như Bạc Liêu) có độ dài thời gian ngắn hơn (2015–2018) so với trạm phía Bắc (2008–2018).
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng nghiên cứu kết hợp dữ liệu GNSS đa hệ thống (GLONASS, Galileo, BeiDou) với các nguồn dữ liệu đo cao vệ tinh, máy thăm dò tầng điện ly thẳng đứng (Ionosonde) và radar tán xạ để nghiên cứu cấu trúc 3D của bong bóng plasma; hoàn thiện mô hình dự báo thời gian thực về nhấp nháy điện ly phục vụ công tác định vị chính xác cao.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu trong các lĩnh vực:

  • Nghiên cứu sinh và học viên sau đại học: Thuộc các chuyên ngành Vật lý Địa cầu, Khoa học Vũ trụ, Khí tượng - Khí quyển và Kỹ thuật Viễn thông; đặc biệt giá trị ở phương pháp luận xử lý tín hiệu GPS, phân tích chu kỳ Lomb-Scargle, Wavelet chéo và kỹ thuật phân tích hàm trực giao thực nghiệm (EOF/SVD).
  • Giảng viên và cán bộ nghiên cứu: Cung cấp bộ số liệu thực nghiệm chuẩn hóa dài hạn và các dẫn liệu khoa học về tầng điện ly khu vực xích đạo - vĩ độ thấp Đông Nam Á.
  • Cơ quan quản lý và đơn vị ứng dụng công nghệ: Các đơn vị trắc địa bản đồ, quản lý bay hàng không, thông tin liên lạc quân sự và dân sự trong việc đánh giá sai số trễ điện ly và cảnh báo hiện tượng mất khóa tín hiệu do nhấp nháy plasma.

Câu hỏi thường gặp

1. Dị thường ion hóa xích đạo (EIA) tại khu vực Đông Nam Á có những đặc trưng biến thiên chu kỳ nào nổi bật?

Phân tích Lomb-Scargle trên chuỗi số liệu 2008–2021 cho thấy các tham số đỉnh EIA (biên độ, vĩ độ, thời gian xuất hiện) thể hiện rõ 5 chu kỳ dao động: chu kỳ ~15 ngày (liên quan đến sóng hành tinh), chu kỳ ~27 ngày (do sự tự quay của Mặt Trời), chu kỳ 6 tháng (cực đại vào hai thời kỳ phân điểm tháng 3–4 và 9–10, cực tiểu vào hạ chí), chu kỳ 1 năm (bất đối xứng bán cầu, liên quan ENSO) và dao động tựa 2 năm QBO (tương quan chặt chẽ và đồng pha với QBO gió tầng bình lưu).

2. Vị trí cực đại của bất thường điện ly ban đêm có mối liên hệ không gian như thế nào với đỉnh EIA ban ngày?

Kết quả thống kê định lượng từ dữ liệu ROTI giai đoạn 2008–2018 chỉ ra rằng vị trí vĩ độ địa lý xuất hiện cực đại của bất thường điện ly ban đêm nằm lệch về phía xích đạo từ khoảng 4°–5° so với vị trí vĩ độ của đỉnh cực đại EIA ban ngày.

3. Bất thường điện ly ban đêm (ROTI $\ge$ 0,5 TECU/min) thường xuất hiện vào khung thời gian nào trong ngày và trong năm?

Bất thường điện ly ban đêm khu vực Đông Nam Á xuất hiện chủ yếu trong khoảng thời gian từ sau khi mặt trời lặn đến trước nửa đêm (19:00–24:00 LT). Trong năm, hiện tượng này tập trung cao nhất vào hai thời kỳ phân điểm (tháng 3–4 và tháng 9–10), đồng thời tần suất xuất hiện tỷ lệ thuận với mức độ hoạt tính bức xạ mặt trời ($F_{10.7}$).

4. Kết quả so sánh mô hình EOF với các mô hình toàn cầu (IRI-2016, CODG) tại Phú Thụy và Bạc Liêu cho thấy điều gì?

Mô hình TEC xây dựng trên cơ sở phân tích hàm trực giao thực nghiệm (EOF) kết hợp dữ liệu $F_{10.7av}$ và $Dst$ cho kết quả bám sát giá trị quan sát thực tế nhất, đạt sai số bình phương trung bình (RMSE) nhỏ nhất trong cả ngày yên tĩnh và ngày bão từ. Mô hình CODG có độ chính xác trung bình, trong khi mô hình IRI-2016 có sai số RMSE lớn nhất so với số liệu GPS thực đo tại Việt Nam.

Kết luận

Luận án của tác giả Nguyễn Thanh Dung đã giải quyết trọn vẹn các mục tiêu nghiên cứu thông qua việc khai thác chuỗi dữ liệu GPS thực nghiệm dài hạn (2008–2021) tại khu vực Việt Nam và lân cận. Công trình đã làm sáng tỏ bản chất các dao động chu kỳ của dị thường ion hóa xích đạo, xác lập mối quan hệ định lượng về không gian và thời gian của các bất thường điện ly ban đêm, đồng thời khẳng định tính ưu việt của phương pháp EOF trong mô hình hóa TEC cục bộ so với các mô hình toàn cầu. Các kết quả này đóng góp cơ sở dữ liệu và căn cứ khoa học quan trọng cho nghiên cứu vật lý tầng điện ly vĩ độ thấp cũng như các ứng dụng định vị, dẫn đường vệ tinh và thời tiết không gian.