nghiên cứu kỹ thuật lidar trong việc phân tích đặc tính đặc tính của bụi khí quyển

Mặc dù chỉ có một số thành phần nhỏ của khí quyển là có ảnh hưởng đáng kể vào lượng bức xạ của Trái Đất, tính chất, chất lượng của không khí, mây, mưa và các quá trình hóa học ở tầng bìn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA V ẬT LÝ

LÊ QUANG CHÂU

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt 5

Danh mục bảng biểu và sơ đồ 8

Danh mục hình vẽ và biểu đồ 9

PHẦN MỞ ĐẦU 11

PHẦN TỔNG QUAN 14

Chương 1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG KỸ THUẬT LIDAR 16

1.1 Nguyên lý hoạt động 16

1.2 Đo vận tốc ánh sáng 17

1.2.1 Sơ đồ khối 17

1.2.2 Hoạt động 17

1.2.3 Dụng cụ thí nghiệm 18

1.3 Vẽ địa hình trắc địa 21

1.3.1 Tổng quát 22

1.3.2 Nguyên lý hoạt động 23

1.4 Khảo sát phân bố rừng 27

1.5 Hệ LIDAR khảo sát bụi khí quyển 28

1.5.1 Dụng cụ 28

1.5.2 Nguyên lý hoạt động 30

Chương 2 BỤI KHÍ QUYỂN 32

2.1 Các hạt sol khí trong khí quyển 32

2.2.1 Sol khí núi lửa 33

2.2.2 Bụi sa mạc 34

2.2.3 Sol khí tạo bởi con người 35

2.2.4 Mục đích của nghiên cứu Sol khí của khí quyển 36

2.2.4.1 Sol khí tác động lên hệ thống khí hậu trái đất 36

2.2.4.2 Tác động của Sol khí lên nhiệt độ bề mặt 37

2.2.4.3 Tác động của Sol khí lên mây và giáng thủy 37

2.2.4.4 Tác động của Sol khí đến năng lượng bức xạ mặt trời đến bề mặt trái đất 38

2.2.4.5 Tác động của Sol khí đến hoàn lưu khí quyển 39

Chương 3 LÝ THUYẾT LIDAR DÙNG CHO NGHIÊN CỨU SOL KHÍ 40

3.1 Lý thuyết tán xạ 40

3.1.1 Hiện tượng suy giảm cường độ 40

3.1.2 Phổ suy giảm cường độ 40

3.2 Tương tác của bức xạ laser với môi trường khí quyển 40

3.2.1 Quá trình hấp thụ 40

3.2.2 Sự tán xạ ánh sáng 41

3.3 Phân loại các hiện tượng tán xạ 42

3.3.1 Hiệu ứng tán xạ phân tử 42

3.3.2 Hiệu ứng tán xạ Raman 43

3.3.3 Tán xạ Rayleigh 43

3.3.4 Hiệu ứng tán xạ Mie 44

3.3.5 Tán xạ quang học bởi sol khí 45

3.4 LIDAR tán xạ ngược đàn hồi 47

3.5 LIDAR Raman và LIDAR quang phổ độ phân giải cao (HSRL) 51

3.6 Xác định sự phân bố, bán kính hiệu dụng và mật độ của hạt trong khí quyển 57

Chương 4 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT LIDAR 59

4.1 Phương pháp áp dụng 59

4.2 LIDAR tán xạ đàn hồi 61

4.2.1 Sơ đồ khối 61

4.2.2 Phương trình sử dụng 62

4.3 LIDAR RAMAN 63

4.3.1 Sơ đồ khối 63

4.3.2 Phương trình sử dụng 63

4.4 LIDAR hai chùm tia 65

4.4.1 Sơ đồ khối 65

4.4.2 Phương trình sử dụng 65

4.5 Số liệu thu được 67

4.6 Hệ thống mạng LIDAR ở Châu Âu EARLINET-ASOS 70

KẾT LUẬN 72

KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt

ω : góc xoay máy bay

DEM : mô hình số độ cao

T : nhiệt độ tuyệt đối

δ : hệ số nén động học của vật chất môi trường

ρ : mật độ môi trường

n : chiết suất môi trường

naer : chiết suất của hạt

σ : độ lệch chuẩn của hàm phân bố

P(R) : tín hiệu LIDAR thu được từ hiện tượng tán xạ

0

E : năng lượng phát xung laser

L

η : hằng số LIDAR

O(R) : hàm Overlap

sr : đơn vị của góc khối 1 sr = 1 m2

.1 m-2 = 1 S(R) : biến hiệu chỉnh tín hiệu LIDAR theo khoảng cách

( )

aer

L R : tỉ lệ LIDAR

HSRL : LIDAR quang phố độ phân giải cao

GPS : Hệ thống xác định vị trí bằng vệ tinh nhân tạo

Danh mục bảng biểu và sơ đồ

Sơ đồ 1.1 Một hệ LIDAR đơn giản 15

Sơ đồ 1.2 Thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng bằng xung phản xạ 16

Sơ đồ 1.3 Hoạt động của Hệ thống trắc địa bằng kỹ thuật LIDAR 23

Sơ đồ 1.4 Hệ LIDAR kháo sát thành phần khí quyển 27

Bảng 3.1 Tỉ lệ LIDAR của các loại sol khí khác nhau được đo bằng phương pháp LIDAR Raman ở bước sóng 532 nm 50

Sơ đồ 4.1 Sơ đồ khối hệ LIDAR tán xạ đàn hồi ngược 61

Sơ đồ 4.2 Sơ đồ khối hệ LIDAR Raman 63

Sơ đồ 4.3 Sơ đồ khối hệ LIDAR hai chùm tia 65

Danh mục hình vẽ và biểu đồ

Hình 1.1 Dao động kí âm cực 18

Hình 1.2 Máy phát xung laser 18

Hình 1.3 Thấu kính hội tụ 19

Hình 1.4 Gương phản xạ 19

Hình 1.5 Thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng 20

Hình 1.6 Hệ LIDAR vẽ trắc địa 20

Hình 1.7 Máy bay trắc địa bằng công nghệ LIDAR 22

Hình 1.8 Khảo sát phân bố rừng 26

Hình 1.9 Các dụng cụ trong hệ LIDAR khảo sát khí quyển 28

Hình 1.10 Máy vi tính xử lý và phân tích tín hiệu LIDAR 29

Hình 1.11 Mô hình LIDAR mini 30

Hình 2.1 Hạt sol khí khác nhau trong khí quyển 31

Hình 2.2 Núi lửa Pinatubo phun trào 33

Hình 2.3 Vị trí phân bố các hạt sol khí ở đô thị 35

Hình 3.1 Cường độ ánh sáng tán xạ phụ thuộc vào góc tán xạ trong tán xạ Rayleigh 43

Hình 3.2 Cường độ sáng phụ thuộc vào góc tán xạ trong tán xạ Mie 44

Hình 4.1 Hệ số tán xạ ngược và hệ số suy giảm đo tại Nghĩa Đô, Hà Nội 67

Hình 4.2 Hệ số tán xạ ngược, hệ số suy giảm và tỉ lệ LIDAR đo được ở Ấn Độ dương 67

Hình 4.3 Các thông số của sol khí được đo vào ngày 04/04/1992 68 Hình 4.4 Mật độ sol khí thay đổi theo thời gian 69

PHẦN MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CH ỌN ĐỀ TÀI

Công nghệ Laser được ứng dụng vào các ngành kỹ thuật từ những năm 60

của thế kỷ trước, trong trắc địa được áp dụng để đo khoảng cách bằng các máy đo dài cho độ chính xác tới mức centimeter Cùng với thời gian sự phát triển vượt bậc của công nghệ định vị vệ tinh và công nghệ số, công nghệ Laser đã có những bước đột phá

cả về thiết bị và công nghệ Tới những năm cuối của thế kỷ trước và những năm đầu

của thế kỷ 21, công nghệ LIDAR (Light Detecting and Ranging) hay còn gọi là công nghệ đo vẽ Laser đã phát triển mạnh mẽ và được áp dụng rộng rãi một cách rất hiệu

quả trong công tác khảo sát địa hình, lập bản đồ không gian 3D và nhiều ứng dụng khác

LIDAR bao gồm các phương pháp công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực định vị

vệ tinh, laser và ảnh số được kết hợp với nhau để xác định chính xác bề mặt địa hình

của trái đất và các địa vật trên nó trong một hệ tọa độ không gian thống nhất

Bụi khí quyển còn gọi là Sol khí đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình của khí quyển Mặc dù chỉ có một số thành phần nhỏ của khí quyển là có ảnh hưởng đáng kể vào lượng bức xạ của Trái Đất, tính chất, chất lượng của không khí, mây, mưa và các quá trình hóa học ở tầng bình lưu và tầng đối lưu

Sự xuất hiện, thời gian tồn tại, tính chất vật lý, thành phần hóa học và các đặc điểm phức tạp của các hạt sol khí, cũng như tính chất quang học có liên quan đến khí hậu rất đa dạng ở tầng đối lưu bởi nguồn gốc tự nhiên khác biệt và các quá trình khí tượng Do đó các phép đo theo độ cao để xác định các tính chất vật lý và quang học của hạt như mật độ hạt, khối lượng, kích thước và mức độ suy giảm của

hạt Để quan sát, đo đạc theo độ cao để xác định các thông số trên chỉ có thể được

thực hiện bởi LIDAR

Với những ứng dụng đầy tiềm năng và thực tiễn của phương pháp LIDAR, đồng thời hướng theo yêu cầu phát triển tương lai của khoa Vật Lý trường Đại học

Sư Phạm Tp Hồ Chí Minh trong việc xây dựng một hệ đo LIDAR liên kết với Viện

Vật lý Hà Nội và hợp tác với các trung tâm LIDAR ở Pháp Tôi chọn đề tài

“Nghiên c ứu kỹ thuật LIDAR trong việc phân tích đặc tính của bụi khí quyển”

là một đề tài mới và mong muốn đóng góp vào sự phát triển của hệ đo LIDAR của Khoa Vật Lý trong tương lai

2 M ỤC ĐÍCH

Mục đích chính của đề tài là tìm hiểu kỹ thuật LIDAR, nghiên cứu lý thuyết của phương pháp LIDAR, tìm hiểu một số ứng dụng cụ thể của kỹ thuật LIDAR và nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật LIDAR trong quan sát phân tích đặc tính

của bụi khí quyển

3 ĐỐI TƯỢNG

Nghiên cứu phân tích, tổng hợp từ những tài liệu, bài báo trong và ngoài nước, từ internet về kỹ thuật LIDAR

- Tìm hiểu lý thuyết kỹ thuật LIDAR

- Xây dựng các bước chung cho một số ứng dụng kỹ thuật LIDAR

- Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật LIDAR trong việc quan sát phân tích đặc tính

của bụi khí quyển

- Lập kế hoạch dự kiến xây dựng hệ đo sử dụng kỹ thuật LIDAR

Qua đề tài nghiên cứu giúp chúng ta hiểu về kỹ thuật LIDAR, những ứng

dụng cụ thể và ưu điểm của kỹ thuật Đề tài là bước đầu giúp cho các bạn sinh viên

tiếp tục nghiên cứu và phát triển kỹ thuật LIDAR áp dụng cho hệ đo LIDAR trong tương lai của khoa Vật lý

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

 Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến kỹ thuật LIDAR

Phương pháp nghiên cứu thực tiễn:

 Nguyên tắc hoạt động của bài thực hành đo vận tốc ánh sáng, ứng dụng

ý tưởng trong kỹ thuật LIDAR

 Phân tích một số số liệu LIDAR thu được trong một số tài liệu, bài báo

PHẦN TỔNG QUAN

Trong trường hợp khảo sát khí quyển, một chùm sáng được chiếu vào môi trường khí quyển Các photon trong chùm sáng đó bị tán xạ theo các hướng khác nhau bởi các phân tử và các hạt trong khí quyển Một phần trong số đó bị tán xạ ngược trở lại hệ LIDAR Các photon này được thu bởi một kính thiên văn và được

hội tụ vào trong một bộ tách sóng quang để đo số photon tán xạ như là một hàm của khoảng cách giữa hệ LIDAR và các phần tử tán xạ

Phương pháp LIDAR tán xạ đàn hồi đã được sử dụng rộng rãi để khảo sát thành phần đám mây và các lớp sol khí kể từ đầu những năm 1960 khi Fiocco và Grams lần đầu tiên báo cáo về LIDAR và nguồn gốc sol khí ở tầng bình lưu Nhưng

chỉ trong những năm gần đây thì công nghệ này mới tiến bộ đáng kể khi người ta đã

thực hiện một số nghiên cứu định lượng các thông số, tính chất sol khí khí quyển

bằng phương pháp LIDAR

Dùng hai phương pháp quan trọng nhất để xác định các thông số chính từ quan sát LIDAR và cùng với các phương pháp vật lý khác để thu nhận các tính chất

vật lý của sol khí ở tầng bình lưu và tầng đối lưu

Kỹ thuật tính toán hệ số tán xạ đàn hồi nhờ tín hiệu quay trở lại với đặc điểm đàn hồi và tán xạ ngược trong hệ LIDAR Phương pháp LIDAR tán xạ đàn hồi

có thể xác định tổng số tán xạ trong khí quyển mà không cần tách bạch tín hiệu của

hạt và phân tử bị tán xạ ngược trở lại Hạn chế của phương pháp này là không xác định được thông số đáng tin cậy như mật độ hạt, hệ số suy giảm hạt Hệ số suy giảm được suy ra từ hệ số tán xạ ngược

Phương pháp LIDAR Raman hay LIDAR quang phổ độ phân giải cao (HSRL) có thể xác định trực tiếp hệ số suy giảm Ngoài ra, phương pháp này có thể thu được giá trị của hệ số tán xạ ngược Sol khí được khảo sát bằng LIDAR Raman hay HSRL được xác định bằng hai dòng tín hiệu, gồm tín hiệu của hạt và tín hiệu

của phân tử

Quá trình quét bằng kỹ thuật LIDAR là một kỹ thuật để xác định hệ số suy

giảm theo phương thẳng đứng Yêu cầu cần thiết nhất ở đây là các phép đo theo phương ngang phải có sự đồng nhất về hệ số tán xạ ngược và hệ số suy giảm theo

tất cả các chiều cao đo Phương pháp này ít được sử dụng, nhất là khi quan sát, đo đạc ở lớp biên của tầng đối lưu

Đo đồng thời hệ số suy giảm và hệ số tán xạ ngược tại cùng một bước sóng

từ 300 đến 1100 nm là điều kiện quan trọng nhất để thu được kết quả chính xác của tính chất vật lý và quang học của các hạt ở tầng đối lưu Sol khí ở tầng đối lưu trên các lục địa thường chứa hỗn hợp phức tạp các hạt có nguồn gốc tự nhiên (muối

biển, bụi sa mạc, bụi núi lửa…) và nhân tạo (chủ yếu là Sunfat và muội than) nên các đặc tính riêng biệt vẫn rất khó tìm ra Hơn nữa, do sự thay đổi của nguồn, sự ngưng tụ, trộn lẫn, sự di chuyển và quá trình phân hủy của sol khí nên kích thước

hạt, chính xác là đường kính hạt thay đổi từ một vài nanomet đến vài micromet thường cho thấy một hình dạng phức tạp của hệ sol khí

Chương 1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG KỸ THUẬT

LIDAR

1.1 Nguyên lý hoạt động

Thuật ngữ LIDAR là viết tắt của cụm từ tiếng Anh “Light Detection And Ranging” dùng để chỉ một công nghệ thăm dò từ xa sử dụng bức xạ điện từ Hệ

thống LIDAR chính là một hệ thống laser cơ bản hoạt động trên nguyên tắc tương

tự như một hệ radar hay sóng siêu âm

Sơ đồ 1.1 Một hệ LIDAR đơn giản

Ta có thể giải thích nguyên lý hoạt động của LIDAR như sau: Nguồn Laser phát ra chùm tia định hướng cao về phía mục tiêu (target) và ghi nhận ánh sáng

phản xạ ngược trở lại bằng đầu dò bức xạ quang học đặt sau bộ lọc đơn sắc tín hiệu quang học biến đổi thành tín hiệu điện, sau đó được đưa tới bộ lọc xung, qua bộ

biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC), các tín hiệu số được máy vi tính (MVT) xử lí.[7]

Tùy thuộc vào loại tương tác của tia laser với vật chất trong vùng khảo sát, LIDAR ghi nhận bức xạ tán xạ ngược trở về có thể là tín hiệu tán xạ Rayleigh, Mie, Raman LIDAR thường được phân loại theo phổ tín hiệu mà nó ghi nhận được, ví

ụ LIDAR Raman, LIDAR Rayleigh v.v…

- Một phần ánh sáng của xung phản xạ trên mặt gương G đập vào gương

phản chiếu T2 Tia phản xạ truyền ngược trở lại qua kính bán mạ G và đi vào một diode tiếp nhận ánh sáng Ánh sáng này gây ra một xung điện ghi trên màn hình của dao động kí âm cực

- Một phần ánh sáng của xung truyền khúc xạ qua kính bán mạ G và qua

thấu kính hội tụ L, truyền thẳng đến một gương phản xạ T1, đặt cách xa xung, đập vào và bị phản xạ ngược trở lại, truyền qua thấu kính L xuyên vào kính bán mạ G

và phản xạ đi vào kính diode tiếp nhận, biến thành xung điện thứ hai ghi trên màn hình dao động kí âm cực

Đo khoảng thời gian chênh lệch của hai xung ánh sáng Δt

Đo quãng đường truyền chênh lệch d của ánh sáng ta suy ra vận tốc ánh:

2d C=

-Thước đo khoảng cách

-Dao động kí âm cực để đo thời gian chênh lệch hai xung ánh sáng

Hình 1.1 Dao động kí âm cực

Hình 1.2 Máy phát xung laser

Hình 1.3 Th ấu kính hội tụ

Hình 1.4 Gương phản xạ

Hình 1.5 Hình ảnh thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng

1.3 Vẽ địa hình trắc địa

Hình 1.6 H ệ LIDAR vẽ trắc địa

1.3 1 Tổng quát

Công nghệ LIDAR vẽ trắc địa bao gồm nhiều hệ thống liên kết với nhau

mà quan trọng nhất là sự liên kết giữa hệ thống định vị vệ tinh GPS, hệ thống máy tính và hệ thống máy quán tính (gồm có cả máy quét laser) Hệ thống định vị vệ tinh

để xác định tọa độ không gian của máy quét laser, hệ thống máy tính dùng lưu trữ,

xử lý dữ liệu, còn máy quét laser với việc xác định chính xác thời gian phản xạ của các tia laser từ mặt đất quay trở lại cho phép xác định được khoảng cách từ máy phát laser tới các đối tượng trên mặt đất

i i

C T

D = 2

thể xác định tọa độ các điểm trên mặt đất do tia laser gặp và phản xạ lại trong hệ tọa

1.3.2 Nguyên lý hoạt động

Hình 1.7 Máy bay trắc địa bằng công nghệ LIDAR

Do công nghệ LIDAR được áp dụng phương pháp xung điện nghĩa là các tia laser được quét liên tục với một góc quét tới 700

theo chiều gần như vuông góc

với hướng bay của máy bay với tần suất tới hơn 100.000 tia laser trong 1 giây Do

vậy, tùy theo độ cao bay chụp và tính chất của địa hình mặt đất, tốc độ bay quyết định tới mật độ các điểm phản xạ của tia laser trên một đơn vị diện tích Mật độ có

thể đạt tới 1 triệu điểm/km2

(khoảng cách các điểm từ 0.5m tới 10m).[2]

Sơ đồ 1.3 Hoạt động của Hệ thống trắc địa bằng kỹ thuật LIDAR

G: Điểm GPS mặt đất

A: Anten của GPS trên máy bay

S: máy quét Laser

P: Điểm mặt đất do Laser chạm và phản xạ lại

Từ sơ đồ 1.3 cho thấy hai hệ tọa độ:

Hệ tọa độ GXYZ hệ tọa độ không gian, gọi là T1

Hệ tọa độ Suvt hệ tọa độ máy quét gọi là T2

Như vậy, việc tính chuyển từ hệ T1 sang hệ T2 theo sơ đồ 1.3 ta có:

γ : Góc lệch của máy bay về hai phía, ,

2 2

π π

γ∈ − 

ω : Góc xoay của máy bay, ω∈(0, 2π)

β : Góc nghiêng của máy bay, ,

X0, Y0, Z0 : Tọa độ điểm G (điểm tọa độ GPS mặt đất)

Xa, Ya, Za, Xp, Yp, Zp : Tọa độ Anten A và tọa độ điểm P cần tìm

Từ công thức (1.7) có thể xác định tọa độ điểm P(Xp, Yp, Zp)

Như vậy, trên cơ sở nguyên lý trên sẽ xác định được tập hợp các điểm có

tọa độ cao trên mặt đất, tiến hành phân loại và lọc các dữ liệu Các dữ liệu đó bao

1.4 Khảo sát phân bố rừng

Hình 1.8 Kh ảo sát phân bố rừng

Ý tưởng cơ bản là khá đơn giản: xác định thời gian để một xung laser đi đến đối tượng và trở về lại cảm biến Khoảng cách từ máy đo đến đối tượng được tính bằng cách sử dụng thời gian đi và về, ghi nhận các góc quét, và sau đó các tín

hiệu này được tính toán để phản ánh lại đối tượng đang khảo sát (chiều cao cây, độ dày và độ rộng tán cây, số lượng cây trong khu vực,…) trong không gian 3 chiều

Trong thực tế, để đạt được kết quả chính xác, quá trình thực hiện trở nên

phức tạp hơn Hệ LIDAR được gắn trên một máy bay di chuyển với tốc độ 100-200

dặm/giờ Bên cạnh đó hệ thu nhận hàng trăm ngàn xung LIDAR mỗi giây Tuy nhiên, nhờ công nghệ định vị toàn cầu (GPS) đã giúp cho các phép đo trở nên chính xác hơn, số lượng dữ liệu chụp được tăng lên đáng kể (100.000-130.000 dữ

liệu/giây) Do đó làm tăng độ chính xác của các mô phỏng 3 chiều cấu trúc của các cánh rừng.[4]

1.5 Hệ LIDAR khảo sát bụi khí quyển

Sơ đồ 1.4 Hệ LIDAR khảo sát thành phần khí quyển

1.5.1 Dụng cụ

(1) : Nguồn phát xung laser

(2) : Động cơ xoay có tác dụng định hướng đường ngắm của kính thiên văn

(3) : Kính thiên văn thu tín hiệu Bên trong kính thiên văn có gắn cảm biến

và bộ lọc ánh sáng cung cấp tín hiệu quang

(4) : Bộ tách sóng chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện

(5) : Bộ chuyển đổi kỹ thuật số cung cấp tín hiệu số cần xử lý và phân tích

(6) : Máy vi tính xử lý, phân tích tín hiệu

Hình 1.9 Các d ụng cụ trong hệ LIDAR khảo sát khí quyển

Hình 1.10 Máy vi tính x ử lý và phân tích tín hiệu LIDAR

1.5.2 Nguyên lý h oạt động

Trong trường hợp ứng dụng hệ LIDAR khảo sát bụi khí quyển, một chùm laser (a) được chiếu vào môi trường khí quyển Các photon trong chùm sáng đó bị tán xạ theo các hướng khác nhau bởi các phân tử và các hạt trong khí quyển Một

phần trong số đó (b) bị tán xạ ngược trở lại hệ LIDAR Các photon này được thu

bởi một kính thiên văn và được hội tụ vào trong một bộ tách sóng quang để đo số photon tán xạ như là một hàm của khoảng cách giữa hệ LIDAR và các phần tử tán

xạ

Hình 1.11 Mô hình LIDAR mini

Chương 2 BỤI KHÍ QUYỂN

2.1 Các hạt sol khí trong khí quyển

Sol khí là các phần tử nhỏ lơ lửng trong khí quyển Chúng ta có thể nhận

thấy sự hiện diện của sol khí khi chúng đủ lớn thông qua sự phân tán và hấp thụ tia

bức xạ mặt trời của sol khí Sự phân tán bức xạ mặt trời của sol khí có thể làm giảm

khả năng nhìn và làm ửng đỏ khi mặt trời mọc và lặn Những sol khí này có nhiều nguồn gốc, có thể là nguồn gốc tự nhiên như từ đất, từ muối biển, từ các đám cháy

thực vật hoặc cũng có thể do con người tạo ra từ việc đốt cháy các chất thải, nhiên

liệu than và dầu trong các khu công nghiệp, tạo ra các phần tử sulfat, cacbon đen,

Hình 2.1 H ạt Sol khí khác nhau trong khí quyển

Sol khí tác động trực tiếp và gián tiếp lên trữ lượng bức xạ của Trái Đất và khí hậu Tác động trực tiếp là các sol khí trực tiếp phân tán và hấp thụ các tia xạ bức

xạ mặt trời trong không gian Tác động gián tiếp là khi sol khí ở tầng thấp của khí

quyển có thể làm thay đổi kích cỡ của các phần tử mây, làm thay đổi phản xạ và hấp

thụ bức xạ mặt trời của mây, và như vậy tác động lên trữ lượng năng lượng của Trái Đất

Sol khí cũng có thể gây ra các phản ứng hóa học Đáng kể nhất là phản ứng

có tác động phá hoại ozon ở tầng bình lưu Trong suốt mùa đông ở các khu vực cực, sol khí phát triển hình thành các đám mây bụi ở tầng bình lưu Các phản ứng hóa

học xảy ra ở khu vực tập trung nhiều các phần tử mây bụi Các phản ứng này chủ

yếu là phản ứng Clo và cuối cùng chúng phá hủy ozon ở tầng bình lưu Chứng cứ cho sự phá hủy tầng ozon này là hiện tại đang tồn tại các thay đổi tập trung của ozon trong tầng bình lưu tương tự như đã xảy ra khi có sự phun trào núi lửa lớn,

giống như năm 1991, núi Pinatubo phun trào và hàng tấn sol khí bị đưa vào khí quyển Một lượng lớn SO2, HCl và tro bụi được đưa vào tầng bình lưu của khí quyển Trái đất khi núi lửa phun trào Trong hầu hết các trường hợp HCl ngưng tụ

với hơi nước và theo mưa rơi khỏi đám mây hình thành bởi phun trào núi lửa, còn

SO2 từ đám mây được chuyển đổi thành H2SO4 Axit H2SO4 nhanh chóng ngưng tụ

lại và các phần tử sol khí này sẽ tồn tại trong khí quyển trong một khoảng thời gian Tương tác hóa học lên bề mặt của sol khí có xu hướng tăng mức độ Clo, Clo tương tác với Nito ở tầng bình lưu, đây chính là nguyên nhân chủ yếu trong phá hủy lớp ozon ở tầng bình lưu.[8]

2.2 Các loại sol khí tác động mạnh tới hệ thống khí hậu của Trái đất

2.2.1 Sol khí núi lửa

Sol khí của núi lửa được hình thành ở tầng bình lưu sau các trận phun trào

lớn của núi lửa giống như núi Pinatubo Lớp sol khí chủ yếu hình thành bởi khí

SO2, sau đó chuyển đổi thành giọt axit sulfuric trong tầng bình lưu tồn tại từ một

tuần tới vài tháng sau khi núi lửa phun trào Gió trong tầng bình lưu trải rộng sol khí cho đến khi chúng bao phủ toàn cầu Sau mỗi lần hình thành, các sol khí này tồn tại trong tầng đối lưu khoảng hai năm Chúng phản xạ bức xạ mặt trời, giảm lượng

Đợt lạnh năm 1993 được cho rằng liên quan tới lớp sol khí ở tầng bình lưu được tạo

ra bởi sự phun trào núi lửa Pinatubo Năm 1995, mặc dù sự phun trào núi lửa Pinatubo đã qua được vài năm nhưng lớp này vẫn còn tàn dấu vết trong khí quyển

Số liệu từ các vệ tinh NASA cho các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về tác động của sol khí núi lửa lên khí quyển của chúng ta

Hình 2.2 Núi lửa Pinatubo phun trào

2.2.2 Bụi sa mạc

Loại thứ hai của sol khí có tác động đáng kể lên khí hậu là bụi sa mạc Các

bức tranh từ các vệ tinh khí tượng thường cho thấy màn bụi trên Đại Tây Dương từ các sa mạc ở Bắc Phi Theo như quan trắc bụi rơi khỏi các lớp này tới các vùng khác nhau trên lục địa Châu Mỹ Tương tự như màn bụi của sa mạc trên lục địa Châu Á Vào tháng 9 năm 1994 LIDAR, STS- 64, đã đo được lượng lớn bụi sa mạc trong tầng thấp của khí quyển trên lục địa Châu Phi Các phần tử bụi nhẹ được thổi

từ bề mặt sa mạc có liên quan lớn tới sol khí khí quyển, thông thường chúng rơi

khỏi khí quyển sau khi bay thời gian ngắn nhưng chúng có thể được thổi lên độ cao khoảng 15.000 ft (khoảng 4.500 m) hoặc cao hơn bởi sự cuốn hút mạnh mẽ của các cơn bão cát.[8]

Bụi là vô cơ, do vậy bụi hấp thụ cũng như phân tán tia bức xạ mặt trời Thông qua hấp thụ tia bức xạ mặt trời, các phần tử bụi làm ấm lớp khí quyển nơi chúng cư trú Không khí ấm được cho rằng là nguyên nhân ngăn chặn sự hình thành

của mây Thông qua sự ngăn chặn hình mây, mưa, màn bụi được cho là nguyên nhân mở rộng sa mạc trong tương lai

2.2.3 Sol khí tạo bởi con người

Loại sol khí thứ ba là do các hoạt động của con người Phần lớn sol khí tạo

bởi con người là do khói bụi từ cháy các khu rừng nhiệt đới, đốt than và dầu Sol khí sulfat tạo bởi con người trong khí quyển đang tăng lên nhanh chóng kể từ cuộc cách mạng công nghiệp Với mức độ sản xuất hiện tại, sol khí sulfat phát thải bởi con người được cho rằng quá nhiều so với lượng sol khí sulfat tự nhiên Sol khí tập trung nhiều nhất ở Bắc Bán Cầu nơi trung tâm hoạt động công nghiệp Sol khí sulfat không hấp thụ bức xạ mặt trời nhưng phản xạ chúng, bởi vậy làm giảm lượng bức

xạ mặt trời tới bề mặt Trái Đất Sol khí sulfat tồn tại trong khí quyển khoảng 3 – 5 ngày

Sol khí sulfat vào trong mây làm tăng số lượng hạt trong mây, làm giảm kích thước của hạt Tác động mạng lưới là làm tăng phản xạ bức xạ hơn khi không

có sol khí sulfat Sự ô nhiễm từ các tàu biển làm thay đổi mây thấp ở trên chúng Trong các bức ảnh chụp từ vệ tinh khí tượng ta có thể thấy sự thay đổi trong các

giọt mây, bởi sol khí sulfat từ các tàu, như các vết của lớp mây Thêm vào nữa nó làm mây tăng khả năng phản xạ bức xạ mặt trời Sol khí là nguyên nhân làm ô nhiễm mây, nó làm tăng thời gian tồn tại của mây và phản xạ nhiều hơn bức xạ mặt

trời hơn là mây không bị ô nhiễm

Hình 2.3 Vị trí phân bố các hạt sol khí ở đô thị

2.2.4 Mục đích của nghiên cứu Sol khí của khí quyển

2.2.4.1 Sol khí tác động lên hệ thống khí hậu trái đất

Nhìn chung, sol khí ảnh hưởng tới khí hậu theo hai cách: ảnh hưởng trực

tiếp bởi phân tán và hấp thụ các tia bức xạ đi vào, và ảnh hưởng gián tiếp như nhân

ngưng kết của mây, làm thay đổi tính chất vật lý vi mô của mây, đặc tính bức xạ và

thời gian tồn tại của mây Cả hai hiệu ứng trực tiếp và gián tiếp đều làm giảm lượng

bức xạ mặt trời tới bề mặt Trái đất, làm tăng nhiệt của cột khí quyển Tuy nhiên,

hiệu ứng gián tiếp không chắc chắn như hiệu ứng trực tiếp Giảm bức xạ bề mặt bởi

tác động trực tiếp và gián tiếp của sol khí cũng giống như là hiệu chỉnh lại chu trình

nước thông qua thay thế tích trữ năng lượng bề mặt, làm giảm lượng bốc hơi và như

vậy sẽ làm chậm lại chu trình nước Hơn nữa, sol khí còn tác động đến môi trường

theo nhiều cách khác nữa

Các sol khí gây bất lợi cho sức khỏe của con người và làm giảm tầm nhìn

bởi sự phân tán và hấp thụ bức xạ Sol khí cũng ảnh hưởng tới sự quang hợp và tỉ lệ

hấp thụ cacbon của hệ sinh thái Thêm vào nữa sulfat và nitrat là nguyên nhân cơ

bản gây nên mưa axit, ảnh hưởng lớn bởi các khu công nghiệp lớn trên toàn thế

giới

2.2.4.2 Tác động của Sol khí lên nhiệt độ bề mặt

Nhìn chung cả tác động trực tiếp và gián tiếp đều làm giảm nhận năng

lượng bức xạ tới bề mặt, là nguyên nhân làm lạnh bề mặt Theo nghiên cứu điều tra

chứng minh nhiệt độ quan trắc toàn cầu có xu hướng liên quan tới Sol khí và các khí nhà kính, trong các mô hình khí hậu có tính đến cả sol khí và khí nhà kính đều

mô phỏng tốt hơn là mô phỏng chỉ có sol khí hoặc chỉ có khí nhà kính hoặc không

có cả hai Nhiệt độ hàng ngày giảm trên các khu công nghiệp, có thể cho là ảnh hưởng cục bộ của sol khí Xu hướng lạnh đi đáng kể tìm thấy được ở một vài khu

vực ở Trung Quốc, đáng chú ý là ở vịnh Sichuan, nơi tồn tại lượng lớn sol khí do con người gây ra

2.2.4.3 Tác động của Sol khí lên mây và giáng thủy

Những thay đổi vật lí vĩ mô của mây như độ bao phủ, cấu trúc, độ cao và

những thay đổi vật lý vi mô như kích thước hạt, pha mây có tác động lớn tới khí

hậu Trong khi trên thực tế nhiều nghiên cứu cho thấy sol khí tác động không nhỏ đến việc làm thay đổi các quá trình vi vật lý mây Quan hệ giữa các phần tử sol khí

và mây khá phức tạp và là một mối quan hệ phi tuyến Kích thước và thành phần hoá học của sol khí (sulfat, nitrat, bụi, cacbon hữu cơ và cacbon vô cơ) đóng vai trò

rất quan trọng trong việc kích hoạt và lớn lên của các hạt mây [8]

Sol khí tác động tới độ phản xạ của mây và thời gian tồn tại của mây thôngqua quá trình phân bổ của thành phần nước lỏng trong mây (có thể là mây lỏng,mây băng hay là mây có sự hoà trộn giữa pha lỏng và pha băng)

- Số sol khí càng nhiềusố hạt mây tăngsẽ có nhiều hơn các hạt mây

đểphản xạ lại bức xạ mặt trờiđộ phản xạ của mây tăng

- Số sol khí càng nhiềusố hạt mây tăngkích thước hạt mây nhỏ đilàm giảm sự hình thành giáng thủydẫn đến kéo dài thời gian tồn tại của mây

Tác động bán trực tiếp cho thấy sự hấp thụ bức xạ mặt trời và phản xạ lại