Luận án: Nghiên cứu dòng điện xích đạo (EEJ) từ vệ tinh CHAMP và đài địa từ tại Việt Nam

Tính cấp thiết của luận án: Trường từ do EEJ gây ra chỉ chiếm một phần nhỏ trong số liệu ghi được nhưng nó gây ra những biến thiên khá lớn, nhất là tại vùng tại vùng có vĩ độ thấp và trung bình như tại Việt Nam biến thiên của nó có thể lên đến hàng trăm nT. Hơn nữa, trước đây các nghiên cứu về EEJ chủ yếu sử dụng số liệu thu được tại các đài địa từ, sau này đã có hàng chục vệ tinh đo đạc trường từ được phóng lên quỹ đạo cho phép chúng ta nghiên cứu về EEJ rất chi tiết trên quy mô toàn cầu nhưng lại hầu như chưa được sử dụng ở Việt Nam. Đặc biệt, trong nghiên cứu [37] của Doumouya đã sử dụng số liệu trường từ thu được trên vệ tinh CHAMP vào tháng 8, 9 năm 2001, để nghiên cứu sự phân bố mật độ dòng EEJ trên toàn cầu và nhận thấy tại kinh tuyến qua Việt Nam, EEJ đạt giá trị lớn nhất so với các vùng kinh tuyến khác. Tuy nhiên, nghiên cứu này còn có hạn chế là chuỗi số liệu còn quá ngắn nên nhiều vùng kinh tuyến đã không có số liệu, hơn nữa năm 2001 là năm Mặt Trời hoạt động mạnh nhất trong chu kỳ của nó, do vậy việc tách phần trường từ do EEJ gây ra từ số liệu thu được gặp nhiều khó khăn.

Chính vì vậy, luận án này sẽ sử dụng số liệu trường từ thu được trên vệ tinh CHAMP cùng với số liệu các đài địa từ trong vòng sáu năm để khẳng định sự xuất hiện dị thường xích đạo tại kinh tuyến qua Việt Nam cũng như nghiên cứu một số đặc trưng cơ bản của hệ dòng EEJ. Trong quá trình sử dụng số liệu CHAMP vào thời gian ban ngày để tách phần trường từ do EEJ gây ra, chúng tôi nhận thấy rằng hoàn toàn có thể sử dụng chuỗi số liệu này vào thời gian ban đêm để tính trường từ bình thường (TTBT) cho khu vực Việt Nam và lân cận. Điều này cũng xuất phát từ nhu cầu cấp thiết thực tế là từ năm 2003 đến nay, tại Việt Nam chưa tiến hành xây dựng bất kỳ một bản đồ TTBT nào. Do đó trong luận án này, ngoài sử dụng số liệu CHAMP và số liệu tại các đài địa từ để nghiên cứu về EEJ còn sử dụng số liệu CHAMP và phương pháp phân tích điều hòa chỏm cầu để nghiên cứu về TTBT cho khu vực Việt Nam và lân cận với tên là: “Nghiên cứu dòng điện xích đạo (EEJ) từ số liệu vệ tinh CHAMP và từ số 2 liệu mặt đất ở khu vực Việt Nam và các vùng lân cận”.

Mục tiêu của luận án: - Sử dụng chuỗi số liệu trường từ thu được trên vệ tinh CHAMP cũng như số liệu tại đài địa từ để nghiên cứu về các đặc trưng EEJ, có sự so sánh kết quả tính EEJ từ số liệu vệ tinh CHAMP và từ số liệu của các đài địa từ. - Xây dựng mô hình lý thuyết về EEJ để biểu diễn sự biến đổi của nó theo kinh tuyến, vĩ tuyến và thời gian. - Nghiên cứu và áp dụng phương pháp phân tích điều hòa chỏm cầu để tính trường từ bình thường và dị thường từ cho khu vực Việt Nam và lân. Nhiệm vụ của luận án: - Thu thập và xử lý toàn bộ 6 năm số liệu (từ 2002-2007) trường từ thu được trên vệ tinh CHAMP và số liệu tại các đài địa từ tại khu vực xích đạo từ tại Việt Nam cũng như trên thế giới.

- Tìm hiểu thuật toán tách phần trường từ do EEJ gây ra từ số liệu thu được trên vệ tinh CHAMP. Xác định các thông số chính và nghiên cứu sự biến đổi của EEJ theo không gian và thời gian. So sánh EEJ tính từ số liệu vệ tinh CHAMP với số liệu tại các đài địa từ trong cùng một khoảng thời gian. - Xây dựng mô hình lý thuyết biểu diễn sự biến đổi của EEJ theo thời gian, trong không gian trên toàn cầu.

- Nghiên cứu phương pháp phân tích điều hòa chỏm cầu để mô hình hóa TTBT cho một quốc gia hay một khu vực. - Xây dựng mô hình TTBT và dị thường từ cho khu vực Việt Nam và lân cận bằng phương pháp phân tich điều hòa chỏm cầu từ số liệu của CHAMP. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tương nghiên cứu: nghiên cứu về dòng điện xích đạo tại kinh tuyến qua Việt Nam cũng như trên toàn cầu và TTBT cho khu vực Việt Nam và lân cận. Phạm vi nghiên cứu: - Về thời gian: + Nghiên cứu về EEJ trong khoảng thời gian từ 2002-2007.

+ Xây dựng mô hình TTBT và tính trường dị thường từ cho khu vực Việt Nam và lân cận niên đại 2007. 3 - Về không gian: nghiên cứu về EEJ trên toàn cầu, TTBT và dị thường từ cho khu vực Việt Nam và lân cận. Những luận điểm bảo vệ: - Sử dụng tổ hợp số liệu trường từ thu được trên vệ tinh CHAMP và tại các đài địa từ có thể rút ra những đặc trưng cơ bản đầy đủ của EEJ. - Khẳng định mật độ dòng EEJ tính từ số liệu CHAMP tại khu vực châu Á là lớn nhất so với các kinh tuyến khác.

- Mô hình TTBT cho khu vực Việt Nam và lân cận niên đại 2007.0 tính từ số liệu CHAMP có độ tin cậy cao, hoàn toàn có thể sử dụng cho các mục đích nghiên cứu khác ở Việt Nam. Những điểm mới của luận án: - Sử dụng một chuỗi số liệu dài, đầy đủ và đồng bộ về thời gian giữa số liệu vệ tinh và số liệu các đài địa từ để nghiên cứu về EEJ. - Xây dựng phương pháp tách phần trường từ do EEJ gây ra bằng các đa thức có bậc khác nhau mà không sử dụng bậc cố định từ số liệu vệ tinh CHAMP và nghiên cứu các đặc trưng cơ bản của EEJ cũng như các biến thiên của nó trên toàn cầu. - Lần đầu tiên tại Việt Nam đã nghiên cứu và áp dụng phương pháp phân tích điều hòa chỏm cầu để mô hình hóa TTBT cho khu vực Việt Nam và lân cận.

Cơ sở tài liệu và phương pháp nghiên cứu: Luận án được thực hiện trên cơ sở số liệu ba thành phần X,Y,Z và trường tổng F của trường địa từ thu được trên vệ tinh CHAMP từ năm 2002-2007 với tốc độ lấy mẫu là 1Hz (1 giây một giá trị) do Phòng Thông tin hệ thống và Trung tâm số liệu (ISDC) của Trung tâm nghiên cứu Khoa học Quốc gia Đức cấp thông qua chương trình hợp tác nghiên cứu khoa học giữa Viện Vật lý địa cầu Hà Nội và Viện Vật lý địa cầu Paris. Cùng với số liệu trung bình giờ của các đài địa từ tại Việt Nam và trên thế giới gồm: Bạc Liêu, Phú Thụy, Huancayo, Fuquence, Addis Ababa và Qsaybeh có thời gian trùng với chuỗi số liệu của CHAMP để so sánh. Trong luận án cũng sử dụng phương pháp tính độ lệch bình phương trung bình, phương pháp phân tích điều hòa cầu, phương pháp phân tích điều hòa chỏm cầu, phương pháp chuyển 4 từ hệ tọa độ đề-các sang hệ tọa độ cầu và ngược lại. Tất cả các phương pháp trên được lập trình bằng ngôn ngữ Visual Fortran 5.0 và các phần mềm để biểu diễn các hình vẽ là phần mềm mã nguồn mở như Gnupplot 4.0 và nhiều phần mềm phụ trợ khác.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: - Góp phần tăng hiểu biết về việc xây dựng dự án, quản lý và thực hiện dự án phóng vệ tinh quan sát Trái Đất. - Đánh gía định lượng một số thông số cơ bản của hệ dòng EEJ để có thể xem xét những ảnh hưởng hệ dòng này đến các đo đạc và quan trắc trường điện từ trong khu vực xích đạo (như khi tiến hành đo lặp, thăm dò từ tellua, định vị GPS…) - Cung cấp tập sơ đồ TTBT các thành phần của trường từ và dị thường từ khu vực Việt Nam và lân cận, phục vụ cho nghiên cứu khoa học hay phát triển kinh tế xã hội. Hơn nữa, phương pháp SCHA rất hiệu quả khi chỉ dùng số liệu thu được trên vệ tinh mà không cần số liệu mặt đất, nhất là hiện nay cơ quan Vũ trụ châu Âu đang phát triển chùm vệ tinh SWARM có độ chính xác cao và phân bố hợp lý để nghiên cứu về trường từ trên toàn cầu hay cho một khu vực nhất định. Cấu trúc của luận án: Luận án ngoài phần mở đầu và kết luận còn có 4 chương có nội dung như sau: CHƯƠNG 1: Giới thiệu tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước về EEJ, một số kết quả đã đạt được cũng như những hạn chế của các nghiên cứu này.

Một số bản đồ TTBT đã thành lập cho khu vực Việt Nam và tính cấp thiết phải tính TTBT cho khu vực. Tiếp theo là số liệu phục vụ nghiên cứu bao gồm số liệu trường từ thu được trên vệ tinh CHAMP và từ 6 đài địa từ trong vòng 6 năm liên tục (từ 2002 đến 2007). CHƯƠNG 2: Trình bày về độ dẫn tầng điện ly vùng vĩ độ thấp và trung bình và cơ chế vật lý hình thành dòng điện xích đạo. Việc xây dựng các hàm lý thuyết hay thực nghiệm để biểu diễn sự biến đổi của EEJ theo kinh độ, vĩ độ và thời gian.

Trong chương cũng trình bày về phương pháp phân tích điều hòa chỏm cầu để tính TTBT cho một khu vực. CHƯƠNG 3: Trình bày kết quả nghiên cứu những thông số chính của EEJ và các biến đổi của nó từ số liệu vệ tinh CHAMP và các đài địa từ cũng như việc so sánh 5 EEJ giữa hai loại số liệu trên. Áp dụng mô hình thực nghiệm kiểu 3EM để biểu diễn sự biến đổi của các thành phần trường từ do EEJ gây ra theo kinh độ, vĩ độ và thời gian từ số liệu vệ tinh CHAMP. CHƯƠNG 4: Trình bày kết quả sử dụng phương pháp phân tích điều hòa chỏm cầu để mô hình hóa trường từ cho một khu vực Việt Nam và lân cận từ số liệu vệ tinh CHAMP.

Kết quả là tập bản đồ TTBT niên đại 2007.0 cho khu vực cũng như bản đồ dị thường từ và một số đặc trưng của nó. Kết quả liên quan đến luận án đã được công bố: [1] V. Doumbia, Le Truong Thanh, Y Cohen, Amory-Mazaudier, M. Le Huy,, On the estimation of the equatorial electrojet magnetic signature and peak current density from polar orbiting satellite magnetic measurements, International Association of Geomagnetism and Aeronomy 11, 2009, Vol 41(42).

[2] Lê Trường Thanh, V. Doumouya, Lê Huy Minh và Hà Duyên Châu, Mô hình dòng điện xích đạo từ số liệu vệ tinh CHAMP, Tạp chí các khoa học về Trái Đất, 2010, tập T32(1), trang 48-56. [3] Lê Trường Thanh, Lê Huy Minh, Hà Duyên Châu, V.