Sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của son khí trong tầng khí quyển

Sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của son khí trong tầng khí quyển

BỘ GIÁO DỤC

VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN VẬT LÝ

- -

BÙI VĂN HẢI

SỬ DỤNG KỸ THUẬT LIDAR NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ CỦA SON KHÍ TRONG TẦNG KHÍ QUYỂN

GS TS NGUYỄN ĐẠI HƯNG

BỘ GIÁO DỤC

VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN VẬT LÝ - -

BÙI VĂN HẢI

SỬ DỤNG KỸ THUẬT LIDAR NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ CỦA SON KHÍ TRONG TẦNG KHÍ QUYỂN

LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ

Hà Nội 2014

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS TS Đinh Văn Trung thầy đã hướng dẫn, giúp đỡ và cho tôi một không gian làm việc chuyên nghiệp trong suốt quá trình thực hiện luận án

Tôi xin bày tỏ sự kính trọng tới GS TS Nguyễn Đại Hưng Thầy là tấm gương và là người định hướng cho tôi trong chuyên môn khi tôi tham gia học tập

và nghiên cứu tại Viện Vật lý từ năm 2007, thời gian làm nghiên cứu sinh cũng như thời gian học tập tiếp sau này

Tôi cũng muốn được gửi lời cảm ơn tới các cô, các chú, các anh, các chị

và toàn thể các bạn trong Trung tâm Điện tử học lượng tử, Trung tâm Vật lý kỹ thuật, Phòng Quản lý Tổng hợp và Phòng Sau đại học của Viện Vật lý đã dành cho tôi những tình cảm chân thành cùng sự giúp đỡ tốt nhất để tôi được học tập, trao đổi công việc và chia sẻ cuộc sống

Xin chân thành cảm ơn!

Tác giả

Bùi Văn Hải

Lời cam đoan

Luận án với tiêu đề “Sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của son khí trong tầng khí quyển” được thực hiện tại Trung tâm Điện tử học

lượng tử, Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam dưới sự hướng dẫn của PGS TS Đinh Văn Trung và GS TS Nguyễn Đại Hưng

Tôi xin cam đoan đây là kết quả làm việc của Nhóm lidar và cá nhân tác giả dưới sự hướng dẫn chính của PGS TS Đinh Văn Trung Các số liệu và kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trước đây cả trong và ngoài nước

Tác giả

Bùi Văn Hải

MỤC LỤC

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt và tiếng Anh i

Danh mục các đồ thị và hình vẽ ii

Danh mục các bảng biểu viii

Mở đầu 1

Chương I Cơ sở lý thuyết khảo sát các đặc trưng vật lý của son khí trong khí quyển trái đất 6

1.1 Khí quyển trái đất

1.1.1 Cấu trúc khí quyển

1.1.2 Son khí tầng thấp

1.1.2.1 Lớp son khí bề mặt

1.1.2.2 Lớp son khí tự do tầng thấp

1.1.2.3 Vai trò của son khí tầng thấp

1.1.2.4 Các đặc trưng cơ bản của lớp son khí tầng thấp

1.1.3 Mây Ti tầng cao

1.1.3.1 Cơ chế hình thành mây Ti

1.1.3.2 Vai trò của mây Ti đối với khí quyển tầng đối lưu

1.1.3.3 Các đặc trưng cơ bản của mây Ti

1.1.3.4 Kỹ thuật khảo sát mây Ti

6 6 11 13 16 16 24 24 24 32 33 34 1.2 Các kỹ thuật quan trắc khí quyển 35

1.3 Kỹ thuật lidar

1.3.1 Nguyên lý cấu tạo hệ lidar

1.3.2 Tương tác của bức xạ với khí quyển

1.3.2.1 Lý thuyết tán xạ Rayleigh

1.3.2.2 Lý thuyết tán xạ Mie

1.3.2.3 Lý thuyết tán xạ Raman

37 37 42 43 48 55 1.4 Kết luận chương I 61

Chương II Kỹ thuật và hệ đo lidar 63

2.1 Hệ lidar

2.1.1 Hệ lidar nhiều bước sóng

2.1.1.1 Khối phát

2.1.1.2 Khối thu

2.1.2 Hệ lidar sử dụng laser diode

2.1.2.1 Khối phát

2.1.2.2 Khối thu

2.1.3 Đầu thu quang điện cho hệ lidar

2.1.3.1 Đầu thu nhân quang điện (PMT)

2.1.3.2 Đầu thu photodiode thác lũ (APD)

2.2 Kỹ thuật đo tín hiệu lidar

2.2.1 Kỹ thuật đo tương tự

2.2.2 Kỹ thuật đếm photon

2.3 Phương trình lidar

2.4 Xử lý tín hiệu lidar

2.4.1 Chuẩn hóa tín hiệu

2.4.2 Xác định hàm chồng chập đặc trưng của hệ lidar

2.4.3 Xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt và lớp mây Ti tầng cao

2.4.4 Xác định độ sâu quang học của son khí phân bố trong khí quyển

2.4.5 Xác định hệ số suy hao trực tiếp từ tín hiệu lidar Raman

2.4.6 Xác định hệ số tán xạ ngược của son khí từ tín hiệu lidar đàn hồi

2.4.7 Xác định tỉ số lidar đặc trưng của son khí

2.4.8 Xác định tỉ số khử phân cực của son khí

2.4.9 Đánh giá sai số của các thông số đặc trưng

63 63 63 64 67 71 77 81 81 85 88 88 89 93 94 94 98 104 105 106 107 108 108 109 2.5 Kết luận chương II 111

Chương III Quan trắc các đặc trưng vật lý của lớp son khí tầng thấp 114

3.1 Xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt

3.1.1 Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG

3.1.2 Bằng hệ lidar sử dụng laser diode

114

114

115

3.2 Quan trắc sự thay đổi độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt

3.2.1 Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG

3.2.2 Bằng hệ lidar sử dụng laser diode

3.2.3 Đánh giá kết quả đo của hệ lidar sử dụng laser diode

3.3 Đặc trưng độ sâu quang học

3.4 Đặc trưng suy hao

3.5 Đặc trưng tán xạ ngược

3.6 Đặc trưng tỉ số lidar

118 118 120 122 123 124 125 126 3.7 Kết luận chương III 128

Chương IV Quan trắc các đặc trưng vật lý của mây Ti tầng cao 129

4.1 Đặc trưng phân bố không gian

4.1.1 Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG

4.1.2 Bằng hệ lidar sử dụng laser diode

4.2 Đặc trưng độ sâu quang học

4.3 Đặc trưng tán xạ ngược

4.4 Đặc trưng khử phân cực

129 129 139 141 142 144 4.5 Kết luận chương IV 146

KẾT LUẬN 148

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 150

TÀI LIỆU THAM KHẢO 152

PHỤ LỤC i

i

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt và tiếng Anh

Ký

laser Light Amplification by Stimulated

INS Inertial navigation system Hệ thống hành hướng quốc tế GPS Global positioning system Hệ thống định vị toàn cầu

TOMS Total Ozone Mapping Spectrometer Phổ phân bố tổng lượng Ozone WMO World Meteorological Organization Tổ chức khí tượng thế giới

MCA Multichannel pulse-height analyzer Bộ phân tích biên độ xung đa kênh

CMOS Complementary metal–oxide–

semiconductor

Bán dẫn ô xít kim loại

OPO Optical parametric oscillator Bộ dao động tham số quang

CBL Convective boundary layer Lớp son khí đối lưu bề mặt

ABL Atmospheric boundary layer Lớp son khí bề mặt

NCAR National Center for Atmospheric

ii

Danh mục các đồ thị và hình vẽ

Hình 1.1: Phân bố nhiệt độ và mật độ phân tử khí trung bình trong khí quyển trái

đất theo độ cao tới 100 km [62]

Hình 1.2: Cấu trúc khí quyển trái đất thay đổi nhiệt độ theo độ cao, trong miền

không gian 120 km bao quanh trái đất [70]

Hình 1.3: Ảnh vệ tinh chụp 26/2/2000, một cơn bão cát thổi qua sa mạc Sahara ở

tây bắc châu Phi đã cuốn theo một đám mây cát rộng hàng ngàn cây số vuông [63]

Hình 1.4: Ảnh chụp bằng TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) ở thời

điểm cùng ngày 26/2/2000 tại cùng địa điểm Phổ màu chuyển từ xanh

lá cây sang đỏ theo sự tăng dần mật độ của khối son khí [63]

Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc lớp khí quyển bề mặt [62]

Hình 1.6: Ảnh phân bố loại mây trong tầng đối lưu theo hiệp hội khí tượng thế

giới MWO [68]

Hình 1.7: Ảnh một số loại mây cơ bản trong tầng đối lưu của khí quyển [70] Hình 1.8: Ảnh một số lọai mây không phổ biến khác tồn tại trong tầng đối lưu

của trái đất [70]

Hình 1.9: Mô hình giải thích sự tạo thành của các đám mây [70]

Hình 1.10: Nguyên lý hoạt động của lidar [3]

Hình 1.11: Sơ đồ khối hệ lidar xây dựng tại Viện Vật lý gồm hai phần cơ bản:

khối phát và khối thu

Hình 1.12: Tán xạ đàn hồi trên các hạt có kích thước khác nhau so sánh với bước

sóng ánh sáng kích thích [22, 33, 112]

Hình 1.13: Phân bố cường độ tán xạ theo hàm pha đối với tán xạ Rayleigh [104] Hình 1.14: Kích thước một số loại son khí phổ biến [109]

Hình 1.15: Dạng hàm hệ số tán xạ ngược của một hạt nước hình cầu đồng nhất có

chiết suất n =1.33 phụ thuộc vào kích thước đặc trưng x của hạt [112] Hình 1.16: Cường độ theo góc tán xạ tương ứng với bước sóng 1064 nm và 532

nm trên hạt kích thước nhỏ 0,1 µm [104]

Hình 1.17: Cường độ tán xạ theo hàm pha tương ứng với hai bước sóng 1064 nm

và 532 nm với các tâm tán xạ có kích thước 10 µm [104]

iii

Hình 1.18: Phân bố cường độ theo góc tương ứng ở hai bước sóng 1064 và 532

nm trên các hạt có kích thước lớn cỡ 1000 µm [104]

Hình 1.19: Giản đồ dịch chuyển mức năng lượng của tán xạ Rayleigh và Raman

Hình 1.20: Phổ tán xạ Raman của một số loại khí phổ biến trong khí quyển (oxi,

ni tơ, hơi nước) khi kích thích ở bước sóng 532 nm [112]

Hình 2.1: Hình ảnh hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG bao gồm: kính thiên văn,

khối phát laser và máy tính ghi nhận dữ liệu Trên màn hình là tín hiệu lidar ở chế độ tương tự [16, 19]

Hình 2.2: Hình ảnh hệ lidar sử dụng laser diode 905 nm bao gồm: Laser diode

905 nm, kính thiên văn, đầu thu APD, module đếm photon, máy tính lưu dữ liệu, các nguồn nuôi cao và hạ thế

Hình 2.3: Hình ảnh chi khối phát của hệ lidar sử dụng laser diode 905 nm

Hình 2.4: Hình ảnh laser diode SPL PL90_3 phát bước sóng 905 nm của hãng

Osram và dạng bề mặt bức xạ laser [14, 61]

Hình 2.5: Sơ đồ mạch nuôi chip laser diode của hãng Osram [14]

Hình 2.6: Hình ảnh phân bố cường độ và kích thước chùm laser 905 nm theo

phương ngang và phương thẳng đứng: a) Trường gần, b) Cách 4 m, c)

Sơ đồ nguyên lý chuẩn trực chùm laser

Hình 2.7: Công suất phát trung bình của laser diode phụ thuộc thế nuôi

Hình 2.8: Độ rộng xung laser khi hoạt động ở chế độ công suất phát cực đại

Hình 2.9: Tần số lặp lại xung laser khi hoạt động ở chế độ công suất phát tối ưu Hình 2.10: Hình ảnh của đầu thu photodiode thác lũ Si APD S9251 -15 của hãng

Hamamatsu sử dụng trong hệ lidar và sơ đồ mạch đ ếm dập tắt thụ động hoạt động ở chế độ Geiger [13]

Hình 2.11: Module đầu thu APD được làm lạnh tới -20oC, hút ẩm, khép kín và

giảm nhiễu được chế tạo phục vụ riêng mục đích đo tín hiệu yếu của

hệ lidar Hình 2.12: Giao diện của chương trình đếm photon viết bằng ngôn ngữ Labview

thực hiện đo tín hiệu trên hệ lidar đo ở bước sóng 905 nm Hình 2.13: Cấu trúc và nguyên lý khuếch đại của ống nhân quang điện [79]

Hình 2.14: Độ nhạy của đầu thu theo bước sóng tín hiệu b) Hệ số khuếch đại theo

thế nuôi c) Hình ảnh module PMT series R7400U [79]

iv

Hình 2.15: a) Độ nhạy của đầu thu theo bước sóng tín hiệu b) Hệ số khuếch đại

theo thế nuôi c) Hình ảnh module PMT H6780 của hãng Hamamatsu [79]

Hình 2.16: Hình ảnh module PMT H6780 - 20 hoạt động ở chế độ đếm photon

trên kênh tín hiệu Raman với thể nuôi 15 V

Hình 2.17: Phân bố của photon trong lớp silicon đối với một số bước sóng tới

khác nhau [123]

Hình 2.18: a): Đặc trưng độ nhạy của APD theo bước sóng tín hiệu b): Hiệu suất

lượng tử phụ thuộc vào bước sóng c): Đặc trưng dòng tối theo thế ngược đặt vào APD [13]

Hình 2.19: Xung tín hiệu ra trên PMT tương ứng trong trường hợp cường độ tín

hiệu mạnh (chế độ đo tương tự) [79]

Hình 2.20: Dạng tín hiệu lidar hoạt động ở chế độ đo tương tự tương ứng kênh

1064 nm và 532 nm

Hình 2.21: Xung tín hiệu ra trên PMT tương ứng trong trường hợp cường độ tín

hiệu quang yếu (chế độ đếm photon) [79]

Hình 2.22: Hình dạng tín hiệu lidar hoạt động ở chế độ đếm photon: a) Ở chế độ

xung đơn, b) Trung bình của 12000 xung laser

Hình 2.23: Hình ảnh tín hiệu thu nhận từ hệ lidar hoạt động ở chế độ đếm photon

vào ban ngày tại Hà Nội

Hình 2.24: a): Tín hiệu thô ghi nhận trực tiếp từ hệ lidar đếm photon trong thời

gian 5 phút tương đương 3.000 xung, b): tín hiệu sau khi dịch chuẩn gốc tọa độ, c): sau khi lấy trung bình 10 lần đo tương đương 30.000 xung laser

Hình 2.25: Đồ thị so sánh tín hiệu lidar và đường mật độ phân tử khí theo mô hình

lý thuyết

Hình 2.26: Tỉ số tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu lidar đếm photon trong thời gian

25 phút của hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG với tần số lặp lại là 10 Hz tương đương 15.000 xung

Hình 2.27: Sơ đồ không gian chồng chập của chùm tia laser và trường nhìn của

telescope [46]

Hình 2.28: Ảnh hưởng của hàm chồng chập lên tín hiệu [117]

v

Hình 2.29: Tín hiệu tán xạ Raman thu được từ hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG

hoạt động ở chế độ đếm photon trong thời gian 20 phút tương đương 18.000 xung laser

Hình 2.30: Tín hiệu đếm photon ghi nhận từ hệ lidar Raman ngày 20/11/2012 Hình 2.31: (a): Hàm chồng chập đặc trưng của hệ lidar sử dụng laser YAG: Nd tại

Viện Vật lý, (b): Tín hiệu lidar đàn hồi trước và sau khi tính đến hàm chồng chập đặc trưng của hệ [16, 20]

Hình 2.32: a): Khoảng không gian tín hiệu đàn hồi đã chuẩn hóa theo khoảng cách

đo sụt giảm mạnh nhất được hiểu là vị trí đỉnh của lớp son khí bề mặt, b): Đồ thị hàm H(z) tương ứng đạt cực tiểu tại vị trí đỉnh lớp son khí [57]

Hình 3.1: a) Đồ thị đạo hàm cường độ tín hiệu chuẩn hóa theo thời gian, xác

định đỉnh lớp son khí bề mặt theo phương pháp gradient b) Tín hiệu đàn hồi của lớp son khí tầng thấp chuẩn hóa theo khoảng cách đo vào lúc 20 h ngày 27/5/2011

Hình 3.2: Tín hiệu trường gần của hệ lidar sử dụng laser diode chuẩn hóa theo

khoảng cách, tín hiệu đo lấy trung bình trong thời gian 30 s vào lúc 20h ngày 4/7/2012

Hình 3.3: Tỉ số tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu trong Hình 3.2

Hình 3.4: Xác định đỉnh của lớp son khí bề mặt

Hình 3.5: Xác định vị trí đỉnh lớp son khí bề mặt thực hiện với tín hiệu vào buổi

sáng, buổi chiều và buổi tối trong ngày 27/5/2011 tại Hà Nội [19] Hình 3.6: Quan trắc lớp son khí tầng thấp trên bầu trời Hà Nội theo thời gian

thưc trong ngày

Hình 3.7: Phân bố độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt tại Hà Nội đêm ngày

6/10/2012

Hình 3.8: Tín hiệu tán xạ đàn hồi của hai hệ lidar độc lập ghi nhận đồng thời từ

20h tới 24h ngày 18/11/2012

Hình 3.9: Cường độ tín hiệu của lớp son khí bề mặt khi đã chuẩn hóa theo

khoảng cách đo, khảo sát 20 h ngày 21 tháng 11 năm 2012 [16]

Hình 3.10: Độ sâu quang học của lớp son khí tầng thấp của khí quyển vào ngày

20h ngày 31/10/2012

Hình 3.13: Tỉ số lidar (cùng với sai số) đặc trưng lớp son khí tầng thấp trong khí

quyển trên bầu trời Hà Nội, khảo sát ngày 21 tháng 11 năm 2012 Hình 4.1: Mây Ti thu được từ tín hiệu đo của hệ lidar ở chế độ tương tự ứng với

kênh phân cực theo phương song song thực hiện vào hai ngày 7/6/2011 và ngày 31/9/2011 với khoảng thời gian đo tương ứng trên hình [19]

Hình 4.2: a): Xác định độ cao đỉnh và đáy lớp mây Ti tầng cao b) Vị trí lớp phân

tầng của khí quyển theo tín hiệu radiosonde tương ứng ở cùng một thời điểm [19]

Hình 4.3: Phân bố độ cao trung bình của đỉnh và độ dày lớp mây Ti thay đổi theo

thời gian trong năm 2011

Hình 4.4: Sự thay đổi độ cao của lớp đối lưu hạn theo thời gian trong năm 2011

đo bằng phương pháp thả bóng thám không [19]

Hình 4.5: Sự biến đổi nhiệt độ trong tầng đối lưu và bình lưu từ tín hiệu

radiosonde [19]

Hình 4.6: Sự biến đổi độ cao đỉnh tầng đối lưu theo nhiệt độ của vị trí phân tầng

trên bầu trời khí quyển của Hà Nội năm 2011

Hình 4.7: Sự thay đổi độ cao của lớp mây Ti theo nhiệt độ tại vị trí đỉnh của lớp

mây Ti tầng cao [19]

Hình 4.8: Sự thay đổi độ cao của lớp đối lưu hạn và đỉnh lớp mây Ti theo thời

gian trong năm 2011

Hình 4.9: Sự thay đổi khoảng cách giữa đỉnh lớp mây và lớp đối lưu hạn

Hình 4.10: Sự thay đổi độ dày hình học của lớp mây Ti trong năm 2011 theo nhiệt

vii

Hình 4.14: Xác định độ cao lớp mây Ti

Hình 4.15: Độ sâu quang học theo khoảng cách đo trong đó có lớp mây Ti

Hình 4.16: Tiết diện tán xạ ngược của phân tử khí tương ứng đường màu đỏ,

đường màu xanh lá cây tương ứng của son khí [19, 20]

Hình 4.17: Tỉ số tán xạ ngược giữa đóng góp của son khí so với phân tử khí

những kết quả này chúng tôi đăng tại bài báo: [19, 20]

Hình 4.18: Tín hiệu hai kênh phân cực khi được lấy log(I.z2) vẽ theo khoảng cách Hình 4.19: Tỉ số khử phân cực của mây Ti thay đổi theo độ cao của lớp mây Hình 4.20: Tỉ số khử phân cực của mây Ti thay đổi theo nhiệt độ của lớp mây

theo số liệu quan trắc của hệ lidar phân cực kết hợp dữ liệu radiosonde của trung tâm viễn thám quốc gia năm 2011

Danh mục các bảng biểu

Bảng 1.1: Thành phần và nồng độ chất khí trong khí quyển trái đất [65]

Bảng 1.2: Phân tầng bầu khí quyển trái đất [4]

Bảng 1.3: Phân hạng mây quốc tế theo hình dạng và độ cao của mây [4]

Bảng 1.4: Tiết diện tán xạ của một số loại khí trong khí quyển [108, 109]

Bảng 1.5: Tỉ số khử phân cực của một số loại khí có mặt trong khí quyển [32] Bảng 1.6: Một số loại son khí phổ biến và nguồn gốc hình thành [4]

Bảng 1.7: Số sóng dịch chuyển trong tán xạ Raman khi kích thích ở bước sóng

532,1 nm, đối với một số loại khí phổ biến trong khí quyển [34]

Bảng 2.1: Các thông số đặc trưng khối phát của hệ lidar Raman nhiều bước

sóng [64]

Bảng 2.2: Các thông số đặc trưng khối thu của hệ lidar Raman nhiều bước

sóng [64, 65, 67]

Bảng 2.3: Các tham số của chùm laser diode loại mảng SPL PL90_3 của

Osram sử dụng cho hệ lidar khảo sát trường gần [14]

Bảng 2.4: Các tham số của cấu trúc khối thu trong hệ lidar sử dụng laser

diode [13, 65]

viii

Bảng 2.5: Thông số đặc trưng của APD sử dụng trong hệ lidar [13]

Bảng 3.1: Bảng giá trị son khí theo kết quả nghiên cứu tại một số nơi trên thế

giới và ở Hà Nội [6, 122]

Bảng 4.1: Thống kê độ cao, độ dày trung bình và khoảng biến đổi của hai

thông số vĩ mô đối với lớp mây Ti trên tầng khí quyển Hà Nội, được nhóm quan trắc trong năm 2011 [19]

Bảng 4.2: Thống kê kết quả khảo sát các đặc trưng vĩ mô của mây Ti tai một

số nơi khác nhau trên thế giới [46, 19]

1

Mở đầu

Từ những năm đầu thập niên 60 thế kỷ trước, sự ra đời của bộ khuếch đại

ánh sáng bằng phát xạ kích thích – laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation [31, 103]) đã mở ra rất nhiều những ứng dụng tiên tiến,

trong số đó phải kể đến là kĩ thuật khảo sát từ xa sử dụng nguồn kích thích bằng

tia laser được gọi tên là lidar (light detection and ranging) [108, 116, 117]

Nguyên lý hoạt động của một hệ lidar và một hệ radar là hoàn toàn tương tự, bao gồm một khối phát bức xạ điện từ kích thích và một khối thu tín hiệu tán xạ ngược Chùm laser là chùm bức xạ điện từ có tính định hướng, tính đơn sắc và tính kết hợp cao nên laser trở thành nguồn kích thích lý tưởng cho các hệ khảo sát, đối với hệ lidar cũng không là ngoại lệ Về cơ bản mọi hệ lidar đều có cấu trúc gồm một khối phát tia laser hướng về đối tượng cần quan trắc và một khối thu tín hiệu tán xạ ngược trở lại Bức xạ laser hướng về phía đối tượng nghiên cứu, tương tác với đối tượng cần khảo sát, bức xạ điện từ sẽ biến đổi tính chất trước khi trở về đầu thu Bức xạ điện từ tán xạ trở về đầu thu sẽ mang các thông tin về đối tượng khảo sát, tuân theo lý thuyết tán xạ tùy thuộc vào bản chất của đối tượng tán xạ Sự thay đổi tính chất của bức xạ trở về cho phép xác định các thông số đặc trưng của môi trường nghiên cứu như: đặc trưng tán xạ ngược, đặc trưng suy hao, đặc trưng khử phân cực, mật độ, sự phân bố, hình dạng và kích thước hạt của đối tượng khảo sát biến đổi trong không gian và theo thời gian Tùy thuộc vào mục đích quan trắc và đối tượng nghiên cứu mà hệ lidar sẽ được thiết kế khác nhau

Hiện nay, hệ lidar được tối ưu về kỹ thuật và đang trong giai đoạn cạnh tranh thương mại rộng khắp trên thế giới Các hệ lidar đặt tại các đài trạm mặt đất hoặc trên các thiết bị di động ở mặt đất hoặc trên không phục vụ việc xây dựng ngân hàng dữ liệu, ảnh DEM, DTM, DSM, 3D… về lớp khí quyển quanh trái đất cũng như bề mặt trái đất… [68] Tùy thuộc mỗi mục đích nghiên cứu mà một hệ lidar sẽ hoạt động độc lập, riêng biệt hoặc được kết nối với các hệ thống

2

thông tin khác như: hệ thống định vị toàn cầu GPS, hệ thống hàng hướng INS… Các hệ lidar hiện tại được thiết kế có khả năng hoạt động liên tục, tự động xử lý tín hiệu ghi nhận và truyền tải các thông số quan trắc từ xa về các đài, trạm, trung tâm phục vụ các mục đích khác nhau [61, 62, 61, 68, 69, 70]

Bước sóng laser sử dụng kích thích trong các hệ lidar tùy thuộc vào mục đích quan trắc có thể nằm trong miền phổ rộng từ 125 nm tới 11 μm Để có được miền bước sóng đó nguồn phát bức xạ thực tế là rất đa dạng gồm: các loại laser rắn, lỏng, khí, các laser Raman trạng thái rắn, các bộ nhân tần số… đã được sử dụng trong hệ lidar [108] Các laser hiện nay cho phép thay đổi bước sóng kích thích sử dụng cho hệ lidar gần như liên tục từ miền tử ngoại tới hồng ngoại, tùy thuộc bước sóng ghi nhận và cường độ tín hiệu mà các đầu thu quang điện được lựa chọn cần đạt các tiêu chuẩn về độ nhạy, thời gian đáp ứng, đảm bảo hệ lidar đáp ứng được những mục đích nghiên cứu khí quyển tốt với độ phân giải không gian và thời gian đủ đáp ứng yêu cầu nghiên cứu [108] Đầu thu tín hiệu có thể

là các ống nhân quang điện - PMT hoặc các diode quang thác lũ - APD hoạt động ở chế độ đếm photon [13, 104]

Mặc dù các hệ lidar được sử dụng khá phổ biến trên thế giới Tuy nhiên, giá thành, phí vận hành cùng với sự phức tạp trong kỹ thuật xây dựng hệ và quan trắc lâu dài vẫn là những trở ngại đối với những nước chưa có tiềm lực về kinh tế và kỹ thuật Do đó, việc xây dựng một hệ lidar áp dụng nghiên cứu khí quyển ở Việt Nam là một nhiệm vụ có nhiều ý nghĩa khoa học, có giá trị về kinh

tế trong nghiên cứu cơ bản và đặc biệt có giá trị trong đào tạo phát triển nhân lực chất lượng cao nghiên cứu trong một lĩnh vực gần như hoàn toàn mới ở trong nước [14, 125, 129]

Trong hoàn cảnh và điều kiện nghiên cứu hiện tại luận án được thực hiện

với tên gọi: “Sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của son khí trong tầng khí quyển” Luận án được thực hiện với mục đích và đối tượng

nghiên cứu cụ thể sau:

3

Mục đích của luận án:

 Nghiên cứu, xây dựng và phát triển một hệ lidar tích hợp ghi nhận tín hiệu tán xạ Raman và tín hiệu tán xạ đàn hồi theo hai kênh phân cực Mục đích xây dựng hệ lidar có khả năng khảo sát tới độ cao trên 20 km hoạt động

đa kênh ở cả chế độ đo tương tự và chế độ đếm photon Từ dữ liệu ghi nhận của hệ lidar xác định các tham số vật lý đặc trưng của son khí trong miền quan trắc

 Áp dụng lý thuyết tán xạ đàn hồi, tán xạ Raman xây dựng chương trình tính toán số bằng ngôn ngữ lập trình Matlab áp dụng xử lý dữ liệu ghi nhận từ hệ lidar Raman đa kênh xác định các thông số vật lý đặc trưng của son khí trong khí quyển ở thành phố Hà Nội

 Xây dựng dữ liệu quan trắc khí quyển tại Hà Nội tới độ cao trên 20 km, tạo một kênh tín hiệu độc lập cho phép so sánh, tăng khả năng quan trắc khí quyển phục vụ mục đích theo dõi, nghiên cứu môi trường và khí quyển ứng dụng cho nhiều lĩnh vực

 Khai thác cơ sở dữ liệu đã ghi nhận xác định các đặc trưng vật lý cơ bản của lớp son khí tồn tại trong miền khí quyển Hà Nội bước đầu đánh giá các đặc trưng và so sánh với các kết quả quan trắc khác thực hiện trong khu vực và trên thế giới

Đối tượng nghiên cứu của luận án:

 Tìm hiểu cơ sở lý thuyết của kỹ thuật lidar (kỹ thuật khảo sát từ xa bằng bức xạ điện từ kết hợp) đàn hồi và kỹ thuật lidar Raman Từ đó xây dựng chương trình số xác định các thông số vật lý đặc trưng của son khí trong khí quyển theo độ cao và theo thời gian

 Nghiên cứu, xây dựng, phát triển và tối ưu kỹ thuật quang học và điện tử

sử dụng trong hệ lidar Raman phân cực hoạt động đồng thời nhiều kênh ở

cả chế độ đo tương tự và chế độ đếm photon

4

 Tìm hiểu làm chủ kỹ thuật quan trắc khí quyển và tiến hành khảo sát lớp son khí trong khí quyển Hà Nội từ năm 2009 Xử lý tín hiệu, hệ thống cơ

sở dữ liệu phục vụ theo các mục đích nghiên cứu khác nhau

 Nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng các nguồn laser diode nhỏ gọn, đầu thu diode quang điện thác lũ - APD độ nhạy cao xây dựng hệ lidar nhỏ gọn lần đầu ở Việt Nam phục vụ mục đích khảo sát các đối tượng khí quyển trường gần nâng cao khả năng nghiên cứu và đào tạo trong lĩnh vực quan trắc khí quyển từ xa

Luận án được chia thành 4 chương:

Chương I: Cơ sở lý thuyết khảo sát các đặc trưng vật lý của son khí trong tầng khí quyển

Trong chương I, chúng tôi trình bày cấu trúc tầng khí quyển bao quanh trái đất, vai trò của lớp son khí trong khí quyển tầng thấp, của mây Ti tầng cao đối với chất lượng môi trường, vấn đề thời tiết và sự biến đổi khí hậu Bên cạnh

đó chúng tôi trình bày một số phương pháp nghiên cứu được sử dụng khảo sát lớp son khí tầng thấp và mây Ti tầng cao, trong đó kỹ thuật lidar thể hiện những

ưu điểm vượt trội Trong chương này chúng tôi cũng trình bầy ngắn gọn lý thuyết tán xạ Rayleigh, tán xạ Mie và tán xạ Raman sảy ra trên phân tử khí và các loại hạt son khí Để từ đó chúng ta có một cách nhìn tổng quan các đặc trưng hóa lý cơ bản của lớp son khí tầng thấp và lớp mây Ti tầng cao cần quan trắc cũng như yêu cầu các đặc tính của hệ lidar chuyên biệt cần để đáp ứng những yêu cầu đó

Chương II: Kỹ thuật và hệ đo lidar

Trong chương II, chúng tôi trình bày quá trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thuộc tính của từng bộ phận riêng lẻ cũng như gắn kết phần cứng và phần mềm để tạo thành 01 hệ lidar Raman nhiều bước sóng (hoạt động ở cả bước sóng 532 nm và 1064 nm) đo tín hiệu phân cực hoạt động cả ở chế độ đo tương

tự hoặc đếm photon và 01 hệ lidar nhỏ gọn sử dụng laser diode ở bước sóng 905

5

nm phục vụ mục đích quan trắc tín hiệu đàn hồi lớp son khí trường gần có khả năng tự động nghi nhận và xử lý tín hiệu tức thời Bên cạnh các kết quả xây dựng, tối ưu và hoàn thiện kỹ thuật quan trắc sử dụng hệ, chúng tôi thực hiện xây dựng các chương trình xử lý số nhằm khai thác dữ liệu lidar xác định các đặc trưng cơ bản của lớp son khí trường gần và lớp mây Ti tầng cao

Chương III: Quan trắc các đặc trưng vật lý của lớp son khí tầng thấp

Trong chương III, chúng tôi áp dụng các chương trình tính toán số với cơ

sở dữ liệu quan trắc được từ hai hệ lidar nhằm xác định một số đặc trưng vật lý

cơ bản của son khí tầng thấp như độ sâu quang học, hệ số suy hao, hệ số tán xạ ngược, tỉ số lidar So sánh các kết quả tương đồng giữa hệ thống dữ liệu thu nhận từ hai hệ lidar quan trắc đồng thời cũng như so sánh với các kết quả nghiên cứu bằng phương pháp độc lập khác ở trong nước và nước ngoài để đánh giá những kết quả đã thu được về khí quyển của hai hệ đo xây dựng lần đầu tiên tại Viện Vật lý – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Chương IV: Quan trắc các đặc trưng vật lý của mây Ti tầng cao

Trong chương IV, chúng tôi áp dụng các chương trình tính toán số với cơ

sở dữ liệu quan trắc được từ hai hệ lidar nhằm xác định một số đặc trưng vật lý

cơ bản của lớp mây Ti tầng cao như đặc trưng phân bố độ cao theo thời gian trong năm, độ dày, mối liên hệ giữa độ cao đỉnh lớp mây với độ cao lớp phân tần đối lưu hạn, và các đặc trưng vi mô của lớp mây tầng cao này như: hệ số tán

xạ ngược, hệ số suy hao, tỉ số khử phân cực

độ của các phân tử trong khí quyển Trái đất Hình 1.1 thể hiện sự biến đổi của mật độ phân tử khí trung bình, nhiệt độ của khí quyển theo độ cao đối với hai mùa đặc trưng: mùa hè và mùa đông

Trong đó sự đóng góp của các son khí làm cho lớp khí quyển trở nên phức tạp và đóng góp thêm biến động cho khí quyển Son khí được hiểu là các hạt rắn hoặc lỏng rất nhỏ lơ lửng trong không khí (ví dụ như khói, sương mù, bụi, phấn hoa v.v.) có kích thước cỡ từ 0,01m đến vài chục mm Các hạt son khí được

7

hình thành từ các hiện tượng tự nhiên như hoạt động của núi lửa, bão sa mạc, cháy rừng, chu trình thủy học, từ các sinh vật sống Ngoài ra, các hoạt động của con người như việc đốt nhiên liệu, tạo khí thải công nghiệp…cũng đưa vào khí quyển một lượng lớn các loại son khí nhân tạo Son khí nhân tạo chiếm khoảng 10% số lượng son khí trong khí quyển [1, 112]

Bảng 1.1: Thành phần và nồng độ chất khí trong khí quyển trái đất [65]

Trong Hình 1.1 thể hiện sự thay đổi của nhiệt độ trong lớp khí quyển theo

độ cao Với đường màu xanh dương thể hiện sự biến đổi nhiệt độ theo độ cao vào mùa hè và đường màu đỏ thể hiện quy luật đó vào mùa đông, sự biến động của nhiệt độ mạnh mẽ hơn xảy ra vào mùa hè Mỗi tầng khí quyển có quy luật biến thiên nhiệt độ theo độ cao là khác nhau Cụ thể trong tầng đối lưu (0 – 11km) tăng độ cao nhiệt độ giảm, tầng bình lưu (11 km – 50 km) thì ngược lại khi tăng độ cao nhiệt độ lại tăng, tầng trung gian (50 km – 80 km) tăng độ cao nhiệt độ có xu thế giảm và trong tầng nhiệt thì nhiệt độ tăng theo độ cao của lớp khí quyển Gianh giới giữa hai tầng khí quyển liên tiếp luôn tồn tại lớp chuyển

ra làm giảm tỉ trọng do đó chịu lực đẩy Acsimet sẽ đối lưu làm tăng độ cao, đồng thời với quá trình đó là quá trình giãn nở đoạn nhiệt làm cho chúng giảm nhiệt độ khi tăng độ cao Vì vậy càng lên cao nhiệt độ khí quyển trong tầng đối

9

lưu sẽ giảm đi Trong tầng đối lưu sự dịch chuyển của các khối vật chất khí chủ yếu theo chiều lên xuống vì đó có tên gọi là tầng đối lưu Còn đối với tầng bình lưu: do có sự tồn tại chủ yếu của lớp khí ozone, tại đây có sự hấp thụ mạnh của bức xạ bước sóng dài của mặt trời do đó vùng khí có độ cao càng lớn năng lượng mặt trời bị lưu giữ càng nhiều và nhiệt độ sẽ càng tăng Vì thế nhiệt độ sẽ tăng tỉ lệ với độ cao của khối khí Trong tầng bình lưu sự dịch chuyển của các lớp khí chủ yếu theo phương ngang, người ta gọi loại dịch chuyển này là quá trình loạn lưu Tại lớp binh lưu giữ một vai trò cực kì quan trọng trong quá trình lưu giữ năng lượng bức xạ nhiệt của mặt trời tới trái đất Vì thế mà hiện tượng thủng tầng ozone có ảnh hưởng và ý nghĩa quan trọng trong quá trình biến đổi khí hậu và cụ thể trong tiến trình nóng lên của trái đất…

Trong Hình 1.1 chúng ta thấy quy luật biến thiên của mật độ khí tồn tại trong lớp khí quyển theo độ cao, khi vẽ lại theo quy luật hàm log cường độ tín hiệu chuẩn hóa theo độ cao (log cường độ tín hiệu nhân với bình phương khoảng cách sẽ tỉ lệ với mật độ khí tại độ cao tương ứng) thì quy luật là tuyến tính, tức

là với mỗi km mật độ khí sẽ giảm đi e lần Vì đó mà chúng ta có thể hiểu được

vì sao ~50% tổng khối lượng vật chất tồn tại trong khí quyển phân bố ở độ cao dưới 5 km và 70% lượng vật chất tồn tại trong khoảng cách dưới 10 km [1] Để hiểu rõ hơn về biểu thức toán học tôi sẽ trình bày cụ thể trong mục 2.3 trong chương 2 của luận án

Nghiên cứu các hiện tượng trong lớp khí quyển trái đất chúng ta có thể phân chia ra thành những lớp cầu đồng tâm Sự phân chia có thể dựa theo nhiều nguyên tắc khác nhau Tuy nhiên phổ biến và mang ý nghĩa về năng lượng lưu giữ và quyết định tới sự biến đổi của khí quyển, người ta sẽ chia khí quyển thành các lớp các tầng theo nhiệt độ [3, 4] Theo sự biến đổi của nhiệt độ lớp khí quyển bao quanh trái đất được chia thành 5 tầng như trong Bảng 1.2

Hình 1.2 thể hiện về cấu trúc khí quyển, giữa các tầng khí quyển luôn tồn tại các lớp chuyển tiếp mỏng và tại đó ít có sự biến đổi về nhiệt độ Trong hình

Bảng 1.2: Phân tầng bầu khí quyển trái đất [4]

Các tầng (lớp cầu) Độ cao trung

bình (km)

Các lớp chuyển tiếp

Tầng đối lưu (troposhere) 0 – 11 Lớp đối lưu hạn (tropopause)

Tầng bình lưu (stratosphere) 11 - 50 Lớp bình lưu hạn (Stratopause)

Tầng trung gian (mesosphere) 50 – 80 Lớp mezon hạn (Mezonpause)

Hình 1.2: Cấu trúc khí quyển trái đất thay đổi nhiệt độ theo độ cao, trong miền không gian 120 km bao quanh trái đất [70]

Nhiệt độ khí quyển

Áp suất khí quyển

là nguyên nhân của nhiều hình thái thời tiết khác nhau Ví dụ, các loại son khí nhân tạo, đặc biệt là các hạt sulfate do đốt cháy nguyên liệu hóa thạch đóng vai trò quan trọng quá trình giảm nhiệt độ trái đất, trái ngược với ảnh hưởng của khí CO2 vốn làm trái đất ấm dần lên Nghiên cứu son khí giúp ích nhiều cho việc xây dựng chiến lược kiểm soát khí thải và giải quyết các vấn đề liên quan đến ô nhiễm môi trường, mối quan tâm lớn hiện nay của toàn thế giới [1, 3, 4,

7, 10, 124]

Trong các nghiên cứu về chất lượng môi trường tác động tới sức khỏe con người thì các loại son khí như bụi, phấn hoa có thể gây ra các bệnh như: hen phế quản, các bệnh dị ứng Các hạt có kích thước trong khoảng 0,1m đến 1m là những hạt đặc biệt gây hại tới sức khoẻ con người [25, 26]

Khả năng làm việc các hệ đo từ xa và các hệ thống quang - điện tử cũng

bị ảnh hưởng rất nhiều bởi các hạt son khí Trong quân sự, việc nghiên cứu son khí có ý nghĩa quan trọng trong việc nghiên cứu chế tạo các thiết bị quang điện

tử hiện đại cũng như các thiết bị để ngụy trang, nghi trang, làm vô hiệu hoá các thiết bị quang điện tử của đối phương, làm suy giảm hoặc triệt tiêu bức xạ laser

12

Đồng thời những nghiên cứu về son khí cũng có vai trò quan trọng trong việc chế tạo và phòng chống vũ khí hoá học [1, 85]

Hình 1.3: Ảnh vệ tinh chụp 26/2/2000,

một cơn bão cát thổi qua sa mạc

Sahara ở tây bắc châu Phi đã cuốn theo

một đám mây cát rộng hàng ngàn cây

số vuông [63]

Hình 1.4: Ảnh chụp bằng TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) ở thời

điểm cùng ngày 26/2/2000 tại cùng địa điểm Phổ màu chuyển từ xanh lá cây sang đỏ theo sự tăng dần mật độ của khối son khí [63]

Như vậy, các đo đạc nhằm xác định tính chất quang học của các hạt son khí như mật độ bề mặt, mật độ thể tích, mật độ khối lượng, kích thước trung bình và hệ số suy giảm rất được quan tâm nghiên cứu Một trong những cách hữu hiệu và chính xác để có được những thông số này là sử dụng kỹ thuật lidar [109]

Kỹ thuật lidar có đóng góp quan trọng trong việc tìm hiểu về Trái Đất trong các thập kỷ gần đây Nó đặc biệt hữu dụng trong việc nghiên cứu các tham

số biến đổi trong miền không gian rộng lớn Lidar có tiềm năng trong nghiên cứu, quan sát các quá trình vật lý trong khoảng không gian từ vài mét khối đến

cả địa cầu, khoảng thời gian vài giây đến nhiều năm Lidar cũng được dùng trong nghiên cứu các quá trình hỗn loạn và các chu trình trong khí quyển, bao gồm các đo đạc về hơi nước và các luồng ozone [1] Các hiện tượng khí tượng

13

học như bão, áp thấp, các luồng gió dưới tác động của núi cũng được nghiên cứu bởi kỹ thuật lidar [3, 4] Lidar cho phép theo dõi sự thay đổi của mật độ khí thải, các lỗ thủng tầng ozone được ghi nhận Các khối mây ở vùng cực cũng được nghiên cứu và phân loại sử dụng các hệ thống lidar Lidar còn được sử dụng để phân biệt các hạt nước và các hạt băng trong mây Lidar cũng góp phần làm phong phú thêm dữ liệu về ảnh hưởng của các hiệu ứng thời tiết Các đám bụi núi lửa và sự lan truyền xuyên châu lục của khí thải, bụi sa mạc, và khói của các vụ cháy rừng cũng được nghiên cứu [63, 70] Ở trung tầng khí quyển, lidar

đã chứng minh được sự có mặt của các nguyên tử kim loại và các ion và sự tồn tại sóng trọng trường Các thiết bị lidar có thể hoạt động trên mặt đất hoặc gắn trên các máy bay, các hệ lidar đã được đưa vào trạm không gian, và trong tương lai gần các thiết bị lidar gắn trên vệ tinh sẽ dùng trong việc nghiên cứu bầu khí quyển của trái đất từ không gian Bên cạnh kỹ thuật lidar thì loài người còn sử dụng nhiều các công cụ khác để quan trắc khí quyển nhằm so sánh kết hợp cùng

kỹ thuật lidar xây dựng ngân hàng dữ liệu cho mô hình dự báo thời tiết, ví như

kỹ thuật chụp ảnh vệ tinh, kỹ thuật TOMS… (Hình 1.3 và Hình 1.4) [54, 78, 84,

89, 100, 114]

1.1.2.1 Lớp son khí bề mặt (Boundary layer)

Theo tác giả Stull cuốn sách “An introduction to boundary layer meteorology” viết năm 1988 [107] đã định nghĩa các lớp khí quyển bề mặt là:

“một phần của tầng đối lưu chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi sự hiện diện của bề mặt trái đất, chịu sự chi phối bởi sức hút trọng trường và sự thay đổi của các yếu tố

bề mặt mang lại với thời gian biến đổi khoảng một giờ hoặc ít hơn'' Hình 1.4 minh họa một sự biến động giữa thời gian ban ngày và ban đêm diễn ra trong lớp bề mặt Tại lớp bề mặt, khoảng 1 km tính từ bề mặt trái đất, là nơi tập trung mật độ vật chất lớn nhất Ở đó sự trao đổi năng lượng nhiệt do mặt trời cung cấp cũng sẽ là mạnh mẽ nhất Vào thời gian ban ngày nhiệt lượng mặt trời cung cấp gây ra luồng nhiệt từ phía dưới vận chuyển khí, tất cả các loại son khí: hơi nước,

14

bụi, mù….tạo thành các luồng vật chất đối lưu theo chiều đi lên và mở rộng đoạn nhiệt, đồng thời với sự dịch chuyển lên của các luồng khí nóng sẽ có sự hạ thấp của những luồng khí lạnh với mật độ vật chất lớn Các quá trình trao đổi năng lượng ấy gây ra những xoáy vận chuyển giữa hai luồng khí dưới đi lên và trên hạ xuống, như trong Hình 1.5 Quá trình đó sẽ duy trì đến khi đạt tới một trạng thái cân bằng nhiệt động lực đạt được ở trên cùng của lớp biên của lớp khí quyển ngay trên bề mặt trái đất Trên miền danh giới của lớp bề mặt nếu có ngưng kết do hơi ẩm trên các tác nhân son khí sẽ tạo thành những khối vật chất

có mật độ cao và đó là sự ra đời của các đám mây trong tầng đối lưu [115]

Phần son khí khô phía trên thuộc miền khí tự do (free atmosphere) phía trên sẽ ngưng xuống theo chiều ngược lại của miền khí bề mặt đưa lên do quá trình giãn nở đoạn nhiệt Như vậy sẽ tồn tại một miền biên giới khí quyển hẹp

mà tại đó sẽ có sự biến đổi đột ngột về mật độ do có sự giao thoa giữa luồng khí

ở phía dưới có mật độ lớn nhất đưa lên và phần khí khô ở phía trên và được gọi

là miền khí quyển bị cuốn theo (entrainment zone) - miền được tao ra do quá trình đối lưu giữa các luồng khí nóng ở phía dưới đi lên và miền khí lạnh ở trên

đi xuống Ở đây chúng ta luôn nhớ rằng trong vùng không gian thấp thuộc tầng

Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc lớp khí quyển bề mặt [62]

Mặt trời lặn Trƣa

Lớp ổn định Miền ranh giới

15

đối lưu, dưới ~12 km, vật chất tồn tại có mật độ tăng theo hàm mũ khi độ cao giảm Trong khí quyển ở tầng thấp luôn có sự pha trộn giữa các loại khí và các loại hạt vật chất khác mà chúng ta quen gọi là son khí Như vậy bản chất của sự tạo thành lớp bề mặt và đỉnh của lớp bề mặt là sự giải phóng năng lượng nhiệt bức xạ gây ra quá trình luân chuyển đối lưu trên dưới giữa các khối khí Chính

do các quá trình đối lưu và loạn lưu tạo ra xu hướng duy trì một lớp pha trộn (mixing layer), trong đó có nhiệt độ và độ ẩm gần như không thay đổi theo độ cao Đặc trưng nổi bật nhất của lớp khí pha trộn chính là sự „bất ổn‟ và nó còn

có thể được gọi là lớp bề mặt đối lưu (convective boundary layer - CBL) Phần thấp nhất của lớp bề mặt khí quyển (atmospheric boundary layer – ABL) gọi là lớp bề mặt như trong Hình 1.5 màu đen đậm và ngay sát bề mặt trái đất Trong điều kiện có gió, lớp bề mặt sẽ bị phân tách và thay đổi theo đặc trưng địa hình gây ra do sự ma sát [81, 114]

Trong quá trình biến đổi của lớp son khí bề mặt diễn ra theo thời gian địa phương bị chi phối bởi nguồn năng lượng bức xạ của mặt trời Trong quá trình

đó sẽ có sự thay đổi mạnh mẽ ở khoảng thời gian giữa lúc mặt trời lặn và mặt trời mọc Ranh giới của khí quyển tạo ra khi đó được gọi là lớp biên về đêm, lớp ranh giới này phân bố liên tục theo độ cao xuất phát từ mặt đất lên tới đỉnh lớp

bề mặt (từ 0 tới ~1,5 km) Miền ranh giới này thường được đặc trưng bởi sự tồn tại của một lớp khí ổn định, hình thành khi kết thúc quá trình bức xạ năng lượng mặt trời về cuối ngày kết hợp cả quá trình làm mát do sự bức xạ cộng từ lớp son khí bề mặt vào bề mặt trái đất bên cạnh đó còn có sự tác động do ma sát với lớp

bề mặt ổn định ở miền thấp nhất của ABL Trong miền khí chuyển tiếp ấy còn những tàn tích của các khối nhiễu động tạo ra trong lớp CBL vào ban ngày Lớp ranh giới về đêm cũng có thể đối lưu khi có sự xuất hiện của các khối khí nóng hoặc lạnh di chuyển theo phương ngang ví dụ như khối khí lạnh ở phương bắc di chuyển xuống tựa trên một bề mặt ấm áp đã có sẵn (ví dụ: khi có gió mùa đông bắc)

16

1.1.2.2 Lớp son khí tự do tầng thấp (free atmosphere layer)

Phía trên lớp son khí bề mặt xảy ra nhiều biến động bởi sự lưu chuyển của các luồng vật chất nóng đi lên và lạnh đi xuống do sự hấp thụ và bức xạ gây ra Ngay phía trên vùng son có mật độ lớn nhất trong lớp bề mặt đó chúng ta sẽ thấy

sự xuất hiện của những khối khí với mật độ cao đột ngột và không liên tục khi

có tác nhân ngưng kết là các hạt bụi và hơi ẩm, tại đó được hiểu là các đám mây tầng thấp và vừa được hình thành từ sự nâng lên của các khối son khí xuất phát

từ lớp bề mặt Ngoài ra sẽ là sự tồn tại của khí và phần son khí khô và chúng ta gọi tên miền son khí khô này là lớp khí quyển tự do tầng thấp, ở đó có sự góp mặt của son khí nhưng không có sự ngưng kết và mật độ tồn tại của vật chất tuân theo quy luật giảm của hàm mũ theo độ cao một cách đều đặn Miền phân

bố của lớp son khí tự do này thường phần bố trong khoảng trên lớp son khí bề mặt và dưới độ cao ~5 km tùy thuộc vào vị trí địa lý, khí hậu, môi trường địa phương [1, 30, 48]

Trong toàn bộ lớp son khí tầng thấp (khoảng dưới 5 km) về cơ bản phân thành hai lớp son khí khác nhau với những đặc trưng về sự phân bố mật độ, tốc

độ biến đổi, vai trò ảnh hưởng tới sự biến động chung của khí quyển bề măt trái đất và đặc biệt chúng có sự liên hệ trao đổi với nhau

1.1.2.3 Vai trò của son khí tầng thấp

 Vai trò lớp khí quyển tầng thấp đối với khí quyển

Chúng ta biết rằng trái đất là một trong chín hành tinh của hệ mặt trời trái đất quay quanh mặt trời với khoảng cách trung bình là 149,6 106

km [2] Trái đất có thể coi là một hệ thống kín về mặt hóa học, nó tiếp thu năng lượng từ Mặt trời đưa tới nhưng trong phạm vi so sánh với khối lượng chung của nó là 5,98.1024 kg thì không hề có sự trao đổi vật chất với các vùng xung quanh Với bán kính 6370 km và tỷ trọng 5520 kg/m3, Trái đất cũng như các hành tinh khác trong hệ mặt trời như sao Hỏa, sao Thổ, sao Kim… là một trong những hành tình tương đối nhỏ trong Thái dương hệ Trong đó sinh quyển được hiểu là nơi

kg thì khoảng 50% khối lượng ở trong bề dày cách mặt đất 5 km và 75% nằm trong lớp dày đến 10 km và 90% đến 16 km [3, 109]

Khí quyển có tác dụng duy trì sự sống trên Trái đất, ngăn chặn những tác động độc hại của các tia tử ngoại gần (𝜆 < 300 nm), các bức xạ nhìn thấy (𝜆 = 400 ÷ 800 𝑛𝑚), tia hồng ngoại gần (𝜆 < 2500 𝑛𝑚) và sóng radio (𝜆 = 0,10 ÷ 40 𝑚) đi vào trái đất [3] Khí quyển đóng vai trò quan trọng trong việc giữ cần bằng nhiệt lượng của trái đất thông qua quá trình hấp thụ tia phát xạ

từ mặt trời tới và phản xạ tia nhiệt từ mặt đất lên Thành phần chủ yếu của khí quyển ở gần tầng thấp Trái đất gồm nitơ (N2), ôxy (O2), cacbonic (CO2), hơi nước (H2O) và một số khí khác như acgon, hêli, nê-ôn, ôzôn, mêtan, hiđrô…với hàm lượng rất nhỏ Khí quyển là nguồn cung cấp O2 và CO2 cần thiết cho sự sống trên trái đất, cung cấp nitơ cho quá trình cố định đạm ở thực vật hay sản xuất phân đạm cho nông nghiệp Hơn nữa, khí quyển còn là môi trường để vận chuyển nước từ đại dương vào đất liền, tham gia vào quá trình tuần hoàn nước Cùng với quá trình sống sinh hoạt và các hoạt động lao động sản xuất công nghiệp, nông nghiệp…con người liên tục thải nhiều chất ô nhiễm vào khí quyển, làm môi trường khí quyển bị biến đổi theo chiều hướng tiêu cực

Trong khí quyển, chúng ta đặc biệt quan tâm tới tầng khí quyển thấp nhất – tầng đối lưu Bởi sự sống của con người và của nhiều loài sinh vật diễn ra trong đó Giữa các tầng trong khí quyển có sự khác biệt cơ bản về cấu trúc và

so với mặt đất [4, 5]

Độ cao của giới hạn trên tầng đối lưu không ổn định, nó phụ thuộc vào mùa trong năm và đặc tính của các quá trình khí quyển Sự gia tăng của giới hạn trên tầng đối lưu quan sát thấy từ mùa đông đến mùa hạ và từ hai cực về xích đạo Theo dõi sự biến đổi của các đối tượng trong khí quyển, nhằm đánh giá tình trạng khí quyển, đề tìm ra quy luật biến đổi và dự báo tình trạng khí quyển trong thời gian tiếp sau là một nhiệm vụ của nhiều ngành khoa học khác nhau với mục đích theo dõi và nghiên cứu khác nhau

 Tương tác giữa năng lượng bức xạ mặt trời và quá trình biến đổi của lớp son khí tầng thấp

Nguồn cung cấp năng lượng ở hầu hết các quá trình và các hiện tượng trong khí quyển là nhiệt lượng từ mặt trời đi tới khí quyển và bề mặt trái đất dưới dạng năng lượng bức xạ Năng lượng mặt trời làm chuyển động các khối khí mang theo hơi nước đảm sự tuần hoàn của nước trong tự nhiên, hun nóng tầng thấp và bề mặt trái đất Nhiệt từ mặt đất dần dần truyền xuống dưới sâu và tạo ra nhiệt lượng dự trữ ở đó, chúng rất cần cho mọi cơ thể sống Ánh sáng nhìn thấy của bức xạ mặt trời cho trái đất ánh sáng ban ngày và là nguồn gốc của mọi hiện tượng tự nhiên có liên quan tới bức xạ của mặt trời [3, 4]

Năng lượng tia mặt trời do mặt trời tỏa ra gọi là bức xạ mặt trời Nó truyền đi dưới dạng sóng điện từ với tốc độ 3,112 108

m/s trong khí quyển Khí quyển trái đất nhận năng lượng bức xạ đó tổng cộng trong suốt một năm trung bình vào khoảng 1,3.1024

calo Nhiệt lượng này lớn tới mức có thể làm tan một

19

lớp băng dày 36 m phủ kín toàn bộ địa cầu ở nhiệt độ 00C Tổ hợp toàn bộ dải sóng mà trên đó bức xạ mặt trời phát ra gọi là phổ bức xạ mặt trời Phổ mặt trời chia làm ba dạng tia: Bức xạ tử ngoại – bức xạ sóng ngắn với độ dài bước sóng

từ 0,1 – 0,4 µm, bức xạ nhìn thấy và bức xạ hồng ngoại với độ dài bước sóng từ 0,76 µm – 4,0 µm [5]

Bức xạ mặt trời đến mặt đất dưới dạng tia trực tiếp và các bức xạ khuếch tán (do tán xạ từ các thành phần của khí quyển) [4] Bức xạ đến một cách trực tiếp từ mặt trời dưới dạng các chùm tia song song gặp bề mặt trái đất và các lớp khác nhau trong khí quyển gọi là bức xạ trực tiếp Cường độ của bức xạ trực tiếp phụ thuộc vào độ cao của mặt trời trong thời gian ban ngày Cường độ bức xạ trực tiếp đạt cực đại vào lúc giữa trưa địa phương

Bức xạ mặt trời bị tán xạ nhiều lần trong khí quyển gọi là bức xạ khuếch tán Bức xạ khuếch tán đến tầng thấp trái đất từ tất cả các hướng của phông trời Cường độ bức xạ khuếch tán phụ thuộc vào độ cao mặt trời, độ trong suốt khí quyển, sự hiện diện của mây, son khí tầng thấp, đặc điểm phản xạ của mặt đệm,

độ cao của điểm so với mực nước biển Bức xạ khuếch tán tạo ra màu xanh da trời vào những ngày trời trong vào giờ bình minh hay hoàng hôn màu sắc của tán xạ khuếch tán có màu đỏ vì sự tán xạ lúc này xảy ra trên đối tượng son khí gần tầng thấp dày đặc [10, 112]

Nguồn năng lượng đã rõ, vậy nguồn năng lượng này sẽ làm cho lớp son khí trong tầng đối lưu dịch chuyển như thế nào? Trong thực tế người ta chia ra làm hai loại là: chuyển động đối lưu nhiệt và chuyển động loạn lưu

Chuyển động đối lưu nhiệt là sự chuyển dịch của khối khí riêng biệt theo chiều thẳng đứng Hầu hết đối lưu nhiệt xảy ra do sự hun nóng của lớp khí dưới thấp Trên biển hay đại đa phần khối khí dưới thấp khi có thành phần là hơi nước ấm bốc lên khi vào các mùa lạnh hoặc vào thời gian ban đêm Khi đó lớp khí nóng sẽ đi lên nhường chỗ cho lớp khí lạnh hạ xuống Đối lưu có thể vươn

 Quá trình hình thành son khí trong khí quyển

Thành phần son khí tự nhiên phổ biến nhất chính là hơi nước và các hạt được tạo thành từ quá trình luân chuyển nước trong khí quyển Chúng ta tìm hiểu cụ thể hơn quá trình xuất hiện hơi nước và sự hình thành khói hay sương

mù trong khí quyển Khi có lượng nước xâm nhập vào trong khí quyển từ tầng thấp đệm hoặc dịch chuyển ngang từ một nơi nào tới sẽ có sự dịch chuyển lên trên, càng lên cao nhiệt độ khối khí giảm, khi chưa đạt tới điểm sương, chưa bão hòa và khối son khí chưa chuyển sang thể lỏng thì khối khí sẽ hạ xuống ~1o tính trên mỗi khi bị nâng lên thêm 100 m độ cao, tức là bằng với gradient nhiệt đẳng hướng 𝛾𝑘[4] Ngược lại khi khối khí hạ thấp độ cao, khối khí bị nén lại và nóng lên theo gradient tương tự Với khối khí đã bão hòa, quá trình đó gọi là quá trình đoạn nhiệt ẩm, gradient đoạn nhiệt ẩm kí hiệu 𝛾𝑎 khác với gradien đoạn nhiệt khô, có giá trị không ổn định mà thay đổi theo nhiệt độ ở trong khoảng 0o3 tới

0o9 trên mỗi 100 m độ cao Đối với các quá trình đoạn nhiệt ẩm mùa hạ ở các lớp dưới của khí quyển sát bề mặt trái đất, đại lượng đặc trưng cho sự biến thiên

là 𝛾𝑎 = 0o4 - 0o5, với mùa đông là 0o

7 - 0o9 trên 100 m độ cao, nhưng ở độ cao khoảng gần 7 - 9 km nó đạt tới 1o

/100 m [3, 5]

Trong quá trình biến đổi của nước trong khí quyển có sự chuyển đổi qua lại giữa trạng thái khí, lỏng và rắn của nước Quá trình khí ẩm tạo thành giọt nước được gọi là quá trình ngưng kết Quá trình biến đổi trực tiếp thành dạng

21

rắn dưới dạng tinh thể băng được gọi là quá trình đóng băng Hai quá trình trên xảy ra thường xuyên khi thỏa mãn cả hai điều kiện là đạt điểm sương và có tác nhân ngưng kết trong khí quyển Để xảy ra sự hạ nhiệt độ có thể là quá trình dịch chuyển lên cao của khối khí hoặc sự dịch chuyển của không khí nóng và

ẩm đến mặt trải dưới tại bề mặt trái đất lạnh hơn hay do sự tỏa nhiệt mạnh của bức xạ sóng dài của khối khí tới bề mặt trái đất vào những đêm trời quang mây

và thường xảy ra trên đất liền sẽ tạo nên các hạt sương ngay tại lớp khí quyển bề mặt và đọng trên các thảm thực vật mà chúng ta hay gọi là sương muối Đối với tác nhân gây ngưng kết chúng ta có thể kể tới sự tham gia của các loại hạt rắn lơ lửng trong khí quyển: các hạt bụi, cát, gio, các phân tử muối…

Nước trong khí quyển không những chỉ chuyển tử trạng thái hơi sang lỏng hoặc rắn, mà còn xảy ra các quá trình ngược lại Sản phẩm của sự ngưng kết và đóng băng do sự bức xạ nhiệt vào ban đêm, khi chuyển sang bang ngày, do sự đốt nóng của mặt trời chúng bắt đầu bốc hơi và lại trở về dạng hơi nước Tuy nhiên phần lớn lượng hơi ẩm đã chuyển sang trang thái lỏng hoặc rắn từ hơi nước đều rơi xuống dưới dạng mưa, tuyết, hoặc mưa đá

Trong khoảng độ cao dưới 5 km đóng góp của hơi nước và các hạt ngưng kết chủ yếu tồn tại ở dạng son kích thước nhỏ hoặc thể rắn là các hạt bụi hoặc các hạt nước nhỏ li ti do quá trình ngưng kết có sự tham gia của hơi nước Tập hợp các giọt nước li ti hoặc các tinh thể băng rất nhỏ ở lớp khí sát mặt đất được gọi là sương mù, trong điều kiện đó tầm nhìn sẽ giảm rất mạnh Với điều kiện lượng sương mù có mật độ thấp thì các hạt son thường có kích thước nhỏ và thưa lúc đó tầm nhìn xa bị hạn chế không đáng kể, trong trường hợp này trong thuật ngữ của ngành Khí tượng gọi là khói Khi có khói chúng ta thấy không khí

có màu phơn phớt bạc

Khi có đủ điều kiện về hạt ngưng kết, nhiệt độ hạ tới điểm sương (𝜏) thì quá trình sương mù diễn ra Như vậy, chúng ta có thể thấy có ba nguyên nhân chính đưa tới sự hình thành sương hay khói trong lớp khí quyển thấp là: Quá

là phải tồn tại trong không khí các hạt ngưng kết và độ ẩm không khí cao gần mức bão hòa Sự tạo thành sương mù bắt đầu khi độ ẩm tương đối gần đạt 100

% (khoảng 90 % - 95 % tại nhiệt độ trên 25oC, khoảng 80 % ở nhiệt độ dưới

25oC)

Tùy thuộc quá trình hình thành mà chúng ta chia ra thành 3 loại sương mù sau: mù bức xạ (mù lục địa), mù bình lưu và mù bốc hơi (mù đại dương) Mù bức xạ (mù lục địa) đặc trưng cho loại mù hình thành trên đất liền thường được tạo ra vào ban đêm vào những giờ gần sáng trong thời kỳ trời ít mây, ví dụ vào các đêm mùa đông ở Việt Nam Loại mù này có bề dày và độ đậm đặc không lớn, theo hướng thẳng đứng đôi khi chúng ta vẫn thấy màu xanh da trời Thông thường mù bức xạ hình thành ở nơi hơi thấp so với mặt bằng xung quanh và chỉ phát triển ở độ cao 1 - 2 m trên bề mặt trái đất Và đặc điểm là mù bức xạ không tồn tại lâu Có thể tạo thành vào thời gian đêm về sáng thì vào điều kiện ban ngày khi bức xạ mặt trời tăng cao, lớp mù này sẽ khuếch tán vào không trung theo mức tăng của nhiệt độ không khí và dịch chuyển lên độ cao lớn hơn Tuy nhiên về mùa đông, ở một số nơi loại mù này giữ được nhiều ngày liên tục

Mù bình lưu thường gặp trên các vùng ven biển và đại dương và cả trên các dải đất ven biển Khác với mù bức xạ, loại này có độ bền vững cao, bề dày theo phương thẳng đứng lớn, diện tích lan tỏa rộng và quan sát thấy khi tốc độ gió nhỏ hơn 10 m/s Loại mù này làm giảm tầm nhìn đáng kể Gần bờ biển mù bình lưu được hình thành khi có không khí từ biển nóng ẩm hơn trườn lên đất liền, gặp lạnh trên đất liền mà ngưng kết tạo thành Quá trình hình thành này diễn ra chậm chạp và thường thấy vào mùa thu và mùa đông Ví như loại sương

23

mù hình thành trên lớp khí quyển gần mặt đất ở vùng bờ biển đông Châu Phi và

bờ biển Nam Mỹ Mù bình lưu có thể hình thành trong điều kiện khác là trên các hải lưu lạnh Bengin và Peru, do chuyển động của không khí nóng ẩm từ các lục địa đến Sương mù bình lưu thường gặp nhiều ở nơi có các hải lưu nóng và lạnh chảy sát nhau hoặc hòa lẫn với nhau, trong điều kiện lý tưởng ấy mù hình thành rất mãnh liệt Như ở Đại tây dương vùng mây dày nhất gần Niufaundlan, nơi gặp nhau của hải lưu lạnh Labrador với hải lưu nóng Golfstrim Hàng năm ở đây xảy ra đến 80 ngày sương mù, trong mùa nóng quá trình hình thành mù bình lưu diễn ra rõ nét hơn vào mùa lạnh Nơi thường xuyên gặp mù dày đặc là vùng biển của các nước Bắc Âu của Đại tây dương như bờ biển nước Anh, Đức, Hà lan, miền nam của Skandinavo và ở vịnh La-mans [56]

Sương mù bốc hơi hay sự bốc hơi của biển xảy ra vào mùa đông trên các biển không bị lạnh giá lắm, hoặc trên các vùng nước nằm giữa biển băng giá; lúc

có dòng không khí rất lạnh đến gặp tầng thấp biển tương đối ấm hơn Hơi nước

từ tầng thấp trên mặt biển ấm tiến vào không khí gặp phải dòng khí quá lạnh sẽ ngưng kết và tạo thành sương mù Mù bốc hơi có độ đậm đặc không lớn, làm giảm tầm nhìn xa không nhiều lắm

Sương mù là một trong những hiện tượng khí tượng làm giảm tầm nhìn của mắt thường cũng như tầm quan sát của các hệ đo xa, ví như rada hay lidar Mức độ suy giảm tín hiệu phụ thuộc vào mật độ sương mù (tức là phụ thuộc hàm lượng các hạt son khí trong khí quyển), vào kích thước và nhiều đặc trưng quang khác… Bên cạnh đó tầm xa quan sát còn phụ thuộc vào nhiệt độ không khí và cả khoảng xa mà tín hiệu đã đi qua sương mù đạt tới Khi tầm nhìn xa trong mù là 30 – 50 m thì cường độ của tín hiệu lidar sẽ giảm đi khoảng 30% –

45 %, trong nhiệt độ thấp độ giảm tín hiệu trong sương mù sẽ nhiều hơn trong điều kiện nhiệt độ cao Vì thế, tín hiệu lidar khảo sát ở vùng xích đạo sẽ dễ hơn trong việc đo xa

24

Quá trình hình thành son khí ở tầng thấp thường gọi là sương hoặc mù sẽ liên quan mật thiết với quá trình hình thành đối tượng son khí tầng trên với mật

độ cao được gọi là mây Sự hình thành mây sẽ được trình bày chi tiết và cụ thể

về nhiều khía cạnh như: sự hình thành, cấu trúc, sự phân bố, phân loại và vai trò của mây trong vấn đề khí quyển (thời tiết, khí hậu) trong phần sau

1.1.2.4 Các đặc trƣng cơ bản của lớp son khí tầng thấp

Những đặc trưng vật lý cơ bản về lớp son khí tầng thấp thường được quan tâm nghiên cứu là:

1 Độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt

2 Đặc trưng độ sâu quang học

3 Đặc trưng suy hao

4 Đặc trưng tán xạ ngược

5 Đặc trưng tỉ số lidar

6 Đặc trưng khử phân cực

Cơ sở lý thuyết và chương trình mô phỏng tính toán các thông số vật lý vi

mô (từ đặc trưng 1 tới đặc trưng thứ 6) của son khí tôi sẽ trình bày trong chương

2 về kỹ thuật lidar và phần phụ lục của luận án

1.1.3 Mây Ti tầng cao

1.1.3.1 Cơ chế hình thành mây Ti

Theo tổ chức khí tượng thế giới - WMO [70] định nghĩa về mây là tập hợp các hạt vật chất được tạo thành do sự ngưng kết của nước hoặc tinh thể băng cũng như bao gồm cả hai thành phần trên, chúng tồn tại ở một độ cao nào đó trong khí quyển trên bề mặt trái đất có thể nhìn thấy được bằng mắt thường và tồn tại trong khoảng thời gian hàng phút hoặc lâu hơn Các đám mây là một trong nhiều thành phần trong lớp khí quyển bao quanh trái đất, chúng bao phủ từ 60% tới 70% diện tích bề mặt trái đất [3, 4, 70, 88] Sự tồn tại của các đám mây giữ một quy luật quan trọng trong hình thái khí hậu toàn cầu bởi sự tồn tại của

25

chúng ảnh hưởng tới sự hấp thụ bức xạ mặt trời và hiệu ứng nhà kính, cũng như quyết định lượng nước luân chuyển trong chu trình bay hơi và gây mưa Trong Bảng 1.3 chúng tôi đưa ra bảng phân hạng mây quốc tế theo hình dạng bề ngoài

và độ cao của mây có vai trò ảnh hưởng tới khí hậu của trái đất Với mục đích là

dự đoán những thay đổi trong hệ thống khí hậu thì yêu cầu cần phải theo dõi và nâng cao sự hiểu biết về sự phân bố toàn cầu của các loại mây cũng như các đặc trưng vĩ mô và vi mô của chúng cũng như những tác động của mây tới khí hậu khu vực, khí hậu toàn cầu là rất quan trọng Việc nghiên cứu về cấu trúc mây cũng như mối liên hệ giữa chúng và khả năng dự đoán sự biến đổi khí hậu trong tương lại là vấn đề phức tạp bởi hai lý do cơ bản Thứ nhất, chúng ta biết quá trình hình thành các đám mây là rất nhanh, quá trình đó diễn ra trong thời gian ngắn và không gian mang đặc trưng địa phương bởi thế nó mang các đặc trưng thay đổi của tự nhiên khu vực Thứ hai, tác nhân gây ra từ các quá trình tạo bởi con người ngày càng nhiều và ảnh hưởng trực tiếp tới khí hậu của trái đất Bởi vậy chúng ta cần nghiên cứu tất cả cơ chế của sự thay đổi khí hậu do nguyên nhân từ các quá trình hóa lý tác động tới sự hình thành và biến mất của các đám mây… [36, 46, 86]

Việc quan sát mây trong ngành Khí tượng là cực kỳ quan trọng không những đối với các cơ quan phục vụ không chỉ mục đích dự báo thời tiết mà cụ thể cho những mục đích vận chuyển đường không hay đường thủy… Chương trình quan sát mây bao gồm: phân định dạng mây, lượng mây tổng quan, lượng mây tầng thấp và mây phát triển thẳng đứng, vị trí phân bố tầng mây theo độ cao…[3, 4] Để phân định đúng dạng mây cần Atlac mây chuyên dụng Lượng mây tổng quan ước lượng bằng mắt hoặc bằng ảnh chụp vệ tinh Sự đánh giá này được chia theo phần 10 của độ bao phủ mây, mây bao phủ 100% [96] được gọi theo cấp bao phủ lớn nhất là 10 Trong kỹ thuật lidar cho phép nghiên cứu các tham số đặc trưng vĩ mô cũng như vi mô sâu sắc hơn về các tầng mây Trong giới hạn luận án, chúng tôi chỉ xin trình bày chi tiết về loại mây Ti tầng cao (hình dạng, vị trí phân bố vai trò của lớp mây tới tầng khí quyển và các vấn