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 OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP VỚI ĐỘ PHÂN GIẢ
Trang 1BỘ 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 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
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ QUANG HỌC
Hà Nội, 2017
Trang 2Công trình được hoàn thành tại Học Viện Khoa học và Công nghệ – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
Người hướng dẫn Khoa học: PGS.TS Đinh Văn Trung
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học Viện, họp tại Học Viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa hoc và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ …, ngày … tháng… năm 201…
Có thể tìm hiểu luận án tại :
- Thư viện Học Viện Khoa học và Công nghệ
- Thư viện Quốc Gia Việt Nam
Trang 3MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
Tính cấp thiết của luận án 1
Mục tiêu nghiên cứu của luận án 1
Các nội dung nghiên cứu chính của luận án 2
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 2
1.1 Ozone trong khí quyền tầng thấp 2
1.1.1 Nguồn gốc và phân bố 2
1.1.2 Tiết diện hấp thụ của ozone 3
1.1.3 Vai trò và tác động của ozone 3
1.2 Đo đạc, quan trắc ozone trong khí quyển 3
1.2.1 Khái quát chung 3
1.2.2 Nguyên lý phương pháp đo ozone trong khí quyền 3
1.2.2.1 Đo tổng lượng cột ozone 3
1.2.2.2 Đo phân bố mật độ ozone theo phương thẳng đứng 4
1.3 Nguyên lý đo đạc phân bố ozone trong khí quyển tầng thấp dùng kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai 4
1.3.1 Cơ sở vật lý của kỹ thuật LIDAR và LIDAR hấp thụ vi sai 4
1.3.2 Hệ LIDAR và phương trình LIDAR 5
1.3.3 Kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai 6
1.3.4 Lựa chọn bước sóng cho LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone 6
1.3.5 Đo phân bố ozone dùng kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai trong khí quyển tầng thấp 6
Trang 41.3.6 Tính toán phân bố nồng độ ozone theo độ cao 7
1.3.7 Độ chính xác của phép đo ozone dùng LIDAR hấp thụ vi sai 8
CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ LIDAR HẤP THỤ VI SAI ĐO PHÂN BỐ OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP 8
2.1 Thiết kế hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone 8
2.1.1 Sơ đồ khối hệ LIDAR hấp thụ vi sai 8
2.1.2 Khối phát quang học 8
2.1.3 Khối thu quang học 9
2.1.4 Khối thu quang điện tử 9
2.1.5 Phần mềm xử lý, tính toán 10
2.2 Lựa chọn cặp bước sóng phát 10
2.3 Mô phỏng tín hiệu LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone 10
2.4 Kết quả mô phỏng và thảo luận 10
CHƯƠNG 3 PHÁT TRIỂN MỘT HỆ LIDAR HẤP THỤ VI SAI ĐỂ ĐO OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP 11
3.1 Cấu hình hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone 11
3.2 Xây dựng hệ laser màu phản hồi phân bố 11
3.2.1 Bộ dao động phát 11
3.2.2 Hệ quang học bơm 12
3.2.3 Bộ khuếch đại quang 12
3.2.4 Môi trường hoạt chất 12
3.2.5 Bơm luân chuyển chất màu 12
Trang 53.3 Xây dựng bộ phát hệ LIDAR hấp thụ vi sai và đo đạc
đánh giá 12
3.4 Chế tạo hệ telescope tử ngoại và khối quang học thu 13
3.4.1 Chế tạo telescope 13
3.4.2 Chế tạo hệ mài phôi kính quang học 13
3.4.3 Khối quang học thu 13
3.5 Phát triển khối điện tử thu 14
3.6 Xây dựng phần mềm thu ghi, xử lý tín hiệu 14
3.7 Đo đạc đánh giá hệ LIDAR hấp thụ vi sai 14
CHƯƠNG 4 ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM PHÂN BỐ OZONE TRONG LỚP KHÍ QUYỂN TẦN SỐ THẤP 15
4.1 Xử lý số liệu 15
4.2 Tính toán phân bố nồng độ ozone theo độ cao 15
4.3 Kết quả đo đạc phân bố nồng độ ozone theo độ cao 17
4.4 Phân tích sai số, đánh giá kết quả đo đạc 18
KẾT LUẬN CHUNG 20
NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 21
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 22
Trang 6Mở đầu
1 Tính cấp thiết của luận án
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 Với nồng độ cao hơn ở tầng bình lưu, ozone 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 Trong tầng đối lưu (ở lớp khí quyển sát mặt đất),
dù chỉ chiếm thành phần nhỏ (cỡ vài chục phần tỷ - ppb), nhưng ozone
là thành phần đóng góp quan trọng vào khói bụi ô nhiễm, 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 Vì thế, việc xác định nồng độ, sự phân bố của ozone trong khí quyển là hết sức cần thiết, nhất là lớp khí quyển bao quanh mặt đất
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 thông kê hàng năm
Nhu cầu thực tế: quan trắc ozone trong khí quyển, nhất là khí quyển tầng thấp, để tăng cường hiểu biết về khí hậu, phục vụ công tác
dự báo khí tượng, đối phó với biến đổi khí hậu, phòng chống ô nhiễm môi trường, bảo vệ sức khỏe con người và xây dựng quy hoạch phát triển trong tương lai
2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Mục tiêu của luận án được đặt ra là phát triển kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai (Differential Absorption LIDAR hay viết tắt là DIAL)
Trang 7hoạt động trong vùng bước sóng tử ngoại để nghiên cứu phân bố khí ozone trong khí quyển tầng thấp với độ phân giải cao
3 Các nội dung nghiên cứu chính của luận án
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 oxone
Chương 1 Giới thiệu tổng quan 1.1 Ozone trong khí quyển tầng thấp
Ozone (O3) 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
1.1.1 Nguồn gốc và phân bố
Ozone tầng đối lưu được sinh ra 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 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
Trang 8ban đêm 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, …
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 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
1.1.3 Vai trò và tác động của ozone
Ozone trong tầng bình lưu là lá chắn che chở các tia bức xạ UV của mặt trời, duy trì sự sống trên hành tinh Ngược lại, trong tầng đối lưu và nhất là lớp khí quyển ngay bên trên mặt đất, với hoạt tính oxy hóa mạnh, ozone là thành phần đóng góp quan trọng vào khói bụi ô nhiễm làm giảm chất lượng không khí, 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
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 Ozone được đo cả bằng kỹ thuật đo trực tiếp
(in situ) và kỹ thuật viễn thám (remote sensing)
1.2.2 Nguyên lý phương pháp đo ozone trong khí quyển
1.2.2.1 Đo tổng lượng cột ozone
Tổng lượng cột ozone được đo bằng kỹ thuật viễn thám (phổ hấp thụ quang học vi sai) với các thiết bị có thể đặt trên mặt đất hoặc trên
vệ tinh (như quang phổ kế Dobson, quang phổ kế Brewer) để đo bức
Trang 9xạ ánh sáng (bức xạ mặt trời trực tiếp, bức xạ mặt trăng trực tiếp hay bức xạ từ bầu trời) trong dải phổ hấp thụ UV của ozone giữa 300 và
340 nm
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 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
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 – DAS) Các quá trình này là nguyên nhân gây nên sự suy hao của chùm tia bức xạ laser được phát bởi hệ LIDAR
Đối với ozone, tiết diện hấp thụ trong vùng tử ngoại lớn hơn nhiều tiết diện huỳnh quang và tiết diện tán xạ Raman Do vậy, sự suy hao của một chùm tia laser thích hợp gây bởi ozone sẽ là một phương pháp
có độ nhạy cao để xác định mật độ của ozone trong khí quyển
Trang 101.3.2 Hệ LIDAR và phương trình LIDAR
Các bộ phận chức năng và cách thức hoạt động của hầu hết các
hệ LIDAR được minh họa trong Hình 1.17 Một xung năng lượng quang học mạnh được phát bởi một laser đi qua một hệ quang học phát thích hợp hướng tới đối tượng được quan tâm khảo sát Một phần
nhỏ của xung được trích ra để đánh dấu thời điểm 0 (trigger) Bức xạ
được thu nhận bởi bộ quang học thu để qua một hệ phân tích phổ và đầu dò photon Hệ phân tích phổ lựa chọn khoảng bước sóng quan sát
và lọc lựa bưc xạ nền ở các bước sóng khác Các telescope Newtonian
và Cassegrainian là những bộ phận chính yếu trong hệ quang học thu
Hình 1.17 Các thành phần phần chủ yếu của một hệ lidar [3]
Tín hiệu LIDAR được thu nhận bởi đầu dò được biểu diễn dưới dạng phương trính LIDAR:
ngược, c tốc độ ánh sáng A là diện tích của bộ thu quang học để thu
nhận ánh sáng tán xạ ngược và là hiệu suất của hệ O(R) là hàm
Trang 11chồng chập giữa tia laser và trường nhìn của bộ thu, R là khoảng cách
từ đối tượng tán xạ tới telescope β(R,λ) là hệ số tán xạ ngược của các thành phần trong khí quyển α(R,λ) là hệ số suy hao do tán xạ và hấp
thụ của ánh sáng bởi phân tử và các hạt Thừa số 2 đại diện cho hai lần truyền đi về
1.3.3 Kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai
Kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai (Differential Absorption LIDAR hay gọi tắt là DIAL) cho phép phát hiện các khí trong khí quyển với
độ nhạy cao Trong kỹ thuật này, hai tần số được sử dụng, một ở tâm băng hấp thụ (λon) và một ở phần rìa của băng hấp thụ (λoff) Bằng việc
lấy tỷ số cường độ P on là tín hiệu lidar ở bước sóng λon và P off là tín hiệu ở λoff, mật độ của khí khảo sát được suy ra từ phương trình LIDAR
1.3.4 Lựa chọn bước sóng cho LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone
Để quan trắc phân bố ozone trong tầng đối lưu là nơi có mật độ ozone nhỏ nên bước sóng laser phải nằm trong vùng ozone hấp thụ mạnh, giữa khoảng 266 nm và 320 nm, để tăng độ nhạy phát hiện Ngoài ra, để lựa chọn cặp bước sóng tối ưu cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone, chúng ta cần cân nhắc và xem xét tiết diện hấp thụ ở hai bước sóng để đáp ứng độ cao quan trắc mong muốn, không ảnh hưởng đến độ phân giải không gian và giảm thiểu ảnh hưởng bởi các khí nhiễu
1.3.5 Đo phân bố ozone dùng kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai
trong khí quyển tầng thấp
Khảo sát phân bố ozone trong lớp khí quyển tầng thấp hay tầng đối lưu được nghiên cứu triển khai với các cặp bước sóng trong khoảng từ 266 nm tới 320 nm Các hệ LIDAR hấp thụ vi sai sử dụng
Trang 12các bức xạ phát từ họa ba bậc bốn của laser Nd:YAG ở 266 nm; bức
xạ laser là các vạch Stokes 289 nm, 299 nm, 316 nm từ các ống Raman chứa các khí hơi áp suất thấp H2, D2, He [48,49] hay 276.2 nm, 287.2
nm, 299.1 nm từ CO2 [50,51] được bơm bởi bước sóng họa ba bậc bốn của laser Nd:YAG ở 266 nm; cặp bước sóng 277 và 313 nm là dịch chuyển Raman kích thích (Stimulated Raman Shifting – SRS) của bức xạ 248 nm phát bởi laser excimer krypton-fluoride trong hydro [52]; hay các cặp bước sóng được phát bởi các hệ laser màu [39,53,54] Các hệ LIDAR hấp thụ vi sai này cho phép đo đạc phân
bố ozone đến các khoảng độ cao khác nhau trong tầng đối lưu tùy theo cặp bước sóng được sử dụng, cường độ bức xạ laser phát và điều kiện thời tiết
1.3.6 Tính toán phân bố nồng độ ozone theo độ cao
Đối với các hệ LIDAR hấp thụ vi sai tán xạ đàn hồi, phương trình
LIDAR (1.22) được viết cho hai bước sóng on và off Sau khi lấy tỷ
số, nồng độ ozone N(R) giữa độ cao R và R+R có thể viết bằng tổng
của các số hạng tín hiệu đo N s (R), số hạng tán xạ ngược vi sai N b (R)
và các số hạng suy hao vi sai N e (R) gây bởi các phân tử khí quyển,
son khí và các loại khí can thiệp như sau [3,39,58]:
𝑁𝑂3(𝑅) = 𝑁𝑠(𝑅) + 𝛿𝑁𝑏(𝑅) + 𝛿𝑁𝑒(𝑅) (1.31)
N S (R) là số hạng chính trong biểu thức nồng độ ozone (1.31), tính
trực tiếp từ tỷ số cường độ tín hiệu Các số hạng 𝛿𝑁𝑏(𝑅) và 𝛿𝑁𝑒(𝑅) được xem như các số hạng hiệu chỉnh, phải được tính toán để xác định nồng độ ozone phân bố theo độ cao chính xác hơn Phương pháp lặp
đã được sử dụng để xác định đồng thời hệ số tán xạ ngược
𝛽𝑎𝑒𝑟(𝜆𝑜𝑓𝑓, 𝑅), hệ số suy hao son khí 𝛼𝑎𝑒𝑟(𝜆𝑜𝑓𝑓, 𝑅), từ đó xác định
𝛿𝑁𝑏(𝑅) và 𝛿𝑁𝑒(𝑅) và mật độ phân bố ozone 𝑁𝑂3(𝑅) [39]
Trang 131.3.7 Độ chính xác của phép đo ozone dùng LIDAR hấp thụ vi
từ tín hiệu thu được và độ tuyến tính của tín hiệu lidar
Chương 2 Thiết kế và mô phỏng hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo
phân bố ozone trong khí quyển tầng thấp
2.1 Thiết kế hệ đo LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone
2.1.1 Sơ đồ khối hệ LIDAR hấp thụ vi sai
Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ LIDAR hấp thụ vi sai
Trang 14cấu đơn giản; có khoảng tinh chỉnh bước sóng lớn (10 – 20 nm tùy loại chất màu dùng làm môi trường hoạt tính) nên thuận lợi trong việc chọn các cặp bước sóng cho hệ DIAL đo ozone, giúp tránh ảnh hưởng của khí nhiễu lên kết quả đo; DFDL có độ rộng xung cỡ ps nên cho hiệu suất tốt hơn laser màu thông thường trong việc nhân tần tạo bước sóng UV Do vậy, luận án lựa chọn laser màu DFDL làm nguồn phát cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai.
2.1.3 Khối thu quang học
Bộ phận chính của khối thu quang học trong hệ LIDAR nói chung
và hệ LIDAR hấp thụ vi sai là một telescope Telescope được thiết kế
và nghiên cứu tự chế tạo với đường kính lớn tối thiểu là 40 cm để tăng
hệ số khuếch đại tín hiệu LIDAR Ngoài ra, phôi kính quang học dùng trong telescope này cần được phủ nhôm để có thể thu nhận tín hiệu tốt trong vùng tử ngoại
2.1.4 Khối thu quang điện tử
Khối thu điện tử của hệ LIDAR hấp thụ vi sai bao gồm ba bộ phận chính: chuyển đổi quang điện, tiền khuếch đại và bộ đếm đơn photon
Bộ chuyển đổi quang điện sử dụng nhân quang điện (Photomultiplier Tube – PMT), được lựa chọn có hiệu suất lượng tử cao trong vùng tử ngoại để tăng hiệu suất phát hiện của PMT trong vùng bước sóng này Tín hiệu LIDAR là tín hiệu có cường độ thấp nên các photon tán xạ ngược đàn hồi về thiết bị trở thành các xung rời rạc Do vậy, bộ thu điện tử cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai sẽ được thực hiện theo phương pháp đếm đơn photon Phương pháp đếm photon cũng có ưu điểm hơn nhiều so với phương pháp thu nhận tín hiệu tương tự do tính ổn định, hiệu suất phát hiện và tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR (signal to noise