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

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

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.

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]).

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.

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

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

48

tõ vÖ tinh CHAMP (sè liÖu do ViÖn VËt lý §Þa cÇu ®Þnh ®−îc ph©n bè mËt ®é cña nã. M« h×nh CM3

Paris cung cÊp), bao gåm 158 ngµy truêng tõ yªn còng cã h¹n chÕ lµ dïng hµm ®iÒu hoµ cÇu bËc 60

tÜnh (chän nh÷ng ngµy cã chØ sè am < 20 nT [13]). ®Ó lo¹i bá c¶ tr−êng chÝnh vµ tr−êng vá, ®iÒu nµy

Víi h¬n 2 triÖu ®iÓm ®o cho 1.345 l¸t c¾t sè liÖu vÖ ®ång nghÜa víi viÖc coi tr−êng vá sÏ biÕn ®æi ®iÒu

tinh ngang qua xÝch ®¹o vµo gi÷a tr−a ®Þa ph−¬ng hoµ theo kh«ng gian mµ thùc tÕ kh«ng h¼n nh− vËy.

(tõ 10 ®Õn 14 giê ®Þa ph−¬ng), quy −íc mét l¸t c¾t Trong bµi b¸o nµy, ®Ó t¸ch phÇn ¶nh h−ëng cña EEJ

sè liÖu lµ tËp hîp sè liÖu khi quü ®¹o cña vÖ tinh tõ sù chång chËp cña c¸c tr−êng kh¸c chóng t«i sö

bay qua xÝch ®¹o tõ theo mét kinh tuyÕn bÊt kú. dông "bé läc" lµ c¸c ®a thøc cã bËc kh¸c nhau ; nh−

C«ng viÖc ®Çu tiªn cña qu¸ tr×nh xö lý sè liÖu lµ vËy viÖc ¸p dông cho c¸c l¸t c¾t sè liÖu theo c¸c

lo¹i bá nhiÔu trong qu¸ tr×nh ®o ®¹c, do tèc ®é lÊy kinh tuyÕn kh¸c nhau sÏ ®ßi hái thêi gian xö lý sè

mÉu trªn vÖ tinh lµ 1 Hz nªn trong chuçi sè liÖu ghi liÖu dµi h¬n vµ phøc t¹p h¬n ph−¬ng ph¸p cña T.J.

®−îc th−êng xuÊt hiÖn nhiÔu ®o ®¹c, viÖc läc nhiÔu Sabaka nh−ng cho phÐp chóng ta lo¹i bá tr−êng vá

®−îc thùc hiÖn nhê c¸c bé läc kh¸c nhau, trong bµi Fc mét c¸ch tin cËy vµ chi tiÕt h¬n.

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¸

3. T¸ch phÇn ¶nh h−ëng cña EEJ

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, 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

Nh− chóng ta ®· biÕt, tr−êng tæng (F) ®o ®¹c t¹i

mét ®iÓm bÊt kú trªn mÆt ®Êt còng nh− trªn vÖ tinh

®Õn 70 nT so víi sè liÖu tr−êng tæng thu ®−îc vµo

®−îc ®ãng gãp bëi 3 phÇn chÝnh : tr−êng tõ chÝnh

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,

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 :

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

F = Fp + Fc + Fe

(1)

h−ëng cña EEJ b»ng ®a thøc cã bËc kh¸c nhau khi

ta coi :

- Fp : cã thÓ tÝnh ®−îc nhê m« h×nh tr−êng tõ

chuÈn quèc tÕ (IGRF). §Ó tÝnh to¸n phÇn ¶nh h−ëng

- Tr−êng biÕn thiªn theo thêi gian ghi ®−îc trªn

cña tr−êng cã nguån gèc bªn trong tõ sè liÖu vÖ tinh vÖ tinh cho mét lÇn c¾t ngang qua xÝch ®¹o lµ kh«ng

CHAMP cho n¨m 2003, chóng t«i sö dông m« h×nh ®¸ng kÓ (thêi gian ®Ó vÖ tinh CHAMP bay qua xÝch

IGRF (niªn ®¹i 2003.5). Trong ®ã, viÖc lùa chän bËc ®¹o tõ chØ kho¶ng 5 phót tõ vü ®é 100 ®Õn -100).

®Ó khai triÓn hµm ®iÒu hoµ còng lµ mét viÖc kh¸

- Tr−êng cña EEJ g©y ra chØ trong mét d¶i hÑp

quan träng, nÕu ta chän bËc qu¸ cao cã thÓ lµm gi¶m

kh¸ ®Òu dÆn däc theo xÝch ®¹o tõ vµ lµm gi¶m biªn

tÝn hiÖu cÇn quan t©m vµ ng−îc l¹i. Qua nhiÒu tÝnh

®é cña tr−êng tæng (F) thu ®−îc trªn vÖ tinh vµ t¹o

to¸n kh¸c nhau viÖc sö dông víi hµi ®iÒu hoµ bËc

ra phÇn "lâm" xuèng trong sè liÖu cña tõng l¸t c¾t

14 cho sè liÖu vÖ tinh CHAMP lµ tèi −u.

trªn sè liÖu vÖ tinh (h×nh 1). Nh− vËy, phÇn ¶nh

- Fc : phô thuéc vµo vÞ trÝ ®o ®¹c vµ coi nh− h−ëng cña tr−êng vá vµ tr−êng trªn tÇng cao h¬n

kh«ng ®æi trong suèt thêi gian nghiªn cøu.

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

- 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 bËc thÊp h¬n. VÝ dô trªn h×nh 1, viÖc sö dông ®a

tr−êng Fp. TiÕp theo, chóng ta ph¶i t¸ch phÇn ¶nh thøc bËc thÊp víi phÇn ¶nh h−ëng cña EEJ (vü

h−ëng cña EEJ tõ Fe vµ Fc. Trªn thÕ giíi, cã nhiÒu ®é ±10°) sÏ t¸ch ra ®−îc tr−êng vá Tr¸i §Êt

t¸c gi¶ ®· ®Ò cËp ®Õn viÖc t¸ch tr−êng do EEJ g©y (®−êng m¶nh nÐt liÒn) mét c¸ch liªn tôc. Ngoµi ra,

ra [2, 13] tõ chuçi sè liÖu nµy. T.J. Sabaka ®· ph¸t ®Ó ¸p dông ®−îc thuËt to¸n trªn, chóng ta ph¶i x¸c

triÓn m« h×nh CM3 ®Ó t¸ch, thÕ nh−ng m« h×nh nµy ®Þnh ®−îc bÒ réng cña EEJ sÏ thu ®−îc trªn quü

cßn ®¬n gi¶n v× nã chØ tÝnh ®−îc gi¸ trÞ trung b×nh ®¹o cña vÖ tinh vµ lùa chän bËc cña ®a thøc ®Ó

cña mËt ®é dßng trªn tÇng ®iÖn ly mµ kh«ng x¸c xÊp xØ.

49

Vü ®é ®Þa tõ

Tr−êng sau khi trõ tr−êng chÝnh

XÊp xØ b»ng ®a thøc

PhÇn ¶nh h−êng cña EEJ

Long : kinh tuyÕn

h : ®é cao quü ®¹o

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 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.

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.

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.

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

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

50

40

20

0

XÝch ®¹o

-20

-40

-180

-140

100

-60

-20

Kinh tuyÕn

20

60

100

140

180

0

10

20

30

40

50

60 nT

H×nh 2. Biªn ®é cña EEJ tÝnh theo sè liÖu n¨m 2003

2

(®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.

(x − c)²

⎛

⎞

⎟

I(x) = I (λ) 1−

(2)

⎜

0

a²

⎝

⎠

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 :

III. M« h×nh EEJ vµ ¸p dông cho sè liÖu

CHAMP

(t − T)²

⎛

⎜

⎝

⎞

⎟

⎠

⎜

G(t) = exp −

(3)

t_m²

1. Ph©n bè mËt ®é dßng EEJ

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), t_m- 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 t_m= 4h.

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

Theo ®ã, sù biÕn thiªn cña mËt ®é dßng t¹i vÞ

vü ®é (λ) liªn hÖ víi mËt ®é dßng I₀t¹i t©m cña trÝ x bÊt kú khi mËt ®é dßng t¹i t©m cña EEJ lµ I₀(t)

EEJ biÓu diÔn nh− sau : nh− sau :

51

Tõ c«ng thøc (5), ta hoµn toµn tÝnh I₁₂liªn quan

®Õn sù biÕn ®æi thµnh phÇn n»m ngang ΔH₀, víi sè

liÖu vÖ tinh CHAMP ta cã thÓ thay ΔH₀b»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

⎛

⎜

⎝

⎞

⎟

⎠

(

t − T

t_m²

)

⎜

(4)

I₀(t)

=

I

₁₂exp −

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 :

ΔH₀

I₁₂

=

(5)

a

h

⎛

⎞

⎟

0,4arctg

⎜

⎝

⎠

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. TÝnh c¸c thµnh phÇn cña tr−êng tõ g©y bëi

EEJ

2

Theo c«ng thøc khai triÓn bëi O. Fambitakoye

(1976), tõ c¸c tham sè c, a, T, t_m, 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 :

(x − c)²

(t − T)²

⎛

⎜

⎝

⎞

⎟

⎠

⎛

⎞

⎟

⎜

⎟ (6)

I(t, x,λ) = I (λ) 1−

.exp −

⎜

0

a²

t_m²

⎝

⎠

víi t = t_u+ (λ/15) , t_u- giê quèc tÕ, λ - kinh tuyÕn

n»m trong kho¶ng -180°< λ <180°.

40

20

0

-20

-40

-180

-150

-120

-90

-60

-30

0

Kinh tuyÕn

30

60

90

120

150

180

200

0

50

100 A/km

150

H×nh 3. MËt ®é dßng ®iÖn cña EEJ tÝnh tõ CHAMP

52

I₀

ΔH = 0,2

[

(a²− X_s²)²+ (2a²− 6X_s²)h²+ h⁴

]

(arctgR_B− arctgR_A) +

a⁴

I₀

I₀h⁴

(7)

+ 0,2

[

2(a²− X_s²)X_sh + 2X_sh³

][

ln(1+ R_B²) − ln(1+ R_A²)

]

+ 0,2

(R_B³− R_A³) −

a⁴

3

I₀

a⁴

I₀

a⁴

− 0,4

X_sh³(R_B²− R_A²) − 0,2

[

(2a²− 6X_s²)h²+ h⁴

]

(R_B+ R_A)

I₀

a⁴

ΔZ

=

− 0,1

[

(a²− X_s²)²+ (2a²− 6X_s²)h²+ h⁴

]

[

ln(1+ R_B²) − ln(1+ R_A²)

]

+

I₀

a⁴

I₀h⁴

+ 0,8

[

(a²− X_s²)X_sh − X_sh³

]

(arctgR − arctgR ) − 0,1

(R_B⁴− R_A⁴) +

B

A

a⁴

2

(8)

I₀h⁴

I₀

+ 0,8

− 0,8

X_s(R_B³− R_A³) + 0,1

[

(2a²− 6X_s²)h²+ h⁴(R_B²− R_A²) −

]

a⁴

3

a⁴

(R_B− R_A)

I₀

a⁴

X

[

_s(a²− X_s²)h + h³

]

víi c - vÞ trÝ cña t©m EEJ, h - ®é cao cña EEJ tÝnh

C¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n m« h×nh lý thuyÕt c¸c

b»ng km, I₀tÝnh b»ng A/m, ΔH vµ ΔZ tÝnh thµnh phÇn tr−êng tõ do EEJ g©y ra dùa vµo c«ng

b»ng nT.

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.

X_S= xs− c

X_S− a

h

R_A=

(9)

X_S+ a

h

R_B=

Kinh tuyÕn

H×nh 4a, b. Thµnh phÇn n»m ngang ΔH (nT) vµ thµnh phÇn th¼ng ®øng ΔZ (nT) t¹i 0h00 UT

53

Kinh tuyÕn

H×nh 4c, d. Gi¸ trÞ c¸c thµnh phÇn ΔH vµ ΔZ t¹i 12h00 UT

vµ ΔZ t¹i 12 giê 00 (giê ®Þa ph−¬ng) cho tÊt c¶ c¸c Trªn h×nh vÏ nµy, chóng ta nhËn thÊy c¶ ΔH vµ ΔZ

kinh tuyÕn kh¸c nhau. Nã cho phÐp chóng ta cã c¸i cã mét cùc trÞ t¹i kinh tuyÕn 100° vµ cã mét cùc

tiÓu t¹i kinh tuyÕn 50°.

ΔH (nT)

Kinh tuyÕn

ΔZ (nT)

Kinh tuyÕn

H×nh 5. ΔH vµ ΔZ T¹i 12h LT

54

3. So s¸nh kÕt qu¶ tÝnh m« h×nh vµ sè liÖu thu

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.

®−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,

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

Vü ®é ®Þa tõ

EEJ t¸ch tõ CHAMP

EEJ tõ m« h×nh

Long : kinh tuyÕn

h : ®é cao quü ®¹o

Vü ®é ®Þa tõ

H×nh 6. So s¸nh EEJ thu ®−îc tõ m« h×nh vµ tÝnh to¸n tõ sè liÖu CHAMP

KÕt luËn

bÊt kú. Qua c¸c b−íc tÝnh to¸n trªn cã mét sè kÕt

luËn nh− sau :

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

dùng m« h×nh EEJ cho toµn cÇu còng nh− tÝnh to¸n

- §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°).

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

55

trung hoµ, còng cã thÓ do ®é dÉn cña vá Tr¸i §Êt

[4] H. CHANDRA, H.S.S. SINHA, R.G. RASTOGI,

trong khu vùc ; chóng ta ph¶i nghiªn cøu sù xuÊt 2000 : Equatorial electrojet studies from rocket and

hiÖn cña c¸c cùc trÞ nµy theo thêi gian ®Ó kh¼ng ground measurements, Earth Planets Space, 52,

®Þnh sù tån t¹i cña nã. T¹i kinh tuyÕn -60°, cã mét 111-120.

[5] S. CHAPMAN, 1951 : The equatorial electrojet

EEJ kho¶ng 40 nT.

as detected from the abnormal electric current distri-

- M« h×nh vÒ dßng ®iÖn xÝch ®¹o phô thuéc vµo butions above Huancayo, Peru and elsewhere, Arch.

kinh ®é, vü ®é vµ thêi gian ®Þa ph−¬ng b»ng mét Meteorol. Geophys. Bioclimatol. A4, 368-390.

b¶n dßng ë ®é cao 105 km lµ kh¸ phï hîp víi sè

[6] V. DOUMOUYA, J. VASSAL, Y. COHEN, O.

liÖu quan s¸t trªn vÖ tinh, cho chóng ta mét bøc

FAMBITAKYOYE, M. MENVIELLE, 1998

:

®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...

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.

- 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

EEJ trªn toµn cÇu.

[8] O. FAMBITAKOYE, P.N. MAYAUD, 1976 :

The Equatorial Electrojet and Regular Daily Varia-

tion S_R: - I. A Determination of the Equatorial

Electrojet Parameters, Journal of Atmospheric and

Terrestrial Physics, 38, 1-17.

- ViÖc nghiªn cøu biÕn ®æi cña EEJtheo 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.

[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.

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

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).

[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.

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.

[13] G.K. RANGARAJAN, 1973 : Indices of

Geomagnetic Activity. In Geomagnetism, Volume

3 Edited by J.A. Jacobs.

[2] K.W. BEHANNON, N.F. NESS, 1966 : The

design of numerical filters for geomagnetic data

analysis, NASA Tech, note, D-3341.

[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.

[3] B.N. BHARGAVA, N.S. SASTRI, B.R.

ARORA and R. RAJARAM, 1980 : The afternoon

counter-electrojet phenomenon, Ann. Geophys.,

36, 231-240.

[15] T.J. SABAKA, N. OLSEN and R.A. LANGEL,

2002 : A comprehensive model of the quite-time

56

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.

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.

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.

[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.

Ngµy nhËn bµi : 16-10-2009

ViÖn VËt lý ®Þa cÇu

57