Tầng điện ly là gì và vì sao sóng vô tuyến đi vòng được Trái Đất

Tầng điện ly là phần khí quyển trên cao, khoảng từ 60 km tới khoảng 1.000 km, nơi tia cực tím và tia X của Mặt Trời bứt electron khỏi nguyên tử, tạo ra một lớp khí có điện tích. Lớp ấy phản xạ sóng vô tuyến ngắn như một tấm gương: sóng phát lên bị dội xuống, chạm đất hoặc biển, lại dội lên, và cứ thế đi vòng qua chỗ cong của Trái Đất tới nơi cách hàng nghìn km. Đó là lý do đài sóng ngắn và sóng trung nghe được từ rất xa, nhất là về đêm.

Bí ẩn của Marconi năm 1901

Ngày 12/12/1901, Guglielmo Marconi đứng trên đồi Signal Hill ở Newfoundland (nay thuộc Canada), nghe trong tai nghe ba tiếng tích tích tích, chữ "S" trong mã Morse, phát từ trạm Poldhu ở Cornwall (Anh), cách khoảng 3.500 km qua Đại Tây Dương. Kết quả ấy gây tranh luận ngay lúc đó và tới nay vẫn có người nghi ngờ Marconi thực sự nghe được gì trong tạp âm. Nhưng chỉ ít năm sau, liên lạc vô tuyến xuyên đại dương đã thành chuyện thường.

Câu hỏi đặt ra cho giới vật lý: sóng điện từ đi thẳng, Trái Đất thì cong, vậy sóng vòng qua bằng cách nào? Năm 1902, Arthur Kennelly ở Mỹ và Oliver Heaviside ở Anh, độc lập với nhau, đề xuất rằng trên cao có một lớp khí dẫn điện phản xạ sóng xuống. Lớp ấy từng được gọi là lớp Kennelly–Heaviside.

Phải tới năm 1924, Edward Appleton ở Anh mới chứng minh bằng thí nghiệm: ông thay đổi tần số một đài phát và đo sự giao thoa giữa sóng đi thẳng trên mặt đất với sóng dội xuống từ trên cao, tính ra độ cao của lớp phản xạ. Ông nhận giải Nobel Vật lý năm 1947 cho các nghiên cứu về tầng điện ly.

Tầng điện ly hình thành thế nào

Ở độ cao trên 60 km, không khí đủ loãng để electron đã bị bứt ra không kịp nhập lại ngay với ion dương. Mặt Trời liên tục "bắn" bức xạ năng lượng cao vào; mỗi photon đủ mạnh tách một electron khỏi phân tử nitơ, oxy hay nguyên tử oxy. Ban ngày quá trình ion hoá mạnh; ban đêm electron và ion dần tái hợp, mật độ điện tích giảm.

Tầng điện ly không phải một tầng riêng theo nhiệt độ. Nó chồng lên tầng trung lưu, nhiệt quyển và một phần ngoại quyển. Phần khí bị ion hoá cũng chỉ là thiểu số: ở độ cao vài trăm km, trong khoảng một nghìn phân tử khí chỉ cỡ một hạt mang điện, vậy mà đủ để thay đổi đường đi của sóng vô tuyến.

Các lớp D, E, F

Độ cao các lớp thay đổi theo giờ trong ngày, mùa, vĩ độ và chu kỳ hoạt động Mặt Trời khoảng 11 năm. Lớp F2 khó đoán nhất và cũng quan trọng nhất.

Vì sao đài AM nghe xa hơn về đêm

Ban ngày, lớp D thấp nhất hấp thụ phần lớn sóng trung (dải AM, khoảng 0,5–1,7 MHz) trước khi chúng lên tới lớp phản xạ. Sóng trung ban ngày chủ yếu lan theo mặt đất, phạm vi vài trăm km.

Sau khi Mặt Trời lặn, lớp D tan đi gần hết trong vòng một vài giờ. Sóng trung lúc này lên được tới lớp E, F, bị dội xuống ở xa. Người nghe đài ở thế kỷ 20 đều biết hiện tượng: ban đêm vặn núm dò sóng nghe được cả đài nước khác, ban ngày thì im. Cũng vì thế mà nhiều đài phát sóng trung phải giảm công suất về đêm để khỏi chèn nhau.

Sóng ngắn: đi vòng thế giới bằng nhiều bước nhảy

Sóng ngắn (khoảng 3–30 MHz) bị lớp F phản xạ, chạm mặt đất hay mặt biển, rồi lại dội lên. Mỗi "bước nhảy" có thể dài tới khoảng 3.000–4.000 km. Vài bước là vòng sang bên kia địa cầu. Người chơi vô tuyến nghiệp dư dựa vào đó để liên lạc với nhau khắp các châu lục bằng thiết bị khá đơn giản.

Sóng FM, TV, điện thoại: đi xuyên qua

Sóng tần số cao hơn khoảng vài chục MHz trở lên, như FM (88–108 MHz), truyền hình, điện thoại di động, phần lớn xuyên qua tầng điện ly mà không bị dội lại. Vì vậy chúng chỉ đi trong tầm nhìn thẳng của ăng-ten, và cũng nhờ vậy mà vệ tinh liên lạc được với mặt đất.

Khi Mặt Trời nổi giận

Tầng điện ly phản ứng rất nhanh với Mặt Trời:

• Bùng nổ Mặt Trời phát chớp tia X, chỉ khoảng 8 phút sau tới Trái Đất, làm lớp D dày đột ngột. Ở phía Trái Đất đang ban ngày, sóng ngắn bị hấp thụ, liên lạc có thể mất trong vài phút tới vài giờ.
• Bão địa từ, gây ra bởi đám mây plasma Mặt Trời phóng ra va vào từ quyển, làm tầng điện ly xáo trộn mạnh, nhất là ở vĩ độ cao. Năm 1859, trong "sự kiện Carrington", hệ thống điện báo ở châu Âu và Bắc Mỹ bị trục trặc, có nơi đường dây phát tia lửa.
• Định vị vệ tinh: tín hiệu GPS đi qua tầng điện ly bị chậm lại một chút, gây sai số vị trí. Máy thu dùng hai tần số so sánh để tính và bù sai số; máy chỉ dùng một tần số thì dựa vào mô hình ước tính. Khi tầng điện ly xáo trộn mạnh, sai số tăng lên.

Một ví dụ gần đây: tháng 2/2022, 38 trong số 49 vệ tinh Starlink vừa phóng đã rơi trở lại khí quyển chỉ vài ngày sau khi lên quỹ đạo thấp. Một cơn bão địa từ nhỏ đã làm nhiệt quyển nóng và phồng lên, tăng lực cản ở độ cao các vệ tinh đang bay. Đây là chuyện của nhiệt quyển nhiều hơn tầng điện ly, nhưng cùng một nguyên nhân: Mặt Trời.

Đo tầng điện ly ngày nay

• Ionosonde: máy phát sóng lên trời quét dải tần số và đo thời gian dội lại, vẽ ra độ cao và mật độ từng lớp. Mạng ionosonde toàn cầu cung cấp số liệu gần như thời gian thực.
• Radar tán xạ không kết hợp: radar công suất lớn như ở Arecibo (Puerto Rico, đã sập năm 2020) hay EISCAT (Bắc Âu) đo nhiệt độ, mật độ, vận tốc của electron và ion.
• Mạng GPS: hàng nghìn trạm GPS cố định trên thế giới tính được tổng lượng electron dọc đường truyền, cho bản đồ tầng điện ly toàn cầu.

Góc nhìn hôm nay

Tầng điện ly gắn với Việt Nam theo một cách đặc biệt: Việt Nam nằm gần xích đạo từ, nơi tầng điện ly có những dị thường riêng như hai đỉnh mật độ electron ở hai bên xích đạo từ và các "bong bóng plasma" sau hoàng hôn làm tín hiệu vệ tinh chập chờn. Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam có các nhóm nghiên cứu địa vật lý theo dõi tầng điện ly bằng trạm GPS.

Muốn tự thấy tầng điện ly hoạt động, một chiếc radio có dải sóng ngắn là đủ: dò sóng vào buổi trưa và lúc nửa đêm sẽ thấy danh sách đài nghe được thay đổi rõ. Cơ quan khí tượng vũ trụ của NOAA (Space Weather Prediction Center) công bố cảnh báo bùng nổ Mặt Trời và bão địa từ hằng ngày.