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 ơnTrong quá trình thực hiện luận án “Nghiên cứu phân bố ozone trong khíquyển tầng thấp với độ phân giải cao trên cơ sở phát triển và ứng dụng phươngpháp LIDAR hấp thụ vi sai”, tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG

SAI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH QUANG HỌC

Hà Nội – 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG

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

Lời cam đoan

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 cáctác giả có liên quan đến luận án đều có nguồn gốc rõ ràng, được chỉ rõ trongphần Tài liệu tham khảo Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực, chưađược 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 khíquyển tầng thấp với độ phân giải cao trên cơ sở phát triển và ứng dụng phươngpháp LIDAR hấp thụ vi sai”, tôi đã nhận được sự hướng dẫn và truyền đạt kiếnthức rất tận tình của các thầy, cô, giảng viên của Viện Vật lý (Viện Hàn lâmKHCNVN) Tôi cũng đã nhận được sự hỗ trợ, tạo điều kiện, sự giúp đỡ quý báu từBan Lãnh đạo viện Hàn lâm KHCNVN, Ban Lãnh đạo Viện Vật lý, Phòng Đào tạoSau Đại học (Viện Vật lý), Ban Lãnh đạo và đồng nghiệp Viện Vật lý Thành phố HồChí 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 giáohướng 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 nhiềuđồng nghiệp khác trong Viện Vật lý đã cộng tác, giúp đỡ, chia sẻ trong công việcnghiên cứu

Tôi cũng xin cảm ơn những ý kiến đóng góp quý báu, các ý kiến phản biệncủa 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 NguyễnĐại Hưng đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trìnhthực hiện và hoàn thành luận án này

Tác giả luận án

NCS Phạm Minh Tiến

Lời cam đoan

Lời cảm ơn

Mục lục

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 PHÂN BỐ OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP 53

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

4.3 Kết quả đo đạc phân bố nồng độ ozone theo độ cao 95

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)

Danh mục ký hiệu

A – diện tích của bộ thu quang học

A L – tiết diện tia laser

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 dòozone

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

ఒఒ – công suất laser trung bình

P1, P2, P3 – lăng kính

R – độ cao tán xạ ngược của bức xạ laser

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

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

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

m1, …, m14 – gương 9 x 9 mm

n – chiết suất môi trường hoạt chất,

��,ఒ ఒ�, ��ఒ – hệ số suy hao do phân tử khí tán xạ

��,ఒ ఒఒ, ��ఒ – hệ số suy hao do phân tử khí hấp thụ

��,ఒ ఒఒ, ��ఒ – hệ số suy hao do son khí tán xạ

��,ఒ ఒఒ, ��ఒ – hệ số suy hao do son khí hấp thụ

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

khí)

௔௔௔

௔

 – 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 lớpdioxít sunphua

của toàn bộ khí quyển

với độ dày của lớp này

�� – số điều kiện vòng lặp son khí



��ఒ

�,ఒ ఒ�, ��ఒ – tiết diện tán xạ của phần tử j theo phương ngược lại ở bước sóng λ

��ఒ ఒ��ఒ – tiết diện hấp thụ

ఒ,ఒఒ ఒ��ఒ – tiết diện suy hao cho mỗi loại phần tử tán xạ j tại bước sóng 

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

vii

và bước sóng off được xác định ở 266 nm và 299,5 nm 41

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

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

bước sóng on 282,9 nm và of 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 sinhthái và sự sống Do sự nóng lên toàn cầu hiện nay, thời tiết có nhiều biến đổi bấtthường theo hướng không có lợi ở nhiều nơi trên Trái đất Chất lượng khôngkhí cũng suy giảm do không khí bị ô nhiễm bởi khí thải mà chúng có nguồn gốc từnhững hoạt động của con người Để có những hiểu biết tốt hơn sự gia tăng nhiệt độtrên toàn cầu, thời tiết, cũng như chất lượng không khí, chúng ta phải hướng mốiquan 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

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 bìnhlưu (có độ cao trải từ 10 tới 50 km), các phân tử ozone được hình thành và phá hủyqua các quá trình quang hóa tự nhiên, góp phần vô cùng quan trọng vào việc bảo vệtrái đất bằng cách hấp thụ hầu hết các bức xạ tử ngoại nguy hiểm từ Mặt trời trongdải bước sóng từ 200 đến 300 nm Tầng đối lưu nằm trong vùng từ mặt đất lên độcao khoảng 10 km, ozone được tạo ra qua các phản ứng quang hóa của các chất cónguồn gốc từ khí thải là oxide nitơ (NOx) và các chất hữu cơ dễ bay hơi Trongđiều kiện bức xạ mặt trời mạnh (buổi trưa hay đầu giờ chiều) lượng khí ozone sẽđược tạo ra nhiều, làm tăng mật độ khí ozone ở lớp khí quyển gần mặt đất lênmức 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 trọngvào khói bụi ô nhiễm (photochemical smog) làm giảm chất lượng không khí, đặcbiệt là trong các đô thị lớn, các khu công nghiệp, là một trong những tác nhân chínhảnh 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 củaozone 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 kỹthuật và phương pháp đang được sử dụng hiện nay để xác định nồng độ và phân bốozone 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 vệtinh và LIDAR (Light Detection And Ranging) Mỗi kỹ thuật và phương pháp triểnkhai đo phân bố nồng độ ozone đều có những điểm mạnh, điểm yếu riêng, bổ sungcho 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 đặctrưng vật lý của khí quyển theo không gian và thời gian Hiện nay LIDAR đã trởthành 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

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 đođạc ozone trong điều kiện cả ban ngày và lẫn ban đêm [3] Để xác định phân bố củaozone, kỹ thuật thông thường được sử dụng là LIDAR hấp thụ vi sai (DifferentialAbsorption Lidar – DIAL) [3]

Về tình hình quan trắc ozone ở nước ta, trong báo cáo của Trung tâmQuan 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 sốliệu 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 chobiết, các số liệu ozone khí quyển chỉ được quan trắc tại 1 địa điểm là Đài Khí tượngCao 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 Phươngpháp 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 xuyêntheo thời gian

để thu thập các dữ liệu khói bụi, khí thải vào môi trường không khí cũng nhằm đểtăng cường hiểu biết về khí hậu và biến đổi khí hậu Một số trường Đại học, Việnnghiên 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 trongnghiên cứu triển khai các hệ thống LIDAR Viện Vật lý đã có nhiều công nghệ nềnthuận lợi để phát triển các hệ LIDAR và Viện cũng đã xây dựng và phát triển thànhcông nhiều hệ thống LIDAR hoạt động trong vùng khả kiến và hồng ngoại có khảnăng xác định được các thông số đặc trưng của son khí khí quyển tới độ cao

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

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

thụ vi sai hoạt động trong vùng bước sóng tử ngoại để nghiên cứu phân bố khíozone trong khí quyển tầng thấp với độ phân giải cao Việc phát triển một hệthống DIAL đo đạc nồng độ, phân bố ozone như vậy rất có ý nghĩa về mặt khoa học

vì đây sẽ là đóng góp mới của ngành vật lý trong nước, góp phần chủ động trong cácnghiên cứu, khảo sát mà nhiều đơn vị trong nước đang rất quan tâm như Trung tâmKhí tượng Thủy văn, Viện Vật lý Địa cầu, Viện Công nghệ Vũ trụ, Viện Công nghệ Môitrường,

…, 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 đođạc ở hai bước sóng tử ngoại ở 282,9 nm và 286,4 nm Hệ sẽ thu ghi và xử lý các tínhiệu LIDAR tán xạ ngược đàn hồi, qua đó tính toán xác định phân bố mật độ củaozone theo độ cao trong lớp khí quyển tầng thấp Hệ bao gồm các cấu phầnchính

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 toánphân 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 trongnước 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 trênthế 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:

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 khíquyển

chọn nguồn phát và tính toán mô phỏng hệ LIDAR hấp thụ vi sai hoạt động trongvùng bước sóng tử ngoại

cân chỉnh và vận hành, hệ đã thu ghi thành công tín hiệu LIDAR tử ngoại

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

Nội dung của bản luận án được hỗ trợ phần lớn tài chính từ đề tài nghiêncứu khoa học mã số VAST01.08/13-14 thuộc Hướng KHCN ưu tiên: Công nghệthông tin, điện tử, tự động hóa và công nghệ vũ trụ (Mã số hướng: VAST01) củaViện 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 kháiquát về khí ozone, sự hình thành cũng như vai trò của ozone trong khí quyển củaTrái đất, nhất là trong lớp khí quyển tầng thấp Lớp khí quyển tầng thấp đượchiểu 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 thuậtđược sử dụng chủ yếu hiện nay để đo đạc phân bố ozone theo độ cao là đầu dòđiện hóa, kỹ thuật Umkehr và kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai Phần 3 sẽ đi sâu trìnhbày nguyên lý vật lý phương pháp LIDAR hấp thụ vi sai, là phương pháp được pháttriển trong khuôn khổ của luận án Cùng với các phương pháp đo phân bố ozonethông dụng khác từ mạng lưới quan trắc ozone toàn cầu, phương pháp LIDAR hấpthụ vi sai sẽ giúp cung cấp một bức tranh toàn cảnh về phân bố ozone trong khíquyển

1.1 Ozone trong khí quyển tầng thấp

Ozone được phát hiện bởi nhà hóa học người Đức Christian Friedrich

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 nhưngozone 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 hếtlượng 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 Buissonphát hiện ra năm 1913 Các khảo sát chi tiết tầng ozone được nhà khí tượnghọc người Anh là G.M.B.Dobson thực hiện Ông đã triển khai thiết bị quang phổ kếđơn 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 lướiquan trắc quốc tế đo hàm lượng ozone trên tầng bình lưu rất thuận tiện và vẫn còntiếp tục hoạt động cho đến ngày nay [2]

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

vỡ liên kết đến 100.000 phân tử ozone [7].

Không như sự hình thành của ozone trong tầng bình lưu, ozone tầng đối lưuđược sinh ra trong khoảng 50 m tính từ mặt đất thông qua các phản ứng quang

Organic Compound – VOC) dưới tác dụng của bức xạ mặt trời VOC có thể đượcthải 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 dầutrong thực vật sống, được bốc hơi trong những điều kiện khắc nghiệt, nhất là vào

các nhiên liệu hóa thạch như dầu, khí gaz và than đá Trong khí quyển, ozone được

tự do kết hợp với phân tử oxy để tạo thành ozone cùng với NO [7,8,9]:

���ఒ  ℎ��ఒఒ  380����ఒ → ఒ ఒ  ఒ

 ఒ∗

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

hủy phân tử ozone sẽ giảm đi Sự có mặt của các sản phẩm hóa học có nguồn gốc

phần chủ yếu tạo nên sương khói quang hóa trong môi trường đô thị, chỉ một phầnozone 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 cóđỉnh vào giữa trưa và xuống thấp nhất vào ban đêm Tuy nhiên, khu vực nông thôncũng 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 tìnhtrạng thời tiết, nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, … (Hình 1.5) Do nồng độ ozone phụthuộc vào nhiệt độ cao và ánh sáng mặt trời nên nồng độ cao của ozone thườngxảy ra vào những tháng hè nóng nực (Hình 1.6)