- XÁC ĐỊNH ĐIỆN TRƯỜNG KHÍ QUYỂN BẰNG SÓNG ĐIỆN TỪ PHÁT RA TỪ CƠN MƯA HẠT VẬT CHẤT. - Bức xạ điện từ, cơn mưa hạt vật chất, điện trường khí quyển. - Bức xạ vô tuyến phát ra từ cơn mưa hạt trong điều kiện giông bão được trình bày trong bài báo này. - Đồ thị cường độ bức xạ và đồ thị phân cực của các cơn mưa hạt trong điều kiện thời tiết giông bão rất khác so với đồ thị tương ứng của cơn mưa hạt được thu trong điều kiện thời tiết bình thường. - Bằng phương pháp tối ưu hóa, nghiên cứu chỉ ra rằng điện trường khí quyển mà các cơn mưa hạt trong điều kiện giông bão đi qua thường có cấu trúc ba lớp. - Cơ chế hình thành và lan truyền của sét phụ thuộc rất nhiều vào điện trường không khí trong các đám mây giông bão. - Tuy nhiên, những hiểu biết về điện trường không khí trong các đám mây giông bão còn rất hạn chế (Marshall et al., 1995. - Chính vì thế, những kiến thức về điện trường không khí trong các đám mây. - Hơn thế nữa, các điện trường mạnh vẫn có thể được tìm thấy trong các đám mây thông thường không gây ra sét.. - Những đám mây này có thể rất nguy hiểm vì máy bay có thể kích hoạt và tạo nên sét khi bay vào những đám mây có điện trường mạnh này (Merceret et al., 2008). - Phương pháp đo điện trường bằng khinh khí cầu và máy bay (Jones et al., 1993) đã có những đóng góp hết sức quan trọng. - Tuy nhiên, những phép đo này bị giới hạn bởi sự nhiễu loạn dữ dội của các đám mây giông bão. - phép đo này chỉ đo được một phần nhỏ điện trường xuất hiện trong các đám mây giông bão.. - Một phương pháp mới, sử dụng bức xạ điện từ phát ra từ mưa hạt vật chất để xác định điện trường mạnh trong các đám mây đã được giới thiệu (Schellart et al., 2015). - Các dòng hạt vũ trụ mang năng lượng cao khi đi vào bầu khí quyển của Trái đất sẽ va chạm với các phân tử khí và tạo ra các dòng hạt thứ cấp gọi là cơn mưa hạt vật chất. - Trong cơn mưa hạt vật chất có rất nhiều các hạt mang điện như electron và positron. - Các hạt mang điện này có khả năng bức xạ điện từ. - Các bức xạ này được đo bằng hệ thống antenna đặt trên mặt đất. - Trong điều kiện thời tiết giông bão, cường độ điện trường không khí tăng lên rất lớn làm thay đổi các bức xạ điện từ này.. - Do đó, các bức xạ điện từ phát ra từ cơn mưa hạt trong điều kiện giông bão có thể được sử dụng để xác định điện trường khí quyển. - CƠ CHẾ BỨC XẠ ĐIỆN TỪ PHÁT RA TỪ CƠN MƯA HẠT VẬT CHẤT. - Cơ chế bức xạ điện từ phát ra từ cơn mưa hạt vật chất trong điều kiện thời tiết bình thường. - Thành phần chính của bức xạ điện từ phát ra từ cơn mưa hạt vật chất trong điều kiện thời tiết thường được gây ra bởi từ trường Trái đất. - Do tác dụng của từ trường Trái Đất, các electron và positron trong cơn mưa hạt vật chất chịu tác dụng của lực Lorentz sẽ được gia tốc theo hai hướng ngược chiều nhau.. - Từ đó, các hạt này tạo ra một dòng điện có phương vuông góc với phương chuyển động của cơn mưa và hướng theo chiều của lực Lorentz. - Khi cơn mưa hạt vật chất phát triển, dòng điện này thay đổi theo độ cao, phát ra bức xạ điện từ. - Bức xạ điện từ này phân cực tuyến tính theo chiều của lực Lorentz.. - Khi cơn mưa hạt vật chất lan truyền trong bầu khí quyển và di chuyển xuống mặt đất, nó cũng phát triển một lượng dư thừa các điện tích âm mà cụ thể là dư thừa electron. - Sự dư thừa này được hình thành từ các electron bị loại ra khỏi các phân tử khí quyển bởi sự tương tác với các hạt trong cơn mưa hạt vật. - nhận được ở mặt đất là sự tổng hợp của hai thành phần bức xạ nêu trên.. - Cơ chế bức xạ điện từ phát ra từ cơn mưa hạt vật chất trong điều kiện thời tiết có giông bão. - Trong điều kiện thời tiết giông bão, sự phát xạ vô tuyến từ cơn mưa hạt vật chất bị ảnh hưởng bởi điện trường khí quyển. - Trong điều kiện thời tiết giông bão, các cơn mưa hạt phát triển ở vùng có điện trường khí quyển mạnh. - Ngay cả khi sấm sét chưa được hình thành, cường độ điện trường vào khoảng 10 kV/m, lực điện vẫn lớn hơn lực Lorentz. - Dựa vào tác dụng của điện trường lên cơn mưa hạt vật chất, ta có thể phân tích điện trường thành hai thành phần: thành phần vuông góc với trục cơn mưa hạt 𝐸. - và thành phần song song với nó 𝐸. - Hai thành phần này ảnh hưởng đến sự phân bố các hạt tích điện theo những cách khác nhau (Scholten et al., 2019).. - Hình minh họa phương, chiều của hai thành phần điện trường 𝑬. - Thành phần vuông góc 𝐸. - với 𝑣 là vận tốc của cơn mưa hạt và 𝐵 ⃗ và từ trường Trái đất. - Do tác dụng của thành phần 𝐸. - không đáng kể nên tác dụng của thành phần này không được khảo sát trong bài viết.. - Dữ liệu về bức xạ điện từ từ cơn mưa hạt vật chất trong điều kiện giông bão được thu thập từ hệ thống antenna tần số thấp được đặt tại thành phố Drenthe, Hà Lan (van Haarlem et al., 2013). - Với mục đích thu các tín hiệu từ cơn mưa hạt, các antenna được trang bị bộ đệm vòng có khả năng thu tín hiệu trong vòng 5 giây với bước nhảy là 5 nano giây. - Ngoài ra, còn có hệ thống các máy đếm hạt để xác định các hạt từ cơn mưa hạt vật chất, từ đó, có thể xác định được năng lượng của cơn mưa hạt. - Trục của cơn mưa hạt vật chất cũng được xác định dựa vào thời gian thu tín hiệu bức xạ ở tất cả các antenna.. - Tham số Stokes I cho biết cường độ bức xạ. - Trong khoảng thời gian 5 năm từ 2011 đến 2015, có tổng cộng 11 bức xạ điện từ từ cơn mưa hạt vật chất được thu thập số liệu. - Để xác định điện trường khí quyển từ bức xạ vô tuyến phát ra từ cơn mưa hạt, ta giải một bài toán ngược. - Dữ liệu đầu vào chính là bức xạ điện từ phát ra từ cơn mưa hạt (được biểu diễn dưới dạng tham số Stokes) khi đi qua một điện trường được tham số hóa. - Các tham số của điện trường được điều chỉnh sao cho bức xạ điện từ được tính toán trùng khớp nhất với bức xạ điện từ thu được từ thực nghiệm.. - Cấu trúc điện trường cho kết quả phù hợp với thực nghiệm nhất chính là dữ liệu đầu ra. - Đó chính là cấu trúc điện trường trong các đám mây mà cơn mưa hạt đã đi qua. - Vì đám mây trong điều kiện giông bão thường có ba tầng nên cấu trúc điện trường ba tầng được sử dụng. - Chúng ta sử dụng mô hình tính toán MGMR3D (Scholten et al., 2018) để tính toán bức xạ điện từ từ dòng điện sinh ra từ các hạt và mật độ điện tích trong cơn mưa hạt. - MGMR3D có thể tính toán bức xạ điện từ của một cơn mưa hạt chỉ trong vài chục giây nên nó có thể được sử dụng trong bài toán tối ưu nhiều tham số. - Các tham số của cấu trúc điện trường ba tầng sẽ được thay đổi để tối ưu hóa đại lượng 𝜒 2 có biểu thức. - Gốc của cơn mưa hạt ở tại vị trí (𝑥 0 , 𝑦 0. - Đồ thị cường độ bức xạ phát ra từ một cơn mưa hạt vật chất. - Đồ thị cường độ bức xạ và đồ thị phân cực của một cơn mưa hạt vật chất được biểu diễn ở Hình 2 và Hình 3. - Đồ thị cường độ bức xạ biểu diễn ở Hình 2 thể hiện cấu trúc hình vòng tròn có tâm nằm ngay gốc tọa độ. - Cường độ bức xạ đạt cực đại ở vành đai bán kính 100-120 m kể từ gốc tọa độ. - Mặt khác, đồ thị phân cực (Hình 3) cho thấy các bức xạ thu được ở tất cả các antenna đều phân cực theo một hướng nhất định, nhưng không phải là hướng của lực Lorentz. - Kết quả chạy mô phỏng MGMR3D cho thấy để thu được đồ thị cường độ bức xạ và đồ thị. - phân cực như trên, cấu trúc điện trường khí quyển gồm có hai lớp. - Điện trường ở hai lớp này có hướng sao cho lực tổng hợp tác dụng lên các điện tích hướng theo hai hướng ngược chiều nhau. - Kết quả là bức xạ phát ra từ hai tầng của khí quyển sẽ triệt tiêu nhau một phần và hình thành nên cấu trúc vòng ở đồ thị bức xạ điện từ. - Mặc khác, do hợp lực ở hai tầng của khí quyển ngược chiều nhau nên bức xạ điện từ tại tất cả các vị trí của antenna cũng phân cực theo một hướng xác định. - Đó chính là hướng của hợp lực ở tầng có bức xạ lớn hơn.. - Sự phân bố điện tích trong các đám mây Kết quả tối ưu hóa các tham số về độ cao của điện trường có cấu trúc ba lớp đối với mười một cơn mưa hạt vật chất bằng việc sử dụng mô phỏng MGMR3D được thể hiện trong Bảng 1. - Kết quả đạt được về độ cao của các tầng và điện trường khí quyển ở mỗi tầng có thể được sử dụng để phân tích về sự phân bố điện tích trong các đám mây cũng như về điện trường khí quyển.. - Vì các độ cao h 1, h 2 và h 3 là các độ cao mà tại đó điện trường thay đổi nên chúng tương ứng với các độ cao của các lớp điện tích trong các đám mây giông bão. - Như được thể hiện ở Bảng 1, kết quả cho thấy độ cao của lớp điện tích gần mặt đất nhất ở các cơn mưa hạt vật chất mùa hè cao hơn so với độ cao tương ứng ở cơn mưa hạt vật chất mùa đông.. - Phân bố độ cao của các lớp điện trường trong 11 cơn mưa hạt từ tại Drenthe, Hà Lan. - Đối với các cơn mưa hạt mùa hè, ba cơn mưa hạt 5, 10 và 11 đi qua đám mây có ba lớp điện tích tương ứng: lớp điện tích dương, lớp điện tích âm chính và một lớp điện tích dương phía bên dưới. - Ba cơn mưa hạt khác 6, 7, và 8 đi qua cùng một trận giông bão trong thời gian 36 phút. - Như được thể hiện trên Bảng 1, h 3 ở cơn mưa số 7 thì thấp hơn rất nhiều so với hai cơn mưa còn lại. - Điều này có thể được giải thích là do cơn mưa số 7 đi qua một vùng điện tích rất nhỏ. - Cơn mưa số 6 và số 7 đi tới từ hai hướng khác nhau nên cấu trúc của phần đám mây mà nó đi qua có thể không giống nhau. - Mặt khác, cơn mưa số 7 và số 8 cách nhau 26 phút, thời gian này đủ dài để cấu trúc của đám mây thay đổi do sự phát triển của trận giông bão. - Đây cũng có thể là nguyên nhân tại sao lớp điện tích dương rất nhỏ ở cơn mưa số 7 không được tìm thấy ở cơn mưa số 6 và số 8. - Lớp điện tích âm chính của đám mây mà ba cơn mưa này đi qua có độ cao từ 2,7 km đến 3,7 km như được thể hiện trong Bảng 1. - Dựa vào đây ta thấy đối với hầu hết các cơn mưa hạt vào mùa. - hè, độ cao của lớp điện tích dương phía dưới trùng với độ cao có nhiệt độ 0 0 C.. - Ngược lại, đối với các cơn mưa hạt mùa đông, lớp điện tích thấp nhất trong đám mây mà chúng đi qua cao hơn ít nhất là 1 km so với độ cao có nhiệt độ 0 0 C. - Điều này có thể là do vào mùa đông, độ cao có nhiệt độ 0 0 C ở rất gần mặt đất nên cơ chế hình thành các lớp điện tích trong đám mây giông bão rất khác so với mùa hè khi mà độ cao có nhiệt độ 0 0 C ở xa mặt đất hơn.. - Điện trường khí quyển. - Bằng cách sử dụng bức xạ điện từ phát ra từ cơn mưa hạt, chúng ta có thể xác định được thành phần 𝐸. - Đối với thành phần song song với nó 𝐸. - chúng ta không thể xác định được do tác dụng của nó đối với bức xạ điện từ trong khoảng tần số mà ta khảo sát là rất nhỏ. - Vì vậy, ta không thể xác định được thành phần tổng hợp của điện trường khí quyển. - Tuy nhiên, chúng ta có thể xác định được thành phần điện trường theo phương nằm ngang 𝐸⃗ 𝒗×𝒛 . - Thành phần này được biểu diễn trong Hình 4.. - Thành phần điện trường theo phương ngang Trái: Tầng trên, giữa: tầng giữa, phải: tầng dưới. - Kết quả từ tất cả các cơn mưa hạt cho thấy điện trường theo phương ngang có giá trị khá lớn, thường tập trung ở các lớp ở tầng cao như được thể hiện trong Hình 4. - Thành phần nằm ngang của điện trường là do các lớp điện tích trong đám mây không phân bố theo phương ngang hoàn toàn. - Vì lớp điện tích ở mặt đất hình thành là do lớp điện tích thấp nhất và Hà Lan có địa hình phẳng, không có đồi núi nên thành phần điện trường nằm ngang đo được giữa mặt đất và lớp điện tích thấp nhất là rất nhỏ.. - Trong bài báo này, bức xạ điện từ phát ra từ cơn mưa hạt vật chất trong điều kiện giông bão đã được sử dụng để xác định điện trường của khí quyển. - Từ đó, sự phân bố điện tích trong đám mây mà cơn mưa hạt vật chất đi qua được chỉ ra. - Kết quả phân tích dữ liệu cho thấy thành phần điện trường nằm ngang so với mặt đất có giá trị khá lớn và sự phân bố điện tích trong đám mây thay đổi theo điều kiện thời tiết.