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

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
3
Trường ĐH Sư phạm, Tp. Hồ Chí Minh
Email:
1

2

TÓM TẮT
Xung điện từ bức xạ ra từ sự phóng điện của sét có dải tần số cực thấp (3 Hz – 3 kHz) và rất
thấp (3 kHz – 30 kHz) lan truyền hàng nghìn km giữa lớp thấp nhất của tầng điện ly và Trái đất đến
máy thu. Trên ảnh phổ của máy thu xuất hiện những “lưỡi câu” với tần số cắt khoảng 1,8 kHz và
chúng được gọi là “tweek”. Quan sát tweek nhiều mode (chế độ), số mode cực đại đến 8, tại máy thu
đặt tại đại học Tây Nguyên (12,65o B, 108,02o Đ) trong tháng 5 (đại diện cho mùa hè) và tháng 11 (đại
diện cho mùa đông) năm 2013 để ước tính mật độ electron tại độ cao phản xạ tương ứng của lớp D
tầng điện ly trong thời gian ban đêm. Mỗi tháng, tweek được ghi nhận trong 5 đêm yên tĩnh. Trong
mùa hè, tweek có số mode m = 3 – 4, trở nên chiếm ưu thế và có nhiều tweek có số mode 8. Cả hai
tháng quan sát, những tweek có số mode cao (m > 4) xuất hiện với tỉ lệ thấp hơn các tweek có số
mode khác do có sự suy hao năng lượng sóng ở lớp D tầng điện ly càng tăng đối với sóng tweek có
mode cao. Kết quả tính toán cho thấy mật độ electron từ 30 – 222 e/cm3 ứng với số mode m = 1 – 8
tại các độ cao phản xạ từ 82,1 – 87,5 km. Trước nửa đêm, mật độ electron vào mùa hè thấp hơn so
với mật độ electron vào muà đông nhưng sau nửa đêm mật độ electron mùa hè tại cao hơn so với mật
độ electron vào mùa đông. Mật độ electron tương đương trong profile tính theo phương pháp tweek
thấp hơn so với mật độ electron tính toán bằng mô hình IRI-2012 khoảng 26 - 66 % (vào mùa đông)

và 18 – 48 % (vào mùa hè). Sự thay đổi mật độ electron phụ thuộc vào mùa thể hiện trong giai đoạn
Mặt Trời hoạt động mạnh ít rõ hơn trong 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) là lớp thấp nhất của tầng điện ly của Trái Đất, nơi mà sự va chạm giữa hạt mang điện
và hạt trung hòa chiếm ưu thế và làm vai trò biên dẫn phía trên của ống dẫn sóng Trái Đất – Tầng điện ly có thể
phản xạ sóng tần số cực thấp (ELF – Extremely Low Frequency: 3 – 3000 Hz) và sóng tần số rất thấp (VLFVery Low Frequency: 3 – 30 kHz). Lớp D quá cao đối với kinh khí cầu và quá thấp đối với vệ tinh cho sự đo
lường. Tốc độ kết hợp và tái hợp của electron quá nhanh làm cho mật độ electron tự do rất thấp ( < 103 e/cm3),
đặc biệt vào ban đêm, điều này làm cho máy điện ly đồ, radar không thể quan trắc được. Có thể đo nhanh các
thông số điện ly bằng tên lửa nhưng chúng chỉ giới hạn trong vùng không gian hẹp [1]. Do vậy, lớp D tầng điện
ly vẫn còn là đề tài mới mẽ cần tiếp tục nghiên cứu và kỹ thuật ELF/VLF trở thành công cụ hữu hiệu để nghiên
cứu lớp này.
Tweek là xung điện từ trong dải tần ELF/VLF phát ra từ sự phóng điện của sét và lan truyền rất xa hàng
nghìn km trong ống dẫn sóng Tầng điện ly – Trái đất (Earth Ionospheric Wave Guide – viết tắt: EIWG) với
nhiều chế độ (mode) phản xạ và sự suy hao của sóng rất thấp (2 – 3 dB/1000 km) [2]. Những tín hiệu này bị tán
sắc mạnh gần ở tần số tới hạn khoảng 1.8 kHz [3]. Những sóng này biểu hiện những “lưỡi câu” trên phổ tần số thời gian và nghe tiếng “tuýt tuýt” qua loa của máy thu [4]. Sử dụng phương pháp tweek, nhiều công trình
nghiên cứu đã xác định được độ cao phản xạ vào ban đêm của lớp D, mật độ electron và khoảng cách lan truyền
sóng từ nguồn đến nơi quan sát. Tuy vậy, những công trình này chỉ tập trung nghiên cứu lớp D ở vĩ độ cao và
trung bình. Một số công trình gần đây sử dụng mode đầu tiên của tweek để nghiên cứu lớp D ở vĩ độ thấp trong
giai đoạn Mặt Trời hoạt động yếu.
Trong công trình này, chúng tôi ghi nhận và thống kê tweek bằng máy thu ELF/VLF đặt tại đại học Tây
Nguyên (12,65o B) trong tháng 5 và tháng 11 năm 2013. Sử dụng phương pháp tweek để tính tần số cắt, tính độ
mật độ electron của lớp D tầng điện ly vào ban đêm tại khu vực vĩ độ thấp. So sánh profile mật độ electron của
lớp D ban đêm bằng phương pháp tweek với mô hình điện ly IRI-2012. Đánh giá sự biến đổi theo mùa của các
thông số điện ly (cho trường hợp nhiều mode) trong giai đoạn Mặt Trời hoạt động mạnh của 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 về sự lan truyền sóng điện từ trong plasma có từ trường và có va chạm giữa các hạt mang điện
dựa trên lý thuyết từ-ion hóa áp dụng cho tầng điện ly [5]. Tầng điện ly là môi trường ion hóa yếu và là môi
trường plasma bất đồng nhất và bất đẳng hướng. Chỉ số khúc xạ của môi trường truyền sóng trong plasma tầng
điện ly được thể hiện bằng công thức Appleton-Hartree [6]:

2 1

2 X (1  X  i )
2(1  iZ )(1  X  iZ )  Y sin   [Y 4 sin 4   4(1  X  iZ ) 2 Y 2 cos2  ]1/ 2
4


X   p
 H

Trong đó:

2


 ;


Y

2

H ;


Z

(1)

v



Với ωH và ωp được xác định bởi các biểu thức sau:

H 

e0 H
;
m

 p  2f p ;

fp 

1
2

N ee2
 0 .9 N
m 0

(2)

 là chiết suất của môi trường; α là góc giữa hướng lan truyền của sóng và vector từ trường của Trái Đất;
là tần số va chạm của electron với hạt trung hòa; ω là tần số góc của sóng; ωp là tần số góc plasma và ωH là
tần số góc hồi chuyển của electron; H là cường độ từ trường của Trái Đất; μo là hằng số từ môi của không khí; e
là điện tích của electron và m là khối lượng của electron. Ý nghĩa của dấu “±” trong mẫu số của công thức (1):
dấu "+” tương ứng với sóng thường (ordinary wave) và dấu "-" tương ứng với các sóng bất thường
(extraordinary wave) trong plasma tầng điện li. Chế độ sóng thường tương ứng với sự phân cực tròn quay phải
và sóng bất thường tương ứng với phân cực tròn quay trái.
Từ trường của Trái Đất làm cho môi trường điện ly không đẳng hướng và làm sóng phân cực thẳng thành
sóng phân cực elip. Sự lan truyền năng lượng được cho là sự hợp thành của chế độ tựa điện trường ngang qTE
(quasi-Transverse Electric) và tựa từ trường ngang qTM (quasi-Transverse Magnetic). Chế độ qTM tương tự như
chế độ từ trường ngang TM (Transverse Magnetic) nhưng chúng có thêm thành phần từ trường nhỏ dọc theo
phương truyền sóng. Chế độ qTE cũng có thành phần điện trường nhỏ dọc theo phương truyền sóng [6]. Chế độ
đơn giản mà không có tần số cắt và lan truyền với tần số nhỏ hơn 1,8 kHz gọi là chế độ tựa điện từ trường ngang
qTEM (quasi-Transverse Electromagnetic) [3]. Các công trình của Yedemsky (1992) và Hayakawa (1995) đã chỉ
ra rằng phân cực chính của đuôi tweek là phân cực tròn quay trái chúng liên quan đến thành phần dọc của trường
địa từ [7; 8].



Trong công thức Appleton-Hartree (1), điều kiện để 2 bằng không là X = 1 và X = 1  Y tương ứng với
sóng thường và sóng bất thường. Giá trị X = 1 + Y khi Y > 1 (H > ) và X = 1 – Y khi Y < 1 (H < ). Vì
trường hợp sóng tweek trong dải ELF/VLF (H < ) nên chọn giá trị X = Y + 1 [9].
Do đó, mật độ electron được ước tính từ điều kiện X = 1 + Y là:

Ne  1,241.108 f p ( f p  f H )

(3)

Tần số hồi chuyển fH của electron được tính [10]:
fH = 2,84  1010 B
(4)
B là cảm ứng từ của Trái Đất được tính từ website: Ở vùng vĩ độ thấp (vĩ độ 30o B – 30o N) và theo mô hình IGRF (International
Geomagnetic Reference Field) thì fH = 1,3  0,16 MHz.
Tần số cắt của tweek trong khoảng 1,5 – 2,5 kHz. Do f p << fH và khi có sự phản xạ sóng thì fc = fp , nên ta
có [9]:

Ne  1,241108 f c f H

(5)

Thay fH từ (4) vào (5), ta được:

Ne  1,6133102 fc

(6)

Nếu lấy fc = 1,8 kHz và fH = 1,3  0,16 MHz thì ta thu được mật độ electron Ne = 29,04 ± 4,47 e/cm3.
Coi biên dẫn phía trên của EIWG là biên dẫn lý tưởng, độ cao phản xạ h của sóng tweek được xác định [6;
11]:

h

mc
2 f cm

(7)

Trong đó m là số mode, c là vận tốc ánh sáng trong chân không, fcm là tần số cắt ứng với mode thứ m.

ISBN: 978-604-82-1375-6

120


Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
Nếu f > fcm và các mode lan truyền với vận tốc vgm được xác định [12]:

v gm  c 1  ( f cm / f )2

(8)

Từ (8), khi tần số f tiến tới tần số cắt fcm thì vgm tiến tới bằng 0, còn nếu f lớn hơn nhiều so với tần số cắt thì
vgm tiến gần tới vận tốc ánh sáng. Trường hợp f nhỏ hơn tần số cắt thì sóng bị suy hao nhanh và tắt nhanh dọc
theo đường truyền [13].
Khoảng cách lan truyền d của xung tweek được tính [14]:

d

t 2  t1 ( v gf 1  v gf 2 )

(9)

v gf 1  v gf 2

Trong đó, t2 – t1 là khoảng thời gian giữa hai tần số f2 và f1 tương ứng với vận tốc nhóm vgf2 và vgf1.
Áp dụng các công thức (5), (7) và (9), nhiều công trình nghiên cứu đã xác định được độ cao phản xạ vào
ban đêm của lớp D, mật độ electron và khoảng cách lan truyền sóng từ nguồn đến máy thu.
Sự thay đổi mật độ electron theo độ cao (hay profile mật độ electron) quyết định bởi hai thông số Wait: độ
cao tham chiếu h’ và hệ số  của hàm mũ. Công thức tính mật độ electron Ne (đơn vị e/cm3) được 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 được lắp đặt theo tiêu chuẩn của hệ Ultra-MSK, Newzealand [16]. Máy thu này gồm có
ăng-ten VLF, bộ tiền khuếch đại, thiết bị điều khiển SU (Service Unit), card âm thanh, máy thu GPS, máy vi
tính, phần mềm ghi dữ liệu (SpectrumLab và UltraMSK) (Hình 1). Hệ máy thu này đã được chúng tôi mô tả chi
tiết trong công tình trước đây [17].
Ăng-ten GPS

Máy thu GPS

Ăng-ten VLF

PC1,
UltraMSK

1PPS

N/S

Card âm thanh 1
Bộ tiền KĐ

SU

E/W
Card âm thanh 2

PC2,
SpectrumLab

Hình 1. Sơ đồ khối máy thu ELF/VLF
Ăng-ten của máy thu ELF/VLF gồm hai cuộn dây hình tam giác vuông cân đặt vuông góc nhau có cạnh
đáy 2,6 m. Mỗi cuộn dây gồm 8 vòng dây làm bằng đồng có kích cỡ 18 AWG (American Wire Gause). Một
cuộn dây có bề mặt hướng về Bắc - Nam, cuộn còn lại có bề mặt hướng về Đông - Tây. Nếu thành phần từ
trường của sóng điện từ thay đổi xuyên qua ăng-ten, suất điện động sẽ sinh ra trong cuộn dây của ăng-ten [18].
Mặt phẳng ăng-ten vuông góc với hướng Bắc-Nam rất nhạy với sóng VLF từ các trạm phát, trong khi đó mặt
phẳng ăng-ten vuông góc hướng Đông-Tây rất nhạy với xung điện từ phát ra từ sự phóng điện của sét [13, 16].
Bộ tiền khuếch đại được đặt gần ăng-ten để lọc và khuếch đại tín hiệu nhỏ phục vụ cho việc số hóa các các
tín hiệu tương tự thông qua bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC – Analog to Digital Converter). Các tín hiệu
từ ăng-ten được khuếch đại và được truyền qua cáp đồng trục dài 150 m đến máy thu. Bộ tiền khuếch đại được
nối với SU trước khi đưa tín hiệu vào card âm thanh.
Tín hiệu ELF/VLF từ kênh Đông – Tây của bộ tiền khuếch đại được đưa đến card âm thanh. Bộ ADC của
card âm thanh này có tốc độ lấy mẫu 96 kS/s và độ phân giải 16 bit. Phần mềm SpectumLab v2.77b22 được sử
dụng để ghi tín hiệu băng tần ELF/VLF với file có đuôi “wav”. Máy GPS đồng bộ đồng hồ của 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 được cấu hình với tốc độ lấy mẫu 44,1 kS/s, 16 bit và chọn FFT 512 để
thu tweek. Chế độ phổ thác đổ (water fall) được thiết lập với dải tần từ 0 - 16 kHz.
Phương pháp ghi và xử lý số liệu

Để phân tích dữ liệu tweek, công trình dùng phần mềm phân tích âm thanh Sonic Visualiser [19]. Phần
mềm có chức năng đọc các file âm thanh và hiển thị ảnh phổ tần số - thời gian tương ứng, cho phép lấy các cặp
thông số tần số - thời gian trên ảnh phổ. Dữ liệu được phân tích trong 2 phút của file âm thanh (có đuôi wav) mà
máy thu ghi nhận cứ sau 15 phút ghi 1 lần. Mỗi tháng, dữ liệu được lựa chọn gồm 5 đêm trong điều kiện yên tĩnh
(chỉ số địa từ Dst < - 20 nT). Các tháng được lựa chọn: tháng 5 (đại diện cho mùa hè) và tháng 11 (đại diện cho
mùa đông) năm 2013. Khi phân tích dữ liệu, thời gian quốc tế (Universal Time, UT) được chuyển đổi sang thời
gian địa phương (Local Time (LT) = UT + 7). Qua quan sát, tweek xuất hiện rất ít trong giai đoạn hoàng hôn
(17:00 - 19:00 LT) và trong giai đoạn bình minh (05:00 LT – 07:00 LT). Chính vì vậy, đề tài chỉ phân tích các
tweek thu được trong khoảng thời gian từ 19:00 LT – 5:00 LT. Các tweek dùng để tính toán các thông số điện ly
được giới hạn trong trường hợp có khoảng cách lan truyền trong ống dẫn sóng không lớn hơn 5000 km nhằm
tránh sai số về độ cao phản xạ và mật độ electron do các tweek lan truyền hướng Đông –Tây đến từ phía ban
ngày của Trái đất [20].
Hình 2 a-b biểu diễn ví dụ phổ tần số - thời gian với dải tần từ 0 – 16 kHz thu khoảng 0,5 s sau 18:30:29
UT và 19:30:41 UT tại trường đại học Tây Nguyên (12,65o B; 108,02o Đ). Trên phổ (hiển thị bằng phần mềm
Sonic Visualiser), có rất nhiều đường sọc thẳng đứng là các xung điện từ bức xạ ra từ sét trong cơn dông xảy ra ở
khắp nơi trên thế giới và lan truyền trong EIWG. Trên ảnh phổ hình 2a, có thể thấy tweek có số mode m = 2 – 3.
Hình 2b rất nhiều tweek mode cao xuất hiện (lên đến 8 mode). Sự xuất hiện của tweek phụ thuộc vào điều kiện
địa lý, mùa, hoạt động của dông sét và các hiện tượng khí quyển. Đặc biệt nó còn phụ thuộc vào sự nhiễu loạn từ
trường của Trái Đất [11]. Trên phổ hình 2a, các mũi tên chỉ vị trí của các thành phần qTEM, qTM1, qTM2. qTM3
của tweek có 3 mode. Trong khi đó trên phổ hình 2b, tweek 3 mode không có thành phần qTEM.

m=3

m=2

qTM3
qTM2

Tần sô (Hz)

qTEM

qTM1

m=8
qTM3
qTM2
qTM1
Thời gian (s)

Hình 2. Hình ảnh phổ sau các thời điểm 18:30:29 UT và 19:30:41 UT trong đêm 15 tháng 5 năm 2013.
Để thu được profile mật độ electron vào ban đêm của lớp D, các mật độ electron tương ứng với độ cao
phản xạ thu được từ phương pháp tweek làm thông số đầu vào để tính toán thông số Wait bằng chương trình
LWPC. Profile electron thu được tính toán từ chương trình LWPC được so sánh với kết quả tính toán từ mô hình
điện ly IRI 2012 (địa chỉ trang web: Các thông số đầu
vào cơ bản cho mô hình IRI-2012 gồm: tọa độ địa lý, độ cao cần nghiên cứu, chỉ số Mặt Trời (F10.7, Rz), chỉ số
điện ly (IG), chỉ số từ (Ap). Chỉ số dòng Mặt Trời F10.7 hằng ngày, số vệt đen Mặt Trời Rz trung bình hằng tháng
và chỉ số điện ly được lấy trên các website, lần lượt là: /> và />
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 của tweek tại khu vực vĩ độ thấp
Chúng tôi quan sát được 11294 tweek ở vĩ độ thấp tại trạm quan sát trường đại học Tây Nguyên (12,65o B;
108,02o Đ). Thống kê các loại tweek theo hai giai đoạn, trước nửa đêm (19:00 – 00:00 LT) và sau nửa đêm
(00:00 – 5:00 LT) được trình bày trong các Bảng 1 – 2.
Bảng 1. Bảng thống kê sự kiện tweek quan sát trong 5 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 (%)

1
57
1.48
46
1.07
103
1.27

Số tweek có số mode m = 1-8
2
3
4
5
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

6
267
6.95
386
8.98
653
8.02

7
144
3.75
235
5.47
379
4.66

8
53
1.38
59
1.37
112
1.38

Tổng
3842
4299
8141

Qua bảng số liệu thu được (bảng 1), khi quan sát tweek vào các đêm tháng 5 (mùa hè), thu được 8141
tweek. Tweek có 2 – 4 mode xuất hiện nhiều hơn các tweek khác. Tweek có 3 mode xuất hiện thường xuyên và
chiếm tỉ lệ cao nhất (27,15 %) và tweek có 8 mode chiếm tỉ lệ ít nhất (1,38 %). Tweek xuất hiện vào lúc trước
nửa đêm ít hơn sau nửa đêm.
Bảng 2. Bảng thống kê sự kiện tweek quan sát trong 5 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 (%)

1
212
14.70
255
14.90
467
14.81

Số tweek có số mode m = 1-8
2
3
4
5
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

6
14
0.97
13
0.76
27
0.86

7
8

0.55
14
0.82
22
0.70

8
5
0.35
2
0.12
7
0.22

Tổng
1442
1711
3153

Từ bảng 2, khi quan sát 5 ngày trong tháng 11 (mùa đông), thu được 3153 tweek với các mode từ 1 - 8. Kết
quả phân tích cho thấy tweek có số mode từ 1 – 3 xuất hiện thường xuyên hơn các loại tweek khác. Với 2 mode,
xuất hiện 1748 tweek chiếm tỉ lệ cao nhất (55,44 %), trong khi đó các tweek có 8 mode có tỉ lệ thấp nhất (0,22
%). Từ bảng 2 cũng cho thấy tweek xuất hiện vào lúc sau nửa đêm nhiều hơn lúc trước nửa đêm.
Bảng 3. Ví dụ tính toán tần số cắt cơ bản, thời gian tồn tại tweek, độ cao phản xạ, khoảng cách lan truyền sóng
tweek và 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

1
2
1
2
3
1
2
3
4
5
6

7
8

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 3 biểu diễn số mode (m), tần số cắt cơ bản (fmc/m), thời gian tồn tại tweek (dT), độ cao phản xạ (h),
khoảng cách lan truyền (d) và mật độ electron (Ne) ước tính từ các tweek được chỉ bởi các mũi tên trên hình 2 ab. Qua bảng số liệu, có thể thấy tần số cắt cơ bản thay đổi trong khoảng 1,75 – 2,14 kHz. Thời gian tồn tại của
tweek từ 6 – 15 ms. Độ cao phản xạ có xu hướng tăng khi số mode tăng và thay đổi từ 70,25– 85,86 km. Ngoài
ra, mật độ electron thay đổi trong khoảng 30,27 – 234,6 e/cm3 ứng với số mode của tweek từ 1 - 8. Khoảng cách
lan truyền của tweek ghi nhận được thay đổi trong 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 hiện của tweek theo số mode và theo khoảng cách lan truyền trong tháng 5
(đường nét đậm và các hình thoi) và tháng 11 (đường nét đậm và các hình tròn). Vào mùa hè, số tweek ghi được
lớn gấp 2,58 lần (chiếm 72 %) số tweek thu được vào mùa đông. Cả hai mùa, tweek xuất hiện vào lúc trước nửa
đêm ít hơn sau nửa đêm. Kết quả này phù hợp với kết quả nghiên cứu của Kumar và các cộng sự (2008) [21].
Trong mùa hè, tweek có 3 – 4 mode trở nên chiếm ưu thế và có nhiều tweek có 8 mode. Những tweek có số
mode cao (m > 4), xuất hiện ít thường xuyên hơn. Trong công trình của Kumar và các cộng sự (2008) cũng đã

chứng minh hiện tượng này và giải thích rằng do có sự suy hao năng lượng sóng tăng ở lớp D tầng điện ly đối
với sóng tweek có mode cao. Vào mùa hè, tweek có mode cao (m > 3) xuất hiện thường xuyên hơn vào mùa
đông, chứng tỏ môi trường điện ly lớp D trong mùa đông làm suy hao năng lượng sóng ELF/VLF (có mode cao)
mạnh hơn so với môi trường điện ly lớp D trong mùa hè. Từ hình 3b, các tweek với khoảng cách lan truyền d 
5000 km ở các tháng của mùa đông (56,28 – 66,2 %) xuất hiện ít thường xuyên hơn so với trường hợp mùa hè
(59,94 – 76,48 %). Tỉ lệ xuất hiện tweek có khoảng cách lan truyền ngắn (2000 – 4000 km) cao hơn các trường
hợp còn lại. Tweek có khoảng cách xa xuất hiện nhiều vào các tháng mùa đông và tweek xuất hiện ít vào mùa
này là do nguồn sét phát ra tweek ở rất xa thuộc vùng biển Châu Á - Thái Bình Dương và ở cả bán cầu ngày; còn
vào mùa hè, nguồn sét phát ra tweek lại ở gần xung quanh trạm quan sát và như vậy, tweek cũng thu được nhiều
hơn [22, 23].

Hình 3. Phần trăm xuất hiện các tweek có số mode 1 – 8 (a) và phần trăm xuất hiện các tweek có khoảng cách
lan truyền dưới 1000 km đến trên 15000 km (b).
Từ hình 4a, độ cao phản xạ có xu hướng tăng khi số mode tăng (các hình tam giác biểu diễn số liệu tháng
5; còn các hình thoi biểu diễn số liệu của tháng 11). Độ cao phản xạ trung bình thay đổi trong khoảng 82,1– 87,5
km. Quy luật tăng của độ cao phản xạ theo số mode (m) vào mùa đông (R2 = 0,7376) tuyến tính hơn so với
trường hợp vào mùa hè (R2 = 0,6197). Hình 4a cho thấy ở mode cao (m = 6 – 8), các tweek (ở cả hai mùa) phản
xạ ở các độ cao không chênh lệch nhau nhiều. Theo lý thuyết, một ống dẫn sóng (wave guide) có biên dẫn tốt,
các mode cao của sóng có thể phản xạ ở cùng một độ cao. Đối với ống dẫn sóng không có độ dẫn tốt thì độ dẫn
tăng theo độ cao theo hàm e mũ, những mode cao hơn sẽ phản xạ ở độ cao cao hơn [24]. Do đó, càng lên cao,
tính chất bất đồng nhất của lớp D và sự ảnh hưởng của yếu tố mùa càng giảm.

Hình 4. Sự thay đổi độ cao phản xạ trung bình và tần số cắt cơ bản trung bình theo số mode.
Sự thay đổi giá trị tần số cắt cơ bản trung bình của các tháng phụ thuộc số mode được biểu diễn hình 4b.
Có thể kết luận rằng tần số cắt cơ bản giảm nhẹ từ 1,84 – 1,72 kHz theo số mode từ 1 - 8 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
khá cao (R2 = 0,7242 và R2 = 0,6949 ). Điều này có nghĩa là đối với mode càng cao thì sóng càng xuyên sâu vào
lớp D của tầng điện ly không nhẵn và bất đồng nhất [21]. Kết quả của công trình phù hợp với một số kết quả
nghiên cứu trước đây của Kumar (2008). Quan sát tweek trong giai đoạn 9/2003 -7/2004 tại Suva, Kumar và các
cộng sự tìm được tần số cắt cơ bản giảm từ 1,8 kHz – 1,68 kHz ứng với số mode 1 – 6. Các mode có thể phản
xạ ở độ cao mà tần số plasma bằng với tần số cắt riêng của mỗi mode và vì vậy các mode cao thì sẽ phản xạ ở độ
cao hơn ứng với mật độ electron cao hơn (tần số plasma sẽ cao hơn) [25].
Sự thay đổi mật độ electron của lớp D vào ban đêm
Kết quả tính toán cho thấy mật độ electron trung bình thay đổi từ 30 – 222 e/cm3 ứng với số mode 1 – 8 tại
các độ cao phản xạ trung bình thay đổi từ 82,1 – 87,5 km. Quan sát tweek từ tháng 1 – 4 năm 1991 và sử dụng
đến mode thứ 8, Shvets và Hayakawa tìm thấy mật độ electron trung bình thay đổi từ 28 – 224 e/cm3 ứng với số
mode 1 – 8 tại độ cao phản xạ 81 - 83 km. Quan sát tweek đến mode thứ 6 tại Suva từ 3 – 12 năm 2006, Kumar
đã thấy rằng mật độ electron trung bình thay đổi từ 29,4 –170 e/cm3 tại độ cao phản xạ thay đổi trong khoảng
82,8 – 86,3 km. Nhìn chung kết quả về mật độ electron trong công trình phù hợp với các kết quả nghiên cứu của
các tác giả trên. Từ hình 5, mật độ electron vào mùa hè thấp hơn so với mùa đông trước nửa đêm nhưng sau nửa
đêm mật độ electron vào mùa hè lại gần bằng hoặc cao hơn so với mùa đông. Quy luật này thể hiện rõ đối với số
mode m = 1 – 3. Vào ban ngày mùa đông, mật độ electron thấp hơn mùa hè nên tốc độ tái hợp electron vào mùa
đông chậm hơn mùa hè sau hoàng hôn gần đến nửa đêm [23]. Ở mode cao (m = 4 – 6), quy luật mật độ electron
vào mùa hè cao hơn vào mùa đông sau nửa đêm thể hiện rất rõ. Vào mùa hè, đêm trở nên ngắn hơn, bình minh sẽ
sớm hơn và do đó bức xạ Mặt Trời đến sớm hơn và tầng điện ly bị ion hóa ở trên cao sớm hơn, chính vì vậy mật
độ electron của lớp D vào mùa hè cao hơn so với mùa đông.

Hình 5. Sự thay đổi mật độ electron của các tháng 5 và 11 ứng với số mode từ 1 – 6.
Công trình sử dụng phương pháp của Kumar (2009) [26] và Maurya (2012) [20] để tính các giá trị h’, 
cho các tháng đại diện mùa hè (tháng 5) và mùa đông (tháng 11) năm 2013 (thuộc giai đoạn hoạt động mạnh của
Mặt Trời, Rz = 64,9). Sử dụng 3 mode đầu tiên của tweek quan sát từ 21:00 LT đến 02:00 LT để tính toán các
thông số Wait trong công thức (10). Trong công trình, vào mùa hè, giá trị trung bình h’ và  là 82,89 km (sai số
chuẩn SD =  1,64 km), 0,54 km-1 (SD =  0,06 km-1) và vào mùa đông giá trị trung bình h’ và  là 83,71 km
(SD =  1,78 km) và 0,562 km-1 (SD =  0,07 km-1). Các giá trị h’ và  vào mùa đông cao hơn so với mùa hè.

Tại Allahabad (16,05o B), Maurya quan sát tweek năm 2010 (chỉ số vết đen Mặt Trời Rz = 16,5) và tính toán giá
trị trung bình h’ và  là 83,54 km, 0,61 km-1 và vào mùa đông giá trị trung bình h’ và  là 85,74 km 0,54 km-1.
Trong công trình, vào mùa hè, h’ và  có giá trị thấp hơn so với kết quả của Maurya (2012). Vào mùa đông, h’
thấp hơn nhưng  cao hơn so với kết quả của Maurya (2012). Shvets và Hayakawa chỉ ra rằng khi hoạt động của
Mặt Trời yếu thì mật độ electron giảm và vì vậy độ cao phản xạ tăng dẫn đến độ cao tham chiếu tăng [25]. Các
nghiên cứu khác cũng chứng minh rằng hoạt động của Mặt Trời có ảnh hưởng đến mật độ electron của lớp D vào
ban đêm như các công trình của Bremer (1977) và 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 6. So sánh profile mật độ electron (vào mùa hè và mùa đông) tính bằng phương pháp tweek quan sát tại đại
học Tây Nguyên (TNU) (đường nét đậm và các hình thoi), tại Allahabad, Ấn Độ (đường nét đậm và các hình
tam giác) và mô hình IRI-2012 (đường nét đậm và các chấm tròn).
Để biểu diễn profile mật độ electron từ mô hình IRI-2012, công trình chọn 5 ngày yên tĩnh tương ứng với 5
ngày quan sát và chọn thời điểm lúc nửa đêm (0:00 LT). Các profile mật độ electron được biểu diễn trên hình 6
(trục x biểu diễn theo thang logarit cơ số 10). Mật độ electron tương đương trong profile tính theo phương pháp
tweek thấp hơn so với mật độ electron tính toán bằng mô hình IRI-2012 khoảng 18 -48 % trong khoảng độ cao
83 km – 89 km (vào mùa hè) và 26 – 66 % trong khoảng độ cao 82 – 90 km (vào mùa đông). Như vậy, vào mùa
đông, sự chênh lệch kết quả quan sát về mật độ electron so với kết quả của mô hình IRI lớn hơn so với mùa hè.
Các giá trị mật độ electron của 2 phương pháp khớp nhau tại các độ cao 88 km, (mùa hè) và 89 km (vào mùa
đông). Mật độ electron trong công trình phù hợp với mô hình IRI-2012 ở khoảng độ cao 83 – 89 km (mùa hè)
và khoảng 87 – 90 km (mùa đông). Quan sát tweek tại Allahabad (16,05o B) năm 2010, Maurya và các cộng sự
tìm thấy mật độ electron tương đương trong profile tính theo phương pháp tweek thấp hơn so với mật độ electron
tính toán bằng mô hình IRI-2007 khoảng 5 - 60 %.

Hình 7. So sánh sự chênh lệch mật độ eletron giữa mùa hè và mùa đông do ảnh hưởng của yếu tố mùa tính bằng
phương pháp tweek và mô hình IRI-2012.
Ở độ cao 80 – 95 km, mật độ electron trong mùa hè cao hơn mật độ electron trong mùa đông khoảng 65 –
1784 e/cm3 (hình 7 biểu diễn bằng đường nét đậm và các hình thoi). Kết quả của Maurya (2012) quan sát tweek
năm 2010 (Rz = 16,5) mật độ electron trong mùa hè cao hơn mật độ electron trong mùa đông 6 – 9086 e/cm3 (độ
chênh lêch mật độ electron biểu diễn bằng đường nét đậm và các hình tam giác). Chúng tôi thấy rằng sự biến đổi
profile mật độ electron sử dụng mô hình IRI-2012 (biểu diễn bằng đường nét đậm và các hình tròn) không rõ
bằng kết quả bằng phương pháp tweek. Sự biến đổi theo mùa của profile mật độ electron trong giai đoạn Mặt
Trời hoạt động mạnh ít mạnh mẽ hơn trong giai đoạn Mặt Trời hoạt động yếu. Thomson (2007) kết luận rằng
nguồn ion hóa quan trọng của lớp D là tia Vũ trụ (Galactic Cosmic Rays - GCRs) nó bằng gần một nửa so với
nguồn ion hóa Lyman- [29]. Cường độ của GCRs biến đổi mạnh theo hoạt động của Mặt Trời trong giai đoạn
Mặt Trời hoạt động yếu và sự ion hóa do GCRs phụ thuộc vào vĩ độ và tác dụng ion hóa yếu nhất ở 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 của chúng tôi thuộc giai đoạn hoạt động mạnh của Mặt Trời và vì vậy sự biến đổi
theo mùa của lớp D do yếu tố GCRs ít mạnh mẽ tại vĩ độ thấp và xích đạo.
KẾT LUẬN
Quan sát tweek nhiều mode (m = 1 - 8) bằng máy thu đặt tại đại học Tây Nguyên (12,65o B; 108,02o Đ)
trong tháng 5 (đại diện cho mùa hè) tháng 11 (đại diện cho mùa đông) năm 2013 để ước tính mật độ electron tại
độ cao phản xạ tương ứng của lớp D tầng điện ly trong thời gian ban đêm. Chúng tôi có thể kết luận rằng:
Trong mùa hè, tweek có m = 3 – 4 xuất hiện thường xuyên nhất và có nhiều tweek có số mode 8. Cả hai
tháng quan sát, những tweek có số mode cao (m > 4) xuất hiện với tỉ lệ thấp hơn các tweek có số mode khác do
có sự suy hao năng lượng sóng ở lớp D tầng điện ly càng tăng đối với sóng tweek có mode cao.
Vào mùa hè, tweek có mode cao (m > 3) xuất hiện thường xuyên hơn so với mùa đông, chứng tỏ môi
trường điện ly lớp D làm suy hao năng lượng sóng tweek (có mode cao) vào mùa đông mạnh hơn so với mùa hè.

Mật độ electron thay đổi từ 30 – 222 e/cm3 ứng với số mode 1 – 8 tại các độ cao phản xạ từ 82,1 – 87,5 km.
Trước nửa đêm, mật độ electron vào mùa hè thấp hơn so với mật độ electron vào muà đông nhưng sau nửa
đêm mật độ electron mùa hè tại cao hơn so với mật độ electron vào mùa đông.
Mật độ electron tương đương trong profile (từ độ cao 82,1 km – 87,5 km) tính theo phương pháp tweek
thấp hơn so với mật độ electron tính toán bằng mô hình IRI-2012 khoảng 18 - 48 % (vào mùa hè) và 26 – 66 %
(vào mùa đông).
Sự thay đổi mật độ electron phụ thuộc vào mùa thể hiện trong giai đoạn Mặt Trời hoạt động mạnh ít rõ hơn
trong giai đoạn Mặt trời hoạt động yếu.
Áp dụng phương pháp tweek để nghiên cứu tầng điện ly còn khá mới mẻ ở Việt Nam. Đặc biệt, công trình
của chúng tôi góp phần vào việc nghiên cứu hình thái và quá trình vật lý của lớp D tầng điện ly khu vực vĩ độ
thấp trong giai đoạn Mặt Trời hoạt động mạnh của 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 - 3 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 5 quiet nights per month. During summer season, the occurrence of
tweeks with mode number m = 3 - 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 = 1 - 8 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