Mô hình dòng điện xích đạo từ số liệu vệ tinh CHAMP

48 32(1), 48-57 T¹p chÝ C¸c khoa häc vÒ Tr¸i §Êt 3-2010 M¤ H×NH DßNG §IÖN XÝCH §¹O Tõ Sè LIÖU VÖ TINH CHAMP L£ TR¦êNG THANH, DOUMOUYA VAFI, L£ HUY MINH, Hµ DUY£N CH¢U I. Më ®Çu HiÖn t−îng t¨ng bÊt th−êng biªn ®é ngµy ®ªm thµnh phÇn n»m ngang cña tr−êng ®Þa tõ trong mét d¶i hÑp ±3° kho¶ng däc theo xÝch ®¹o tõ g©y bëi mét hÖ dßng ®iÖn h−íng vÒ phÝa ®«ng ch¹y trong líp E cña tÇng ®iÖn ly, ®−îc Chapman [5] gäi lµ dßng ®iÖn xÝch ®¹o (Equatorial Electrojet - EEJ). Trªn thÕ giíi ®· cã rÊt nhiÒu nghiªn cøu vÒ EEJ hay m« h×nh lý thuyÕt vÒ EEJ ®−îc c«ng bè [1, 6, 7, 14, 18] nhÊt lµ tõ khi thiÕt lËp ®−îc tr¹m ghi sè liÖu gÇn xÝch ®¹o tõ t¹i Huancayo (Pªru) vµ nhiÒu ®µi quan s¸t ®Þa tõ vÒ c¶ hai phÝa cña xÝch ®¹o tõ. Ngµy nay, viÖc nghiªn cøu EEJ còng ®· dùa trªn nhiÒu lo¹i sè liÖu kh¸c nhau nh− sè liÖu tõ c¸c tr¹m radar, tªn löa [4, 18], tõ nhiÒu vÖ tinh kh¸c nhau (POGO, Orsted, Magsat, CHAMP...[1, 12]). Mét sè m« h×nh lý thuyÕt vÒ EEJ cña A.D. Rich- mond [14], T.J. Sabaka [15], R.J. Stening [16] x©y dùng ®· gãp phÇn gióp chóng ta hiÓu râ h¬n vÒ c¬ chÕ h×nh thµnh, thêi gian xuÊt hiÖn, c−êng ®é còng nh− c¸c kÝch th−íc h×nh häc (®é cao, bÒ réng...) cña EEJ. Sau nµy, nhê cã chuçi sè liÖu víi thêi gian dµi h¬n cña c¸c tr¹m gÇn xÝch ®¹o tõ, cho phÐp x©y dùng nh÷ng m« h×nh phøc t¹p h¬n (Agu [1]). ViÖc nghiªn cøu vÒ EEJ còng ®−îc nhiÒu nhµ nghiªn cøu ®Þa tõ ViÖt Nam quan t©m [9, 10, 11, 17], trong hÇu hÕt c¸c c«ng tr×nh nµy c¸c t¸c gi¶ ®· sö dông sè liÖu tõ c¸c tr¹m ®Þa tõ trªn mÆt ®Êt cña ViÖt Nam (B¹c Liªu) vµ cña mét sè n−íc kh¸c trªn thÕ giíi (Ên §é, Peru...). Tuy nhiªn, viÖc sö dông sè liÖu tr−êng ®Þa tõ cña c¸c tr¹m trªn mÆt ®Êt cã h¹n chÕ do viÖc ph©n bè c¸c tr¹m kh«ng ®ång ®Òu, vµ nhÊt lµ viÖc kh«ng cã sè liÖu ë c¸c ®¹i d−¬ng, nªn x©y dùng m« h×nh EEJ theo sè liÖu mÆt ®Êt th−êng kh«ng chÝnh x¸c. T¹i ViÖt Nam ch−a cã mét nghiªn cøu nµo vÒ EEJ dùa trªn sè liÖu thu ®−îc tõ c¸c vÖ tinh, trong bµi b¸o nµy chóng t«i sö dông sè liÖu tr−êng tõ ghi trªn vÖ tinh CHAMP ®Ó nghiªn cøu vÒ EEJ trªn toµn cÇu nhê ¸p dông ph−¬ng ph¸p míi ®Ó t¸ch phÇn ¶nh h−ëng cña EEJ tõ sè liÖu tr−êng tõ thu ®−îc. Dùa vµo biªn ®é EEJ tÝnh ®−îc, chóng t«i ®· x©y dùng m« h×nh ph©n bè cña EEJ trªn toµn cÇu còng nh− tÝnh to¸n c¸c thµnh phÇn tr−êng tõ do EEJ g©y ra, t¹o c¬ së ban ®Çu cho nghiªn cøu vÒ EEJ mét c¸ch hÖ thèng sÏ tiÕn hµnh sau nµy nh− t×m hiÓu vÒ EEJ ë vïng ViÖt Nam, so s¸nh EEJ thu ®−îc trªn vÖ tinh vµ sè liÖu mÆt ®Êt hay nghiªn cøu biÕn thiªn theo thêi gian cña EEJ. ii. TÝn hiÖu EEJ tõ sè liÖu vÖ tinh CHAMP 1. Giíi thiÖu vÒ vÖ tinh CHAMP VÖ tinh CHAMP ®−îc thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o bëi Trung t©m Khoa häc Quèc gia §øc víi träng l−îng 750 kg, ®−îc phãng tõ bÖ phãng COSMOS cña Nga, b¾t ®Çu cho sè liÖu liªn tôc tõ ngµy 15-7-2000 ®Õn nay. Trªn boong vÖ tinh cã nhiÒu thiÕt bÞ cho phÐp thu ®−îc nhiÒu lo¹i sè liÖu kh¸c nhau nh− tr−êng träng lùc, nång ®é khÝ oxy, khÝ nit¬, thêi gian chuÈn (dïng ®ång hå th¹ch anh), ®Þnh vÞ GPS, tr−êng tõ (tr−êng tæng F, vµ ba thµnh phÇn X, Y, Z, víi ®é ph©n gi¶i 0,01 nT). Víi thiÕt kÕ ®Æc thï ®Ó nghiªn cøu vïng xÝch ®¹o tõ, nªn vÖ tinh CHAMP cã ®é cao bay kh¸ thÊp ë kho¶ng 390 - 450 km so víi bÒ mÆt Tr¸i §Êt, quü ®¹o gÇn nh− vu«ng gãc víi xÝch ®¹o ®Þa lý (nghiªng 87.3°). Trung b×nh, mét ngµy vÖ tinh CHAMP bay qua xÝch ®¹o tõ kho¶ng 30 lÇn (bay 90 phót cho mét vßng quanh Tr¸i §Êt), nh−ng cã nh÷ng thêi gian kh«ng bay qua xÝch ®¹o vµo gi÷a tr−a (giê ®Þa ph−¬ng) vµ quü ®¹o còng nh− ®é cao ®−îc ®iÒu khiÓn tuú theo môc ®Ých nghiªn cøu nªn cÇn ph¶i chó ý trong qu¸ tr×nh xö lý sè liÖu. 2. Xö lý sè liÖu Trong bµi b¸o nµy chóng t«i sö dông mét tËp hîp sè liÖu tr−êng tæng (F) c¶ n¨m 2003 thu ®−îc 49 tõ vÖ tinh CHAMP (sè liÖu do ViÖn VËt lý §Þa cÇu Paris cung cÊp), bao gåm 158 ngµy truêng tõ yªn tÜnh (chän nh÷ng ngµy cã chØ sè am < 20 nT [13]). Víi h¬n 2 triÖu ®iÓm ®o cho 1.345 l¸t c¾t sè liÖu vÖ tinh ngang qua xÝch ®¹o vµo gi÷a tr−a ®Þa ph−¬ng (tõ 10 ®Õn 14 giê ®Þa ph−¬ng), quy −íc mét l¸t c¾t sè liÖu lµ tËp hîp sè liÖu khi quü ®¹o cña vÖ tinh bay qua xÝch ®¹o tõ theo mét kinh tuyÕn bÊt kú. C«ng viÖc ®Çu tiªn cña qu¸ tr×nh xö lý sè liÖu lµ lo¹i bá nhiÔu trong qu¸ tr×nh ®o ®¹c, do tèc ®é lÊy mÉu trªn vÖ tinh lµ 1 Hz nªn trong chuçi sè liÖu ghi ®−îc th−êng xuÊt hiÖn nhiÔu ®o ®¹c, viÖc läc nhiÔu ®−îc thùc hiÖn nhê c¸c bé läc kh¸c nhau, trong bµi b¸o nµy chóng t«i sö dông bé läc lµ c¸c ®a thøc bËc rÊt cao (bËc trong kho¶ng 60-90) trong qu¸ tr×nh tÝnh to¸n ®Ó lo¹i bá nh÷ng gi¸ trÞ n»m ngoµi quy luËt. TiÕp theo, chóng ta ph¶i t¸ch ®−îc phÇn ¶nh h−ëng cña EEJ tõ sè liÖu ®o ®¹c. Nh− chóng ta ®· biÕt, tr−êng tæng (F) ®o ®¹c t¹i mét ®iÓm bÊt kú trªn mÆt ®Êt còng nh− trªn vÖ tinh ®−îc ®ãng gãp bëi 3 phÇn chÝnh : tr−êng tõ chÝnh cã nguån gèc bªn trong nh©n Tr¸i §Êt (Fp), tr−êng cña vá Tr¸i §Êt (Fc), tr−êng tõ cã nguån gèc bªn ngoµi (Fe) vµ : F = Fp + Fc + Fe (1) - Fp : cã thÓ tÝnh ®−îc nhê m« h×nh tr−êng tõ chuÈn quèc tÕ (IGRF). §Ó tÝnh to¸n phÇn ¶nh h−ëng cña tr−êng cã nguån gèc bªn trong tõ sè liÖu vÖ tinh CHAMP cho n¨m 2003, chóng t«i sö dông m« h×nh IGRF (niªn ®¹i 2003.5). Trong ®ã, viÖc lùa chän bËc ®Ó khai triÓn hµm ®iÒu hoµ còng lµ mét viÖc kh¸ quan träng, nÕu ta chän bËc qu¸ cao cã thÓ lµm gi¶m tÝn hiÖu cÇn quan t©m vµ ng−îc l¹i. Qua nhiÒu tÝnh to¸n kh¸c nhau viÖc sö dông víi hµi ®iÒu hoµ bËc 14 cho sè liÖu vÖ tinh CHAMP lµ tèi −u. - Fc : phô thuéc vµo vÞ trÝ ®o ®¹c vµ coi nh− kh«ng ®æi trong suèt thêi gian nghiªn cøu. - Fe : cã thÓ do nhiÒu nguån tõ c¸c tÇng kh¸c nhau nh− tÇng ®iÖn ly, tõ quyÓn... vµ EEJ sÏ g©y ra mét tr−êng n»m trong Fe. Nh− vËy, cã thÓ dÔ dµng t¸ch ®−îc thµnh phÇn tr−êng Fp. TiÕp theo, chóng ta ph¶i t¸ch phÇn ¶nh h−ëng cña EEJ tõ Fe vµ Fc. Trªn thÕ giíi, cã nhiÒu t¸c gi¶ ®· ®Ò cËp ®Õn viÖc t¸ch tr−êng do EEJ g©y ra [2, 13] tõ chuçi sè liÖu nµy. T.J. Sabaka ®· ph¸t triÓn m« h×nh CM3 ®Ó t¸ch, thÕ nh−ng m« h×nh nµy cßn ®¬n gi¶n v× nã chØ tÝnh ®−îc gi¸ trÞ trung b×nh cña mËt ®é dßng trªn tÇng ®iÖn ly mµ kh«ng x¸c ®Þnh ®−îc ph©n bè mËt ®é cña nã. M« h×nh CM3 còng cã h¹n chÕ lµ dïng hµm ®iÒu hoµ cÇu bËc 60 ®Ó lo¹i bá c¶ tr−êng chÝnh vµ tr−êng vá, ®iÒu nµy ®ång nghÜa víi viÖc coi tr−êng vá sÏ biÕn ®æi ®iÒu hoµ theo kh«ng gian mµ thùc tÕ kh«ng h¼n nh− vËy. Trong bµi b¸o nµy, ®Ó t¸ch phÇn ¶nh h−ëng cña EEJ tõ sù chång chËp cña c¸c tr−êng kh¸c chóng t«i sö dông "bé läc" lµ c¸c ®a thøc cã bËc kh¸c nhau ; nh− vËy viÖc ¸p dông cho c¸c l¸t c¾t sè liÖu theo c¸c kinh tuyÕn kh¸c nhau sÏ ®ßi hái thêi gian xö lý sè liÖu dµi h¬n vµ phøc t¹p h¬n ph−¬ng ph¸p cña T.J. Sabaka nh−ng cho phÐp chóng ta lo¹i bá tr−êng vá Fc mét c¸ch tin cËy vµ chi tiÕt h¬n. 3. T¸ch phÇn ¶nh h−ëng cña EEJ Nh− chóng ta ®· biÕt, phÇn tr−êng tõ g©y ra bëi hÖ dßng EEJ trªn tÇng ®iÖn ly thu ®−îc trªn vÖ tinh lµ rÊt nhá so víi tr−êng tõ tæng (F) mµ nã thu ®−îc, víi quü ®¹o vµ ®é cao cña vÖ tinh CHAMP, phÇn tr−êng ¶nh h−ëng bëi EEJ chØ trong kho¶ng tõ 20 nT ®Õn 70 nT so víi sè liÖu tr−êng tæng thu ®−îc vµo kho¶ng tõ 30.000 nT ®Õn 50.000 nT, thªm n÷a nã cßn cã sù chång chËp cña nhiÒu nguån kh¸c nhau, do vËy viÖc t¸ch phÇn ¶nh h−ëng cña EEJ lµ rÊt khã kh¨n. ViÖc ¸p dông thuËt to¸n t¸ch phÇn ¶nh h−ëng cña EEJ b»ng ®a thøc cã bËc kh¸c nhau khi ta coi : - Tr−êng biÕn thiªn theo thêi gian ghi ®−îc trªn vÖ tinh cho mét lÇn c¾t ngang qua xÝch ®¹o lµ kh«ng ®¸ng kÓ (thêi gian ®Ó vÖ tinh CHAMP bay qua xÝch ®¹o tõ chØ kho¶ng 5 phót tõ vü ®é 100 ®Õn -100). - Tr−êng cña EEJ g©y ra chØ trong mét d¶i hÑp kh¸ ®Òu dÆn däc theo xÝch ®¹o tõ vµ lµm gi¶m biªn ®é cña tr−êng tæng (F) thu ®−îc trªn vÖ tinh vµ t¹o ra phÇn "lâm" xuèng trong sè liÖu cña tõng l¸t c¾t trªn sè liÖu vÖ tinh (h×nh 1). Nh− vËy, phÇn ¶nh h−ëng cña tr−êng vá vµ tr−êng trªn tÇng cao h¬n phÇn n»m ngoµi vïng ¶nh h−ëng cña EEJ ®−îc xÊp xØ b»ng c¸c ®a thøc cã bËc cao tuú ý ®Ó cã thÓ xÊp xØ tèt ®−êng cong thu ®−îc, cßn phÇn tr−êng trong vïng ¶nh h−ëng cña EEJ, theo kinh nghiÖm trong qu¸ tr×nh xö lý sè liÖu, chóng t«i sö dông ®a thùc bËc thÊp h¬n. VÝ dô trªn h×nh 1, viÖc sö dông ®a thøc bËc thÊp víi phÇn ¶nh h−ëng cña EEJ (vü ®é ±10°) sÏ t¸ch ra ®−îc tr−êng vá Tr¸i §Êt (®−êng m¶nh nÐt liÒn) mét c¸ch liªn tôc. Ngoµi ra, ®Ó ¸p dông ®−îc thuËt to¸n trªn, chóng ta ph¶i x¸c ®Þnh ®−îc bÒ réng cña EEJ sÏ thu ®−îc trªn quü ®¹o cña vÖ tinh vµ lùa chän bËc cña ®a thøc ®Ó xÊp xØ. 50 H×nh 1. T¸ch phÇn ¶nh h−ëng cña EEJ b»ng c¸c ®a thøc a) §é réng ¶nh h−ëng cña EEJ : do EEJ ch¹y trong d¶i hÑp ±3° däc theo xÝch ®¹o tõ vµ qua qu¸ tr×nh xö lý sè liÖu chóng t«i nhËn thÊy bÒ réng ¶nh h−ëng cña EEJ trªn ®é cao cña vÖ tinh trong kho¶ng vü ®é tõ -10° ®Õn 10°. ViÖc chän ®é réng cña EEJ t¹i ®é cao cña vÖ tinh lµ ±10° nµy lµ tèi −u khi nã ®¶m b¶o hÇu nh− lÊy hÕt ®−îc phÇn "lâm" xuèng trong tr−êng cßn l¹i vµ thuËn tiÖn cho viÖc viÕt ch−¬ng tr×nh xö lý sè liÖu. b) BËc cña ®a thøc : bËc cña ®a thøc dïng ®Ó xÊp xØ ¶nh h−ëng ®Õn ®é lín cña EEJ, nªn viÖc lùa chän bËc ®a thøc tèi −u còng rÊt quan träng trong qu¸ tr×nh xö lý sè liÖu. ViÖc lùa chän bËc ®a thøc phô thuéc nhiÒu vµo kinh nghiÖm tÝnh to¸n vµ h×nh d¸ng ®−êng cong sè liÖu thu ®−îc. Th«ng th−êng, chóng t«i sö dông ®a thøc bËc kho¶ng tõ 60 ®Õn 90 cho phÇn n»m ngoµi ¶nh h−ëng cña EEJ (vü ®é ®Þa tõ tõ -40° ®Õn -10° vµ tõ 10° ®Õn 40°) cßn phÇn n»m trong vïng ¶nh h−ëng cña EEJ (vü ®é ®Þa tõ tõ -10° ®Õn 10°) chóng t«i sö dông ®a thøc bËc trong kho¶ng 6 - 10 cho mçi l¸t c¾t. C«ng viÖc xö lý sè liÖu mÊt nhiÒu thêi gian h¬n cña T.J. Sabaka thÕ nh−ng sÏ chÝnh x¸c h¬n khi ta coi tr−êng vá Fc t¹i mçi vÞ trÝ kh¸c nhau sÏ cã h×nh d¸ng ®−êng cong kh¸c nhau. Còng cÇn nãi thªm, viÖc lùa chän bËc cña ®a thøc phô thuéc nhiÒu vµo kinh nghiÖm xö lý sè liÖu, viÖc lÊy ®a thøc bËc cao qu¸ cã thÓ lµm suy gi¶m tÝn hiÖu cÇn t¸ch vµ ng−îc l¹i. Trªn h×nh 1, chóng t«i tr×nh bÇy mét vµi vÝ dô vÒ t¸ch ¶nh h−ëng cña EEJ cho sè liÖu c¸c ngµy 1, 2 th¸ng 12 n¨m 2003 t¹i c¸c kinh tuyÕn kh¸c nhau b»ng thuËt to¸n trªn. PhÇn tr−êng sau khi ®· lo¹i bá tr−êng chÝnh (nhê m« h×nh IGRF bËc 14, niªn ®¹i 2003.5) cßn l¹i kho¶ng 120 nT ®−îc biÓu diÔn b»ng ®−êng ®Ëm nÐt liÒn bao gåm tr−êng cña vá Tr¸i §Êt vµ truêng ngoµi g©y ra. §−êng liÒn nÐt m¶nh biÓu diÔn tr−êng xÊp xØ b»ng ®a thøc cã bËc tõ 6 ®Õn 10 vµ ®−êng nÐt ®øt biÓu diÔn phÇn ¶nh h−ëng cña EEJ thu ®−îc. 4. Biªn ®é cña EEJ cho n¨m 2003 Trªn h×nh 2, biÓu diÔn gi¸ trÞ biªn ®é trung b×nh (lÊy gi¸ trÞ tuyÖt ®èi) cña EEJ thu ®−îc cho c¶ n¨m 2003 tõ vÖ tinh CHAMP, bao gåm 158 ngµy tr−êng tõ yªn tÜnh vµ 1.345 lÇn vÖ tinh CHAMP c¾t qua xÝch ®¹o t¹i c¸c kinh tuyÕn kh¸c nhau, lùa chän thêi ®iÓm gi÷a tr−a tõ 10 giê 00 ®Õn 14 giê 00 (giê ®Þa ph−¬ng). Chóng ta nhËn thÊy biªn ®é cña EEJ n»m trong kho¶ng tõ 12 nT ®Õn 67 nT vµ t¹i vïng kinh tuyÕn 100° (ViÖt Nam) cã mét cùc trÞ kh¸ lín Vü ®é ®Þa tõ Vü ®é ®Þa tõ Vü ®é ®Þa tõ Vü ®é ®Þa tõ Vü ®é ®Þa tõVü ®é ®Þa tõ Vü ®é ®Þa tõVü ®é ®Þa tõ Tr−êng sau khi trõ tr−êng chÝnh XÊp xØ b»ng ®a thøc PhÇn ¶nh h−êng cña EEJ ΔF Long : kinh tuyÕn h : ®é cao quü ®¹o ΔF ΔF 51 (®¹t 67 nT) so víi c¸c kinh tuyÕn kh¸c. Chó ý trªn h×nh vÏ còng cã nh÷ng khu vùc kh«ng cã sè liÖu, cã nghÜa trong kho¶ng thêi gian nµy, vÖ tinh CHAMP kh«ng bay qua c¸c kinh tuyÕn nµy vµo gi÷a tr−a ®Þa ph−¬ng. Víi gi¸ trÞ cùc ®¹i cña EEJ n»m kh¸ trïng víi ®−êng t©m xÝch ®¹o tõ vµ biªn ®é cña EEJ gi¶m dÇn vÒ hai phÝa cña vü tuyÕn nªn viÖc lùa chän ®é réng ¶nh h−ëng cña EEJ trªn quü ®¹o cña vÖ tinh CHAMP lµ ±10° lµ phï hîp. III. M« h×nh EEJ vµ ¸p dông cho sè liÖu CHAMP 1. Ph©n bè mËt ®é dßng EEJ Nh− chóng ta ®· biÕt, c−êng ®é dßng ®iÖn xÝch ®¹o quan s¸t t¹i mét ®iÓm bÊt kú sÏ phô thuéc vµo kinh ®é, vü ®é vµ thêi gian (thêi gian ®Þa ph−¬ng). Khi ta coi EEJ nh− mét d¶i dßng máng tån t¹i ë ®é cao cè ®Þnh (cao 105 km so víi mÆt ®Êt) vµ theo khai triÓn cña O. Fambitakoye vµ P.N. Mayaud [8] khi ta coi EEJ nh− mét d¶i dßng ®ång nhÊt, sù biÕn thiªn cña mËt ®é dßng I(x) cña EEJ phô thuéc vµo vü ®é (λ) liªn hÖ víi mËt ®é dßng I0 t¹i t©m cña EEJ biÓu diÔn nh− sau : 2 2 2 0 1 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −−= a cxIxI )()()( λ (2) víi x - kho¶ng c¸ch tõ t©m EEJ ®Õn ®iÓm quan s¸t x vµ ®−îc x¸c ®Þnh trong kho¶ng c - a ≤ x ≤ c + a, a - 1/2 bÒ réng cña EEJ, c - vÞ trÝ cña t©m EEJ. Sù phô thuéc cña thµnh phÇn tr−êng n»m ngang (ΔH) t¹o bëi EEJ vµo giê ®Þa ph−¬ng ®−îc m« t¶ qua hµm ph©n bè Gaussian nh− sau : ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −−= 2 2 mt TttG )(exp)( (3) víi T - giê ®Þa ph−¬ng khi thµnh phÇn tr−êng n»m ngang (ΔH) g©y ra bëi EEJ ®¹t gi¸ trÞ cùc ®¹i (th−êng chän T = 12h00), tm - tham sè hiÖu chØnh cña hµm ph©n bè Gauss, phô thuéc vµo sù biÕn thiªn cña thµnh phÇn n»m ngang ΔH vµ thµnh phÇn th¼ng ®øng ΔZ, ®−îc x¸c ®Þnh b»ng thùc nghiÖm, th«ng th−êng chän tm = 4h. Theo ®ã, sù biÕn thiªn cña mËt ®é dßng t¹i vÞ trÝ x bÊt kú khi mËt ®é dßng t¹i t©m cña EEJ lµ I0(t) nh− sau : XÝch ®¹o -180 -140 100 -60 -20 20 60 100 140 180 Kinh tuyÕn 0 10 20 30 40 50 60 nT 40 20 0 -20 -40 K in h tu yÕ n H×nh 2. Biªn ®é cña EEJ tÝnh theo sè liÖu n¨m 2003 52 (4) víi I12 - gi¸ trÞ gi÷a tr−a ®Þa ph−¬ng cña I0(t), nã phô thuéc vµo gi¸ trÞ thµnh phÇn n»m ngang cña tr−êng tõ (ΔH0) g©y ra bëi EEJ nh− sau : ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ Δ= h aarctg HI 40 0 12 , (5) h = 105 km - ®é cao cña EEJ. Khi ®ã ta cã ph©n bè cña mËt ®é dßng ®iÖn EEJ phô thuéc vµo kinh ®é, vü ®é vµ thêi gian (®Þa ph−¬ng) nh− sau : ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −−⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −−= 2 22 2 2 0 1 mt Tt a cxIxtI )(exp.)()(),,( λλ (6) víi t = tu + (λ/15) , tu - giê quèc tÕ, λ - kinh tuyÕn n»m trong kho¶ng -180°< λ <180°. Tõ c«ng thøc (5), ta hoµn toµn tÝnh I12 liªn quan ®Õn sù biÕn ®æi thµnh phÇn n»m ngang ΔH0, víi sè liÖu vÖ tinh CHAMP ta cã thÓ thay ΔH0 b»ng phÇn tr−êng ¶nh h−ëng cña EEJ t¸ch ra tõ sè liÖu tr−êng tæng (ΔF). Sau ®ã, tõ (6) cho phÐp tÝnh ®−îc mËt ®é dßng cña EEJ phô thuéc vµo thêi gian ®Þa ph−¬ng, kinh ®é vµ vü ®é. KÕt qu¶ tÝnh mËt ®é dßng cña EEJ cho sè liÖu n¨m 2003 trªn toµn cÇu ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh 3, víi c−êng ®é m¹nh nhÊt t¹i t©m cña EEJ ®¹t kho¶ng 200 A/km vµ nã còng phô thuéc vµo kinh ®é, vü ®é, thêi gian (®Þa ph−¬ng) T. 2. TÝnh c¸c thµnh phÇn cña tr−êng tõ g©y bëi EEJ Theo c«ng thøc khai triÓn bëi O. Fambitakoye (1976), tõ c¸c tham sè c, a, T, tm, I0(λ), I(t, x, λ) ta cã thÓ tÝnh thµnh phÇn cña tr−êng n»m ngang (ΔH), thµnh phÇn th¼ng ®øng (ΔZ) g©y ra bëi dßng EEJ t¹i vÞ trÝ xs bÊt kú nh− sau : H×nh 3. MËt ®é dßng ®iÖn cña EEJ tÝnh tõ CHAMP ( ) ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −−= 2 2 120 mt TtItI exp)( -180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180 Kinh tuyÕn 40 20 0 -20 -40 0 50 100 A/km 150 200 V ü tu yÕ n 53 (7) (8) víi c - vÞ trÝ cña t©m EEJ, h - ®é cao cña EEJ tÝnh b»ng km, I0 tÝnh b»ng A/m, ΔH vµ ΔZ tÝnh b»ng nT. h aXR h aXR cxsX S B S A S += −= −= (9) C¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n m« h×nh lý thuyÕt c¸c thµnh phÇn tr−êng tõ do EEJ g©y ra dùa vµo c«ng thøc (7) vµ (8) ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh 4. Trªn h×nh nµy biÓu diÔn c¸c thµnh phÇn cña tr−êng tõ g©y ra bëi EEJ trªn toµn cÇu t¹i c¸c thêi gian kh¸c nhau víi ®é cao trung b×nh cña vÖ tinh lµ 400 km so víi mÆt ®Êt. Gi¸ trÞ ®¹t cùc ®¹i cña thµnh phÇn ΔH kho¶ng 70 nT (lÊy trÞ tuyÖt ®èi), biªn ®é cùc ®¹i cña ΔZ vµo kho¶ng 40 nT, ®−êng ®ång møc cho c¸c h×nh vÏ lµ 10 nT. H×nh 4a, b. Thµnh phÇn n»m ngang ΔH (nT) vµ thµnh phÇn th¼ng ®øng ΔZ (nT) t¹i 0h00 UT [ ] +−+−+−=Δ )()62()(2,0 422222240 ABss arctgRarctgRhhXaXaaIH [ ][ ] −−++−++−+ )(,)ln()ln()(, 334 4 022322 4 0 3 20112220 ABABsss RR h a IRRhXhXXa a I [ ] )()(,)(, ABsABs RRhhXaaIRRhXaI ++−−−− 42224022340 622040 [ ][ ]++−++−+−−=Δ )ln()ln()()(, 224222222 4 0 116210 ABss RRhhXaXaa IZ [ ] +−−−−−+ )(,)()(, 444 4 0322 4 0 2 1080 ABABsss RR h a IarctgRarctgRhXhXXa a I [ ] −−+−+−+ )()(,)(, 224222 4 033 4 4 0 6210 3 80 ABsABs RRhhXaa IRRXh a I [ ] )()(, ABss RRhhXaXaI −+−− 3224080 Kinh tuyÕn V ü tu yÕ n Kinh tuyÕn V ü tu yÕ n 54 H×nh 4c, d. Gi¸ trÞ c¸c thµnh phÇn ΔH vµ ΔZ t¹i 12h00 UT Trªn h×nh 5 biÓu diÔn gi¸ trÞ 2 thµnh phÇn ΔH vµ ΔZ t¹i 12 giê 00 (giê ®Þa ph−¬ng) cho tÊt c¶ c¸c kinh tuyÕn kh¸c nhau. Nã cho phÐp chóng ta cã c¸i nh×n tæng thÓ vÒ ph©n bè cña tõng thµnh phÇn tr−êng do EEJ g©y ra trªn toµn cÇu t¹i cïng mét thêi ®iÓm. Trªn h×nh vÏ nµy, chóng ta nhËn thÊy c¶ ΔH vµ ΔZ cã mét cùc trÞ t¹i kinh tuyÕn 100° vµ cã mét cùc tiÓu t¹i kinh tuyÕn 50°. H×nh 5. ΔH vµ ΔZ T¹i 12h LT V ü tu yÕ n V ü tu yÕ n V ü tu yÕ n V ü tu yÕ n Kinh tuyÕn Kinh tuyÕn ΔZ (nT) ΔH (nT) Kinh tuyÕn Kinh tuyÕn 55 3. So s¸nh kÕt qu¶ tÝnh m« h×nh vµ sè liÖu thu ®−îc tõ CHAMP Trªn h×nh 6, biÓu diÔn viÖc so s¸nh gi÷a EEJ thu ®−îc tõ m« h×nh vµ EEJ tÝnh tõ sè liÖu vÖ tinh CHAMP cho n¨m 2003 t¹i c¸c vïng cã kinh tuyÕn kh¸c nhau, víi ®−êng nÐt ®øt lµ gi¸ trÞ tr−êng do EEJ g©y ra tÝnh ®−îc tõ m« h×nh, ®−êng nÐt rêi lµ gi¸ trÞ tr−êng tÝnh ®−îc tõ sè liÖu CHAMP cho mçi l¸t c¾t sè liÖu. Trªn mçi h×nh cßn ®−îc biÓu diÔn c¸c tham sè kh¸c nh− : h lµ gi¸ trÞ ®é cao cña vÖ tinh, Long lµ kinh tuyÕn ®i qua. Chóng ta nhËn thÊy c¸c ®−êng tÝnh tõ m« h×nh vµ ®−êng tÝnh tõ sè liÖu vÖ tinh CHAMP lµ kh¸ trïng nhau. Chóng t«i ®· tiÕn hµnh tÝnh ®é lÖch b×nh ph−¬ng trung b×nh (RMS) cho toµn bé sè liÖu n¨m 2003. Qua tÝnh to¸n nhËn thÊy gi¸ trÞ RMS th−êng nhá h¬n 5 nT. Nh− vËy viÖc ¸p dông m« h×nh trªn cho sè liÖu vÖ tinh CHAMP lµ hoµn toµn cã thÓ chÊp nhËn ®−îc. H×nh 6. So s¸nh EEJ thu ®−îc tõ m« h×nh vµ tÝnh to¸n tõ sè liÖu CHAMP KÕt luËn Trong bµi b¸o nµy, chóng t«i tr×nh bÇy viÖc ¸p dông sè liÖu tr−êng tõ thu ®−îc trªn vÖ tinh ®Ó nghiªn cøu vÒ EEJ vµ ®· nghiªn cøu, ¸p dông ph−¬ng ph¸p míi ®Ó t¸ch phÇn ¶nh h−ëng cña EEJ tõ sè liÖu tr−êng tõ thu ®−îc trªn vÖ tinh CHAMP b»ng c¸c ®a thøc cã bËc kh¸c nhau. Sau ®ã ¸p dông ph−¬ng ph¸p trªn cho chuçi sè liÖu thu ®−îc bao gåm 1.345 l¸t c¾t sè liÖu víi ngµy tr−êng tõ yªn tÜnh thu ®−îc tõ vÖ tinh CHAMP n¨m 2003. Tõ sè liÖu biªn ®é cña EEJ tÝnh ®−îc chóng t«i ®· x©y dùng m« h×nh EEJ cho toµn cÇu còng nh− tÝnh to¸n c¸c thµnh phÇn tr−êng tõ do EEJ g©y ra t¹i mét ®iÓm bÊt kú. Qua c¸c b−íc tÝnh to¸n trªn cã mét sè kÕt luËn nh− sau : - §é réng (theo vü tuyÕn) ¶nh h−ëng cña EEJ t¹i ®é cao vÖ tinh CHAMP bay vµo kho¶ng ±10° (t¹i mÆt ®Êt vµo kho¶ng ±3°). - Biªn ®é cña tr−êng tõ g©y bëi EEJ thu ®−îc tõ vÖ tinh CHAMP biÕn ®æi trong kho¶ng tõ 25 nT ®Õn 70 nT, tuú thuéc c¸c kinh tuyÕn kh¸c nhau. T¹i kinh tuyÕn ViÖt Nam (kinh ®é 100°) chóng ta nhËn thÊy cã 1 cùc ®¹i (®¹t 68 nT), nguån gèc cña cùc trÞ nµy vÉn ch−a biÕt, nã cã thÓ do c¸c ho¹t ®éng ®iÖn ®éng lùc trªn tÇng ®iÖn ly, hoÆc do mËt ®é cña giã EEJ t¸ch tõ CHAMP EEJ tõ m« h×nh Long : kinh tuyÕn h : ®é cao quü ®¹o Vü ®é ®Þa tõ Vü ®é ®Þa tõ Vü ®é ®Þa tõ Vü ®é ®Þa tõ Vü ®é ®Þa tõ Vü ®é ®Þa tõ Vü ®é ®Þa tõVü ®é ®Þa tõ 56 trung hoµ, còng cã thÓ do ®é dÉn cña vá Tr¸i §Êt trong khu vùc ; chóng ta ph¶i nghiªn cøu sù xuÊt hiÖn cña c¸c cùc trÞ nµy theo thêi gian ®Ó kh¼ng ®Þnh sù tån t¹i cña nã. T¹i kinh tuyÕn -60°, cã mét cùc tiÓu, víi thµnh phÇn tr−êng n»m ngang t¹i t©m EEJ kho¶ng 40 nT. - M« h×nh vÒ dßng ®iÖn xÝch ®¹o phô thuéc vµo kinh ®é, vü ®é vµ thêi gian ®Þa ph−¬ng b»ng mét b¶n dßng ë ®é cao 105 km lµ kh¸ phï hîp víi sè liÖu quan s¸t trªn vÖ tinh, cho chóng ta mét bøc tranh kh¸ hoµn chØnh vÒ biªn ®é, quy luËt ph©n bè, ®é réng ¶nh h−ëng cña EEJ trªn toµn cÇu, nhê ®ã chóng ta cã thÓ cã nh÷ng nghiªn cóu tiÕp theo nh− biÕn thiªn theo th¸ng, n¨m, mïa... - M« h×nh EEJ thu ®−îc, víi ®é lÖch b×nh ph−¬ng trung b×nh (RMS) nhá h¬n 5 nT tÝnh cho toµn bé c¸c kinh tuyÕn kh¸c nhau cho chóng ta cã c¸i nh×n tæng thÓ vÒ ph©n bè h×nh häc còng nh− c¸c tham sè cña EEJ trªn toµn cÇu. - ViÖc nghiªn cøu biÕn ®æi cña EEJ theo thêi gian vµ so s¸nh m« h×nh nµy víi c¸c m« h×nh sö dông sè liÖu cña c¸c vÖ tinh kh¸c còng nh− tõ sè liÖu mÆt ®Êt sÏ ®Ò cËp trong c¸c nhiªn cøu sau nµy. Lêi c¶m ¬n : c¸c t¸c gi¶ ch©n thµnh c¶m ¬n Ts Yves Cohen vµ Ts Amory Mazaudier ®· cã nh÷ng ý kiÕn ®ãng gãp x¸c ®¸ng trong viÖc hoµn thµnh bµi b¸o. Bµi b¸o ®−îc hoµn thµnh víi phÇn sè liÖu vÖ tinh ®−îc cung cÊp bëi ViÖn VËt lý ®Þa cÇu Paris trong ch−¬ng tr×nh hîp t¸c gi÷a ViÖn VËt lý ®Þa cÇu Hµ Néi, ViÖn VËt lý ®Þa cÇu Paris vµ Trung t©m nghiªn cøu m«i tr−êng Tr¸i §Êt vµ c¸c Hµnh tinh - "Nghiªn cøu VËt lý ®Þa cÇu trong mèi quan hÖ MÆt Trêi - Tr¸i §Êt, nghiªn cøu tr−êng tõ ë ViÖt Nam" (PICS-3366). Tµi liÖu dÉn [1] C.E. AGU, C.A. ONWUMECHILI, 1981 : Comparision of the POGO satellite and ground measurement of the magnetic field of the equa- torial electrojet. J. Atmos. and Terr Phys, 43, 801-807. [2] K.W. BEHANNON, N.F. NESS, 1966 : The design of numerical filters for geomagnetic data analysis, NASA Tech, note, D-3341. [3] B.N. BHARGAVA, N.S. SASTRI, B.R. ARORA and R. RAJARAM, 1980 : The afternoon counter-electrojet phenomenon, Ann. Geophys., 36, 231-240. [4] H. CHANDRA, H.S.S. SINHA, R.G. RASTOGI, 2000 : Equatorial electrojet studies from rocket and ground measurements, Earth Planets Space, 52, 111-120. [5] S. CHAPMAN, 1951 : The equatorial electrojet as detected from the abnormal electric current distri- butions above Huancayo, Peru and elsewhere, Arch. Meteorol. Geophys. Bioclimatol. A4, 368-390. [6] V. DOUMOUYA, J. VASSAL, Y. COHEN, O. FAMBITAKYOYE, M. MENVIELLE, 1998 : Equatorial electrojet at african longitudes : first results from magnetic measurements, Ann. Geophysics, 16, 658-676. [7] V. DOUMOUYA, Y. COHEN, 2003 : Local time and longitude dependence of the equatorial electrojet magnetic effects, J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 65, 1265-1282. [8] O. FAMBITAKOYE, P.N. MAYAUD, 1976 : The Equatorial Electrojet and Regular Daily Varia- tion SR : - I. A Determination of the Equatorial Electrojet Parameters, Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, 38, 1-17. [9] TR¦ONG QUANG H¶O, 1998 : X¸c ®Þnh mét vµi th«ng sè cña dßng ®iÖn xÝch ®¹o ë ViÖt Nam. T¹p chÝ C¸c Khoa häc vÒ Tr¸i §Êt, 7, 12-19. [10] TR¦¥NG QUANG H¶O, L£ HUY MINH, 1987 : Mét sè ®Æc ®iÓm cña tr−êng ®Þa tõ biÕn thiªn ë ViÖt Nam, T¹p chÝ C¸c khoa häc vÒ Tr¸i §Êt. T. 9, 1, 7-13. [11] L£ HUY MINH, 1998 : BiÕn thiªn tõ t¹i ViÖt Nam vµ dßng ®iÖn ng−îc xÝch ®¹o, T¹p chÝ C¸c khoa häc vÒ Tr¸i §Êt, T. 20, 3, 189-199. [12] A. PATRIC, M. STEFAN, 2002 : Spatio- temporal characterization of the equatorial electrojet from CHAMP, Orsted and SAC-C satellite magnetic measurements. Geophys. J. Int., 112, 1-10. [13] G.K. RANGARAJAN, 1973 : Indices of Geomagnetic Activity. In Geomagnetism, Volume 3 Edited by J.A. Jacobs. [14] A.D. RICHMOND, 1973 : Equatorial electro- jet-I. Development of a model including winds and electric field. Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics 35, 1083-1103. [15] T.J. SABAKA, N. OLSEN and R.A. LANGEL, 2002 : A comprehensive model of the quite-time 57 near Earth magnetic field: phase 3, Geophys. J. Int., 32-68. [16] R.J. STENING, 1985 : Modeling the equatorial electrojet, Journal of Geophysical Research, 90, 1705-1719. [17] NGUYÔN THÞ KIM THOA, NGUYÔN V¡N GI¶NG vµ nnk, 1990 : §Æc tr−ng biÕn thiªn cña tr−êng ®Þa tõ d−íi ¶nh h−ëng cña vßng ®iÖn xÝch ®¹o quan s¸t ®−îc trªn l·nh thæ ViÖt Nam, T¹p chÝ C¸c Khoa häc vÒ Tr¸i §Êt, T. 12, 2, 33-42. [18] B.T. VIKRAMKUMAR, K.S. VISWANATHAN and P.B. RAO, 1984 : VHF backscatter radar obser- vations of the equatorial electrojet irregularities, Ann. Geophys., 2, 295-310. [19] M. YANAGISAWA and M. KONO, 1985 : Mean ionospheric field correction for Magsat data, J. Geophys. Res., 90., B3, 2527-2536. SUMMARY The equatorial electrojet model with champ satellite data The EEJ (Equatorial Electrojet) is a complex current system flowing in the ionospheric E-layer. Its value changes in space and in local time. The magnetic signature of the EEJ overlaps on the recorded magnetic data and the amplitude of the EEJ magnetic signature is very small with respect to that of the main field. So the separation of the EEJ magnetic is difficult. Today, we have many kinds of data for studying EEJ (ionosonde, rocket, magnetic observatories...). Many results of the studies of EEJ were publicated, but these results are with some limit as there are few data from obsevation and the data are no regularly distributed. The CHAMP satellite has launched from July 15, 2000. It gives the good data for studying the EEJ because of its low orbit and passing along the longitudes, crossing the equator at noon time. In this paper we introduce the CHAMP satellite, its recorded data and give an algorithm for sepa- rating the EEJ magnetic signature from the total magnetic field. We present the application of this method to the data received in 2003, with 158 quiet days, about 1345 values of total field around noon (for local time from 10 to 14 hour) to study the EEJ. An empirical model of the EEJ, including local time, longitude, latitude is also presented in this paper; we try to apply the EEJ data for one year 2003 to define some parameters of EEJ around the world. Ngµy nhËn bµi : 16-10-2009 ViÖn VËt lý ®Þa cÇu