Luận án Tiến sĩ Vật lý: 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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:127

Thêm vào BST

Báo xấu

30
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý: 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
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 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
MỤC LỤC 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 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) i
Danh mục ký hiệu A – diện tích của bộ thu quang học As – tiết diện tán xạ của tất cả các phần tử trong thể tích V AL – tiết diện tia laser A – thừa số Α , B(off,R) – thừa số 𝐵 𝜆 ,𝑅 , CM – gương tam giác 12 x 12 mm C1, C2, C3 – cuvette thạch anh G(R) – hàm mô tả thông số hình học phụ thuộc độ cao khi đo F – phin lọc bước sóng Ic – cường độ được tán xạ được telescope thu nhận Is – tổng cường độ được tán xạ vào góc khối 4 Io – 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(R) – mật độ khí khảo sát ở độ cao R Nb – số đếm photon nền Nd – số đếm dòng tối của PMT NIG(R) – mật độ khí nhiễu theo độ cao Nj – nồng độ của phần tử tán xạ loại j 𝑁 𝑅 – mật độ trung bình của ozone trong khoảng không gian có độ cao R Nph – số đếm photon tín hiệu NS(R) – mật độ ozone tính trực tiếp từ tỷ số cường độ tín hiệu ở on và off ii
Nλ – 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 Pb(λ,R) – cường độ tín hiệu bức xạ nền 𝑃 – công suất laser trung bình Pon(R) – cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on Poff(R) – cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng off P0 – cường độ trung bình của đơn xung laser P1, P2, P3 – lăng kính R – độ cao tán xạ ngược của bức xạ laser RS – 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 Ta – 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) frep – 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 iii
m1, …, m14 – gương 9 x 9 mm n – chiết suất môi trường hoạt chất, nP – chiết suất của vật liệu lăng kính 𝑛 – số đếm tổng cộng p – áp suất riêng phần cho ozone trong buồng phản ứng t – thời gian α – góc chùm bơm tới bề mặt lăng kính P1 α(R,λ) – hệ số suy hao ánh sáng λ – hệ số hấp thụ ozone ở bước sóng λ ’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) 3 – sai số do độ bất định của tiết diện hấp thụ của ozone iv
4 – sai số có nguồn gốc từ thiết bị và hệ điện tử 𝜁 – hiệu suất của hệ LIDAR  – số mũ Angstrom θ – góc giữa tia sáng và phương thẳng đứng on – bước sóng on off – bước sóng off λL là bước sóng laser, 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 v
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 vi
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 ................................ 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 viii
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 ix
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, 1
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 2
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 3
thụ vi sai hoạt động trong vùng bước sóng tử ngoại để nghiên cứu phân bố khí ozone trong khí quyển tầng thấp với độ phân giải cao. Việc phát triển một hệ thống 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 các nghiên cứu, khảo sát mà nhiều đơn vị trong nước đang rất quan tâm như Trung tâm Khí tượng Thủy văn, Viện Vật lý Địa cầu, Viện Công nghệ Vũ trụ, Viện Công nghệ Môi trường, …, 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. 4