TRƯỜNG ĐỊA TỪ VÀ MÔI TRƯỜNG XUNG QUANH TRÁI ĐẤT
2. Chỉ số tính hoạt động địa từ
Những thông tin về trạng thái của trường địa từ, đặc biệt phần trường có nguồn gốc bên ngoài Trái đất hết sức quan trọng và cần thiết cho việc hiệu chỉnh các số liệu ghi từ trên mặt đất, số liệu bay đo hàng không và vệ tinh; cũng như cần thiết để bảo đảm an toàn cho đường dây truyền tải điện cao thế, đường ống dẫn dầu ở vùng vĩ độ cao, khi mà những dòng điện cảm ứng mạnh có thể ảnh hưởng tới định hướng lái của các tầu vũ trụ. Vì thế để xác định tính hoạt động địa từ, các nhà nghiên cứu đã đề xuất rất nhiều chỉ số khác nhau để phân biệt và sử dụng cho các mục đích nghiên cứu và ứng dụng thích hợp. Trong mục này, chúng tôi chỉ giới thiệu về hai loại chỉ số mà chúng ta thường gặp nhất. Để có một bức tranh hoàn chỉnh về hệ thống các chỉ số về tính hoạt động địa từ, có thể tìm đọc G.K. Rangajaran [32].
Chỉ số Kp là chỉ số được chuẩn hoá dựa trên số liệu của mạng đài địa từ dẫn trên bảng 3.3. Thang chia chỉ số từ 0 đến 9 được biểu diễn tới
3 1
đơn vị, ví dụ 5- là 4 3
2, 5o là 5 và 5+ là 5 3
1. Chỉ số từ Kp được sử dụng để đánh giá lượng bức xạ hạt của Mặt trời bằng các hiệu ứng từ. Chỉ số từ ap trong 3 giờ (bậc tương đương) được tính từ chỉ số Kp như sau:
Kp = 0o 0+ 1- 1o 1+ 2- 2o 2+ 3- 3o 3+ 4- 4o 4+
ap = 0 2 3 4 5 6 7 9 12 15 18 22 27 32
Kp = 5- 5o 5+ 6- 6o 6+ 7- 7o 7+ 8- 8o 8+ 9- 9o ap = 39 48 56 67 80 94 111 132 154 179 207 236 300 400 2.1. Chỉ số K
Nhà khoa học Đức Bartels [1,2] đã đề xuất một chỉ số để xác định tính hoạt động địa từ do tác động của các luồng hạt plasma từ Mặt trời và gọi là chỉ số K (K là chữ cái đầu của từ Kennziffer - theo tiếng Đức có nghĩa là đặc trưng). Bartels muốn phân chia rõ giữa biến thiên từ thường xuyên và bất thường và thấy rằng chỉ số đặc trưng cho biến thiên bất thường của hoạt động địa từ chủ yếu được gây nên bởi các dòng hạt Mặt trời phải có thời gian ngắn hơn
là 1 ngày. Ông đã chọn thời gian là 3 giờ vì nó có thể đặc trưng cho những biến thiên như là dạng vịnh từ và những biến thiên khác kéo dài trong vòng 1-2 giờ; nhưng nó lại đủ ngắn để không bị ảnh hưởng khi có hai biến thiên liên tiếp chồng lên nhau. Chỉ số K được cộng đồng các nhà địa từ thông qua tại Đại hội đồng IAGA vào năm 1939 tại Washington, Mỹ. Chỉ số K cho biết được cường độ của tính hoạt động bất thường của các hoạt động bức xạ từ Mặt trời trong khoảng thời gian 3 giờ mỗi ngày như sau: 00-03, 03-06,..., 21- 24 UT. Giới hạn về biên độ biến thiên từ trong chỉ số K được tính tại đài địa từ Niemegk (nơi Bartels thực hiện công trình đầu tiên của mình về chỉ số K) và tại một số đài địa từ ở các vĩ độ khác nhau được dẫn trên bảng 3.2. Việc chọn giới hạn cho biên độ biến thiên trong chỉ số K được định như sau: giới hạn dưới của K=9 gấp 100 lần giới hạn trên của K=0. Tại một đài địa từ chỉ số K được tính và chuẩn hóa một lần dựa vào việc so sánh với thang chỉ số K của Đài Niemegk. IAGA khuyến cáo rằng đối với đài địa từ mới thì việc chọn thang chỉ số K nên tham khảo ý kiến của Nhóm công tác IAGA về các chỉ số hoạt động địa từ [14].
Bảng 3.2. Giới hạn biên độ để xác định chỉ số K tại các vĩ độ khác nhau
Đài địa từ Vĩ độ địa lý
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Honolunuu 21,3oN 3 6 12 24 40 70 120 200 300 Tucson 32,3oN 4 8 16 30 50 85 140 230 350 Niemegk 51,2oN 5 10 20 40 70 120 200 330 500 Sitka 57,1oN 10 20 40 80 140 240 400 660 1000 Godhavn 69,2oN 15 30 60 120 210 360 600 1000 1500
Trên cơ sở những phép xác định chỉ số K cho một số đài địa từ trên toàn cầu, người ta có thể xác định chỉ số hoạt động từ toàn cầu Kp. Chỉ số Kp được tính trên máy tính cho mạng đài địa từ dưới đây trong bảng 3.3.
Bảng 3.3. Tọa độ của các đài địa từ trong mạng xác định chỉ số Kp
Tọa độ địa lý Tên đài địa từ Mã số của IAGA
Vĩ độ N Kinh độ E Meanook MEA 54,62o -113,33 o Sitka SIT 57,07o -135,33 o Lerwick LER 60,13 o - 1,18 o Ottawa OTT 45,40 o -75,55 o Eskdalemur ESK 55,31 o -3,20 o Rude-Skov RSV 55,85 o 12,45 o Frederickburg FRD 38,20 o -77,37 o Wingst WNG 53,75 o 9,07 o Witteveen WIT 52,83 o 6,67 o Hartland HAD 50,89 o - 4,48 o Eyrewell EYR -43,42 o 172,35 o
Chỉ số Kp được xác định hàng tháng tại Trung tâm số liệu quốc tế và gửi tới các đài địa từ trên toàn thế giới để so sánh và sử dụng dưới dạng Bảng 3.4.
2.2. Chỉ số Dst
Như đã nêu ra trong phần trước, khi xảy ra bão từ thường xuất hiện dòng vòng (ring current) trong mặt phẳng xích đạo. Trường từ do vòng dòng này tạo ra có hướng ngược với hướng của trường địa từ, do đó nó làm giảm cường độ trường địa từ quan sát được. Để đặc trưng cho sự xuất hiện dòng vòng này, người ta đã đưa ra một chỉ số Dst . Khi phân tích các bão từ chúng ta thấy rõ đường biến thiên trung bình D bao gồm 2 thành phần: phần phụ thuộc giờ quốc tế Dst và phần phụ thuộc giờ địa phương DS:
D= Dst + DS
Khi các đài địa từ phân bố đồng nhất theo kinh độ, các hiệu ứng có tính địa phương bị loại khỏi xích đạo dipole, giá trị trung bình của D tại bất cứ vị trí nào sẽ không bị ảnh hưởng bởi thành phần phụ thuộc giờ địa phương DS. Các thăng giáng không gian và thời gian về cường độ của dòng vòng xích đạo sẽ không nhanh như ở cực từ, cho nên không cần phải có một mạng lưới đài quan trắc ở xích đạo quá dầy.
Hình 3.5. Vị trí của xích đạo từ cùng với các đài địa từ chuyên cung cấp số liệu để tính Dst (nguồn: [41])
Về nguyên tắc thì việc xác định Dst và Ds được tiến hành cho cả 3 thành phần của trường địa từ, nhưng do dòng vòng xích đạo có tính đối xứng với trục dipole từ, cho nên Dst và Ds thể hiện rõ nhất trên thành phần H.
Tọa độ của mạng đài địa từ xác định chỉ số xích đạo từ Dst được dẫn ở Bảng 3.5. Chỉ số xích đạo từ Dst được trung tâm số liệu quốc tế về địa từ tại Kyoto công bố hàng tháng và gởi đến các đài địa từ khu vực [41].
Bảng 3.4. Chỉ số Kp tháng 8 năm 2002 IUGG: Hội địa từ và cao không quốc tế
(trung tâm quốc tế về chỉ số địa từ) Tháng 8 năm 2002
Các ngày trường yên tĩnh và nhiễu loạn
Ngày yên tĩnh nhất: 1 - 5 : 6 24 7 5 25 6 -10: 8K 23A 28A 22A 31A
Ngày nhiễu loạn nhất 1 - 5: 2 21 19 20 1 Chỉ số địa từ hành tinh
Kp tính theo 3 giờ Cả ngày
1 2 3 4 5 6 7 8 t ổng Ap Cp 1 1- 3+ 3+ 40 5+ 40 30 5- 28+ 25 1.2 2 60 60 4- 2+ 4+ 4- 40 6- 36- 42 1.5 3 5- 3- 3+ 3- 20 20 3- 20 220 14 0.8 4 3+ 4+ 3+ 3- 1+ 2- 2+ 1- 20- 13 0.7 5 10 1+ 10 10 1- 10 1= 20 9+ 4 0.2
6 20 1+ 1- 1- 1+ 0+ 0+ 1- 7+ 4 0.1 7 20 10 10 10 1- 1+ 1+ 1- 90 4 0.2 8 10 2- 0+ 10 2- 1+ 2+ 30 12+ 6 0.3 9 2- 10 20 2- 40 3+ 4- 3+ 21- 14 0.8 10 4- 5- 20 3- 3+ 20 2- 3- 23- 15 0.9
11 1- 1+ 2- 3- 4+ 4- 3+ 2+ 200 13 0.8 12 30 30 3- 3- 30 2- 20 3- 21- 12 0.7 13 30 30 20 2- 1+ 10 20 20 160 8 0.4 14 2- 2- 20 20 4- 4- 3- 30 20+ 12 0.7 15 20 20 2+ 3+ 30 3+ 5+ 50 260 22 1.1
16 3- 2+ 4+ 2+ 3- 2- 1+ 10 18+ 11 0.6 17 1- 30 3+ 1+ 20 1+ 20 20 16- 8 0.5 18 3+ 3- 1+ 1+ 20 2- 5+ 5+ 230 21 1.1 19 4+ 40 50 40 3+ 30 4- 50 32+ 30 1.3 20 3+ 40 2- 2- 1+ 3+ 6- 6+ 27+ 30 1.3
21 5+ 5+ 5+ 30 40 3- 30 30 32- 32 1.3 22 30 3- 3- 10 10 1+ 2- 10 14+ 8 0.4
23 10 1+ 2- 2- 10 1+ 3- 3- 13+ 7 0.3 24 20 10 10 10 1+ 10 1- 1- 9- 4 0.1 25 2- 10 2- 1+ 10 1- 1- 2+ 10+ 5 0.2
26 20 20 2- 3+ 4- 5- 3+ 30 24- 16 0.9 27 3- 4- 2+ 3- 3- 3- 20 3+ 220 13 0.7 28 20 2- 20 1+ 1+ 2- 2+ 2+ 15- 7 0.3 29 30 10 1- 1+ 30 30 2- 1+ 150 8 0.5 30 10 3- 30 2= 3- 2- 2+ 0+ 15+ 8 0.4 31 1- 1+ 2- 2+ 20 1+ 2- 3+ 14+ 7 0.4
Trung b×nh 14 0.67
Bắt đầu bất ngờ 1d 5h 10m
1d 23h 10m
2d 12h 31m
18d 18h 45m
26d 11h 31m
Biên tập: Trung tâm địa từ Postdam Đài quan trắc địa từ
Bảng 3.5. Tọa độ của mạng đài địa từ để xác định chỉ số xích đạo từ Dst
Tọa độ địa lý Tên đàiđịa từ Mã số của IAGA
Vĩ độ N Kinh độ E
Honolunu HON 21,32 -158,00
San Juan SJG 18,12 -66,15
Hermanus HER -34,42 19,23
Alibag ABG 18,38 72,52 Kakioka KAK 36,23 140,18