Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu EEJ từ CHAMP và số liệu mặt đất tại Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÊ TRƯỜNG THANH NGHIÊN CỨU DÒNG ĐIỆN XÍCH ĐẠO (EEJ) TỪ SỐ LIỆU VỆ TINH CHAMP VÀ TỪ SỐ LIỆU MẶT ĐẤT Ở KHU VỰC VIỆT NAM VÀ CÁC VÙNG LÂN CẬN LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội – 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÊ TRƯỜNG THANH NGHIÊN CỨU DÒNG ĐIỆN XÍCH ĐẠO (EEJ) TỪ SỐ LIỆU VỆ TINH CHAMP VÀ TỪ SỐ LIỆU MẶT ĐẤT Ở KHU VỰC VIỆT NAM VÀ CÁC VÙNG LÂN CẬN Chuyên ngành: Vật lý địa cầu Mã số: 62 44 01 11 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. HÀ DUYÊN CHÂU 2. LÊ HUY MINH Hà Nội - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố dưới bất kỳ hình thức nào.

Tác giả luận án Lê Trường Thanh Lời cảm ơn Luận án được hoàn thành tại Phòng Địa từ - Viện Vật lý địa cầu, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Hà Duyên Châu và TS. Lê Huy Minh. NCS xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thày hướng dẫn đã tận tình chỉ bảo, quan tâm giúp đỡ, động viên hết lòng trong thời gian làm luận án này.

NCS xin chân thành cảm ơn TS. Yves Cohen, TS. Mazaudier Christine đã đóng góp ý kiến khoa học và xây dựng cấu trúc của luận án cũng như cung cấp số liệu và tài liệu tham khảo để hoàn thành luận án này. NCS xin chân thành cám ơn ban Lãnh đạo, Hội đồng Khoa học Viện Vật lý địa cầu và Viện Vật lý Địa cầu Paris đã quan tâm và tạo mọi điều kiện cho chúng tôi được học tập và nâng cao trình độ ở trong và ngoài nước.

NCS xin chân thành cảm ơn tập thể phòng Địa từ, phòng Quản lý tổng hợp, các đồng nghiệp và bạn bè ở Viện Vật lý địa cầu đặc biệt là các đồng nghiệp ở các đài địa từ đã quan tâm, giúp đỡ quý báu và hiệu quả trong quá trình thu thập số liệu cũng như hoàn thiện luận án. Cám ơn sự hỗ trợ của các đề tài Cơ bản mã số: 105.09; chương trình hợp tác: “Nghiên cứu Vật lý địa cầu trong mối quan hệ Mặt Trời - Trái Đất, nghiên cứu trường từ ở Việt Nam” (PICS 3366) giữa Viện Vật lý địa cầu Hà Nội (Việt Nam) và Trung tâm nghiên cứu môi trường Trái Đất và các Hành Tinh (Pháp). NCS trân trọng cám ơn những sự giúp đỡ quý báu này. Hà Nội, ngày tháng năm 2015 NCS.

Lê Trường Thanh i MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC BẢNG iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của luận án 2 2. Mục tiêu của luận án 2 3. Nhiệm vụ của luận án 2 4.

Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 2 5. Những luận điểm bảo vệ 3 6. Những điểm mới của luận án 3 7. Cơ sở tài liệu và phương pháp nghiên cứu 3 8.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4 9. Cấu trúc của luận án 4 10. Kết quả liên quan đến luận án đã được công bố 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU DÒNG ĐIỆN XÍCH ĐẠO, TỪ TRƯỜNG BÌNH THƯỜNG VÀ SỐ LIỆU NGHIÊN CỨU 6 1.1 Một số kết quả nghiên cứu về EEJ ở trong và ngoài nước 7 1.1 Một số kết quả nghiên cứu EEJ trên thế giới 8 1.2 Một số kết quả nghiên cứu EEJ tại Việt Nam 16 1.3 Một số mô hình biểu diễn EEJ 19 1.2 Về nghiên cứu TTBT cho khu vực Việt Nam và lân cận 20 1.1 Một số mô hình TTBT cho khu vực Việt Nam và lân cận 20 1.2 Sử dụng phương pháp SCHA để tính TTBT cho một khu vực 23 1.3 Số liệu phục vụ nghiên cứu 26 1.1 Quan sát trường từ bằng các vệ tinh 26 1.2 Vệ tinh CHAMP 29 1.1 Mục đích và nhiệm vụ của vệ tinh CHAMP 29 1.2 Các thông số chính của vệ tinh CHAMP 30 ii 1.3 Từ kế đo ba thành phần trường từ 31 1.4 Từ kế đo trường từ tổng 32 1.3 Số liệu trường từ trên vệ tinh CHAMP 33 1.4 Số liệu trường từ tại các đài địa từ 37 Kết luận chương 1 39 CHƯƠNG 2: SỰ HÌNH THÀNH DÒNG ĐIỆN XÍCH ĐẠO VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐIỀU HÒA CHỎM CẦU 41 2.1 Độ dẫn tầng điện ly và sự hình thành dòng điện xích đạo 41 2.1 Độ dẫn tầng điện ly vùng vĩ độ thấp và trung bình 41 2.2 Sự hình thành dòng điện xích đạo 45 2.2 Mô hình thực nghiệm về dòng điện xích đạo 48 2.1 Mô hình EEJ của Fambitakoye 48 2.2 Mô hình 3EM 51 2.1 Hàm biến thiên theo vĩ độ của EEJ - hàm j(x) 52 2.2 Hàm biến thiên theo thời gian của EEJ - hàm G(t) 54 2.3 Biến thiên theo kinh độ của EEJ 56 2.4 Hàm biến thiên theo kinh độ, vĩ độ và thời gian của EEJ- hàm j(x,λ,t) 57 2.3 Tính các thành phần của trường từ do EEJ gây ra 57 2.3 Phương pháp phân tích điều hòa chỏm cầu – SCHA 59 2.1 Khai triển đa thức Legendre 61 2.2 Tính các thành phần của trường từ 63 2.3 Phương pháp nghịch đảo số liệu 65 Kết luận chương 2 66 CHƯƠNG 3: DÒNG ĐIỆN XÍCH ĐẠO TỪ SỐ LIỆU VỆ TINH CHAMP VÀ TỪ CÁC ĐÀI ĐỊA TỪ 67 3.1 Phương pháp tách trường từ do EEJ gây ra từ số liệu vệ tinh CHAMP 67 3.1 Lựa chọn số liệu vệ tinh CHAMP 68 3.2 Tách trường từ chính và lọc nhiễu 69 3.3 Tách phần trường từ do EEJ gây ra từ phần trường dư 72 iii 3.2 Kết quả tính trường từ do EEJ gây ra tính từ số liệu CHAMP 82 3.1 Biên độ trường từ do EEJ gây ra 82 3.2 Mật độ dòng điện tại tâm của EEJ 86 3.3 Phân bố vị trí tâm của EEJ tại các kinh tuyến khác nhau 89 3.3 So sánh với mật độ dòng EEJ tính từ số liệu đài địa từ 90 3.1 Tính trường từ do EEJ gây ra từ số liệu đài địa từ 90 3.2 Mật độ dòng điện tại tâm của EEJ tính từ số liệu đài địa từ 94 3.3 So sánh mật độ dòng EEJ tính từ số liệu CHAMP và đài địa từ 95 3.4 Biến thiên theo mùa của EEJ 98 3.5 Biến thiên theo hoạt động Mặt Trời của EEJ 102 3.6 Mô hình hóa EEJ từ số liệu vệ tinh CHAMP 104 3.1 Mô hình hóa các thành phần trường từ do EEJ gây ra 104 3.2 So sánh kết quả tính mô hình và số liệu thu được từ CHAMP 109 Kết luận chương 3 111 CHƯƠNG 4: TRƯỜNG TỪ BÌNH THƯỜNG KHU VỰC VIỆT NAM VÀ LÂN CẬN TỪ SỐ LIỆU VỆ TINH CHAMP 114 4.1 Kết quả tính TTBT cho khu vực Việt Nam và lân cận 115 4.1 Lựa chọn số liệu CHAMP và tiền xử lý 115 4.2 TTBT cho khu vực Việt Nam và lân cận 117 4.3 So sánh với trường từ chính tính từ mô hình IGRF 127 4.2 Đánh giá sai số xác định TTBT 127 4.3 Dị thường từ khu vực Việt Nam và lân cận 129 Kết luận chương 4 133 KẾT LUẬN 135 KIẾN NGHỊ 137 Tài liệu tham khảo 138 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHŨ VIẾT TẮT BC Công nguyên EEJ Dòng điện xích đạo IGRF Mô hình trường địa từ chuẩn toàn cầu NCS Nghiên cứu sinh nnk Những người khác RMS Độ lệch bình phương trung bình SCHA Phân tích điều hòa chỏm cầu SHA Phân tích điều hòa cầu TTBT Từ trường bình thường WMM Mô hình trường từ toàn cầu NEC Hệ tọa độ Bắc- Đông- Trung tâm DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Giá trị nửa bề rộng (a) và mật độ dòng (j0) tại các giờ địa phương khác nhau (Theo Fambitakoye và Mayaud, [43-46]).2: Một số vệ tinh đo đạc trường địa từ.3: Tổng hợp số liệu trường từ thu được trên vệ tinh CHAMP.1: Số liệu vệ tinh CHAMP sử dụng để nghiên cứu về EEJ.2: Bậc của đa thức và độ lệch bình phương trung bình để tính giá trị trung bình năm trường từ do EEJ gây ra từ số liệu CHAMP.3: Các cặp đài địa từ được sử dụng để nghiên cứu về EEJ (tọa độ địa từ tính theo niên đại 2005.4: Giá trị j0 trung bình năm tính từ số liệu CHAMP và từ số liệu đài địa từ cho 6 năm và độ chênh lệch ∆j0 giữa chúng.5: Giá trị j0 tại vị trí các đài địa từ vào các mùa khác nhau.1: Các hệ số g me k , h k ứng với phần trường ngoài.2: Độ lệch bình phương trung bình RMS ứng với các Kint khác nhau.3: Các hệ số g mi k , h k ứng với phần trường bên trong. mi v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Vị trí của xích đạo từ và vùng chịu ảnh hưởng mạnh của dòng điện xích đạo trên toàn cầu (Theo Nguyễn Thị Kim Thoa và nnk, [15]).2: Biến thiên thành phần nằm ngang H (hình trái) và thành phần thẳng đứng Z (hình phải) do EEJ gây ra tại khu vực Châu Phi ngày 27/2/1993 (Theo Doumouya et al.3: Mật độ dòng EEJ tính từ số liệu vệ tinh Ørsted tại các kinh tuyến khác nhau (Theo Jadhav et al.4: Mật độ dòng EEJ tính từ số liệu vệ tinh CHAMP tại các kinh tuyến khác nhau (dấu +) và giá trị trung bình (đường nét liền đậm ở giữa).

(Theo Lühr et al.5: Sự biến đổi theo kinh tuyến của mật độ dòng EEJ tính từ số liệu vệ tinh CHAMP (đường nét đứt) và vận tốc gió theo mô hình GSWM2 (đường liền nét) ở xuân phân (trái) và đông chí (phải) (Theo Alken et al.6: Sự dịch chuyển của xích đạo từ xác định từ số liệu quan trắc thành phần thẳng đứng (Z) ở phía nam Việt Nam (Theo Trương Quang Hảo và Lê Huy Minh, [5]).7: TTBT niên đại 2000.0 thu được tại Nam Mỹ với thành phần H (hình trái) và thành phần Z (hình phải) (Theo Kotzé và Haak, [64]).8: Mô hình và vị trí lắp đặt các thiết bị đo trường từ trên vệ tinh CHAMP.9: Bộ cảm biến của từ kế fluxgate đo ba thành phần của trường từ.10: Bộ cảm biến của từ kế proton đo trường tổng.11: Sơ đồ quá trình lưu trữ và xử lý số liệu vệ tinh CHAMP.12: Quỹ đạo vệ tinh CHAMP trong ngày 5/7/2001.13: Độ cao quỹ đạo vệ tinh CHAMP theo thời gian (từ 7/2001-12/2007).14: Giá trị trung bình giờ thành phần (H) cho từng năm tại sáu đài địa từ (a:tại BCL; b:tại PHU; c:tại AAE; d:tại QSB; e:tại HUA; f:tại FUQ).1: Sự thay đổi theo chiều cao của các độ dẫn σ // , σ P và σ H (S/m) (Theo Richmond, [96]).