Nghiên cứu phân bố khí ozone trong khí quyển tầng thấp với độ phân giải cao trên cơ sở phát triển và ứng dụng phương pháp LIDAR hấp thụ vi sai

Lời cảm ơn Trong quá trình thực hiện luận án “Nghiên cứu phân bố ozone trong khí quyển tầng thấp với độ phân giải cao trên cơ sở phát triển và ứng dụng phương pháp LIDAR hấp thụ vi sai”,

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

Phạm Minh Tiến

NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ KHÍ OZONE TRONG

KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP VỚI ĐỘ PHÂN GIẢI CAO TRÊN CƠ SỞ PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG

PHƯƠNG PHÁP LIDAR HẤP THỤ VI SAI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH QUANG HỌC

Hà Nội – 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

Phạm Minh Tiến

NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ KHÍ OZONE TRONG

KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP VỚI ĐỘ PHÂN GIẢI CAO TRÊN CƠ SỞ PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG

PHƯƠNG PHÁP LIDAR HẤP THỤ VI SAI

Chuyên ngành: Quang học

Mã số:     9 44 01 09

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH QUANG HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Đinh Văn Trung

Hà Nội – 2017

Tôi xin cam đoan luận án này do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Đinh Văn Trung Các dẫn giải, phân tích, số liệu, nội dung nghiên cứu đã có của các tác giả có liên quan đến luận án đều có nguồn gốc rõ ràng, được chỉ rõ trong phần Tài liệu tham khảo Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực, chưa được công bố trong các công trình khác

Nghiên cứu sinh

Phạm Minh Tiến

Lời cảm ơn

Trong quá trình thực hiện luận án “Nghiên cứu phân bố ozone trong khí quyển tầng thấp với độ phân giải cao trên cơ sở phát triển và ứng dụng phương pháp LIDAR hấp thụ vi sai”, tôi đã nhận được sự hướng dẫn và truyền đạt kiến thức rất tận tình của các thầy, cô, giảng viên của Viện Vật lý (Viện Hàn lâm KHCNVN) Tôi cũng đã nhận được sự hỗ trợ, tạo điều kiện, sự giúp đỡ quý báu từ Ban Lãnh đạo viện Hàn lâm KHCNVN, Ban Lãnh đạo Viện Vật lý, Phòng Đào tạo Sau Đại học (Viện Vật lý), Ban Lãnh đạo và đồng nghiệp Viện Vật lý Thành phố Hồ Chí Minh Tôi xin bày

tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Đinh Văn Trung, thầy giáo hướng dẫn khoa học trực tiếp cho tôi hoàn thành luận án này

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Đỗ Quang Hòa, TS Bùi Văn Hải, TS Nguyễn Xuân Tuấn, ThS Dương Tiến Thọ, NCS Trần Ngọc Hưng và rất nhiều đồng nghiệp khác trong Viện Vật lý đã cộng tác, giúp đỡ, chia sẻ trong công việc nghiên cứu

Tôi cũng xin cảm ơn những ý kiến đóng góp quý báu, các ý kiến phản biện của các thành viên trong hội đồng chấm luận án cấp cơ sở và hai phản biện kín để bản luận án được hoàn thiện hơn

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn bạn bè, gia đình và đặc biệt là GS.TS Nguyễn Đại Hưng đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án này

Tác giả luận án

NCS Phạm Minh Tiến

Lời cam đoan

Lời cảm ơn

Mục lục

Danh mục chữ cái viết tắt i

Danh mục ký hiệu ii

Danh mục bảng vi

Danh mục hình, đồ thị vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 6

1.1 Ozone trong khí quyền tầng thấp 6

1.1.1 Nguồn gốc và phân bố 6

1.1.2 Tiết diện hấp thụ của ozone 11

1.1.3 Vai trò và tác động của ozone 12

1.2 Đo đạc, quan trắc ozone trong khí quyển 13

1.2.1 Khái quát chung 13

1.2.2 Nguyên lý phương pháp đo ozone trong khí quyền 15

1.2.2.1 Đo tổng lượng cột ozone 16

1.2.2.2 Đo phân bố mật độ ozone theo phương thẳng đứng 19

1.3 Nguyên lý đo đạc phân bố ozone trong khí quyển tầng thấp dùng kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai 24

1.3.1 Cơ sở vật lý của kỹ thuật LIDAR và LIDAR hấp thụ vi sai 24

1.3.2 Hệ LIDAR và phương trình LIDAR 27

1.3.3 Kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai 34

1.3.4 Lựa chọn bước sóng cho LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone 37

1.3.5 Đo phân bố ozone dùng kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai trong khí quyển tầng thấp 39

1.3.6 Tính toán phân bố nồng độ ozone theo độ cao 45

1.3.7 Độ chính xác của phép đo ozone dùng LIDAR hấp thụ vi sai 49

Kết luận Chương 1 51

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ LIDAR HẤP THỤ VI SAI ĐO

2.1 Thiết kế hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone 53

2.1.1 Sơ đồ khối hệ LIDAR hấp thụ vi sai 53

2.1.2 Khối phát quang học 54

2.1.3 Khối thu quang học 55

2.1.4 Khối thu quang điện tử 56

2.1.5 Phần mềm xử lý, tính toán 56

2.2 Lựa chọn cặp bước sóng phát 56

2.3 Mô phỏng tín hiệu LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone 58

2.4 Kết quả mô phỏng và thảo luận 61

Kết luận Chương 2 67

CHƯƠNG 3 PHÁT TRIỂN MỘT HỆ LIDAR HẤP THỤ VI SAI ĐỂ ĐO ĐẠC PHÂN BỐ OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP 68

3.1 Cấu hình hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone 68

3.2 Xây dựng hệ laser màu phản hồi phân bố 69

3.2.1 Bộ dao động phát 71

3.2.2 Hệ quang học bơm 72

3.2.3 Bộ khuếch đại quang 73

3.2.4 Môi trường hoạt chất 73

3.2.5 Bơm luân chuyển chất màu 73

3.3 Xây dựng bộ phát hệ LIDAR hấp thụ vi sai và đo đạc đánh giá 74

3.4 Chế tạo hệ telescope tử ngoại và khối quang học thu 79

3.4.1 Chế tạo telescope 79

3.4.2 Chế tạo hệ mài phôi kính quang học 79

3.4.3 Khối quang học thu 82

3.5 Phát triển khối điện tử thu 84

3.6 Xây dựng phần mềm thu ghi, xử lý tín hiệu 85

3.7 Đo đạc đánh giá hệ LIDAR hấp thụ vi sai 86

Kết luận Chương 3 90

CHƯƠNG 4 ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM PHÂN BỐ OZONE TRONG LỚP KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP 92

4.1 Xử lý số liệu 92

4.2 Tính toán phân bố nồng độ ozone theo độ cao 92

4.4 Phân tích sai số, đánh giá kết quả đo đạc 96

Kết luận Chương 4 99

KẾT LUẬN CHUNG 100

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 102

TÀI LIỆU THAM KHẢO 103

Danh mục chữ cái viết tắt

abs – absorption (hấp thụ)

aer – aerosols (son khí)

DFDL – Distributed Feedback Dye Laser (laser màu phản hồi phân bố) DIAL – Differential-Absorption LIDAR (lidar hấp thụ vi sai)

FWHM – Full Width at Half Maximum (độ bán rộng)

LIDAR – Light Detection And Ranging

mol – molecular (phân tử)

OMI – Ozone Monitoring Instrument (thiết bị quan trắc ozone)

PMT – PhotoMultiplier Tube (ống nhân quang điện)

RMS – Root Mean Square (bình phương trung bình)

RS – Remote Sensing (viễn thám)

STP – Standard Temperature and Pressure (nhiệt độ và áp suất chuẩn)

A – diện tích của bộ thu quang học

A s – tiết diện tán xạ của tất cả các phần tử trong thể tích V

A L – tiết diện tia laser

I c – cường độ được tán xạ được telescope thu nhận

I s – tổng cường độ được tán xạ vào góc khối 4

I o – cường độ bức xạ phát

I0λ – cường độ bức xạ mặt trời ở ngoài khí quyển tại bước sóng λ

Iλ – cường độ bức xạ mặt trời đến bề mặt trái đất tại bước sóng λ

K – hằng số hệ thống

L – độ dài quang học của Quang kế UV

L1, L2, L3 – thấu kính

M1, … M12 – gương, đường kính 1 inch

N – số phân tử ozone trong buồng phản ứng của đầu dò ozone

N λ – số xung laser (laser shots) ở bước sóng λ

O(R) – hàm chồng chập giữa chùm tia laser và trường nhìn thấy của bộ thu

P(R,) – cường độ tín hiệu được thu nhận từ độ cao R

P b (λ,R) – cường độ tín hiệu bức xạ nền

𝑃 – công suất laser trung bình

P on (R) – cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on

P off (R) – cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng off

P 0 – cường độ trung bình của đơn xung laser

P1, P2, P3 – lăng kính

R – độ cao tán xạ ngược của bức xạ laser

R S – độ cao khởi đầu trong tính toán vòng lặp son khí

Rm1, Rm2 – bản chia chùm

Q – điện tích

S – tỷ số LIDAR

S/N – tỷ số tín hiệu trên nhiễu

T – nhiệt độ tuyệt đối

T(R,λ) – hệ số truyền, diễn tả ánh sáng bị suy hao trên đường từ hệ LIDAR tới độ cao

R và quay trở ngược lại

T a – thời gian thu ghi

Vrc – thể tích của buồng phản ứng

V – thể tích được tia laser chiếu rọi cho ánh sáng tán xạ

Xi – tổng lượng cột của thành phần khí quyển thứ i

X – tổng lượng cột ozone trong khí quyển (ở STP);

X’ – tổng lượng cột dioxít sunphua trong khí quyển (ở STP)

f rep – tần số lặp lại của xung laser

fSample – tần số lấy mẫu

i – dòng điện đo được qua buồng phản ứng của đầu dò ozone

j – thứ tự bước lặp ozone

k – hằng số Boltzman

l – thứ tự bước lặp son khí

m – bậc nhiễu xạ Bragg

n – chiết suất môi trường hoạt chất,

nP – chiết suất của vật liệu lăng kính

’λ – hệ số hấp thụ của dioxít sunphua ở bước sóng λ

𝛼 , 𝑅, 𝜆 – hệ số suy hao do phân tử khí tán xạ

𝛼 , 𝑅, 𝜆 – hệ số suy hao do phân tử khí hấp thụ

𝛼 , 𝑅, 𝜆 – hệ số suy hao do son khí tán xạ

𝛼 , 𝑅, 𝜆 – hệ số suy hao do son khí hấp thụ

𝛼 𝑅, 𝜆 – hệ số suy hao do khí nhiễu

λi – các hệ số suy hao của các thành phần khí quyển làm suy giảm bức xạ

β(R,λ) – hệ số tán xạ ngược ở độ cao R, đại diện cho khả năng khí quyển cho tán xạ

ánh sáng ngược lại hướng mà nó lan truyền tới

βR(R) – hệ số tán xạ ngược Raman

𝛽 𝑅, 𝜆 – hệ số tán xạ ngược bởi các phân tử không khí

𝛽 𝑅, 𝜆 – hệ số tán xạ ngược bởi son khí

λ – hệ số tán xạ phân tử Rayleigh của không khí ở bước sóng λ

𝛾 – hệ số thực nghiệm giữa hệ số tán xạ ngược do son khí và do phân tử khí

δλ – hệ số tán xạ của các hạt son khí ở bước sóng λ

𝛿𝑁 𝑅 – số hạng hiệu chỉnh do tán xạ ngược

𝛿𝑁 𝑅 – số hạng hiệu chỉnh do suy hao

𝜀 𝑅 – sai số thống kê của nồng độ ozone

1 – sai số thống kê do nhiễu nền và nhiễu tín hiệu

2 – sai số do suy hao và tán xạ ngược của các thành phần khác (như NO2, SO2, son khí)



4 – sai số có nguồn gốc từ thiết bị và hệ điện tử

𝜁 – hiệu suất của hệ LIDAR

λP – bước sóng laser bơm

λR – bước sóng dịch chuyển Raman

 – tỉ số giữa đường đi của tia sáng xiên qua lớp ozone với độ dày của lớp ozone;

’ – tỉ số giữa đường đi của tia sáng xiên qua lớp dioxít sunphua với độ dày của lớp dioxít sunphua

µa – tỉ số giữa đường đi của tia sáng đi xiên qua toàn bộ khí quyển với bề dày của toàn bộ khí quyển

i – tỉ số giữa quãng đường tia sáng chiếu xiên qua lớp khí quyển có thành phần Xi

với độ dày của lớp này

𝜉 – số điều kiện vòng lặp son khí

𝜉 – số điều kiện vòng lặp ozone

𝜎, 𝜋, 𝜆 – tiết diện tán xạ của phần tử j theo phương ngược lại ở bước sóng λ

𝜎 𝜆 – tiết diện tán xạ đẳng hướng

𝜎 𝜆 – tiết diện hấp thụ

𝜎, 𝜆 – tiết diện suy hao cho mỗi loại phần tử tán xạ j tại bước sóng 

𝜎 𝜆 – tiết diện suy hao bởi khí nhiễu tại bước sóng 

𝜎 𝜆 – tiết diện tán xạ ngược Rayleigh phân tử cho các khí trong khí quyển

𝜎 𝜆 – tiết diện tán xạ Rayleigh toàn phần

τ – độ dài thời gian của xung laser

φ – góc chùm bơm tới bề mặt môi trường hoạt chất

Danh mục bảng

Bảng 1.1 Tóm lược các đơn vị đo ozone 15

Bảng 1.2 Tương tác quang học liên quan đến cảm biến dùng laser 25

Bảng 1.3 Các cặp bước sóng thường dùng cho đo đạc LIDAR hấp thụ vi sai loại bỏ ảnh hưởng của SO2 39

Bảng 1.4 Các sai số chưa tính của phép đo phân bố ozone sau hiệu chỉnh 50

Bảng 2.1 Các thông số sử dụng trong tính toán mô phỏng 60

Bảng 3.1 Cấu hình và đặc trưng kỹ thuật linh kiện hệ DFDL 70

Bảng 3.2 Năng lượng bức xạ laser phát 78

Bảng 3.3 Các thông số đặc trưng hệ LIDAR hấp thụ vi sai 88

Bảng 4.1 Tổng hợp các sai số trong đo đạc ozone 98

Danh mục hình

Hình 1.1 Cấu hình phân tử ozone 6

Hình 1.2 Phân bố ozone trong khí quyển 7

Hình 1.3 Minh họa sự hình thành và phân hủy ozone trong tầng đối lưu 9

Hình 1.4 Nồng độ ozone bề mặt trung bình các năm 2013-2015 thay đổi trong ngày tại Trung Quốc 9

Hình 1.5 Nồng độ ozone thay đổi theo ngày trong tháng đo tại trạm SRVx (Chesapeake Bay – Mỹ) 10

Hình 1.6 Nồng độ ozone bề mặt trung bình các năm 2013-2015 thay đổi theo tháng trong năm tại Trung Quốc 10

Hình 1.7 Tiết diện hấp thụ và các dải hấp thụ của ozone 12

Hình 1.8 Đo ozone trong khí quyển 14

Hình 1.9 Minh họa tiến trình phát triển đo đạc quan trắc ozone 14

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý Quang kế UV đo mật độ ozone bề mặt 16

Hình 1.11 Sơ đồ các bộ phận chính của Quang phổ kế Dobson 16

Hình 1.12 Đường đi của ánh sáng tới quang phổ kế 17

Hình 1.13 Đường Umkehr quan trắc tại hai bước sóng 311,4 nm và 332,4 nm 22

Hình 1.14 Sơ đồ tia bức xạ mặt trời đi qua lớp ozone ở độ cao h trong khí quyển và tán xạ đến thiết bị đo 22

Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật LIDAR 24

Hình 1.16 Tương tác quang học khi dùng cảm biến laser 26

Hình 1.17 Các thành phần phần chủ yếu của một hệ lidar 28

Hình 1.18 Các cấu hình telescope (a) Newtonian, (b) Gregorian, (c) Cassegrainian 29

Hình 1.19 Minh họa hình học LIDAR 30

Hình 1.20 Ảnh hưởng của hàm chồng chập lên động học tín hiệu 31

Hình 1.21 Sơ đồ nguyên lý một hệ DIAL quan trắc khí ô nhiễm 35

Hình 1.22 Tiết diện hấp thụ tử ngoại của SO2 và ozone 38

Hình 1.23 Hệ DIAL đo phân bố ozone tại Bucharest – Rumani 40

Hình 1.24 Hệ DIAL đo ozone tại Viện KH và CN Gwangju 41 Hình 1.25 Tiết diện hấp thụ của ozone trong vùng phổ UV Bước sóng on

Hình 1.26 Sơ đồ khối bộ phát (a) và bộ thu (b) của hệ DIAL dùng laser màu

phát ở hai bước sóng λon=285 nm và λoff=291 nm 43

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ LIDAR hấp thụ vi sai 53

Hình 2.2 Cặp bước sóng được lựa chọn cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai 58

Hình 2.3 Mô phỏng tín hiệu LIDAR thu ghi ở bước sóng on 282,9 nm, bước sóng off 286,4 nm và mật độ phân tử khí quyển theo độ cao 62

Hình 2.4 Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi cường độ laser phát 63

Hình 2.5 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi cường độ laser phát 63

Hình 2.6 Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi thời gian đếm photon 64

Hình 2.7 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi thời gian đếm photon 64

Hình 2.8 Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm với năng lượng xung phát 50 J/xung và ở bước sóng off 286,4 nm – 30 J/xung 65

Hình 2.9 Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm với năng lượng xung phát 30 J/xung và ở bước sóng off 286,4 nm – 50 J/xung 65

Hình 2.10 Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm trong 2 trường hợp đường kính telescope 40 và 60 cm 66

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý hệ DIAL đo phân bố ozone khí quyển tầng thấp dùng nguồn phát là các laser màu phản hồi phân bố 69

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý hệ laser màu phản hồi phân bố 70

Hình 3.3 Sơ đồ bộ dao động phát của laser màu phản hồi phân bố 71

Hình 3.4 Các bơm lưu thông bơm chất màu 74

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý bộ phát của hệ DIAL 75

Hình 3.6 Khối phát của hệ DIAL dùng nguồn phát là laser DFDL 75

Hình 3.7 Phổ Bức xạ laser màu DFDL và bức xạ on 282,9 nm 76

Hình 3.8 Phổ Bức xạ laser màu DFDL và bức xạ off 286,4 nm 76

Hình 3.9 Vết hai laser tử ngoại cách nguồn phát 2m 77

Hình 3.10 Thăng giáng cường độ bức xạ laser ở bước sóng 282,9 nm 78

Hình 3.11 Thăng giáng cường độ bức xạ laser ở bước sóng 286,4 nm 79

Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý hệ Telescope đường kính 40 cm 80

Hình 3.13 Hệ Telescope đường kính 40 cm 80

Hình 3.14 Gương cầu và giá đỡ tinh chỉnh 80

Hình 3.15 Gương phẳng và giá treo 80

Hình 3.16 Mặt cắt ngang hệ mài phôi kính tự động 81

Hình 3.17 Mặt cắt đứng hệ mài phôi kính tự động 81

Hình 3.18 Mài gương cầu cho hệ DIAL hoạt động trong vùng tử ngoại 82

Hình 3.19 Gương cầu đường kính 40 cm mạ nhôm được lắp trong hệ Telescope 82

Hình 3.20 Đặc trưng phổ truyền qua của phin lọc FF01-292/27 83

Hình 3.21 Khối thu của hệ DIAL đo ozone gồm Telescope, PMT, bộ khuếch đại tín hiệu, dao động ký số Picoscope và máy tính 83

Hình 3.22 Sơ đồ khối điện tử thu trong chế độ đếm photon 84

Hình 3.23 Mạch khuếch đại băng rộng 85

Hình 3.24 Giao diện phần mềm thu nhận tín hiệu hệ LIDAR DIAL hoạt động trong vùng bước sóng tử ngoại 86

Hình 3.25 Bố trí hệ DIAL để đo đạc thử nghiệm phân bố ozone 87

Hình 3.26 Sơ đồ khối hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone 87

Hình 3.27 Tín hiệu LIDAR tử ngoại được ghi nhận đến độ cao trên 4 km ở bước sóng on 282,9 nm và off 286,4 nm (ngày đo đạc 22/01/2017) 90

Hình 4.1 Giản đồ thuật toán tính phân bố nồng độ ozone 94

Hình 4.2 Phân bố mật độ ozone đo đạc vào tháng 01/2017 tại Hà Nội 95

Hình 4.3 Đánh giá sai số thống kê của hệ DIAL với thời gian đo tích hợp 10 phút và độ phân giải không gian 480 m 96

Hình 4.4 Mật độ ozone trung bình / tháng tại khu vực Hà Nội trong tháng 1 của các năm 2013, 2014, 2015 và 2016 (số liệu vệ tinh Aura – NASA) và số liệu đo từ hệ LIDAR hấp thụ vi sai vào các ngày trong tháng 1/2017 tại Hà Nội 99

MỞ ĐẦU

Thời tiết và chất lượng không khí có tác động hết sức lớn đến kinh tế, hệ sinh thái và sự sống Do sự nóng lên toàn cầu hiện nay, thời tiết có nhiều biến đổi bất thường theo hướng không có lợi ở nhiều nơi trên Trái đất Chất lượng không khí cũng suy giảm do không khí bị ô nhiễm bởi khí thải mà chúng có nguồn gốc từ những hoạt động của con người Để có những hiểu biết tốt hơn sự gia tăng nhiệt độ trên toàn cầu, thời tiết, cũng như chất lượng không khí, chúng ta phải hướng mối quan tâm của mình đến bầu khí quyển bao quanh trái đất

Khí quyển của Trái đất là một hỗn hợp gồm nitơ (N2), oxy (O2) và son khí Nhiều loại khí khác cũng có trong khí quyển như argon, carbon dioxit (CO2), ozone (O3) [1] Một sự cân bằng hết sức tinh tế giữa các thành phần khí trong khí quyển là cần thiết để bầu không khí bao quanh Trái đất tiếp tục hỗ trợ cho cuộc sống Ozone

là khí được quan tâm đặc biệt trong thành phần khí quyển vì sự có mặt, phân bố, tính chất của nó tác động lớn đến cuộc sống ở hành tinh chúng ta

Ozone thường được thấy trong bầu khí quyển Trái đất ở tầng đối lưu (troposphere) và tầng bình lưu (stratosphere) Với nồng độ cao hơn ở tầng bình lưu (có độ cao trải từ 10 tới 50 km), các phân tử ozone được hình thành và phá hủy qua các quá trình quang hóa tự nhiên, góp phần vô cùng quan trọng vào việc bảo vệ trái đất bằng cách hấp thụ hầu hết các bức xạ tử ngoại nguy hiểm từ Mặt trời trong dải bước sóng từ 200 đến 300 nm Tầng đối lưu nằm trong vùng từ mặt đất lên độ cao khoảng 10 km, ozone được tạo ra qua các phản ứng quang hóa của các chất có nguồn gốc từ khí thải là oxide nitơ (NOx) và các chất hữu cơ dễ bay hơi Trong điều kiện bức xạ mặt trời mạnh (buổi trưa hay đầu giờ chiều) lượng khí ozone sẽ được tạo ra nhiều, làm tăng mật độ khí ozone ở lớp khí quyển gần mặt đất lên mức có thể gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người Dù chỉ chiếm thành phần nhỏ (cỡ vài chục phần

tỷ - ppb), nhưng khí ozone là thành phần đóng góp quan trọng vào khói bụi ô nhiễm (photochemical smog) làm giảm chất lượng không khí, đặc biệt là trong các đô thị lớn, các khu công nghiệp, là một trong những tác nhân chính ảnh hưởng đến sức khỏe con người, sự sống của các sinh vật, và đóng góp vào hiệu ứng nhà kính, gây nên sự nóng lên toàn cầu Sự có mặt vượt ngưỡng cho phép của ozone sẽ gây nên các bệnh

lý như đau ngực, ho, nôn ói, viêm họng, sung huyết, viêm cuống phổi, rối loạn tim,

hen suyễn, v.v… Do vậy, thông tin về nồng độ, sự phân bố của ozone trong khí quyển

là hết sức cần thiết, nhất là lớp khí quyển bao quanh mặt đất [2]

Nồng độ ozone trong khí quyển đã được nghiên cứu từ năm 1920 [2] Các kỹ thuật và phương pháp đang được sử dụng hiện nay để xác định nồng độ và phân bố ozone theo độ cao là bóng thám không với đầu dò ozone là tế bào điện hóa (electrochemical concentration cell), máy bay, quang phổ kế đặt trên mặt đất hay vệ tinh và LIDAR (Light Detection And Ranging) Mỗi kỹ thuật và phương pháp triển khai đo phân bố nồng độ ozone đều có những điểm mạnh, điểm yếu riêng, bổ sung cho nhau và đáp ứng các nhu cầu đo đạc khác nhau

LIDAR là kỹ thuật đo đạc từ xa sử dụng bức xạ laser để quan trắc các đặc trưng vật lý của khí quyển theo không gian và thời gian Hiện nay LIDAR đã trở thành một công cụ không thể thiếu để nghiên cứu vật lý và hóa học của khí quyển (đến độ cao 100 km), hay quan trắc môi trường như xác định mật độ của bụi, son khí (aerosol), ozone hay các loại khí thải độc hại gây ô nhiễm như thuỷ ngân, SO2, NO2, benzene… LIDAR là kỹ thuật có khả năng bổ sung yêu cầu khảo sát nồng độ ozone với độ phân giải cao hơn về thời gian (từ 1 phút tới vài giờ) và không gian (tới vài mét), theo dõi biến đổi của nồng độ ozone trong khoảng thời gian ngắn, quan sát phân bố ozone trong khoảng thời gian dài hơn, đồng thời cho phép đo đạc ozone trong điều kiện cả ban ngày và lẫn ban đêm [3] Để xác định phân bố của ozone, kỹ thuật thông thường được sử dụng là LIDAR hấp thụ vi sai (Differential Absorption Lidar – DIAL) [3]

Về tình hình quan trắc ozone ở nước ta, trong báo cáo của Trung tâm Quan trắc Môi trường thuộc Tổng cục Môi trường (5/2012), trên lãnh thổ Việt Nam có khoảng 20 trạm khí tượng cao không dùng bóng thám không để quan trắc các số liệu khí quyển nhưng không có số liệu ozone trong bảng thống kê hàng năm KS Hoàng Thị Thúy Hà – Trưởng phòng Quản lý Mạng lưới Đài Khí tượng Cao không cho biết, các số liệu ozone khí quyển chỉ được quan trắc tại 1 địa điểm là Đài Khí tượng Cao Không (Láng - Hà Nội), dùng đầu dò ozone trên các bóng thám không từ năm 2004 trong hai dự án hợp tác với Nhật và NASA, đến nay đều đã kết thúc Phương pháp

đo này cho phép đo nồng độ ozone đến độ cao 30 km, độ phân giải tối đa khoảng 15

m [4] Tuy nhiên, các số liệu đo đạc không thể thực hiện thường xuyên theo thời gian

mà chỉ thực hiện 1 lần (hoặc tối đa là 2 lần) trong một tháng do chi phí thực hiện khá cao, trên 1000 đô la Mỹ cho một lần đo đạc ozone

Tại Việt Nam, vật lý, công nghệ và ứng dụng của LIDAR bắt đầu được quan tâm và có yêu cầu lớn để phát triển Kỹ thuật LIDAR bước đầu được triển khai ứng dụng qua các thiết bị của nước ngoài như thiết bị LIDAR dùng để bay quét độ cao trong dự án “Xây dựng mô hình số độ cao để giám sát biến đổi khí hậu, nước biển dâng” của Cục Đo đạc và Bản đồ - Bộ Tài nguyên và Môi trường; Chương trình AERONET hợp tác giữa NASA và Viện Vật lý Địa cầu – Viện HLKHCNVN dùng LIDAR để thu thập các dữ liệu khói bụi, khí thải vào môi trường không khí cũng nhằm để tăng cường hiểu biết về khí hậu và biến đổi khí hậu Một số trường Đại học, Viện nghiên cứu cũng hết sức quan tâm đến phát triển hệ thống LIDAR như Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; Viện Điện tử - Trung tâm KHKT & CNQS, Bộ Quốc Phòng, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trong số đó, Viện Vật lý là đơn vị đi đầu và hỗ trợ các đơn vị khác trong nghiên cứu triển khai các hệ thống LIDAR Viện Vật lý đã có nhiều công nghệ nền thuận lợi để phát triển các hệ LIDAR và Viện cũng đã xây dựng và phát triển thành công nhiều hệ thống LIDAR hoạt động trong vùng khả kiến và hồng ngoại

có khả năng xác định được các thông số đặc trưng của son khí khí quyển tới độ cao

10 km (trong chế độ đo tương tự) và 30 km (trong chế độ đếm photon), phân bố N2

trong khí quyển tới độ cao 5km [73,81] Trước nhu cầu phải ứng phó với biến đổi khí hậu, tình trạng ô nhiễm khói bụi làm giảm chất lượng không khí đặc biệt tại các thành phố lớn, nơi tập trung các khu công nghiệp, việc xây dựng hệ đo phân bố ozone trong khí quyển dùng kỹ thuật DIAL trở nên một thách thức mới do hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo đạc ozone hoạt động trong miền tử ngoại của dải bức xạ điện từ và đòi hỏi độ chính xác cao phục vụ phép đo vi sai nên các linh kiện quang học và quang điện tử sẽ phức tạp và đòi hỏi có độ bền, độ chính xác cao hơn rất nhiều so với các linh kiện sử dụng trong các hệ LIDAR thông thường Ngoài ra phần mềm phân tích

và xử lý tín hiệu cũng phải sử dụng những thuật toán riêng và phức tạp phục vụ phép

đo hấp thụ vi sai

Xuất phát từ những lý do, tính cấp thiết, nhu cầu thực tế và tính khả thi được trình bày ở trên, mục tiêu của luận án được đặt ra là phát triển kỹ thuật LIDAR hấp

…, đóng góp tích cực trong công tác dự báo khí tượng, đối phó với biến đổi khí hậu, bảo vệ sức khỏe con người và xây dựng quy hoạch phát triển trong tương lai

Nội dung chính của luận án là phát triển 01 hệ thống LIDAR hấp thụ vi sai đo đạc ở hai bước sóng tử ngoại ở 282,9 nm và 286,4 nm Hệ sẽ thu ghi và xử lý các tín hiệu LIDAR tán xạ ngược đàn hồi, qua đó tính toán xác định phân bố mật độ của ozone theo độ cao trong lớp khí quyển tầng thấp Hệ bao gồm các cấu phần chính sau:

+ Phần phát tín hiệu laser quang học vào khí quyển

+ Phần thu tín hiệu LIDAR tán xạ ngược đàn hồi ở hai bước sóng trên

+ Phần điện tử đếm đơn photon, chương trình xử lý tín hiệu và tính toán phân

bố ozone

Điểm mới của luận án:

 Lần đầu tiên phát triển nguồn phát UV cho một hệ DIAL là các bức xạ nhân tần của hai laser màu phản hồi phân bố

 Phát triển hệ thu DIAL với một hệ Telescope tự nghiên cứu chế tạo trong nước đường kính lớn tới 40 cm

 Phát triển phần mềm xử lý tín hiệu vi sai và tính toán phân bố ozone khí quyển cho hệ DIAL tử ngoại được phát triển lần đầu trong nước

Trên cơ sở các nghiên cứu lý thuyết, sự phát triển của kỹ thuật LIDAR trên thế giới cũng như trong nước và kết quả luận án thực hiện được, kết cấu của luận án

sẽ được trình bày trong 4 chương như sau:

Chương 1: giới thiệu tổng quan về ozone trong lớp khí quyển tầng thấp bao quanh bề mặt trái đất, các kỹ thuật quan trắc ozone khí quyển trong đó có kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai và sự phát triển kỹ thuật này trong đo đạc phân bố ozone khí quyển

Chương 2: trình bày các nghiên cứu thiết kế, lựa chọn bước sóng, lựa chọn nguồn phát và tính toán mô phỏng hệ LIDAR hấp thụ vi sai hoạt động trong vùng bước sóng tử ngoại

Chương 3: trình bày các nghiên cứu phát triển hệ LIDAR hấp thụ vi sai Sau khi cân chỉnh và vận hành, hệ đã thu ghi thành công tín hiệu LIDAR tử ngoại

Chương 4: trình bày các kết quả hoạt động và đo đạc của hệ LIDAR hấp thụ

vi sai tử ngoại để đo đạc thử nghiệm phân bố ozone tại Hà Nội và đánh giá sai số của kết quả

Nội dung của bản luận án được hỗ trợ phần lớn tài chính từ đề tài nghiên cứu khoa học mã số VAST01.08/13-14 thuộc Hướng KHCN ưu tiên: Công nghệ thông tin, điện tử, tự động hóa và công nghệ vũ trụ (Mã số hướng: VAST01) của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

Chương 1 của luận án bao gồm 3 phần Nội dung phần một trình bày khái quát

về khí ozone, sự hình thành cũng như vai trò của ozone trong khí quyển của Trái đất, nhất là trong lớp khí quyển tầng thấp Lớp khí quyển tầng thấp được hiểu là lớp không khí bao quanh bề mặt hành tinh, có độ cao từ bề mặt quả đất tới độ cao khoảng

3 km Trong lớp khí quyển này, hàm lượng ozone biến động mạnh theo nồng độ khí

ô nhiễm và cường độ bức xạ của Mặt trời Phần hai giới thiệu chung các kỹ thuật được sử dụng chủ yếu hiện nay để đo đạc phân bố ozone theo độ cao là đầu dò điện hóa, kỹ thuật Umkehr và kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai Phần 3 sẽ đi sâu trình bày nguyên lý vật lý phương pháp LIDAR hấp thụ vi sai, là phương pháp được phát triển trong khuôn khổ của luận án Cùng với các phương pháp đo phân bố ozone thông dụng khác từ mạng lưới quan trắc ozone toàn cầu, phương pháp LIDAR hấp thụ vi sai sẽ giúp cung cấp một bức tranh toàn cảnh về phân bố ozone trong khí quyển

1.1 Ozone trong khí quyển tầng thấp

Ozone được phát hiện bởi nhà hóa học người Đức Christian Friedrich Schöbein vào năm 1839 và có ký hiệu hóa học là O3 (Hình 1.1) Nó là khí màu xanh dương, có mùi rất đặc trưng, hấp thụ ánh sáng UV và có hoạt tính (oxy hóa) cao[2,5] Ozone là loại khí có rất ít trong khí quyển của trái đất, trung bình trong 10 triệu phân

tử không khí mới có 3 phân tử ozone Mặc dù chỉ chiếm một hàm lượng nhỏ nhưng ozone lại đóng một vai trò rất quan trọng đối với sự sống [6]

Hình 1.1 Cấu hình phân tử ozone [5]

1.1.1 Nguồn gốc và phân bố

Ozone được phát hiện chủ yếu trong 2 miền của khí quyển trái đất Hầu hết lượng ozone (90%) nằm trong tầng ozone có độ cao từ 15 đến 35 km tính từ bề mặt trái đất Tầng ozone này nằm ở miền dưới tầng bình lưu của khí quyển trái đất Phần ozone còn lại nằm trong tầng đối lưu (Hình 1.2) [2]

Hình 1.2 Phân bố ozone trong khí quyển [2]

Tầng ozone được các nhà vật lý người Pháp là Charles Fabry và Henri Buisson phát hiện ra năm 1913 Các khảo sát chi tiết tầng ozone được nhà khí tượng học người Anh là G.M.B.Dobson thực hiện Ông đã triển khai thiết bị quang phổ kế đơn giản (Dobsonmeter) để đo đạc, quan trắc ozone trong tầng bình lưu từ mặt đất Trong khoảng thời gian từ 1928 đến 1958, Dobson đã thực hiện một mạng lưới quan trắc quốc tế đo hàm lượng ozone trên tầng bình lưu rất thuận tiện và vẫn còn tiếp tục hoạt động cho đến ngày nay [2]

Các phản ứng cơ bản đóng góp vào quá trình hình thành ozone trong khí quyển bao gồm [7]:

có thể thay đổi khi có sự xuất hiện các sản phẩm hóa học có nguồn gốc từ con người, chẳng hạn như chlorofluorocarbons (CFCs) CFCs được dùng trong các sản phẩm như tủ lạnh, máy điều hòa không khí, các dung môi tẩy rửa, bình chữa cháy, bình xịt son khí, bình khí gas xủi bọt dùng một lần trong sản xuất,… CFCs có thời gian sống khá lâu trong khí quyển từ 75 tới 100 năm và là một trong những nguyên nhân chính gây ra sự suy giảm ozone trong tầng bình lưu Một phân tử CFC có thể phá vỡ liên kết đến 100.000 phân tử ozone [7]

Không như sự hình thành của ozone trong tầng bình lưu, ozone tầng đối lưu được sinh ra trong khoảng 50 m tính từ mặt đất thông qua các phản ứng quang hóa với các oxít nitơ NOx và các phân tử hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (Volatile Organic Compound – VOC) dưới tác dụng của bức xạ mặt trời VOC có thể được thải ra từ các nhà máy hóa chất, các nhà máy lọc và tinh chế dầu, các trạm khí gaz và xe cộ Bên cạnh các nguồn nhân tạo, VOC có thể phát sinh trong tự nhiên từ dầu trong thực vật sống, được bốc hơi trong những điều kiện khắc nghiệt, nhất là vào những ngày

hè nóng nực Oxít nitơ (NOx) thường được phát ra từ sự đốt cháy của các nhiên liệu hóa thạch như dầu, khí gaz và than đá Trong khí quyển, ozone được tạo ra bởi sự quang phân NO2, giải phóng một nguyên tử oxy Nguyên tử oxy này tự do kết hợp với phân tử oxy để tạo thành ozone cùng với NO [7,8,9]:

NO có thể phản ứng trở lại với phân tử ozone để tạo sự cân bằng Tuy nhiên,

NO lại phản ứng với HO2 hoặc các gốc hữu cơ của VOC khác, nên số NO có thể phá hủy phân tử ozone sẽ giảm đi Sự có mặt của các sản phẩm hóa học có nguồn gốc từ

tự nhiên và từ con người đã thúc đẩy quá trình hình thành ozone vượt ngưỡng cho phép Mặt khác, phản ứng tự quang phân của ozone diễn biến một cách chậm sẽ giúp cho ozone hình thành trong tầng đối lưu (Hình 1.3) Ozone trong tầng đối lưu là thành

phần chủ yếu tạo nên sương khói quang hóa trong môi trường đô thị, chỉ một phần ozone không đáng kể trong tầng đối lưu sẽ khuếch tán lên tầng bình lưu [7,8,9]

Hình 1.3 Minh họa sự hình thành và phân hủy ozone trong tầng đối lưu [15]

Nồng độ ozone cao nhất có xu hướng tập trung ở trong và xung quanh đô thị, nơi phát sinh ra những tiền chất cần thiết cho quá trình tạo ra ozone, và thường có đỉnh vào giữa trưa và xuống thấp nhất vào ban đêm Tuy nhiên, khu vực nông thôn cũng có thể có nồng độ ozone cao do sự lan truyền trong khí quyển (Hình 1.4)

Hình 1.4 Nồng độ ozone bề mặt trung bình các năm 2013-2015 thay đổi

trong ngày tại Trung Quốc[10]

Hình 1.5 Nồng độ ozone thay đổi theo ngày trong tháng đo tại trạm SRVx

(Chesapeake Bay – Mỹ) [11]

Hình 1.6 Nồng độ ozone bề mặt trung bình các năm 2013-2015 thay đổi

theo tháng trong năm tại Trung Quốc [10]

Nồng độ ozone cũng thay đổi từ ngày này sang ngày khác tùy thuộc vào tình trạng thời tiết, nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, … (Hình 1.5) Do nồng độ ozone phụ thuộc vào nhiệt độ cao và ánh sáng mặt trời nên nồng độ cao của ozone thường xảy

ra vào những tháng hè nóng nực (Hình 1.6)

1.1.2 Tiết diện hấp thụ của ozone

Tiết diện hấp thụ của ozone trong vùng bước sóng từ 200 đến 1100 nm bao gồm bốn băng hấp thụ : Hartley, Huggins, Chappuis và Wulf (Hình 1.7) Các băng hấp thụ được đặt tên theo tên các nhà khoa học đi tiên phong trong nghiên cứu sự hấp thụ của ozone Năm 1880, một năm sau khi Marie A Cornu nhận thấy bức xạ của Mặt trời đến bề mặt của Trái đất bị giới hạn ở vùng bước sóng ngắn phải do sự

có mặt của một chất hấp thụ trong khí quyển, Walther N Hartley đã mô tả sự phù hợp giữa tính chất hấp thụ mạnh của ozone trong vùng phổ từ 200 đến 300 nm với yêu cầu của một chất hấp thụ như vậy Cũng trong năm này, J Chappuis đã nghiên cứu sự hấp thụ yếu hơn trong vùng khả kiến (400-750 nm) trong ozone lỏng Năm

1890, William Huggins phát hiện ra sự hấp thụ ozone giữa vùng bước sóng 300 –

360 nm khi nghiên cứu quang phổ sao Thiên Lang (Sirius) Trong hai năm

1926-1927, Oliver R Wulf có các nghiên cứu đầu tiên về sự hấp thụ của ozone trong vùng hồng ngoại gần (750-950 nm) Hiện nay, bộ số liệu hấp thụ ozone với độ phân giải bước sóng khác nhau (0,05 nm, 0,015 nm và 0,01 nm) và nhiệt độ đã được công bố trong nhiều công trình [12] Tuy nhiên, cấu trúc mức năng lượng, tính toán mô phỏng

và sự phụ thuộc vào nhiệt độ của phổ hấp thụ của ozone vẫn đang được quan tâm bởi nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới để có thể tăng độ chính xác của mô hình lý thuyết với dữ liệu thực nghiệm [13] Các băng phổ hấp thụ mạnh Hartley và Huggins đặc biệt quan trọng trong quan trắc khí quyển bằng kỹ thuật viễn thám và được sử dụng trong các quang phổ kế hay thiết bị LIDAR đặt cả trên vệ tinh và dưới mặt đất Một số vệ tinh sử dụng băng phổ hấp thụ Chappuis và Wulf trong việc quan trắc phân

bố ozone Hai băng Chappuis và Wulf cũng rất cần thiết để quan trắc các thành phần hàm lượng nhỏ khác, son khí và đám mây trong khí quyển [13,14]

Hình 1.7 Tiết diện hấp thụ và các băng hấp thụ của ozone [6,13,14]

1.1.3 Vai trò và tác động của ozone

Trong phổ bức xạ điện từ, vùng tử ngoại (ultraviolet-UV) được chia ra làm ba miền: UV-A có bước sóng 400-320 nm; UV-B có bước sóng 320-280 nm và UV-C

có bước sóng <280 nm Bức xạ UV-A cần thiết cho con người để giúp tổng hợp vitamin D Tuy nhiên, các bước sóng UV, thậm chí cả UV-A nếu phơi quá nhiều, đều gây nên sự cháy da, ung thư da, tiêu diệt hệ thống miễn dịch và làm đục thủy tinh thể [16]

Thành phần chủ yếu trong khí quyển là oxy đã lọc UV trong bức xạ mặt trời

ở các bước sóng < 230 nm Ở bước sóng 230 nm, chỉ 1 phần 1016 cường độ bức xạ Mặt trời bên ngoài khí quyển đi tới mặt đất Với những bước sóng lớn hơn 230 nm, chỉ duy nhất có một thành phần của khí quyển có khả năng ngăn chặn một cách có ý nghĩa các bức xạ Mặt trời là ozone Mặc dù không nhiều như oxy nhưng ozone có khả năng hấp thụ mạnh các bước sóng trong khoảng 240-300 nm (dải hấp thụ Hartley) (Hình 1.7) Ở bước sóng 250 nm, ozone trong tầng bình lưu chỉ cho xuyên tới mặt đất một lượng bé hơn 1 phần 1030 của bức xạ mặt trời Vì vậy, ozone trong tầng bình lưu có một vai trò hết sức quan trọng đối với trái đất, nó là lá chắn che chở các tia bức xạ UV của mặt trời, duy trì sự sống trên hành tinh Ngoài ra, do hấp thụ ánh sáng tử ngoại nên ozone trở thành nguồn nhiệt cho tầng bình lưu, góp phần gia tăng nhiệt độ và tạo ra cấu trúc nhiệt độ của tầng bình lưu [16]

Ngược lại với tác dụng tốt của ozone trong tầng bình lưu, ozone với hoạt tính oxy hóa mạnh, hiện diện trong tầng đối lưu, nhất là lớp khí quyển ngay bên trên mặt đất lại có tác động xấu đến sự sống Dù chỉ chiếm thành phần nhỏ (cỡ vài chục phần

tỷ - ppb), nhưng khí ozone là thành phần đóng góp quan trọng vào khói bụi ô nhiễm

(photochemical smog), đặc biệt là trong các đô thị lớn, các khu công nghiệp, là một

trong những tác nhân chính ảnh hưởng đến sức khỏe con người, sự sống của các sinh vật, và đóng góp vào hiệu ứng nhà kính, gây nên sự nóng lên toàn cầu Sự có mặt vượt ngưỡng cho phép của ozone sẽ gây nên các bệnh lý như đău ngực, ho, nôn ói, viêm họng, sung huyết, viêm cuống phổi, rối loạn tim, hen suyễn, v.v… Ozone gây hại cho các vật liệu nylon, cao su và một số loại gạch trong công trình kiến trúc Ozone cũng tác động tới nền kinh tế khi làm thiệt hại tới mùa màng và cây rừng [17]

Để phát triển bền vững, bảo vệ môi trường sống, ngoài việc ký kết các công ước quốc tế nhằm thức đẩy việc hạn chế khí thải vào khí quyển hàng năm, việc quan trắc, theo dõi nồng độ và phân bố ozone trong các lớp khí quyển tầng thấp cũng như tầng cao là công việc rất cần thiết nhằm phục vụ tốt công tác dự báo, phòng chống ô nhiễm không khí, nghiên cứu động học ozone khí quyển và sự xuất hiện các lỗ hổng trên tầng ozone

1.2 Đo đạc quan trắc ozone trong khí quyển

1.2.1 Khái quát chung

Ozone trong khí quyển được đo đạc từ các thiết bị đặt trên mặt đất, trên các vật thể bay như bóng thám không, tên lửa, máy bay và trên vệ tinh (Hình 1.8) Sự phát triển của việc đo đạc và quan trắc ozone được minh họa trong Hình 1.9 Ozone khí

quyển được đo cả bằng kỹ thuật đo trực tiếp (in situ) và kỹ thuật viễn thám (remote

sensing) Đo đạc nồng độ ozone trực tiếp được thực hiện bằng cách lấy và phân tích mẫu của không khí để xác định hàm lượng ozone thông qua kỹ thuật quang học, hóa học hoặc điện hóa Đo đạc viễn thám được thực hiện bằng các kỹ thuật hấp thụ vi sai Do ozone có phổ hấp thụ rộng và mạnh trong vùng bước sóng tử ngoại từ 100 -

340 nm, các băng phổ hấp thụ yếu hơn xung quanh 600 nm trong vùng khả kiến và hồng ngoại gần (Hình 1.7) nên nhờ việc đo phổ phát xạ của mặt trời hoặc các nguồn sáng nhân tạo sau khi chiếu rọi qua ozone khí quyển, chúng ta có thể xác định lượng ozone theo quãng đường quang học

Hình 1.8 Đo ozone trong khí quyển [2]

Hình 1.9 Minh họa tiến trình phát triển đo đạc quan trắc ozone [12,18]

(BUV: Backscatter UltraViolet spectrometer; LIDAR: LIght Detection And

Ranging; TOMS: Total Ozone Mapping Spectrometer; DOAS: Differential Optical Absorption Spectroscopy; SCIAMACHY: SCanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric CHartographY; OMI: Ozone Monitoring Instruments;

OMPS: Ozone Mapping and Profiler Suite)

Bảng 1.1: Tóm lược các đơn vị đo ozone [19]

10-3 cm ozone ở STP DU

1.2.2 Nguyên lý phương pháp đo ozone trong khí quyển

Có hai đặc trưng của ozone khí quyển thường xuyên được đo đạc và báo cáo bởi các hệ thống quan trắc mặt đất và vệ tinh là tổng lượng cột ozone và phân bố mật

độ ozone theo phương thẳng đứng [19] Ngoài ra, một thông số khác thường xuyên được quan trắc là mật độ ozone bề mặt hay mật độ ozone trong môi trường không khí xung quanh, biểu thị nồng độ cục bộ của ozone trong lớp không khí khoảng vài mét tại một địa điểm cụ thể trên bề mặt trái đất [20] Thiết bị thường được sử dụng

để đo mật độ ozone bề mặt là thiết bị đo ánh sáng Quang kế UV (Hình 1.10) Quang

kế UV đo nồng độ ozone bằng cách so sánh cường độ tín hiệu ở bước sóng 253,7 nm khi có và không có sự hiện diện của ozone trong buồng lấy mẫu Thiết bị này đo trực tiếp mật độ ozone với độ tin cậy cao, ổn định, nhưng chỉ phù hợp cho đo đạc ozone trong phòng thí nghiệm, khó triển khai ứng dụng đo ozone trong khí quyển

suất chuẩn (Standard Temperature and Pressure – STP, 0oC và 101325 Pa) và mật

độ cột thẳng đứng (số phân tử trên đơn vị diện tích)

Tổng lượng cột ozone được đo bằng kỹ thuật viễn thám với các thiết bị có thể đặt trên mặt đất hoặc trên vệ tinh để đo bức xạ ánh sáng trong dải phổ hấp thụ UV của ozone giữa 300 và 340 nm [19] Tổng lượng ozone đo từ mặt đất dùng bức xạ mặt trời trực tiếp, bức xạ mặt trăng trực tiếp và bức xạ từ bầu trời Nếu thực hiện đo

từ không gian, phép đo sẽ là đo bức xạ UV của mặt trời tán xạ ngược vào không gian bởi khí quyển của trái đất

Hình 1.11 Sơ đồ các bộ phận chính của Quang phổ kế Dobson [23]

Các thiết bị viễn thám đặt trên mặt đất đo cường độ ánh sáng UV ở các bước sóng trong vùng phổ hấp thụ của ozone có thể được sử dụng để xác định tổng lượng

ozone bằng kỹ thuật quang phổ hấp thụ vi sai (Differential Optical Absorption

Spectroscopy – DOAS) Hiện nay, hầu hết các thiết bị quan trắc ozone từ mặt đất đều

thuộc Chương trình Quan sát Khí quyển toàn cầu của Tổ chức khí tượng thế giới (WMO GAW Programme): quang phổ kế ozone Dobson [22,23] (Hình 1.11), quang phổ kế ozone Brewer [24,25], và ozone kế bộ lọc (filter ozonemeter) M-124 [26]

Phương pháp có độ chính xác cao để xác định tổng lượng ozone là đo trực tiếp bức xạ mặt trời ở dải bước sóng UV giữa 305 và 340 nm từ thiết bị đặt trên mặt đất Phương pháp này dựa trên định luật Lambert-Beer xác định cường độ bức xạ trực tiếp đến bề mặt của trái đất của bức xạ I0λ ở bước sóng λ sau khi đã bị suy giảm bởi các thành phần khí quyển có tổng lượng cột là Xi [19]:

Trong đó:

I0λ là một hằng số bằng Iλ đo bởi thiết bị nếu thiết bị đặt ngoài khí quyển

λi là các hệ số suy hao được đo trong phòng thí nghiệm của các thành phần làm suy giảm bức xạ

i là tỉ số giữa quãng đường tia sáng chiếu xiên qua lớp có thành phần Xi với

độ dày của lớp này (relative optical air masses)

Nếu quang phổ kế đo cường độ Iλ ở một vài bước sóng λi với sự hấp thụ ozone khác nhau, ảnh hưởng của các thành phần gây ra sự suy hao (chủ yếu là son khí) có thể được loại trừ bởi các tổ hợp tuyến tính của công thức (1.2)

Hình 1.12 Đường đi của ánh sáng tới quang phổ kế [19]

Để đo tổng lượng ozone, đường đi của ánh sáng mặt trời tới quang phổ kế có thể được minh họa như trong Hình 1.12 Hình vẽ cho đường đi ánh sáng mặt trời ngang qua lớp ozone trong lớp khí quyển của trái đất

Cường độ tia mặt trời Iλ ở bước sóng λ được đo trên mặt đất tính theo công thức sau [19]:

Trong đó:

I0λ là cường độ bức xạ bên ngoài khí quyển trái đất ở bước sóng λ;

λ hệ số hấp thụ ozone ở bước sóng λ (nm);

X là tổng lượng cột ozone trong khí quyển (ở STP);

 là tỉ số giữa đường đi của tia sáng xiên qua lớp ozone với độ dày của lớp ozone;

’λ là hệ số hấp thụ của dioxít sunphua ở bước sóng λ (nm);

X’ là tổng lượng cột dioxít sunphua trong khí quyển (ở STP);

’ là tỉ số giữa đường đi của tia sáng xiên qua lớp dioxít sunphua với độ dày của lớp dioxít sunphua;

λ là hệ số tán xạ phân tử Rayleigh của không khí ở bước sóng λ;

µa là tỉ số giữa đường đi của tia sáng đi xiên qua toàn bộ khí quyển với bề dày của toàn bộ khí quyển;

δλ là hệ số tán xạ của các hạt son khí ở bước sóng λ (nm);

θ là góc giữa tia sáng và phương thẳng đứng

Để tăng độ chính xác của phép đo ozone, việc đo đạc được thực hiện với một

số bước sóng Nếu ảnh hưởng của dioxít sunphua và sương mù được bỏ qua, dạng công thức (1.2) có thể viết lại như sau [19]:

Giá trị trọng số wλ được lựa chọn để giảm thiểu ảnh hưởng của các thành phần khác trong khí quyển mà chủ yếu là son khí Từ công thức (1.3) có thể suy ra giá trị của tổng lượng ozone như sau [19]:

1.2.2.2 Đo phân bố mật độ ozone theo phương thẳng đứng

Phân bố mật độ ozone theo phương thẳng đứng cho biết nồng độ ozone như là một hàm của độ cao hay áp suất môi trường Lượng ozone ở mỗi độ cao hay mực áp suất trong khí quyển thường được biểu diễn như là áp suất riêng phần, tỷ số hỗn hợp hoặc nồng độ cục bộ Tổng của phân bố ozone thẳng đứng từ mặt đất tới bờ trên của khí quyển là tổng lượng cột ozone

Phân bố ozone thẳng đứng được đo bởi đầu dò ozone (ozonesonde), kỹ thuật

Umkehr sử dụng thiết bị viễn thám là các quang phổ kế đặt trên mặt đất hoặc gắn

trên vệ tinh và thiết bị LIDAR (LIght Detection And Ranging) [19]

 Đầu dò ozone:

Các đầu dò ozone được thả bay theo các bóng thám không quan trắc thời tiết

để đo phân bố phân giải theo độ cao của ozone khí quyển Kỹ thuật đo đạc dùng đầu

dò ozone là kỹ thuật đo trực tiếp, dựa trên nguyên lý oxi hóa điện hóa của potassium

iodine (KI) bởi ozone trong một dung dịch ngậm nước Thành phần chính của đầu

dò ozone bao gồm buồng phản ứng chứa dung dịch KI đóng vai trò là bộ phận cảm biến ozone, một bơm không khí, một nguồn điện và một mạch điện tử giao tiếp và chuyển đổi dòng điện thành tín hiệu radio truyền về trạm thu mặt đất tất cả được đặt trong hộp bảo vệ chống va đập và nhiệt độ thấp

Có hai loại kết cấu đầu dò ozone: ECC (electrochemical cell) và Brewer-Mast [27] Đầu dò ECC có 2 buồng nhỏ chứa KI và ngăn cách nhau bởi màng ngăn Mỗi buồng có một điện cực platin Không khí được bơm vào một buồng và ozone sẽ phản

ứng với KI tạo iodine I2 qua phương trình phản ứng [27]:

2KI + O3 + H2O > 2KOH +I2 +O2

Khi muối KI chuyển thành I2 thì 2 buồng sẽ mất cân bằng điện tích và sẽ có dòng electron giữa 2 buồng Dòng điện sẽ được đo để tính toán ra áp suất riêng phần của ozone khí quyển

Khác với đầu dò trong ECC, đầu dò Brewer-Mast chỉ có một buồng phản ứng,

có một điện cực cathode platin và một điện cực anode bạc Ở cathode platin, I2 bị oxy hóa theo phản ứng:

I + 2 e-  2I

-Ở điện cực anode (dây) bạc, bạc bị oxy hóa bởi muối iode:

2I- + 2Ag  AgI + 2e

-Vì AgI bền vững, nó bám ở điện cực và không tham gia các phản ứng nào khác Nếu một điện thế 410 mV được áp giữa lưới platin và dây bạc, thế phân cực giữa anode và cathode được bù trừ và không có dòng electron nào giữa chúng Nồng

độ của KI và I2 trong buồng phản ứng ở trạng thái cân bằng điện hóa Nếu một phân

tử ozone đi vào dung dịch muối, nó phản ứng với muối iode theo phương trình:

O3 + 2 H+ + 2I- => I2 + H20 +O2

Kết quả là sự cân bằng bị phá vỡ và 2 electron sẽ chạy về anode để sự cân bằng được tái lập Dòng điện sẽ cho một số đo tuyệt đối về lượng ozone tham gia phản ứng trong một đơn vị thời gian

N phân tử ozone cho một điện tích Q=N.2.e Theo định luật khí lý tưởng thì:

với p là áp suất riêng phần cho ozone; Vrc là thể tích; N là số phân tử ozone;

k là hằng số Boltzman và T là nhiệt độ tuyệt đối, chúng ta sẽ có:

p là áp suất riêng phần của ozone (milipascal)

i là dòng điện được đo (A)

T là nhiệt độ của bơm (oK)

Vrc/t là thể tích không khí Vrc được bơm qua buồng trong thời gian t (100ml.s-1)

Kỹ thuật bóng thám không dùng các đầu dò ozone là thông dụng nhất, là cột trụ cho việc đo đạc phân bố ozone thẳng đứng từ những năm 60 của thế kỷ trước Dùng bóng thám không, phân bố ozone theo phương thẳng đứng đã được xác định với độ phân giải từ vài chục mét tới trên 1 km, từ bề mặt trái đất đến độ cao 35km, với độ chính xác 5%-10% [19] Các đầu dò ozone điện hóa rất được ưa chuộng vì giá thành không quá cao, hoạt động ở mọi miền khí hậu và trong cả những điều kiện thời tiết khắc nghiệt Tuy nhiên, có nhiều hạn chế do các thiết bị phục vụ đo đạc

không phù hợp với việc đo đạc liên tục theo không gian và thời gian Sự phân bố ozone trong khí quyển thay đổi nhanh trong ngày nên khó có thể giám sát nồng độ ozone bằng các bóng thám không Hơn nữa, các bóng thám không được thả tự do, không thể điều khiển và cũng không thể thu hồi Mặc dầu được kiểm tra trước khi thả cùng bóng thám không nhưng không thể tránh được những hư hỏng trong khi bay

và sự ổn định giữa các đầu dò cũng khó duy trì

 Kỹ thuật Umkehr:

Phân bố ozone thẳng đứng được đo từ mặt đất với kỹ thuật Umkehr Cơ sở của phương pháp viễn thám này dựa trên hiệu ứng Umkehr được quan sát khi sử dụng quang phổ kế tử ngoại để đo cường độ I và I’ ở hai bước sóng  và ’ Ở bước sóng

, sự hấp thụ của ozone mạnh hơn so với ở bước sóng ’ và thông thường các cặp bước sóng được lựa chọn trong băng phổ Huggin Giá trị log(I/I’) biến đổi như là một hàm của góc  hợp bởi phương của tia sáng mặt trời và phương thẳng đứng (góc

zenith) Sự phụ thuộc của log(I/I’) vào  đã được Götz, Meetham và Dobson giải thích là do sự phân bố của ozone theo phương thẳng đứng [28] Sự phụ thuộc này càng rõ rệt khi Mặt trời ở gần với đường chân trời (bình minh hoặc hoàng hôn), khi

đó tia sáng Mặt trời phải đi một quãng đường dài hơn xuyên qua lớp ozone trong khí quyển Đường cong biểu diễn giá trị log(I/I’) theo góc  được gọi là đường Umkehr (Hình 1.13) [29]

Kỹ thuật Umkehr đã được triển khai từ năm 1934 [28], cho phép đo đạc phân

bố ozone với độ phân giải thấp Trong kỹ thuật này, tỷ số cường độ ánh sáng tán xạ theo phương thẳng đứng từ bầu trời khi góc tới của tia Mặt trời giữa 60o và 90o (Hình 1.14) được đo đạc Thiết bị thường được sử dụng để đo đạc với kỹ thuật Umkehr là quang phổ kế Dobson và quang phổ kế Brewer

Trong kỹ thuật Umkehr, khí quyển được phân chia thành các lớp và mật độ ozone cho mỗi lớp được giả sử Bằng việc tính toán sự tán xạ và hấp thụ ánh sáng cho các độ cao khác nhau, đường Umkehr lý thuyết sẽ được suy ra Sau đó, mật độ ozone sẽ được hiệu chỉnh cho đến khi trùng khớp giữa đường Umkehr lý thuyết và đường Umkehr thực nghiệm

Hình 1.13 Đường Umkehr quan trắc tại hai bước sóng 311,4 nm và 332,4 nm [29]

Hình 1.14 Sơ đồ tia bức xạ mặt trời đi qua lớp ozone ở độ cao h trong khí quyển

và tán xạ đến thiết bị đo [29 ] Cho đến nay, có rất nhiều nghiên cứu phát triển thuật toán xác định mật độ ozone dùng kỹ thuật Umkehr [28–36] Thuật toán cổ điển phân chia khí quyển thành

5 lớp tính từ mặt đất, độ cao mỗi lớp ~15 km Còn hiện nay, khí quyển thường được

chia thành 16 lớp nên độ phân giải mật độ ozone trong kỹ thuật Umkehr đạt đến ~ 5

km [36] Tương tự như các máy quang phổ đặt ở mặt đất, các máy quang phổ đặt trên

vệ tinh dùng kỹ thuật Umkehr để đo phân bố ozone cũng sẽ đo tỷ số cường độ ánh sáng tán xạ của Mặt trời ở các cặp bước sóng nằm trong băng phổ Huggin Tuy nhiên, thay vì đo tia tán xạ đến mặt đất, các máy quang phổ đặt trên vệ tinh sẽ đo tia tán xạ của ánh sáng Mặt trời ra ngoài khí quyển của Trái đất

Việc quan trắc phân bố ozone theo phương thẳng đứng dùng kỹ thuật Umkehr bằng các máy quang phổ đặt trên mặt đất hay trên vệ tinh có ưu điểm lớn là cung cấp được bản đồ ozone toàn cầu Hiện nay, các số liệu đo bằng phương pháp này vẫn thường xuyên được cập nhật và phân tích tại Trung tâm Số liệu UV và Ozone thế giới (World Ozone and Ultraviolet Data Centre – WOUDC) [19] Tuy nhiên, quan trắc dùng kỹ thuật Umkehr cho các kết quả phân bố nồng độ ozone với độ phân giải thô về không gian và thời gian, không cho phép chúng ta có được những thông tin về những biến đổi của nồng độ ozone trong khoảng thời gian ngắn tại những vùng miền hay từng địa phương, chỉ có thể đo đạc phân bố ozone vào thời điểm Mặt trời mọc hay lặn, và cũng giống như các kỹ thuật viễn thám khác, kỹ thuật Umkehr cũng đòi hỏi điều kiện trời trong khi thực hiện đo đạc

Ngoài ra, một số các kỹ thuật viễn thám như phát xạ nhiệt hồng ngoại (infrared

thermal emission), phát xạ nhiệt vi sóng (microwave thermal emission), và hấp thụ

hồng ngoại (infrared absorption), cũng vừa được một số nhà nghiên cứu phát triển

để sử dụng trong đo đạc phân bố ozone [19] Một số kỹ thuật này đã bắt đầu cung cấp số liệu phục vụ lưu trữ điều tra cơ bản

 Kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai:

LIDAR là một hệ rađa quang học LIDAR đã có đóng góp to lớn vào sự hiểu biết của con người đối với khí quyển của trái đất trong nhiều thập kỷ qua Để đo đạc phân bố ozone theo độ cao, kỹ thuật được sử dụng là LIDAR hấp thụ vi sai Hiện nay, kỹ thuật này rất được quan tâm phát triển để sử dụng đo phân bố ozone thẳng đứng do có thể thực hiện việc đo đạc với độ phân giải không gian và thời gian cao,

có thể quan trắc liên tục theo thời gian, vị trí đo cơ động, và có thể đo đạc cả ngày lẫn đêm Các hệ LIDAR hấp thụ vi sai còn có thể hoạt động ngay khi có lượng mây che không đáng kể Trong phần 3 của Chương 1 tiếp theo, kỹ thuật LIDAR, LIDAR

1.3.1 Cơ sở vật lý của kỹ thuật LIDAR và LIDAR hấp thụ vi sai

LIDAR là một kỹ thuật viễn thám, sử dụng bức xạ laser như cảm biến để đo đạc từ xa Trong các kỹ thuật viễn thám, chỉ có LIDAR là kỹ thuật viễn thám chủ động do chúng ta có thể chủ động điều khiển nguồn phát năng lượng bức xạ, trong khi các phương pháp viễn thám khác để quan trắc nồng độ ozone đều là kỹ thuật thụ động, sự quan trắc phụ thuộc vào nguồn sáng tự nhiên (Mặt trời, Mặt trăng) hay các nguồn bức xạ điện từ trường khác Sơ đồ nguyên lý của kỹ thuật LIDAR gồm các thành phần chính là bộ phát bức xạ laser; bộ thu bức xạ tán xạ ngược trở về từ khí quyển; bộ điều khiển, thu ghi tín hiệu; phần mềm xử lý và phân tích số liệu (Hình 1.15)

Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật LIDAR [37]

Trong kỹ thuật LIDAR, bức xạ laser sẽ tương tác với các thành phần của khí quyển bao gồm các phân tử, nguyên tử, son khí và hơi nước Khi đó, các quá trình vật lý xảy ra bao gồm tán xạ Rayleigh, tán xạ Mie, tán xạ Raman, tán xạ cộng hưởng, huỳnh quang, hấp thụ, hấp thụ và tán xạ vi sai (differential absorption and scattering