Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM II-O-2.13 THU NHẬN XUNG KHÍ QUYỂN TWEEK TẠI VĨ ĐỘ THẤP ĐỂ ƯỚC TÍNH MẬT ĐỘ ELECTRON CỦA LỚP THẤP NHẤT TẦNG ĐIỆN LY BAN ĐÊM Lê Minh Tân1, Nguyễn Nọc Thu2, Trần Quốc Hà3 Trường ĐH Tây Nguyên Trung tâm Địa Vật lý, Liên Đoàn Bản đồ địa chất miền Nam, Việt Nam Trường ĐH Sư phạm, Tp Hồ Chí Minh Email: tantaynguyen82@yahoo.com TÓM TẮT Xung điện từ xạ từ phóng điện sét có dải tần số cực thấp (3 Hz – kHz) thấp (3 kHz – 30 kHz) lan truyền hàng nghìn km lớp thấp tầng điện ly Trái đất đến máy thu Trên ảnh phổ máy thu xuất “lưỡi câu” với tần số cắt khoảng 1,8 kHz chúng gọi “tweek” Quan sát tweek nhiều mode (chế độ), số mode cực đại đến 8, máy thu đặt đại học Tây Nguyên (12,65o B, 108,02o Đ) tháng (đại diện cho mùa hè) tháng 11 (đại diện cho mùa đông) năm 2013 để ước tính mật độ electron độ cao phản xạ tương ứng lớp D tầng điện ly thời gian ban đêm Mỗi tháng, tweek ghi nhận đêm yên tĩnh Trong mùa hè, tweek có số mode m = – 4, trở nên chiếm ưu có nhiều tweek có số mode Cả hai tháng quan sát, tweek có số mode cao (m > 4) xuất với tỉ lệ thấp tweek có số mode khác có suy hao lượng sóng lớp D tầng điện ly tăng sóng tweek có mode cao Kết tính toán cho thấy mật độ electron từ 30 – 222 e/cm3 ứng với số mode m = – độ cao phản xạ từ 82,1 – 87,5 km Trước nửa đêm, mật độ electron vào mùa hè thấp so với mật độ electron vào muà đông sau nửa đêm mật độ electron mùa hè cao so với mật độ electron vào mùa đông Mật độ electron tương đương profile tính theo phương pháp tweek thấp so với mật độ electron tính toán mô hình IRI-2012 khoảng 26 - 66 % (vào mùa đông) 18 – 48 % (vào mùa hè) Sự thay đổi mật độ electron phụ thuộc vào mùa thể giai đoạn Mặt Trời hoạt động mạnh rõ giai đoạn Mặt trời hoạt động yếu Từ khóa: Lớp D tầng điện ly, phương pháp tweek, tần số cắt, mật độ electron, độ cao phản xạ MỞ ĐẦU Lớp D (60 – 95 km) lớp thấp tầng điện ly Trái Đất, nơi mà va chạm hạt mang điện hạt trung hòa chiếm ưu làm vai trò biên dẫn phía ống dẫn sóng Trái Đất – Tầng điện ly phản xạ sóng tần số cực thấp (ELF – Extremely Low Frequency: – 3000 Hz) sóng tần số thấp (VLFVery Low Frequency: – 30 kHz) Lớp D cao kinh khí cầu thấp vệ tinh cho đo lường Tốc độ kết hợp tái hợp electron nhanh làm cho mật độ electron tự thấp ( < 103 e/cm3), đặc biệt vào ban đêm, điều làm cho máy điện ly đồ, radar quan trắc Có thể đo nhanh thông số điện ly tên lửa chúng giới hạn vùng không gian hẹp [1] Do vậy, lớp D tầng điện ly đề tài mẽ cần tiếp tục nghiên cứu kỹ thuật ELF/VLF trở thành công cụ hữu hiệu để nghiên cứu lớp Tweek xung điện từ dải tần ELF/VLF phát từ phóng điện sét lan truyền xa hàng nghìn km ống dẫn sóng Tầng điện ly – Trái đất (Earth Ionospheric Wave Guide – viết tắt: EIWG) với nhiều chế độ (mode) phản xạ suy hao sóng thấp (2 – dB/1000 km) [2] Những tín hiệu bị tán sắc mạnh gần tần số tới hạn khoảng 1.8 kHz [3] Những sóng biểu “lưỡi câu” phổ tần số thời gian nghe tiếng “tuýt tuýt” qua loa máy thu [4] Sử dụng phương pháp tweek, nhiều công trình nghiên cứu xác định độ cao phản xạ vào ban đêm lớp D, mật độ electron khoảng cách lan truyền sóng từ nguồn đến nơi quan sát Tuy vậy, công trình tập trung nghiên cứu lớp D vĩ độ cao trung bình Một số công trình gần sử dụng mode tweek để nghiên cứu lớp D vĩ độ thấp giai đoạn Mặt Trời hoạt động yếu Trong công trình này, ghi nhận thống kê tweek máy thu ELF/VLF đặt đại học Tây Nguyên (12,65o B) tháng tháng 11 năm 2013 Sử dụng phương pháp tweek để tính tần số cắt, tính độ mật độ electron lớp D tầng điện ly vào ban đêm khu vực vĩ độ thấp So sánh profile mật độ electron lớp D ban đêm phương pháp tweek với mô hình điện ly IRI-2012 Đánh giá biến đổi theo mùa thông số điện ly (cho trường hợp nhiều mode) giai đoạn Mặt Trời hoạt động mạnh chu kỳ thứ 24 ISBN: 978-604-82-1375-6 119 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM CƠ SỞ LÝ THUYẾT Lý thuyết lan truyền sóng điện từ plasma có từ trường có va chạm hạt mang điện dựa lý thuyết từ-ion hóa áp dụng cho tầng điện ly [5] Tầng điện ly môi trường ion hóa yếu môi trường plasma bất đồng bất đẳng hướng Chỉ số khúc xạ môi trường truyền sóng plasma tầng điện ly thể công thức Appleton-Hartree [6]: 2 1 X (1  X  i ) 2(1  iZ )(1  X  iZ )  Y sin   [Y sin   4(1  X  iZ ) Y cos2  ]1/  X   p  H Trong đó:   ;  Y H ;  Z (1) v  Với ωH ωp xác định biểu thức sau: H  e0 H ; m  p  2f p ; fp  N ee2  N m (2)  chiết suất môi trường; α góc hướng lan truyền sóng vector từ trường Trái Đất; tần số va chạm electron với hạt trung hòa; ω tần số góc sóng; ωp tần số góc plasma ωH tần số góc hồi chuyển electron; H cường độ từ trường Trái Đất; μo số từ môi không khí; e điện tích electron m khối lượng electron Ý nghĩa dấu “±” mẫu số công thức (1): dấu "+” tương ứng với sóng thường (ordinary wave) dấu "-" tương ứng với sóng bất thường (extraordinary wave) plasma tầng điện li Chế độ sóng thường tương ứng với phân cực tròn quay phải sóng bất thường tương ứng với phân cực tròn quay trái Từ trường Trái Đất làm cho môi trường điện ly không đẳng hướng làm sóng phân cực thẳng thành sóng phân cực elip Sự lan truyền lượng cho hợp thành chế độ tựa điện trường ngang qTE (quasi-Transverse Electric) tựa từ trường ngang qTM (quasi-Transverse Magnetic) Chế độ qTM tương tự chế độ từ trường ngang TM (Transverse Magnetic) chúng có thêm thành phần từ trường nhỏ dọc theo phương truyền sóng Chế độ qTE có thành phần điện trường nhỏ dọc theo phương truyền sóng [6] Chế độ đơn giản mà tần số cắt lan truyền với tần số nhỏ 1,8 kHz gọi chế độ tựa điện từ trường ngang qTEM (quasi-Transverse Electromagnetic) [3] Các công trình Yedemsky (1992) Hayakawa (1995) phân cực đuôi tweek phân cực tròn quay trái chúng liên quan đến thành phần dọc trường địa từ [7; 8]  Trong công thức Appleton-Hartree (1), điều kiện để 2 không X = X =  Y tương ứng với sóng thường sóng bất thường Giá trị X = + Y Y > (H > ) X = – Y Y < (H < ) Vì trường hợp sóng tweek dải ELF/VLF (H < ) nên chọn giá trị X = Y + [9] Do đó, mật độ electron ước tính từ điều kiện X = + Y là: Ne  1,241.108 f p ( f p  f H ) (3) Tần số hồi chuyển fH electron tính [10]: fH = 2,84  1010 B (4) B cảm ứng từ Trái Đất tính từ website: http://www.ngdc.noaa.gov/geomagweb/?model=igrf#igrfwmm Ở vùng vĩ độ thấp (vĩ độ 30o B – 30o N) theo mô hình IGRF (International Geomagnetic Reference Field) fH = 1,3  0,16 MHz Tần số cắt tweek khoảng 1,5 – 2,5 kHz Do f p fcm mode lan truyền với vận tốc vgm xác định [12]: v gm  c  ( f cm / f )2 (8) Từ (8), tần số f tiến tới tần số cắt fcm vgm tiến tới 0, f lớn nhiều so với tần số cắt vgm tiến gần tới vận tốc ánh sáng Trường hợp f nhỏ tần số cắt sóng bị suy hao nhanh tắt nhanh dọc theo đường truyền [13] Khoảng cách lan truyền d xung tweek tính [14]: d t  t1 ( v gf  v gf ) (9) v gf  v gf Trong đó, t2 – t1 khoảng thời gian hai tần số f2 f1 tương ứng với vận tốc nhóm vgf2 vgf1 Áp dụng công thức (5), (7) (9), nhiều công trình nghiên cứu xác định độ cao phản xạ vào ban đêm lớp D, mật độ electron khoảng cách lan truyền sóng từ nguồn đến máy thu Sự thay đổi mật độ electron theo độ cao (hay profile mật độ electron) định hai thông số Wait: độ cao tham chiếu h’ hệ số  hàm mũ Công thức tính mật độ electron Ne (đơn vị e/cm3) xác định theo mô hình Wait and Spies (1964) [15]: Ne (h)  1,43107 exp(0,15h' ) exp(  0,15)(h  h' ) (10) THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU Thiết bị nghiên cứu Máy thu ELF/VLF lắp đặt theo tiêu chuẩn hệ Ultra-MSK, Newzealand [16] Máy thu gồm có ăng-ten VLF, tiền khuếch đại, thiết bị điều khiển SU (Service Unit), card âm thanh, máy thu GPS, máy vi tính, phần mềm ghi liệu (SpectrumLab UltraMSK) (Hình 1) Hệ máy thu mô tả chi tiết công tình trước [17] Ăng-ten GPS Máy thu GPS Ăng-ten VLF PC1, UltraMSK 1PPS N/S Card âm Bộ tiền KĐ SU E/W Card âm PC2, SpectrumLab Hình Sơ đồ khối máy thu ELF/VLF Ăng-ten máy thu ELF/VLF gồm hai cuộn dây hình tam giác vuông cân đặt vuông góc có cạnh đáy 2,6 m Mỗi cuộn dây gồm vòng dây làm đồng có kích cỡ 18 AWG (American Wire Gause) Một cuộn dây có bề mặt hướng Bắc - Nam, cuộn lại có bề mặt hướng Đông - Tây Nếu thành phần từ trường sóng điện từ thay đổi xuyên qua ăng-ten, suất điện động sinh cuộn dây ăng-ten [18] Mặt phẳng ăng-ten vuông góc với hướng Bắc-Nam nhạy với sóng VLF từ trạm phát, mặt phẳng ăng-ten vuông góc hướng Đông-Tây nhạy với xung điện từ phát từ phóng điện sét [13, 16] Bộ tiền khuếch đại đặt gần ăng-ten để lọc khuếch đại tín hiệu nhỏ phục vụ cho việc số hóa các tín hiệu tương tự thông qua chuyển đổi tương tự sang số (ADC – Analog to Digital Converter) Các tín hiệu từ ăng-ten khuếch đại truyền qua cáp đồng trục dài 150 m đến máy thu Bộ tiền khuếch đại nối với SU trước đưa tín hiệu vào card âm Tín hiệu ELF/VLF từ kênh Đông – Tây tiền khuếch đại đưa đến card âm Bộ ADC card âm có tốc độ lấy mẫu 96 kS/s độ phân giải 16 bit Phần mềm SpectumLab v2.77b22 sử dụng để ghi tín hiệu băng tần ELF/VLF với file có đuôi “wav” Máy GPS đồng đồng hồ máy tính với thời ISBN: 978-604-82-1375-6 121 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM gian quốc tế Phần mềm Spectrum Lab cấu hình với tốc độ lấy mẫu 44,1 kS/s, 16 bit chọn FFT 512 để thu tweek Chế độ phổ thác đổ (water fall) thiết lập với dải tần từ - 16 kHz Phương pháp ghi xử lý số liệu Để phân tích liệu tweek, công trình dùng phần mềm phân tích âm Sonic Visualiser [19] Phần mềm có chức đọc file âm hiển thị ảnh phổ tần số - thời gian tương ứng, cho phép lấy cặp thông số tần số - thời gian ảnh phổ Dữ liệu phân tích phút file âm (có đuôi wav) mà máy thu ghi nhận sau 15 phút ghi lần Mỗi tháng, liệu lựa chọn gồm đêm điều kiện yên tĩnh (chỉ số địa từ Dst < - 20 nT) Các tháng lựa chọn: tháng (đại diện cho mùa hè) tháng 11 (đại diện cho mùa đông) năm 2013 Khi phân tích liệu, thời gian quốc tế (Universal Time, UT) chuyển đổi sang thời gian địa phương (Local Time (LT) = UT + 7) Qua quan sát, tweek xuất giai đoạn hoàng hôn (17:00 - 19:00 LT) giai đoạn bình minh (05:00 LT – 07:00 LT) Chính vậy, đề tài phân tích tweek thu khoảng thời gian từ 19:00 LT – 5:00 LT Các tweek dùng để tính toán thông số điện ly giới hạn trường hợp có khoảng cách lan truyền ống dẫn sóng không lớn 5000 km nhằm tránh sai số độ cao phản xạ mật độ electron tweek lan truyền hướng Đông –Tây đến từ phía ban ngày Trái đất [20] Hình a-b biểu diễn ví dụ phổ tần số - thời gian với dải tần từ – 16 kHz thu khoảng 0,5 s sau 18:30:29 UT 19:30:41 UT trường đại học Tây Nguyên (12,65o B; 108,02o Đ) Trên phổ (hiển thị phần mềm Sonic Visualiser), có nhiều đường sọc thẳng đứng xung điện từ xạ từ sét dông xảy khắp nơi giới lan truyền EIWG Trên ảnh phổ hình 2a, thấy tweek có số mode m = – Hình 2b nhiều tweek mode cao xuất (lên đến mode) Sự xuất tweek phụ thuộc vào điều kiện địa lý, mùa, hoạt động dông sét tượng khí Đặc biệt phụ thuộc vào nhiễu loạn từ trường Trái Đất [11] Trên phổ hình 2a, mũi tên vị trí thành phần qTEM, qTM1, qTM2 qTM3 tweek có mode Trong phổ hình 2b, tweek mode thành phần qTEM m=3 m=2 qTM3 qTM2 Tần sô (Hz) qTEM qTM1 m=8 qTM3 qTM2 qTM1 Thời gian (s) Hình Hình ảnh phổ sau thời điểm 18:30:29 UT 19:30:41 UT đêm 15 tháng năm 2013 Để thu profile mật độ electron vào ban đêm lớp D, mật độ electron tương ứng với độ cao phản xạ thu từ phương pháp tweek làm thông số đầu vào để tính toán thông số Wait chương trình LWPC Profile electron thu tính toán từ chương trình LWPC so sánh với kết tính toán từ mô hình điện ly IRI 2012 (địa trang web: http://omniweb.gsfc.nasa.gov/vitmo/iri2012_vitmo.html) Các thông số đầu vào cho mô hình IRI-2012 gồm: tọa độ địa lý, độ cao cần nghiên cứu, số Mặt Trời (F10.7, Rz), số điện ly (IG), số từ (Ap) Chỉ số dòng Mặt Trời F10.7 ngày, số vệt đen Mặt Trời Rz trung bình tháng số điện ly lấy website, là: http://www.swpc.noaa.gov/ftpdir/indices/old_indices/, http://sidc.be/silso/datafiles, http://www.ukssdc.ac.uk/wdc/datalists/wdcstp_chilton.html ISBN: 978-604-82-1375-6 122 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Đặc điểm tweek khu vực vĩ độ thấp Chúng quan sát 11294 tweek vĩ độ thấp trạm quan sát trường đại học Tây Nguyên (12,65o B; 108,02o Đ) Thống kê loại tweek theo hai giai đoạn, trước nửa đêm (19:00 – 00:00 LT) sau nửa đêm (00:00 – 5:00 LT) trình bày Bảng – Bảng Bảng thống kê kiện tweek quan sát đêm yên tĩnh tháng 05 năm 2013 Giờ (LT) 19:00 – 00:00 00:00 – 05:00 Tổng Số mode Số tweek Tỉ lệ (%) Số tweek Tỉ lệ (%) Số tweek Tỉ lệ (%) 57 1.48 46 1.07 103 1.27 Số tweek có số mode m = 1-8 740 1063 965 553 19.26 27.67 25.12 14.39 704 1147 987 735 16.38 26.68 22.96 17.10 1444 2210 1952 1288 17.74 27.15 23.98 15.82 267 6.95 386 8.98 653 8.02 144 3.75 235 5.47 379 4.66 53 1.38 59 1.37 112 1.38 Tổng 3842 4299 8141 Qua bảng số liệu thu (bảng 1), quan sát tweek vào đêm tháng (mùa hè), thu 8141 tweek Tweek có – mode xuất nhiều tweek khác Tweek có mode xuất thường xuyên chiếm tỉ lệ cao (27,15 %) tweek có mode chiếm tỉ lệ (1,38 %) Tweek xuất vào lúc trước nửa đêm sau nửa đêm Bảng Bảng thống kê kiện tweek quan sát đêm yên tĩnh tháng 11 năm 2013 Giờ (LT) 19:00 – 00:00 00:00 – 05:00 Tổng Số mode Số tweek Tỉ lệ (%) Số tweek Tỉ lệ (%) Số tweek Tỉ lệ (%) 212 14.70 255 14.90 467 14.81 Số tweek có số mode m = 1-8 770 294 107 32 53.40 20.39 7.42 2.22 978 305 109 35 57.16 17.83 6.37 2.05 1748 599 216 67 55.44 19.00 6.85 2.12 14 0.97 13 0.76 27 0.86 0.55 14 0.82 22 0.70 0.35 0.12 0.22 Tổng 1442 1711 3153 Từ bảng 2, quan sát ngày tháng 11 (mùa đông), thu 3153 tweek với mode từ - Kết phân tích cho thấy tweek có số mode từ – xuất thường xuyên loại tweek khác Với mode, xuất 1748 tweek chiếm tỉ lệ cao (55,44 %), tweek có mode có tỉ lệ thấp (0,22 %) Từ bảng cho thấy tweek xuất vào lúc sau nửa đêm nhiều lúc trước nửa đêm Bảng Ví dụ tính toán tần số cắt bản, thời gian tồn tweek, độ cao phản xạ, khoảng cách lan truyền sóng tweek mật độ electron Phổ Giờ (LT) m fcm/m dT (s) h (km) d (km) Ne(e/cm3) Hình 2.a 18:30 Hình 2.b 19:30 2 3 2135.10 1921.72 1876.26 1792.30 1747.05 1930.56 1881.95 1847.22 1843.75 1852.78 1821.77 1791.67 1817.71 0.0146 0.0094 0.0127 0.0103 0.0093 0.0077 0.0073 0.0098 0.0115 0.0081 0.0060 0.0082 0.0061 70.25 78.06 79.95 83.69 85.86 77.70 79.70 81.20 81.36 80.96 82.34 83.72 82.52 15099 7516 7377 5056 4154 3599 2933 2730 2972 1602 1301 1716 917 34.45 62.01 30.27 57.83 84.56 31.15 60.72 89.40 118.98 149.45 176.34 202.34 234.60 Bảng biểu diễn số mode (m), tần số cắt (fmc/m), thời gian tồn tweek (dT), độ cao phản xạ (h), khoảng cách lan truyền (d) mật độ electron (Ne) ước tính từ tweek mũi tên hình ab Qua bảng số liệu, thấy tần số cắt thay đổi khoảng 1,75 – 2,14 kHz Thời gian tồn tweek từ – 15 ms Độ cao phản xạ có xu hướng tăng số mode tăng thay đổi từ 70,25– 85,86 km Ngoài ra, mật độ electron thay đổi khoảng 30,27 – 234,6 e/cm3 ứng với số mode tweek từ - Khoảng cách lan truyền tweek ghi nhận thay đổi khoảng 917 – 15099 km ISBN: 978-604-82-1375-6 123 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Hình 3a-b biểu diễn tỉ lệ xuất tweek theo số mode theo khoảng cách lan truyền tháng (đường nét đậm hình thoi) tháng 11 (đường nét đậm hình tròn) Vào mùa hè, số tweek ghi lớn gấp 2,58 lần (chiếm 72 %) số tweek thu vào mùa đông Cả hai mùa, tweek xuất vào lúc trước nửa đêm sau nửa đêm Kết phù hợp với kết nghiên cứu Kumar cộng (2008) [21] Trong mùa hè, tweek có – mode trở nên chiếm ưu có nhiều tweek có mode Những tweek có số mode cao (m > 4), xuất thường xuyên Trong công trình Kumar cộng (2008) chứng minh tượng giải thích có suy hao lượng sóng tăng lớp D tầng điện ly sóng tweek có mode cao Vào mùa hè, tweek có mode cao (m > 3) xuất thường xuyên vào mùa đông, chứng tỏ môi trường điện ly lớp D mùa đông làm suy hao lượng sóng ELF/VLF (có mode cao) mạnh so với môi trường điện ly lớp D mùa hè Từ hình 3b, tweek với khoảng cách lan truyền d  5000 km tháng mùa đông (56,28 – 66,2 %) xuất thường xuyên so với trường hợp mùa hè (59,94 – 76,48 %) Tỉ lệ xuất tweek có khoảng cách lan truyền ngắn (2000 – 4000 km) cao trường hợp lại Tweek có khoảng cách xa xuất nhiều vào tháng mùa đông tweek xuất vào mùa nguồn sét phát tweek xa thuộc vùng biển Châu Á - Thái Bình Dương bán cầu ngày; vào mùa hè, nguồn sét phát tweek lại gần xung quanh trạm quan sát vậy, tweek thu nhiều [22, 23] Hình Phần trăm xuất tweek có số mode – (a) phần trăm xuất tweek có khoảng cách lan truyền 1000 km đến 15000 km (b) Từ hình 4a, độ cao phản xạ có xu hướng tăng số mode tăng (các hình tam giác biểu diễn số liệu tháng 5; hình thoi biểu diễn số liệu tháng 11) Độ cao phản xạ trung bình thay đổi khoảng 82,1– 87,5 km Quy luật tăng độ cao phản xạ theo số mode (m) vào mùa đông (R2 = 0,7376) tuyến tính so với trường hợp vào mùa hè (R2 = 0,6197) Hình 4a cho thấy mode cao (m = – 8), tweek (ở hai mùa) phản xạ độ cao không chênh lệch nhiều Theo lý thuyết, ống dẫn sóng (wave guide) có biên dẫn tốt, mode cao sóng phản xạ độ cao Đối với ống dẫn sóng độ dẫn tốt độ dẫn tăng theo độ cao theo hàm e mũ, mode cao phản xạ độ cao cao [24] Do đó, lên cao, tính chất bất đồng lớp D ảnh hưởng yếu tố mùa giảm Hình Sự thay đổi độ cao phản xạ trung bình tần số cắt trung bình theo số mode Sự thay đổi giá trị tần số cắt trung bình tháng phụ thuộc số mode biểu diễn hình 4b Có thể kết luận tần số cắt giảm nhẹ từ 1,84 – 1,72 kHz theo số mode từ - với quy luật tuyến tính ISBN: 978-604-82-1375-6 124 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM cao (R2 = 0,7242 R2 = 0,6949 ) Điều có nghĩa mode cao sóng xuyên sâu vào lớp D tầng điện ly không nhẵn bất đồng [21] Kết công trình phù hợp với số kết nghiên cứu trước Kumar (2008) Quan sát tweek giai đoạn 9/2003 -7/2004 Suva, Kumar cộng tìm tần số cắt giảm từ 1,8 kHz – 1,68 kHz ứng với số mode – Các mode phản xạ độ cao mà tần số plasma với tần số cắt riêng mode mode cao phản xạ độ cao ứng với mật độ electron cao (tần số plasma cao hơn) [25] Sự thay đổi mật độ electron lớp D vào ban đêm Kết tính toán cho thấy mật độ electron trung bình thay đổi từ 30 – 222 e/cm3 ứng với số mode – độ cao phản xạ trung bình thay đổi từ 82,1 – 87,5 km Quan sát tweek từ tháng – năm 1991 sử dụng đến mode thứ 8, Shvets Hayakawa tìm thấy mật độ electron trung bình thay đổi từ 28 – 224 e/cm3 ứng với số mode – độ cao phản xạ 81 - 83 km Quan sát tweek đến mode thứ Suva từ – 12 năm 2006, Kumar thấy mật độ electron trung bình thay đổi từ 29,4 –170 e/cm3 độ cao phản xạ thay đổi khoảng 82,8 – 86,3 km Nhìn chung kết mật độ electron công trình phù hợp với kết nghiên cứu tác giả Từ hình 5, mật độ electron vào mùa hè thấp so với mùa đông trước nửa đêm sau nửa đêm mật độ electron vào mùa hè lại gần cao so với mùa đông Quy luật thể rõ số mode m = – Vào ban ngày mùa đông, mật độ electron thấp mùa hè nên tốc độ tái hợp electron vào mùa đông chậm mùa hè sau hoàng hôn gần đến nửa đêm [23] Ở mode cao (m = – 6), quy luật mật độ electron vào mùa hè cao vào mùa đông sau nửa đêm thể rõ Vào mùa hè, đêm trở nên ngắn hơn, bình minh sớm xạ Mặt Trời đến sớm tầng điện ly bị ion hóa cao sớm hơn, mật độ electron lớp D vào mùa hè cao so với mùa đông Hình Sự thay đổi mật độ electron tháng 11 ứng với số mode từ – Công trình sử dụng phương pháp Kumar (2009) [26] Maurya (2012) [20] để tính giá trị h’,  cho tháng đại diện mùa hè (tháng 5) mùa đông (tháng 11) năm 2013 (thuộc giai đoạn hoạt động mạnh Mặt Trời, Rz = 64,9) Sử dụng mode tweek quan sát từ 21:00 LT đến 02:00 LT để tính toán thông số Wait công thức (10) Trong công trình, vào mùa hè, giá trị trung bình h’  82,89 km (sai số chuẩn SD =  1,64 km), 0,54 km-1 (SD =  0,06 km-1) vào mùa đông giá trị trung bình h’  83,71 km (SD =  1,78 km) 0,562 km-1 (SD =  0,07 km-1) Các giá trị h’  vào mùa đông cao so với mùa hè Tại Allahabad (16,05o B), Maurya quan sát tweek năm 2010 (chỉ số vết đen Mặt Trời Rz = 16,5) tính toán giá trị trung bình h’  83,54 km, 0,61 km-1 vào mùa đông giá trị trung bình h’  85,74 km 0,54 km-1 Trong công trình, vào mùa hè, h’  có giá trị thấp so với kết Maurya (2012) Vào mùa đông, h’ thấp  cao so với kết Maurya (2012) Shvets Hayakawa hoạt động Mặt Trời yếu mật độ electron giảm độ cao phản xạ tăng dẫn đến độ cao tham chiếu tăng [25] Các nghiên cứu khác chứng minh hoạt động Mặt Trời có ảnh hưởng đến mật độ electron lớp D vào ban đêm công trình Bremer (1977) Danilov (1998) [27, 28] ISBN: 978-604-82-1375-6 125 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Hình So sánh profile mật độ electron (vào mùa hè mùa đông) tính phương pháp tweek quan sát đại học Tây Nguyên (TNU) (đường nét đậm hình thoi), Allahabad, Ấn Độ (đường nét đậm hình tam giác) mô hình IRI-2012 (đường nét đậm chấm tròn) Để biểu diễn profile mật độ electron từ mô hình IRI-2012, công trình chọn ngày yên tĩnh tương ứng với ngày quan sát chọn thời điểm lúc nửa đêm (0:00 LT) Các profile mật độ electron biểu diễn hình (trục x biểu diễn theo thang logarit số 10) Mật độ electron tương đương profile tính theo phương pháp tweek thấp so với mật độ electron tính toán mô hình IRI-2012 khoảng 18 -48 % khoảng độ cao 83 km – 89 km (vào mùa hè) 26 – 66 % khoảng độ cao 82 – 90 km (vào mùa đông) Như vậy, vào mùa đông, chênh lệch kết quan sát mật độ electron so với kết mô hình IRI lớn so với mùa hè Các giá trị mật độ electron phương pháp khớp độ cao 88 km, (mùa hè) 89 km (vào mùa đông) Mật độ electron công trình phù hợp với mô hình IRI-2012 khoảng độ cao 83 – 89 km (mùa hè) khoảng 87 – 90 km (mùa đông) Quan sát tweek Allahabad (16,05o B) năm 2010, Maurya cộng tìm thấy mật độ electron tương đương profile tính theo phương pháp tweek thấp so với mật độ electron tính toán mô hình IRI-2007 khoảng - 60 % Hình So sánh chênh lệch mật độ eletron mùa hè mùa đông ảnh hưởng yếu tố mùa tính phương pháp tweek mô hình IRI-2012 Ở độ cao 80 – 95 km, mật độ electron mùa hè cao mật độ electron mùa đông khoảng 65 – 1784 e/cm3 (hình biểu diễn đường nét đậm hình thoi) Kết Maurya (2012) quan sát tweek năm 2010 (Rz = 16,5) mật độ electron mùa hè cao mật độ electron mùa đông – 9086 e/cm3 (độ chênh lêch mật độ electron biểu diễn đường nét đậm hình tam giác) Chúng thấy biến đổi profile mật độ electron sử dụng mô hình IRI-2012 (biểu diễn đường nét đậm hình tròn) không rõ kết phương pháp tweek Sự biến đổi theo mùa profile mật độ electron giai đoạn Mặt Trời hoạt động mạnh mạnh mẽ giai đoạn Mặt Trời hoạt động yếu Thomson (2007) kết luận nguồn ion hóa quan trọng lớp D tia Vũ trụ (Galactic Cosmic Rays - GCRs) gần nửa so với nguồn ion hóa Lyman- [29] Cường độ GCRs biến đổi mạnh theo hoạt động Mặt Trời giai đoạn Mặt Trời hoạt động yếu ion hóa GCRs phụ thuộc vào vĩ độ tác dụng ion hóa yếu xích đạo ISBN: 978-604-82-1375-6 126 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM [30] Giai đoạn nghiên cứu thuộc giai đoạn hoạt động mạnh Mặt Trời biến đổi theo mùa lớp D yếu tố GCRs mạnh mẽ vĩ độ thấp xích đạo KẾT LUẬN Quan sát tweek nhiều mode (m = - 8) máy thu đặt đại học Tây Nguyên (12,65o B; 108,02o Đ) tháng (đại diện cho mùa hè) tháng 11 (đại diện cho mùa đông) năm 2013 để ước tính mật độ electron độ cao phản xạ tương ứng lớp D tầng điện ly thời gian ban đêm Chúng kết luận rằng: Trong mùa hè, tweek có m = – xuất thường xuyên có nhiều tweek có số mode Cả hai tháng quan sát, tweek có số mode cao (m > 4) xuất với tỉ lệ thấp tweek có số mode khác có suy hao lượng sóng lớp D tầng điện ly tăng sóng tweek có mode cao Vào mùa hè, tweek có mode cao (m > 3) xuất thường xuyên so với mùa đông, chứng tỏ môi trường điện ly lớp D làm suy hao lượng sóng tweek (có mode cao) vào mùa đông mạnh so với mùa hè Mật độ electron thay đổi từ 30 – 222 e/cm3 ứng với số mode – độ cao phản xạ từ 82,1 – 87,5 km Trước nửa đêm, mật độ electron vào mùa hè thấp so với mật độ electron vào muà đông sau nửa đêm mật độ electron mùa hè cao so với mật độ electron vào mùa đông Mật độ electron tương đương profile (từ độ cao 82,1 km – 87,5 km) tính theo phương pháp tweek thấp so với mật độ electron tính toán mô hình IRI-2012 khoảng 18 - 48 % (vào mùa hè) 26 – 66 % (vào mùa đông) Sự thay đổi mật độ electron phụ thuộc vào mùa thể giai đoạn Mặt Trời hoạt động mạnh rõ giai đoạn Mặt trời hoạt động yếu Áp dụng phương pháp tweek để nghiên cứu tầng điện ly mẻ Việt Nam Đặc biệt, công trình góp phần vào việc nghiên cứu hình thái trình vật lý lớp D tầng điện ly khu vực vĩ độ thấp giai đoạn Mặt Trời hoạt động mạnh chu kỳ 24 ESTIMATION OF THE ELECTRON DENSITY OF NIGHTTIME LOWER IONOSPHERE USING TWEEK ATMOSPHERICS RECORDED AT LOW LATITUDES ABSTRACT Electromagnetic pulses with extremely low frequency (3 Hz - kHz) and very low frequency (3 kHz - 30 kHz) bands radiated by lightning discharges propagate about thousands of kilometers in the Earth-Ionosphere wave guide to the receivers On the spectrum of the receiver, the"hooks" with cut-off frequency of 1.8 kHz occur and they are called "tweek" Observing the tweeks with a maximum up to eight harmonic (mode) tweek at the receiver located at Tay Nguyen University (12.65o N, 108.02o E) in May (representative of summer season) and November (representative of winter season) 2013 to estimate the electron density at the corresponding reflection height of nighttime D-region ionosphere Tweeks were recorded with quiet nights per month During summer season, the occurrence of tweeks with mode number m = - 4, become more dominant Both months of observation, the tweeks with higher mode (m > 4) appear less than other tweeks due to the higher attenuation of wave energy at the ionospheric D region for higher modes The results show that electron density varies from 30 222 cm-3 corresponding the tweeks with m = - at the reflection height from 82.1 – 87.5 km In the pre-midnight period, the electron density during summer season is lower as compared to that during winter season, whereas, in the post-midnight period, the electron density during summer season is higher as compared to that during winter season The electron density using the tweek method is lower by about 26 – 66 % (winter season) and 18 – 48 % (summer season) than those obtained using IRI-2012 model The seasonal variation of electron density profile during the solar maximum shows less significant than that during the solar minimum Key words: D-region ionosphere, tweek method, cut-off frequency, electron density, reflection height TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hargreaves, J K., The Solar-Terrestrial Environment, Cambridge Univ Press, New York, 1992 [2] Wood, T.G and Inan, U.S (2002) Long-range tracking of thunderstorms using sferic measurements, J Geophys Res., 107 (2002) 4553 [3] Budden, K G, The influence of the earth’s magnetic field on radio propagation of wave-guide modes, Proceedings of the Royal Society A, 265, 1962, pp 538-553 [4] Helliwell, R A, Whistlers and Related Ionospheric Phenomena, Stanford University Press, 1965 ISBN: 978-604-82-1375-6 127 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM [5] Ratcliffe, J A., The magneto-ionic theory and its applications to the ionosphere, Cambridge University Press, Cambridge, 1959 [6] Budden, K G, The Wave-Guide Mode Theory of Wave Propagation, Logos Press, London, 1961 [7] Yedemsky, D Y., Ryabov B S., Shchokotov A Y., and Yaratsky V S., Experimental investigations of tweek field structure, Adv Space Res., 12(1992) 251 – 254 [8] Hayakawa, M., Ohta K., Shimakura S., and Baba K., Recent findings on VLF/ELF sferics, J Atmos Terr Phys., 57 (1995) 467 – 477 [9] Ohya, H., Nishino M., Murayama Y., and Igarashi K (2003), Equivalent electron density at reflection heights of tweek atmospherics in the low- middle latitude D-region ionosphere, Earth Planets Space, 55(2003) 627–635 [10] Davies, K., Ionospheric Radio Propagation, National Bureau of Standard Monogragh 80, 1965 [11] Yamashita, M., Propagation of tweek atmospherics, J Atmos Terr Phys., 40(1978) 151-153, 155-156 [12] Ohtsu, J., Numerical study of tweeks based on waveguide mode theory, Proc Res Inst Atmos Nagoya Univ., 7(1960) 58 -71 [13] Wood, G T., Geo-loaction of individual lightning discharges using impulsive VLF electromagnetic waveforms, Ph.D Thesis, Stanford University, Department of Electrical Engineering, 2004 [14] Prasad, R., Effects of land and sea parameters on the dispersion of tweek atmospherics, J Atmos Terr Phys., 43 (1981) 1271–1273, 1275–1277 [15] Wait, J R and Spies K P., Characteristics of the Earth-ionosphere waveguide for VLF radio waves, NBS Tech Not., pp.300, 1964 [16] Dahlgren, H., Sundberg T., Andrew B C., Koen E., and Meyer S., Solar flares detected by the new narrowband VLF receiver at SANAE IV, S Afr J Sci, 107 (2011) Art.#491,8 papes [17] Tan L M., Thu N N., Ha T Q., Observation of the effects of solar flares on the NWC signal using the new VLF receiver at Tay Nguyen University Sun & Geosphere, 8(2014) , 27–31 [18] Ramo, S., Whinnery J R and Van Duzer T., Fields and Waves in Communications Electronics, John Wiley and Sons, New York, 1994 [19] Cannam, C., Landone C., and Sandler M., Sonic Visualiser: An Open Source Application for Viewing, Analysing, and Annotating Music Audio Files, in Proceedings of the ACM Multimedia 2010 International Conference, 2010 [20] Maurya, A K, Veenadhari, B., Singh, R., Kumar, S., Cohen, M B, Selvakumaran, R., Gokani, S., Pant, P., Singh, A K, Inan, U S Nighttime D region electron density measurements from ELF-VLF tweek radio atmospherics recorded at low latitudes J Geophys Res., 117 (2012) [21] Kumar, S., Kishore A., and Ramachandran V., Higher harmonic tweek sferics observed at low latitude: estimation of VLF reflection heights and tweek propagation distance Ann Geophys, 26(2008) 1451-1459 [22] Maurya, A K., Singh R., Veenadhari B., Pant P., and Singh A K (2010), Application of lightning discharge generated radio atmospherics/tweeks in lower ionospheric plasma diagnostics J Phys.: Conf Ser 208 (2010) [23] Maurya, A K., Singh R., Veenadhari B., Kumar S., Cohen M B., Selvakumaran R., Pant P., Singh A K., Siingh D., and Inan U S., Morphological features of tweeks and nighttime D region ionosphere at tweek reflection height from the observations in the low-latitude Indian sector, J Geophys Res., 117(2012) A05301 [24] Inan,U S., Reising S.C., Fishman G J., and Horack J M., On the association of terrestrial gamma-ray bursts with lightning and implication for sprites, Geophys Res Lett., 23(1996), 1017 – 1020 [25] Shvets, A V., and Hayakawa M., Polarization effects for tweek propagation, J Atmos Terr Phys., 60 (1998) 461 – 469 [26] Kumar, S., Deo A., and Ramachandran V., Nightime D-region equivalent electron density determined from tweek sferics observed in the South Pacific Region, Earth Planets Space, 61 (2009) 905-911 [27] Bremer, J and Singer W., Diurnal, seasonal, and solar-cycle variations of electron densities in the ionospheric D and E region, J Atmos Terr Phys., 39(1977) 25-34 [28] Danilov, A D., Solar activity effects in the ionospheric D region, Ann Geophys , 16(1998) 1527-1533 [29] Thomson, N R., Clilverd M A., and McRae W M., Nighttime ionospheric D region parameters from VLF amplitude and phase, J Geophys Res., 112(2007) A07304 [30] Heaps, M G., Parameterization of the cosmic ray ion-pair production rate above 18 km, Planet Space Sci., 26(1978) 513–517 ISBN: 978-604-82-1375-6 128