Đề tài Nghiên cứu bão từ năm 2003

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ Cao Thị Vĩnh Phương LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2011 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ CAO THỊ VĨNH PHƯƠNG Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ Mã số: 102 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Trần Quốc Hà Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2011 2 Mục lục Mục lục ....................................................................................................................... 0 Danh mục các hình: ..................................................................................................... 4 Danh mục bảng số liệu: ............................................................................................... 6 Lời cảm ơn .................................................................................................................. 7 Mở đầu ........................................................................................................................ 8 Chương 1 : Tổng quan về bão từ. ............................................................................. 10 1.1. Bão từ và những tác hại của bão từ: ................................................................... 10 1.1.1. Bão từ là gì? ................................................................................................ 10 1.1.2.Tác hại của bão từ: ....................................................................................... 10 1.2. Từ trường Trái Đất: ............................................................................................ 11 1.2.1.Sự biến động của từ trường Trái Đất. .......................................................... 12 1.2.2.Từ quyển Trái Đất. ....................................................................................... 13 * Vành đai bức xạ Van Allen (Van Allen radiation belts):.................................. 15 Chương 2: Lý thuyết về bão từ. ................................................................................ 16 2.1. Mặt Trời – nguồn gốc của bão từ: ...................................................................... 16 2.1.1Vết đen MT: .................................................................................................. 16 2.1.2. Bùng nổ MT: ............................................................................................... 17 * Sự kiện proton (proton event): ........................................................................... 18 2.1.3. Sự phóng vật chất Nhật hoa (Coronal Mass Ejection – CME ): ................. 18 2.1.4.Gió MT: ........................................................................................................ 19 2.2.Một số giải thích và cơ chế gây bão từ: .............................................................. 20 2.2.1.Một số giải thích về bão từ: ......................................................................... 20 2.2.1.1.Lý thuyết của Chapman – Ferraro: ....................................................... 20 2.2.1.2. Lý thuyết mới – thời tiết của vũ trụ: .................................................... 22 2.2.2.Cơ chế hình thành bão từ và hạ bão từ: ....................................................... 23 2.3.Một vài chỉ số liên quan đến bão từ: ................................................................... 26 2.3.1.Chỉ số hành tinh Kp: .................................................................................... 26 2.3.2.Chỉ số Ap: .................................................................................................... 27 2.3.3.Chỉ số S – solar radiation storm: .................................................................. 28 2.3.4.Chỉ số R – radio blackout: ........................................................................... 28 Chương 3: Nghiên cứu bão từ trong năm 2003 ........................................................ 29 3.1. Mục đích: ........................................................................................................... 29 3.2. Phương pháp nghiên cứu: .................................................................................. 29 3.3. Nghiên cứu chu kỳ hoạt động 23 của MT: ........................................................ 29 3.4. Khảo sát hoạt động của MT từ ngày 19/10 – 05/11/ 2003................................. 31 3.4.1. Khảo sát vết đen MT từ ngày 19/10 – 05/11/ 2003: ................................... 31 3.4.1.1.Vùng 484: .............................................................................................. 32 3.4.1.2.Vùng 486: .............................................................................................. 33 3 3.4.1.3.Vùng 488: .............................................................................................. 34 3.4.2. Sự kiện proton (proton event): .................................................................... 35 3.4.3.Khảo sát sự phóng vật chất của Nhật hoa – CME từ 19/10 – 4/11/2003: ... 37 3.4.4. Khảo sát sự biến động của chỉ số Dst từ 1/10 – 31/11/2003: ..................... 40 3.5. So sánh cường độ bão từ trong năm 2003 và năm 2002 – 2004, 2005: ............. 44 3.6.Tình hình bão từ xảy ra tại nước Việt Nam ........................................................ 46 Chương 4: Kết luận và kiến nghị .............................................................................. 50 Phụ lục 1:Ảnh hưởng của bão từ lên hệ thống ống dẫn dầu ..................................... 51 Phụ lục 2:Ảnh hưởng của bão từ lên hệ thống tải điện ............................................. 53 Phụ lục 3: Các thiết bị dự báo bão Mặt Trời và bão từ ............................................. 55 Phụ lục 4: Dự đoán bão từ vào năm 2013 ................................................................. 58 Phụ lục 5: Chỉ số Dst tháng 10 – 11/2003. ............................................................... 61 Phụ lục 6: Các kí hiệu viết tắt. .................................................................................. 63 Tài liệu tham khảo. .................................................................................................... 64 4 Danh mục các hình: Hình 1.1. Hệ thống đường dây điện và hệ thống ống dẫn dầu. ................................ 11 Hình 1.2: Từ trường Trái Đất .................................................................................... 12 Hình 1.3: Hình dạng từ quyển Trái Đất. .................................................................. 13 Hình 1.4: Các vành đai bức xạ: màu đỏ - vành đai trong ; màu xám - vành đai ngoài. ............................................................................................................................. 15 Hình 2.1. Số vết đen MT quan sát trung bình hàng năm từ năm 1900 – 2000 ......... 16 Hình 2.2: ảnh chụp CME ........................................................................................ 19 Hình 2.3: CME được phóng ra từ MT. ..................................................................... 19 Hình 2.4: Vòng điện bao quanh T Đ. ........................................................................ 20 Hình 2.5: Các lớp điện tích và các dòng điện trong từ quyển T Đ .......................... 22 Hình 2.6: Các đường sức từ của IMF ....................................................................... 23 Hình 2.8: IMF kết nối với từ trường Trái Đất .......................................................... 24 Hình 2.9: Quá trình đóng mở của các đường sức của T Đ dưới tác động của gió MT và IMF. ................................................................................................................... 25 Hình 2.10 : Các pha của hạ bão từ: .......................................................................... 25 Hình 2.11: Cực quang ở phía trên núi lửa Eyjafjallajökull tại Iceland ..................... 26 Hình 3.1: Nhóm vết đen 484 .................................................................................... 32 Hình 3.2: Sự thay đổi kích thước vùng 484 .............................................................. 32 Hình 3.3: Nhóm vết đen 486 .................................................................................... 33 Hình 3.4: Sự thay đổi kích thước vùng 486 .............................................................. 33 Hình 3.5: Nhóm vết đen 488 .................................................................................... 34 Hình 3.6: Sự thay đổi kích thước vùng 488. ............................................................. 34 Hình 3.7: Biểu đồ mô tả mật độ hạt và mức năng lượng tương ứng trong các ngày 28/10 – 6/11/2003 ......................................................................................................... 36 Hình 3.8: Tốc độ của CME từ 21/10 – 4/11/2003. ................................................... 39 Hình 3.9: Sự thay đổi vận tốc gió MT từ 19/10 – 4/11/2003.................................... 39 Hình 3.10 : Chỉ số Kp từ ngày 29/10 – 1/11/2003 .................................................... 39 Hình 3.11: Chỉ số Dst của từng ngày trong suốt tháng 10 và 11/2003 ..................... 41 Hình 3.12: Chỉ số GIC .............................................................................................. 42 Hình 3.13: Chỉ số Dst của tháng xuất hiện bão từ có cường độ mạnh nhất trong năm 2002, 2004, 2005. .................................................................................................. 46 Hình 3.14: Sơ đồ vị trí các trạm dự báo bão từ Sapa, Phú Thụy, Đà Lạt, Bạc Liêu. 48 Hình 3.15 : Đồ thị mô tả sự biến thiên của thành phần H tại hai trạm Bạc Liêu và Phú Thụy trong năm 2005 ............................................................................................. 48 Hình 1: Mô hình dòng điện GIC chạy trong ống dẫn. .............................................. 51 Hình 2 : Mô hình thiết bị bảo vệ ống dẫn chống bị bào mòn do dòng GIC. ............ 52 Hình 3 : Trường địa từ và sự thay đổi điện thế giữa ống dẫn và đất quan sát tại Canada vào tháng 6-7 năm 2000. .................................................................................. 52 Hình 4 : Mô hình điện thế bề mặt T Đ – ESP tạo dòng GIC chạy qua hệ thống tải điện. ............................................................................................................................... 53 Hình 5: SOHO spacecraft. ....................................................................................... 55 5 Hình 6: Vị trí điểm lagrangian ................................................................................. 55 Hình 7: ACE satelite ................................................................................................. 56 Hình 8 : Wind spacecraft. ......................................................................................... 56 Hình 9: GOES satelite ............................................................................................... 57 Hình 10 : IMAGE spacecraft. ................................................................................... 57 Hình 11: Chu kỳ 24 sẽ tương tự như chu kỳ đạt cực đại năm 1928. ........................ 58 Hình 12: số vết đen MT từ năm 2001 – 2016 ........................................................... 58 Hình 13: Số vết đen MT từ năm 2001 – 2019. Đường màu đỏ chỉ số vết đen dự đoán. .............................................................................................................................. 59 6 Danh mục bảng số liệu: Bảng 1: Các loại bùng nổ MT. .................................................................................. 17 Bảng 2: Mối liên hệ giữa chỉ số K và G ................................................................... 27 Bảng 3: Chỉ số S ........................................................................................................ 28 Bảng 4: Chỉ số R – radio blackout ............................................................................ 28 Bảng 5: Số vết đen làm trơn (SSN) trung bình trong thực tế của chu kỳ 23 : .......... 30 Bảng 6: Số vụ CME xảy ra trong chu kỳ thứ 23 ....................................................... 30 Bảng 7: Những vụ bùng nổ MT tiêu biểu trong chu kỳ 23 ....................................... 30 Bảng 8: Những nhóm vết đen có liên quan đến các vụ bùng nổ MT từ ngày 19/10 – 05/11/ 2003 ................................................................................................................. 31 Bảng 9: Sự kiện Proton ( năng lượng, mật độ) ........................................................ 35 Bảng 10: Gió MT (vận tốc, mật độ) cường độ IMF, vận tốc CME .......................... 38 Bảng 11 So sánh hoạt động MT trong các năm 2002, 2003, 2004, 2005: ............... 45 Bảng 12: So sánh cường độ bão từ trong năm 2003, 2004, 2005: ............................ 45 Bảng 13: Tọa độ địa lý các trạm dự báo, và tên các thiết bị nghiên cứu bão từ ....... 47 Bảng 14: Số trận bão từ xảy ra tại Việt Nam từ năm 1986 – 2008: .......................... 48 Bảng 15: Cường độ bão từ qua các năm: .................................................................. 48 Bảng 16: Mối liên hệ giữa cường độ dòng GIC và dòng AC .................................. 54 7 Lời cảm ơn Vật lý, môn học đã theo tôi suốt 10 năm từ khi tôi học lớp 7 cho đến khi tôi vào đại học. Đến học kỳ I của năm ba, tôi được học môn thiên văn học. Nhiều điều mới lạ đã đến với tôi. Vật lý không còn là những mảng cơ, nhiệt, điện, quang nằm một cách riêng rẻ nữa mà tất cả đều nằm trong một thể thống nhất tác động qua lại, cái này là nguyên nhân đồng thời là hệ quả của cái kia. Và tất cả nằm trong một vũ trụ kỳ bí mà bản thân tôi mới thật sự chạm tay vào và bắt đầu từng bước đi trên con đường của khoa học. Lúc này tôi nhớ lại một câu nói trong quyển sách thiên văn học đã gây cho tôi nhiều suy ngẫm: “Ai không biết tí gì về thiên văn học hiện đại, người đó không thể được coi là đã học hành đầy đủ”. Vâng, đúng thế! Con người đã khám phá được những điều bí ẩn trên Trái Đất, làm cho cuộc sống của nhân loại văn minh, tiện nghi hơn. Từ đó lại dẫn dắt ta đến một cuộc chiến mới với thiên nhiên để bảo vệ và phát triển nền văn minh ấy. Thiên văn học hiện đại chính là một phương thức, một vũ khí để con người chống chọi trong cuộc chiến đó. Chính vì thế thiên văn học đã cho tôi nhiều hứng khởi và thích thú. Tôi nhận thấy khi làm luận văn tốt nghiệp này mình có hai điều may mắn. Thứ nhất, tôi tình cờ được làm về mảng thiên văn học. Thứ hai, đề tài “nghiên cứu bão từ trong năm 2003” đối với tôi có một chút ẩn và một chút hiện, nó làm tôi không khỏi tò mò, suy nghĩ. Một chút hiện – những điều tôi được biết qua báo chí về tầm ảnh hưởng của bão từ. Một chút ẩn – những cơ chế nguyên nhân hình thành nên bão từ. Bắt tay vào làm đề tài này mục đích của tôi muốn hiểu rõ về cơ chế và những nguyên nhân gây nên bão từ cụ thể bão từ trong năm 2003. So sánh cường độ của bão từ với những năm khác sau cực đại. Bên cạnh đó có thể rút ra nhận xét chung về tình hình bão từ sau cực đại trong thời gian tới. Đồng thời tìm hiểu việc nghiên cứu bão từ tại nước Việt Nam trong nhiều năm qua. Em xin cảm ơn sự chỉ dẫn tận tình của cô Trần Quốc Hà và các thầy cô trong khoa lý đã dạy dỗ em trong suốt bốn năm qua. Cảm ơn các bạn trong lớp đã hỗ trợ tôi trong việc tìm kiếm tài liệu để tôi có thể hoàn thành bài luận kịp thời gian. Với khả năng còn hạn chế chắc chắn bài luận còn gặp nhiều sai sót, tôi hy vọng nhận thêm sự góp ý của thầy cô và các bạn. Sinh viên thực hiện Cao Thị Vĩnh Phương 8 Mở đầu Mặt Trời (MT) là một ngôi sao gần chúng ta nhất. Bên cạnh đó MT là một ngôi sao hoạt động mạnh cung cấp không chỉ ánh sáng cho Trái Đất (TĐ) mà đồng thời gây ra những thiên tai cho sự sống trên TĐ. Vì thế khi khoa học vũ trụ phát triển, việc nghiên cứu MT và hoạt động của MT là một việc thiết yếu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn. Bão địa từ hay còn gọi là bão từ là thời kỳ kim la bàn dao động đột ngột và mãnh liệt. Người ta cho rằng nguyên nhân gây ra bão địa từ là do bão Mặt Trời gây nên. Từ năm 1930 Chapman và Ferraro đã đưa ra lý thuyết về bão từ, tuy nhiên vẫn còn chưa cụ thể và rõ ràng. Cho đến những năm 1960 vận tốc gió MT được đo chính xác thì lúc này hình dạng từ quyển TĐ được mô phỏng một cách đầy đủ có dạng “quả trứng gà đẻ non” do tác động của gió MT. Tới những năm 1970 bão từ được định nghĩa theo lý thuyết mới – thời tiết của vũ trụ - là những nhiễu loạn của từ quyển, do các nhiễu loạn trong vũ trụ gây nên. Những nhiễu loạn này là do hoạt động của MT cụ thể là bão MT. Bão MT bao gồm các hiện tượng bùng nổ MT và CME (Coronal Mass Ejection), là một dạng hoạt động của MT diễn ra tại sắc cầu và Nhật hoa. Bão MT chính là sự phóng thích đột ngột những bức xạ điện từ ở mọi bước sóng và bức xạ hạt với năng lượng lớn vào không gian. Khi đi đến Trái Đất nó có thể tương tác với từ quyển TĐ gây ra bão từ. Nguyên nhân dẫn đến những hoạt động của MT là do thành phần cấu tạo nên MT và sự tự quay của MT. MT là một khối khí với lớp khí trong nhân tồn tại dưới dạng plasma ở nhiệt độ cao hàng chục triệu độ. Những hạt plasma này đóng băng vào các đường sức từ của MT làm cho các đường sức từ như những sợi dây điện. Do MT tự quay với chu kỳ khoảng 27 ngày, gây ra sự quay không đồng bộ của các lớp khí trong MT làm cho các vùng dây điện bị xoắn lại tạo nên vùng hoạt động (active region). Các dây xoắn trồi lên trên bề mặt MT như những vết đen MT – nơi từ trường MT trở nên bất thường. Bên cạnh đó, các dây điện của MT bị chập mạch, 9 phóng ra ngoài vũ trụ những đợt năng lượng lớn kèm theo các tia bức xạ ở đủ mọi bước sóng gọi là bùng nổ MT và CME. Hoạt động của MT biến thiên tuần hoàn theo chu kỳ khoảng 11 năm. Tính đến nay đã được 23 chu kỳ (mốc từ năm 1749) và bắt đầu sang chu kỳ 24 được hơn 2 năm (từ 2009 đến nay) Nghiên cứu bão từ xảy ra trong các chu kỳ trên người ta nhận thấy những ngày có bão từ mạnh diễn ra ngay sau các đợt bão MT với các vụ bùng nổ và CME có cường độ và tốc độ lớn, tiêu biểu là trong chu kỳ 23 ( từ 5/1996 – 10/2008) vào năm 2003 ( khoảng thời gian từ 10 -11/2003). Vì vậy trong đề tài “Nghiên cứu bão từ trong năm 2003” tôi tập trung nghiên cứu bão MT và bão từ trong thời gian từ 10- 11/2003 để tìm mối liên hệ giữa hai hiện tượng trên. Đề tài gồm hai nội dung chính: Thứ nhất: nghiên cứu nguyên nhân và cơ chế hình thành một cơn bão từ. Thứ hai: khảo sát tình hình bão từ trong năm 2003 cụ thể như sau: § Tìm hiểu đặc điểm các hoạt động của MT trong thời gian xảy ra bão từ (10-11/2003) ( kích thước các vết đen ). § Khảo sát những sự kiện bùng nổ MT, sự kiện proton ( mật độ, năng lượng), CME (tốc độ), gió MT (tốc độ, mật độ ), từ trường liên hành tinh IMF (cường độ, hướng). § Khảo sát sự biến động của chỉ số Dst; rút ra nhận xét về sự ảnh hưởng của bão MT đối với sự xuất hiện và cường độ bão từ trên TĐ. § Nhận xét về cường độ bão từ sau cực đại một chu kỳ qua việc so sánh cường độ bão từ trong năm 2003 với năm 2002, 2004, 2005. Đồng thời, đề tài còn tìm hiểu tình hình bão từ xảy ra tại Việt Nam (số trận bão từ và cường độ bão từ mạnh nhất xảy ra trong một năm) và những ảnh hưởng mà bão từ gây ra cho con người, cơ sở vật chất trên TĐ. Qua đó tôi có thể rút ra nhận xét chung và đưa ra kiến nghị về tình hình nghiên cứu bão từ tại Việt Nam. 10 Chương 1 : Tổng quan về bão từ. 1.1. Bão từ và những tác hại của bão từ: 1.1.1. Bão từ là gì?: Bão địa từ hay còn gọi là bão từ là thời kỳ kim la bàn dao động đột ngột và rất mạnh. Người ta cho rằng nguyên nhân gây ra bão địa từ là do bão Mặt Trời gây nên. Từ năm 1930 đến nay nói chung có hai lý thuyết tiêu biểu giải thích về cơ chế hì