Nghiên cứu và phát triển kỹ thuật LIDAR ứng dụng khảo sát phân bố nhiệt độ và mật độ khí quyển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

NGUYỄN XUÂN TUẤN

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT LIDAR
ỨNG DỤNG KHẢO SÁT PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ VÀ
MẬT ĐỘ KHÍ QUYỂN

LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ

HÀ NỘI – 2016


MỤC LỤC
Danh mục hình …………………………………………………………………..….....i
Danh mục bảng……………………………………………………………………...….v
Mở đầu …………………………………………………………………………………1
Chương 1
Nguyên lí của lidar xác định mật độ phân tử, nhiệt độ khí quyển ………….……6
1.1 Nguyên lí chung của Lidar…………………………………………………………6
1.2 Khí quyển Trái đất …………………………………………………………………7
1.2.1 Cấu trúc của khí quyển ……………………………………………………7
1.2.2 Thành phần của khí quyển ………………………………………………10
1.3 Tương tác của ánh sáng với khí quyển ……………………………………………10
1.3.1 Tán xạ Rayleigh và sự dập tắt của phân tử ………………………………11

1.3.2 Tán xạ Mie và sự dập tắt của sol khí ……………………………………..13
1.3.3 Tán xạ Raman của phân tử ……………………………………………….14
1.4 Nguyên lí của lidar xác định phân bố nhiệt độ ………………………………..…...16
1.4.1 Xác định phân bố nhiệt độ…………………………………………………..16
1.4.2 Xác định phân bố nhiệt độ từ lidar Rayleigh ……………………….………18
1.4.2.1 Xác định mật độ phân tử khí quyển ……………………………..18
1.4.2.2 Xác định hệ số tán xạ ngược của sol khí ………………………...20
1.4.3 Xác định phân bố nhiệt độ từ lidar Raman ………………………………..22
1.4.4.1 Xác định mật độ phân tử …………. …………………………..…22
1.4.4.2 Xác định hệ số suy hao của sol khí …………………………..…..23
1.4.4 Xác định phân bố nhiệt độ từ lidar đàn hồi-Raman kết hợp ………………24


1.5 Tổng kết chương 1 ……………………………………………………………….…25
Chương 2
Thiết kế và xây dựng các hệ lidar …………………………………….…………..….27
2.1 Hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman ……………………………………………….…...27
2.1.1 Mở đầu ………………………………………………………………….....27
2.1.2 Mô tả hoạt động ………………………………………………………..….30
2.1.3 Đặc trưng ……………………………………………………………….....33
2.1.3.1 Khối phát ……………………………………………………..….33
2.1.3.2 Khối nhận …………………………………………………..…....33
2.1.4 Tối ưu sự sắp xếp cấu hình của hệ lidar ………………………………..…38
2.1.5 Đánh giá độ tin cậy và độ ổn định của hệ lidar …………………….…….41
2.1.6 Đánh giá tỉ số tín hiệu /nhiễu ……………………………………………..44
2.1.7 Thảo luận ………………………………………….………………..……..47
2.2 Hệ lidar Rayleigh - Raman ………………………………………….………48
2.2.1 Phát triển module gated-ống nhân quang điện ……………………………48
2.2.1.1 Mở đầu …………………………………………………….….…48
2.2.1.2 Thiết kế và hoạt động của module gated-PMT ………………….51

2.2.2 Hoạt động và đặc trưng của hệ lidar Rayleigh - Raman ……………….…55
2.2.3 Các phép đo đánh giá ………………………………………………….….58
2.2.4 Thảo luận ………………………………….…………………………...….65
2.3 Kết luận chương 2 ……………………………………………………………….…66
Chương 3
Xác định phân bố mật độ và nhiệt độ khí quyển ……………………………..….…68
3.1 Mở đầu ………………………………………………………………………….….68


3.2 Phép đo nhiệt độ dùng lidar Rayleigh ………………………………………….….70
3.2.1 Xử lý dữ liệu lidar ………………………………………………………70
3.2.1.1 Sơ đồ thuật giải nhiệt độ ………………………………………..71
3.2.1.2 Xác định thừa số tín hiệu lidar hiệu dụng ………………………74
3.2.1.3 Xác định phân bố mật độ phân tử khí quyển …………………….80
3.2.1.4 Xác định phân bố nhiệt độ khí quyển ……………………………84
3.2.2 Phân tích sai số nhiệt độ của lidar Rayleigh …………….………………..86
3.2.3 Thảo luận ………………………………………….………………...……88
3.3 Phép đo nhiệt độ dùng lidar Raman ………………………………………………..89
3.3.1 Xử lý dữ liệu lidar Raman ……………………………………………....90
3.3.1.1 Sơ đồ thuật giải nhiệt độ ………………………………………...90
3.3.1.2 Xác định tín hiệu lidar Raman hiệu dụng …………………….…92
3.3.1.3 Xác định mật độ phân tử khí quyển …………………………..…95
3.3.1.4 Xác định phân bố nhiệt độ khí quyển ………………………...…99
3.2.2 Phân tích sai số nhiệt độ của lidar Raman ………………...……………101
3.3.2 Thảo luận ………………………………………..…………………..….103
3.4 Phép đo nhiệt độ dùng lidar đàn hồi-Raman kết hợp …………………………..…104
3.4.1 Xử lý dữ liệu lidar đàn hồi-Raman kết hợp ……………………………105
3.4.1.1. Sơ đồ thuật giải nhiệt độ ……………………………………....105
3.4.1.2 . Xác định tín hiệu lidar đàn hồi hiệu dụng ……………………..107
3.4.1.3 Xác định mật độ phân tử khí quyển ……………………………110

3.4.1.4 Xác định phân bố nhiệt độ khí quyển ……………………….…112
3.3.2.5 Phân tích sai số nhiệt độ lidar đàn hồi-Raman kết hợp …….…114
3.4.2 Thảo luận ………………………………………….………………….…116
3.5 Kết luận chương 3 ………………………………………………………………...116


Chương 4
Nghiên cứu cấu trúc và đặc trưng khí quyển tại Hà nội …………...……………..120
4.1 Mở đầu ………………………………………………………………...……….…120
4.2 Nghiên cứu cấu trúc và đặc trưng tầng đối lưu ………………………………..…121
4.2.1. Cấu trúc và đặc trưng nhiệt độ của tầng đối lưu…………………………….….121
4.2.2. Mối liên hệ giữa lớp đối lưu hạn và mây Ti tầng cao…………………. ……....127
4.3 Nghiên cứu cấu trúc và đặc trưng tầng bình lưu khí quyển ………………………128
4.4 Kết luận chương 4 …………………………………………………………..…….131
Kết luận ……………………………………………………………………………....132
Danh mục các công trình khoa học đã công bố ……………………………………134
Tài liệu tham khảo ………………………………………………………………..…136
Phụ lục…………………………………………………………………………………i


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1.

Nguyên lí cơ bản của lidar

Hình 1.2.

Cấu trúc của khí quyển theo độ cao

Hình 1.3.

Phân bố mật độ ô zôn của bán cầu Bắc

Hình 1.4.

Sự biến đổi độ cao của lớp đối lưu hạn từ cực Bắc tới xích đạo

Hình 1.5.

Thành phần khí quyển tính theo thể tích

Hình 1.6.

Sự phụ thuộc cường độ tán xạ Rayleigh vào góc tán xạ của phân tử
[40].
Sự phụ thuộc của cường độ tán xạ Mie vào góc tán xạ ở bước sóng 532

Hình 1.7.

nm với các hạt có bán kính khác nhau. , (a): 0.1 µm, (b): 1 µm, (c): 10
µm, (d): 50 µm, (e): 100 µm, (f): 1000 µm.
Hình 1.8

Phổ tán xạ Raman của một vài phân tử khí quyển ứng dụng trong lidar ở
các bước sóng 355nm, 532 nm ở điều kiện áp suất thường và nhiệt độ
300 0K.

Hình 2.1.

Cấu trúc cơ bản của một hệ lidar.

Hình 2.2.

Cấu hình đơn tĩnh lưỡng trục của một hệ lidar.

Hình 2.3

Sơ đồ khối của hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman.

Hình 2.4.

Ảnh chụp hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman đang hoạt động.

Hình 2.5.

Đặc trưng truyền qua và phản xạ của DMLP567.

Hình 2.6.

Đặc trưng của FL532-3 nm (a), FL550 nm longpass (b), FL610-10 nm
(c).

Hình 2.7.

Đặc trưng độ nhạy quang của cathode và độ khuếch đại của H6780-20.

Hình 2.8.

Ảnh của module ống nhân quang điện H6780-20.

Hình 2.9.

Sơ đồ mạch điện (a) và ảnh (b) của bộ khuếch đại.

Hình 2.10.

Giao diện của phần mềm xử lí và lưu giữ tín hiệu lidar.

Hình 2.11.

Phân bố hàm chồng chập của hệ lidar Raman-đàn hồi kết hợp.


Hình 2.12.

Tín hiệu Raman tích phân trong 10 phút (a) và tín hiệu Raman hiệu chỉnh
khoảng cách so với mật độ phân tử Ni tơ từ mô hình MSISE-90 (b).

Hình 2.13.

Tín hiệu lidar Raman hiệu chỉnh khoảng cách của 6 file liên tiếp theo
thang lôgarít.

Hình 1.14.

Tín hiệu lidar đàn hồi được tích phân trong 10 phút (a) và tín hiệu lidar
đàn hồi hiệu chỉnh khoảng cách (logarit) so sánh với mật độ phân tử của
thám không (b).

Hình 2.15.

Tỉ số tín hiệu /nhiễu với độ phân giải không gian khác nhau của tín hiệu
lidar đàn hồi (a) và lidar Raman (b) tích phân trong 10 phút.

Hình 2.16.

Tỉ số tín hiệu /nhiễu với các độ phân giải thời gian khác nhau của tín hiệu
lidar đàn hồi (a) và tín hiệu lidar Raman (b) với độ phân giải không gian
là 24 m.

Hình 2.17.

Minh họa hiệu tượng nhiễu sinh tín hiệu của ống nhân quang điện.

Hình 2.18.

Sơ đồ khối của module gated-ống nhân quang điện.

Hình 2.19.

Sơ đồ mạch điện của mạch tách sóng và làm trễ.

Hình 2.20.

Sơ đồ của mạch phát xung gate và mạch chia thế của PMT.

Hình 2.21.

Ảnh của module gated-ống nhân quang điện, (a) đơn vị tạo xung gate và

chia thế, (b) đơn vị tách sóng và làm trễ xung cùng các nguồn nuôi.

Hình 2.22.

Sơ đồ khối của hệ lidar tích phân nghiên cứu khí quyển tầng cao.

Hình 2.23.

Một phân bố tín hiệu lidar đo được của hệ lidar Rayleigh-Raman.

Hình 2.24.

Kết quả của phép đo đánh giá ảnh hưởng của nhiễu sinh ra tín hiệu lên
module gated-ống nhân quang điện, (a): kết quả đo trong trường hợp mây
đậm đặc, (b): tín hiệu ở trên điểm gate ở hai kênh Rayleigh và Raman
trong đó kênh Rayleigh được nhân lên 3 lần.

Hình 2.25

Tín hiệu lidar hiệu chỉnh khoảng cách từ module gated-PMT.

Hình 2.26.

Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách của 10 file liên tiếp dùng module gatedPMT.


Hình 2.27

Sự phụ thuộc của cường độ tín hiệu lidar (a) và tỉ số tín hiệu /nhiễu (b)
vào độ phân giải thời gian của lidar Rayleigh với độ phân giải không gian

là 24 m.

Hình 2.28

Sự phụ thuộc của cường độ tín hiệu lidar (trái) và tỉ số tín hiệu /nhiễu
(phải) vào độ phân giải không gian của lidar Rayleigh với độ phân giải
thời gian là 10 phút.

Hình 3.1.

Sơ đồ tổng quát của thuật giải nhiệt độ khí quyển từ lidar Rayleigh.

Hình 3.2.

Mật độ phân tử ozone (a) và hệ số truyền qua một vòng khí quyển của
ozone (b) tại tọa độ lân cận với Hà nội (nguồn: />
Hình 3.3.

Tín hiệu lidar hiệu chỉnh khoảng cách (thang logarithm) (a), và độ chênh
lệch tín hiệu lidar (b) trước và sau khi hiệu chỉnh bởi hấp thụ của ô zôn.

Hình 3.4.

Tỉ số tán xạ tán xạ tương đối Raer(z) của sol khí, sử dụng mật độ mô hình
khí quyển (màu đen), sử dụng mật độ tính từ tín hiệu lidar không lặp
(mầu đỏ) và lặp (màu xanh).

Hình 3.5.

Hệ số truyền qua một vòng khí quyển của sol khí xác định từ lidar, (đen):

sử dụng mật độ mô hình, (đỏ): sử dụng mật độ lidar không lặp, (xanh):
sử dụng mật độ lidar và lặp.

Hình 3.6.

Tín hiệu lidar đo được (đỏ) và tín hiệu lidar hiệu dụng (xanh): (a), độ lệch
tương đối giữa tín hiệu đo được và tín hiệu lidar hiệu dụng (b).

Hình 3.7.

Mật độ từ tín hiệu lidar đo được (đỏ) và tín hiệu lidar hiệu dụng (xanh).

Hình 3.8.

Độ lệch mật độ tương đối (theo %) giữa tín hiệu đo được và hiệu dụng
(a), giữa lidar và mô hình (b).

Hình 3.9.

Sai số mật độ phân tử Rayleigh (a), hệ số truyền qua một vòng của phân
tử T2mol(z) từ tín hiệu lidar Rayleigh (b).

Hình 3.10.

Phân bố nhiệt độ xác định từ tín hiệu lidar Rayleigh đo được (xanh) và
từ tín hiệu lidar hiệu dụng (đen) và phân bố nhiệt độ mô hình MSISE-90
(đỏ).


Hình 3.11.

Ảnh hưởng của giá trị nhiệt độ tham khảo lên phân bố nhiệt độ. Đường
đỏ: nhiệt độ tham khảo ban đầu, xanh lá cây: ±5%, xanh da trời: ±1%.

Hình 3.12.

Sai số nhiệt độ lidar Rayleigh do sol khí (đỏ), hấp thụ ozone (tím), Tref
(xanh da trời), nhiễu (xanh lá cây) và lỗi tổng cộng (đen).

Hình 3.13.

Sơ đồ tổng quát của thuật giải nhiệt độ khí quyển từ tín hiệu lidar Raman.

Hình 3.14.

Mật độ phân tử ozone (a) và hệ số truyền qua một vòng khí quyển (b) của
ozone trong tầng đối lưu.

Hình 3.15.

Hệ số dập tắt của sol khí αaer(z) (a) và hệ số truyền qua khí quyển một
vòng của sol khí xác định bằng tín hiệu lidar Raman tích phân trong 1h.

Hình 3.16.

Tín hiệu lidar Raman đo được (đỏ) và Raman hiệu dụng (xanh) 10 phút:
(a), độ lệch tương đối giữa tín hiệu Raman đo được và hiệu dụng (b).

Hình 3.17.

Mật độ phân tử Ni tơ xác định từ lidar Raman (a), đỏ: không lặp, xanh:
lặp, đen: thám không vô tuyến, hệ số truyền qua môt vòng khí quyển của
phân tử (b).

Hình 3.18.

Mật độ phân tử Ni tơ được xác định từ tín hiệu lidar Raman (a), đỏ: đo
được và xanh: hiệu dụng, lỗi của mật độ phân tử Ni tơ (b).

Hình 3.19

Phân bố mật độ phân tử Ni tơ (a) và độ chênh lệch mật độ lidar-thám
không từ lidar Raman lúc 22 giờ 01 phút ngày 26 tháng 6 năm 2013 tại
Hà nội (b).

Hình 3.20.

Phân bố nhiệt độ Raman dùng phương pháp lặp (xanh) và không lặp (đỏ)
so sánh với phép đo thám không vô tuyến (đen).

Hình 3.21.

Phân bố nhiệt độ từ tín hiệu lidar Raman đo được (đỏ) và Raman hiệu
dụng (xanh) và thám không vô tuyến (đen).

Hình 3.22.

Sai số nhiệt độ của lidar Raman (a) và sai số tính theo % (b).

Hình 3.23.

Tín hiệu lidar từ phép đo lidar đàn hồi-Raman kết hợp, (a) là tín hiệu lidar
thô, (b) là tín hiệu lidar hiệu chỉnh khoảng cách.

Hình 3.24.

Sơ đồ thuật giải nhiệt độ tổng quát của lidar đàn hồi-Raman kết hợp.

Hình 3.25.

Hệ số tán xạ ngược của phân tử, sol khí, tổng cộng (a) và tỉ số tán xạ
ngược tương đối của sol khí Raer(z) (b).


Hình 3.26.

Hệ số dập tắt (a) và hệ số truyền qua một vòng của sol khí Taer(z) (b).

Hình 3.27.

Tín hiệu lidar đàn hồi đo được và hiệu chỉnh sol khí (a), tín hiệu lidar đàn
hồi đo được và hiệu dụng hiệu chỉnh khoảng cách (b).

Hình 3.28.

Mật độ phân tử khí quyển từ tín hiệu lidar (a), lỗi mật độ (b).

Hình 3.29

Độ chênh lệch mật độ phân tử giữa lặp và không lặp(a) và lidar và thám

không vào 20 giờ 10 phút ngày 2 tháng 12 năm 2011 tại Hà nội.

Hình 3.30.

Phân bố nhiệt độ khí quyển từ tín hiệu lidar kết hợp đàn hồi-Raman.

Hình 3.31.

Độ chênh lệch nhiệt độ tương đối dùng phương pháp lặp và không lặp
(a), giữa lidar và thám không (b).

Hình 3.31.

Sai số nhiệt độ của lidar kết hợp đàn hồi-Raman (a) và sai số nhiệt độ
tính theo % (b).

Hình 4.1.

Phân bố nhiệt độ và sai số nhiệt độ từ lidar kết hợp đàn hồi-Raman vào
20 giờ 10 phút ngày 2 tháng 12 năm 2011 tại Hà nội.

Hình 4.2.

Một số phân bố nhiệt độ trong tháng 12 năm 2011 từ lidar kết hợp đàn
hồi-Raman với các ngày được cho ở trên hình.

Hình 4.3.

Một số phân bố nhiệt độ vào mùa hè tại Hà nội năm 2012 như: 25 tháng
4 và 16 tháng 5, vào mùa thu như: 31 tháng 10 và 12 tháng 11.

Hình 4.4.

Một số phân bố nhiệt độ của tháng 6 năm 2013 từ lidar Raman (a): ngày
8/6, (b): ngày 12 /6, (c): ngày 19 /6, (d): ngày 26 /6.

Hình 4.5.

Phân bố nhiệt độ và sai số từ lidar Raman vào ngày 26 tháng 6 năm 2013
tại Hà nội.

Hình 4.6.

Phân bố nhiệt độ và phân bố cường độ tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách
(thang ln) cho thấy mối liên hệ giữa lớp đối lưu hạn và lớp mây Ti tầng
cao.

Hình 4.7.

Phân bố nhiệt độ và sai số từ lidar Rayleigh tại Hà nội ngày 26/6/2013.

Hình 4.8.

Một số phân bố nhiệt độ tháng 6/2013 từ lidar Rayleigh (a): 20 h 55 phút
ngày 8, (b): 23 giờ 17 phút ngày 12, 21 giờ 13 phút ngày 19, 22 giờ 01
phút ngày 26.


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1

Sự phân tầng của khí quyển [46]

Bảng 2.1

Các thông số chính của laser Nd:YAG @ 532 nm [69]

Bảng 2.2

Một vài thông số chính của ống nhân quang điện H6780-20 [20]

Bảng 2.3

Các thông số chính của oscilloscopes picoscope 5204 [19]

Bảng 2.4.

Các thông số chính của hệ lidar đàn hồi-Raman kết hợp.

Bảng 2.5

Đặc trưng kỹ thuật của hệ lidar Rayleigh-Raman.

Bảng 2.6

So sánh hệ lidar Rayleigh-Raman ở Việt Nam với một số hệ lidar khác


Mở đầu

Nhiệt độ và mật độ phân tử khí quyển là hai tham số then chốt cần được xác
định trong nghiên cứu khí quyển. Bởi vì chúng đóng vai trò quan trọng trong nhiều
lĩnh vực như: Vật lý khí quyển, Khí tượng, Khí hậu, Hóa học khí quyển... Nhiệt độ
là thông số động lực mô tả trạng thái tức thời của khí quyển có tính địa phương nên
nó xuất hiện trong các bản tin dự báo thời tiết hàng ngày. Phân bố nhiệt độ khí quyển
thẳng đứng chỉ ra cấu trúc và đặc trưng của khí quyển tại nơi khảo sát. Hơn nữa, nhiệt
độ và mật độ là hai tham số đầu vào cơ bản trong các quá trình mô phỏng và mô hình
hóa dự báo thời tiết và khí hậu.
Phân bố nhiệt độ của tầng bình lưu khí quyển (stratosphere) có liên hệ mật
thiết tới nồng độ khí ô zôn (ô zôn) trong tầng khí quyển này. Bởi vì nồng độ khí ô
zôn được cho là yếu tố gây ra sự gia tăng nhiệt độ trong tầng khí quyển này. Sự suy
giảm nồng độ khí ô zôn là một vấn đề có tính thời sự trong nghiên cứu khí quyển. Vì
vậy, khuynh hướng của phân bố nhiệt độ ở tầng bình lưu trong dài hạn có thể cung
cấp thông tin quan trọng về sự biến đổi nồng độ ô zôn trong tầng khí quyển này [77].
Bên cạnh đó, tầng bình lưu và tầng đối lưu của khí quyển có mối liên hệ chặt
chẽ với nhau thông qua các quá trình liên kết (coupling) và trao đổi (exchange) năng
lượng và xung lượng. Mối liên hệ này có thể chỉ ra sự biến đổi khí hậu trên một diện
rộng. Sự biến đổi khí hậu đã trở thành hiện tượng có thể trông thấy trực tiếp ngày nay
bởi các hiện tượng thời tiết cực đoan như La Nina, El Nino. Việt Nam là một trong
những quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề của các quá trình biến đổi khí hậu này. Vì
vậy nghiên cứu xu hướng biến đổi nhiệt độ của khí quyển trở thành một nhu cầu cấp
thiết không chỉ trong khoa học mà cả trong đời sống.
Hai kỹ thuật chủ yếu đang được sử dụng đo đạc nhiệt độ và mật độ khí quyển
hiện nay là kỹ thuật đo đạc trực tiếp và kỹ thuật viễn thám (remote sensing). Kỹ thuật
đo đạc trực tiếp sử dụng các đầu đo gắn trên các thiết bị chuyển động trên không như:
kỹ thuật thám không vô tuyến (balloon-based radiosonde), kỹ thuật dùng tên lửa
(rocketsonde), và dùng máy bay. Trong khi đó, kỹ thuật viễn thám sử dụng các nguồn
1

bức xạ thụ động hoặc các nguồn bức xạ chủ động để xác định phân bố nhiệt độ. Ngày
nay kỹ thuật thám không vô tuyến vẫn là kỹ thuật đo nhiệt độ chủ yếu cung cấp thông
tin cho các bản tin dự báo thời tiết ở Việt Nam cũng như các quốc gia trên thế giới.
Tuy nhiên, kỹ thuật thám không vô tuyến không bao phủ hết tầng bình lưu (độ cao
cực đại đạt được khoảng 30 km do giới hạn của bóng thám không) và kết quả là một
phân bố rời rạc và tọa độ thay đổi do sự trôi của bóng thám không. Số lần đo hạn chế
với 2 lần trong ngày ở Việt Nam. Kỹ thuật đo đạc dùng tên lửa chỉ dùng cho trường
hợp nghiên cứu đặc biệt vì quá đắt đỏ và yêu cầu hạ tầng kỹ thuật cao. Phép đo dùng
máy bay không cho phân bố thẳng đứng ở tại một vị trí quan sát.
Mặc dù phép đo mật độ phân tử và nhiệt độ khí quyển bằng nguồn ánh sáng
đèn flash đã được thực hiện bởi L. Elterman, 1953 [60], tuy nhiên, từ khi laser được
phát minh thì việc ứng dụng chúng vào một kỹ thuật tương tự như radar (radio wave
detection and ranging) trong việc nghiên cứu khí quyển mới bước sang một trang
mới. Với các nguồn laser xung có mật độ công suất cao, lidar (light detection and
ranging) đã trở thành một kỹ thuật viễn thám chủ động tiên tiến trong nghiên cứu khí
quyển. Dựa trên các kết quả quan trắc phân bố thẳng đứng của mật độ phân tử và
phân bố nhiệt độ với độ phân giải thời gian và không gian cao của khí quyển từ lidar,
nhiều hiện tượng và quá trình của khí quyển Trái đất như: sóng trọng lực (gravity
wave), sóng hành tinh (planetary wave), thủy triều khí quyển (atmospheric tide) mới
được nghiên cứu đầy đủ và chi tiết hơn.
Ngày nay, các kỹ thuật lidar đã được phát triển cho việc đo phân bố mật độ
phân tử và nhiệt độ của khí quyển như: kỹ thuật lidar tích phân (integration lidar) [9],
kỹ thuật lidar Raman quay (rotation Raman lidar) [65], kỹ thuật lidar huỳnh quang
cộng hưởng (resonance fluorescence lidar) [7], kỹ thuật lidar hấp thụ vi phân
(diferential absorption lidar) [91], và kỹ thuật lidar phân giải phổ cao (high spectral
resolution lidar) [59]. Kết quả thu được các phân bố có thể bao phủ từ mặt đất tới
tầng nhiệt khí quyển (thermosphere) với thời gian từ vài phút đến hàng tuần quan sát
liên tục tại một trạm quan sát có sự kết hợp của nhiều kỹ thuật lidar khác nhau.

2

Kỹ thuật lidar tích phân sử dụng tán xạ Rayleigh hoặc tán xạ Raman dao độngquay để xác định phân bố mật độ phân tử khí quyển. Bằng cách lấy tích phân phương
trình thủy tĩnh của khí quyển kết hợp với phương trình khí lý tưởng, phân bố nhiệt độ
có thể được dẫn ra từ phân bố mật độ phân tử sau khi sử dụng một giá trị nhiệt độ
tham khảo ở vị trí biên [88]. Giá trị nhiệt độ tham khảo này có thể nhận được từ một
dữ liệu khác (thám không vô tuyến hoặc mô hình khí quyển). Mật độ phân tử khí
quyển có thể được xác định trực tiếp từ các phân bố tín hiệu lidar như: tín hiệu lidar
Rayleigh, tín hiệu lidar Raman. Trong vùng khí quyển mà mật độ của sol khí (aerosol)
là rất thấp so với mật độ phân tử, dẫn đến đóng góp của tán xạ ngược của sol khí vào
tín hiệu lidar đàn hồi tổng cộng là rất nhỏ thì tín hiệu lidar Rayleigh có thể được dùng
để xác định mật độ phân tử. Khi mở rộng xuống vùng khí quyển chứa sol khí, thì tán
xạ Raman có thể được sử dụng để xác định mật độ phân tử với giả thiết là nồng độ
của phân tử tán xạ Raman là không đổi trong khí quyển, hoặc kết hợp cả hai tín hiệu
lidar Raman và tín hiệu lidar đàn hồi để hiệu chỉnh tán xạ ngược của sol khí trong tín
hiệu lidar đàn hồi, rồi từ đó xác định được mật độ phân tử. Hiện nay, việc mở rộng
kỹ thuật này xuống vùng khí quyển thấp nơi có đối lưu mạnh (dưới 3 km) bị giới hạn
vì giả thiết cân bằng thủy tỉnh của khí quyển có thể không còn tin cậy nữa.
Phép đo mật độ và nhiệt độ của quyển đầu tiên dùng lidar Rayleigh được thực
hiện bởi A. Hauchecorne và M. Chanin [9] bằng cách dùng một giá trị áp suất tham
khảo ở biên. Kết quả thu được phân bố nhiệt độ và mật độ từ 30 km tới tầng trung
lưu thấp (mesosphere). Bằng cách dùng một nhiệt độ tham khảo và lấy tích phân của
cả khối khí quyển, Shibata. T và đồng nghiệp cũng thu được kết quả tương tự [88].
W. N. Chen và đồng nghiệp đã mở rộng phép đo xuống vùng cao của tầng đối lưu
khí quyển (upper troposphere) chứa mật độ sol khí loãng [102]. Nhóm tác giả đánh
giá sai số nhiệt độ của sol khí bằng phương pháp do J. D. Klett đề xuất để hiệu chỉnh
tán xạ của sol khí [101]. Ngày nay, kỹ thuật lidar Rayleigh có thể xác định phân bố
nhiệt độ đến vùng thấp của tầng nhiệt khí quyển (thermosphere) [65].

3

Phép đo phân bố nhiệt độ của khí quyển đầu tiên dùng tán xạ Raman dao độngquay được thực hiện bởi P. Ketchut và đồng nghiệp và phân bố nhiệt độ đạt được tới
vùng thấp của tầng bình lưu [82]. Evans. K. D và đồng nghiệp kết hợp hai tín hiệu
lidar đàn hồi và Raman đã thu được phân bố nhiệt độ ở vùng trên của tầng đối lưu
[58]. Jan-Bai Nee và đồng nghiệp đã dùng phương pháp được đề nghị bởi W. N. Chen
tính gộp cả nồng độ aerosol và nồng độ phân tử đã thu được phân bố nhiệt độ ở vùng
thấp tầng đối lưu [22]. Các kết quả nghiên cứu trên đã cho thấy kỹ thuật lidar tích
phân có khả năng xác định phân bố mật độ và nhiệt độ từ vùng thấp tầng đối lưu tới
vùng thấp tầng nhiệt của khí khí quyển. Tuy nhiên chưa có một kết quả nghiên cứu
nào sử dụng kỹ thuật lidar tích phân này để xác định phân bố nhiệt độ bao phủ đồng
thời từ tầng đối lưu đến tầng bình lưu.
Mục đích của luận án này là nghiên cứu và phát triển các hệ lidar đo phân bố
nhiệt độ và mật độ phân tử của khí quyển theo phương thẳng đứng sử dụng tín hiệu
tán xạ đàn hồi, tán xạ Raman dao động-quay và kết hợp đồng thời cả hai tán xạ trên.
Mục tiêu đặt ra cho luận án là các phép đo các phân bố này có thể bao phủ liên tục từ
tầng đối lưu đến hết tầng bình lưu.
Luận án tiến sỹ Vật lý với tiêu đề “Nghiên cứu và phát triển kỹ thuật LIDAR
ứng dụng khảo sát phân bố nhiệt độ và mật độ khí quyển” bao gồm 4 chương sau:
Chương 1. Nguyên lý của lidar xác định mật độ và nhiệt độ. Chương đầu tiên của
luận án trình bày nguyên lý của lidar xác định phân bố mật độ phân tử và nhiệt độ
của khí quyển. Phần đầu chương trình bày vắn tắt về nguyên lí chung của kỹ thuật
lidar. Tiếp theo, cấu trúc và thành phần khí quyển được nêu một cách ngắn gọn, tập
trung chủ yếu vào sự biến đổi của mật độ phân tử và nhiệt độ. Ba loại tán xạ do tương
tác của ánh sáng với các thành phần khí quyển như tán xạ Rayliegh, Mie, Raman ứng
dụng trong lidar để xác định nhiệt độ được trình bày và tổng kết. Việc xác định phân
bố nhiệt độ của khí quyển từ điều kiện cân bằng thủy tĩnh và phương trình khí lí tưởng
sẽ được trình bày chi tiết. Cuối cùng, cơ sở lý thuyết của việc xác định mật độ phân
tử từ các tín hiệu lidar như: lidar Rayleigh, lidar Raman, lidar kết hợp đàn hồi-Raman

4


được trình bày đầy đủ. Các phương pháp để hiệu chỉnh tán xạ và hấp thụ của sol khí
ứng dụng trong kỹ thuật lidar đo nhiệt độ cũng sẽ được trình bày và thảo luận chi tiết.
Chương 2. Thiết kế và xây dựng các hệ lidar. Chương này trình bày hai hệ
lidar đã được xây dựng để đo phân bố nhiệt độ và mật độ. Hệ lidar kết hợp đàn hồiRaman đo các phân bố trong tầng đối lưu. Hệ lidar Rayleigh-Raman trong đó kênh
Raman đo trong tầng đối lưu và kênh Rayleigh đo tầng bình lưu. Nguyên lý để thiết
kế hệ lidar nhiệt độ được trình bày đầu tiên. Tiếp theo, thiết kế, hoạt động, các tham
số chính và đặc trưng của mỗi hệ được mô tả chi tiết. Cuối cùng các phép đo lidar
đánh giá độ tin cậy và ổn định của phép đo được trình bày và thảo luận chi tiết.
Chương 3. Xác định phân bố mật độ và nhiệt độ. Các thuật toán để rút ra
phân bố mật độ và nhiệt độ từ tín hiệu lidar Rayleigh, Raman, kết hợp cả hai sẽ được
trình bày. Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả sẽ được khảo sát. Các hiệu chỉnh trong
các thuật toán này cũng được đánh giá và thảo luận tỉ mỉ. Sai số của các phép đo nhiệt
độ cũng sẽ được trình bày đầy đủ. Kết quả của phép đo lidar cũng sẽ được so sánh
với các dữ liệu thám không và mô hình để kiểm chứng kết quả. Các khả năng phát
triển và giới hạn của từng kỹ thuật lidar cũng sẽ được tác giả thảo luận.
Chương 4. Nghiên cứu cấu trúc và đặc trưng nhiệt độ khí quyển tại Hà
nội. Sử dụng dữ liệu phân bố mật độ phân tử và phân bố nhiệt độ từ các phép đo lidar
tại Hà nội, tác giả chỉ ra cấu trúc và đặc trưng nhiệt độ của khí quyển tại Hà Nội. Đặc
biệt mối liên hệ giữa lớp đối lưu hạn (tropopause) và mây Ti (cirrus) tầng cao được
xác định đồng thời cũng sẽ được khảo sát và thảo luận . Vị trí của lớp đối lưu hạn và
lớp bình lưu hạn (stratopause) của phép đo một số ngày trong năm sẽ được trình bày
và thảo luận. Việc so sánh kết quả lidar tại Hà Nội với một số kết quả lidar khác cũng
sẽ được thảo luận.

5

Chương 1

Nguyên lý của lidar xác định mật độ phân tử và nhiệt độ
Phân bố nhiệt độ của khí quyển có thể được xác định từ phân bố mật độ phân
tử của khí quyển theo điều kiện cân bằng thủy tĩnh và khí lí tưởng. Trong khi đó,
phân bố mật độ phân tử có thể được xác định từ tín hiệu tán xạ ngược (tín hiệu lidar)
Rayleigh hoặc tín hiệu tán xạ ngược Raman của phân tử trong khí quyển dựa vào
phương trình lidar. Chương này trình bày nguyên lí của việc xác định phân bố mật
độ phân tử và phân bố nhiệt độ của khí quyển từ tín hiệu lidar. Các phương pháp để
hiệu chỉnh suy hao của khí quyển bao gồm suy hao của sol khí, ô zôn, phân tử cũng
sẽ được trình bày. Cuối cùng là tổng kết về ưu điểm và hạn chế của phương pháp
lidar này trong việc xác định phân bố mật độ phân tử và nhiệt độ.
1.1 Nguyên lí chung của kỹ thuật Lidar

Hình 1.1. Nguyên lí cơ bản của lidar (kiểu đơn tĩnh đồng trục) [18].
Nguyên lí cơ bản của kỹ thuật lidar kiểu đơn tĩnh đồng trục (mono-static
coaxial) được trình bày ở Hình 1.1. Theo đó, chùm xung laser được phát vào khí

6


quyển, ánh sáng tán xạ ngược từ sự tương tác của xung laser với các thành phần khí
quyển được tập hợp bởi kính thiên văn. Các tín hiệu tán xạ ngược này được thu bởi
các đầu đo quang học. Phân tích tín hiệu tán xạ ngược này, chúng ta rút ra được các
thông tin về các đối tượng trong khí quyển theo thời gian và khoảng cách. Khoảng
cách R của đơn vị thể tích tán xạ ngược được xác định từ thời gian t lan truyền của
xung laser tới đầu đo quang học [18]:
𝑅=

𝑡.𝑐

(1.1)

2

Trong đó, c là vận tốc ánh sáng trong không khí. Độ phân giải không gian cực đại R
phụ thuộc vào độ rộng xung laser L, thời gian đáp ứng của hệ điện tử N, và thời gian
phản ứng từ sự tương tác của ánh sáng với các thành phần khí quyển W [18]:
R =

𝑐
2

(𝜏 𝐿 + 𝜏 𝑁 + 𝜏 𝑊 )

(1.2)

thời gian W thường bỏ qua vì quá nhỏ.
1.2 Khí quyển Trái đất
1.2.1 Cấu trúc của khí quyển
Bảng 1.1 Các tầng của khí quyển Trái đất[46].
Các tầng khí quyển
Tầng ngoài (Exosphere)

Độ cao trung
bình (km)

Lớp chuyển tiếp

>700 km

Tầng điện li (Thermosphere)

80 to 700 km

Đỉnh tầng điện li (thermopause)

Tầng trung lưu (Mesosphere)

50 to 80 km

Lớp trung lưu hạn (mesopause)

Tầng bình lưu (Stratosphere)

12 to 50 km

Lớp bình lưu hạn (stratopause)

Tầng đối lưu (Troposphere)

0 to 12 km

Lớp đối lưu hạn (tropopause)

Khí quyển Trái đất là một lớp khí bao quanh Trái đất và được giữ lại nhờ trọng
lực. Dựa vào sự biến đổi của nhiệt độ (Hình 1.2), khí quyển có thể được chia thành
nhiều tầng khí quyển khác nhau như được tổng kết trong Bảng 1.1.
7

Hình 1.2. Cấu trúc của khí quyển theo độ cao [46].
Tầng ngoài khí quyển là ranh giới giữa khí quyển Trái đất và khoảng không
vũ trụ, nơi các hiện tượng khí tượng không xảy ra. Trong tầng điện li, nhiệt độ tăng
rất nhanh theo độ cao và có thể đạt tới 2000 0C, các phân tử tồn tại dưới dạng ion.
Tầng trung lưu kéo dài từ lớp bình lưu hạn đến lớp trung lưu hạn có nhiệt độ giảm
dần theo độ cao và có thể đạt tới -85 0C. Đây là tầng khí quyển lạnh nhất trong khí
quyển. Mật độ phân tử trong tầng trung lưu là rất thấp và đỉnh tầng khí quyển này
chứa một ít hơi nước. Tầng bình lưu khí quyển được chia tách với tầng đối lưu khí
quyển bởi lớp đối lưu hạn. Trong lớp khí quyển này, nhiệt độ tăng dần theo độ cao
và có thể đạt tới 0 0C. Nhiệt độ tăng dần là do sự tồn tại của lớp ô zôn. Ô zôn hấp thụ
ánh sáng mặt trời ở vùng cực tím làm gia tăng nhiệt độ khí quyển. Hình 1.3 cho thấy
phân bố nồng độ ô zôn trong tầng bình lưu. Mật độ phân tử khí trong tầng khí quyển
này là loãng, có rất ít hơi nước và bụi. Không khí chuyển động theo chiều ngang là
chính và rất ổn định. Đây là tầng khí quyển cao nhất mà các nghiên cứu có thể được
thực hiện bởi các máy bay và bóng thám không.

8


Hình 1.3. Phân bố mật độ ô zôn của bán cầu Bắc [48].

Hình 1.4. Sự biến đổi độ cao của lớp đối lưu hạn từ cực Bắc tới xích đạo [52].
Bên dưới tầng bình lưu, tầng đối lưu là tầng khí quyển thấp nhất tính từ lớp
đối lưu hạn tới bề mặt của Trái đất. Theo tổ chức khí tượng thế giới (WMO), lớp đối
lưu hạn được định nghĩa là nơi có sự thay đổi đột ngột (từ dương sang âm) của tỉ lệ
giảm nhiệt độ (lapse rate) của môi trường, tỉ lệ giảm nhiệt là khoảng 2 0C hoặc ít hơn.
Độ cao của lớp đối lưu hạn thay đổi theo vĩ độ của Trái đất, khoảng 9 km ở vùng cực
và 17 km ở xích đạo và biến đổi theo thời tiết như mô tả ở hình 1.4. Nhiệt độ của tầng
đối lưu giảm dần do mật độ phân tử khí giảm dần và nhiệt độ thấp nhất có thể hạ

xuống – 50 0C. Không khí trong tầng đối lưu chuyển động mạnh theo cả hai phương
thẳng đứng và nằm ngang. Sự biến đổi nhiệt độ cao từ bề mặt tới lớp đối lưu hạn đã

9


làm cho nước có thể tồn tại ở cả ba trạng thái. Trong tầng đối lưu, lớp biên bề mặt
(boundary layer) chịu sự đối lưu mạnh nhất. Nó chịu sự ảnh hưởng trực tiếp của bề
mặt Trái đất nên thay đổi tính chất rất mạnh theo thời gian và địa điểm. Độ cao của
lớp tiếp xúc bề mặt từ mặt đất đến khoảng 2 km tùy theo thời gian và địa điểm và
điều kiện thời tiết.
1.2.2 Thành phần của khí quyển

Hình 1.5. Thành phần khí quyển tính theo thể tích [46].
Thành phần chính của khí quyển Trái đất là phân tử khí và sol khí, trong đó
các phân tử khí chiếm khối lượng chủ yếu và chi phối các hiện tượng thời tiết và khí
hậu trên Trái đất. Về nồng độ, không khí khô chứa khoảng 78% Ni tơ, 20.95% khí ô
xy, 0.93% là Argon, phần còn lại là các khí khác được cho thấy ở Hình 1.5. Hai chất
khí có nồng độ biến đổi đáng kể nhất trong số các chất khí còn lại là hơi nước và khí
CO2.
1.3. Tương tác của ánh sáng với khí quyển
Khí quyển chứa nhiều thành phần khác nhau có kích thước biến đổi từ kích
thước của nguyên tử và phân tử (khoảng Angstrom d~10-3-10-4μm) đến kích thước
của các hạt sol khí (d~10-2-5 μm), giọt nước hoặc tinh thể băng (d~1-15 μm). Ngày
nay, hầu hết các kỹ thuật lidar đều sử dụng các nguồn laser như là nguồn phát
(transmitter). Chùm laser có thể coi như một nguồn ánh sáng kết hợp, đơn sắc, phân
cực tuyến tính. Tương tác của chúng với các thành phần khí quyển có thể được mô tả
10

dựa trên lý thuyết lan truyền sóng điện từ trong môi trường biến đổi. Nhiều quá trình
có thể xảy ra từ kết quả của sự tương tác của ánh sáng với các thành phần khí quyển
khí quyển như: phản xạ, tán xạ, hấp thụ, nhiễu xạ. Cường độ của ánh sáng sinh ra từ
các quá trình tương tác đó phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng kích thích ban đầu,
mật độ của các vật tán xạ, tác động của môi trường, và tiết diện tán xạ của vật được
nghiên cứu.
Trong kỹ thuật lidar, hai quá trình được quan tâm là hấp thụ và tán xạ. Quá
trình tán xạ bao gồm tán xạ đàn hồi và tán xạ phi đàn hồi (tán xạ Raman). Dựa trên
quan hệ giữa kích thước của hạt tán xạ và bước sóng ánh sáng tới thông qua tham số
kích thước tán xạ  = D.ms.λ-1, trong đó, D là đường kích của hạt tán xạ, ms là chiết
xuất phức, λ là bước sóng ánh sáng tới. Tán xạ đàn hồi có thể được chia thành tán xạ
Mie và tán xạ Rayleigh (tán xạ của phân tử). Khi  << 1 tán xạ Rayleigh là chủ đạo,
trong khi  ~ 1 tán xạ Mie chiếm ưu thế so với tán xạ Rayleigh. Khi  >> 1 tán xạ trở
thành tán xạ hình học (phản xạ bởi mây).
Đối với kỹ thuật lidar tích phân đo đạc phân bố mật độ và nhiệt độ khí quyển,
các quá trình sau đây được đề cập trong luận án:
(a) Tán xạ Rayleigh và dập tắt (extinction) của phân tử.
(b) Tán xạ Mie và dập tắt của sol khí.
(c) Tán xạ phi đàn hồi Raman dao động-quay của phân tử.
1.3.1. Tán xạ Rayleigh và sự dập tắt của phân tử
Khi một sóng điện từ tới tương tác với phân tử trong khí quyển, nó sinh ra một
lưỡng cực điện bên trong phân tử. Đối với phân tử gồm hai nguyên tử như ni tơ và ô
xy, ten xơ phân cực có thành phần không đổi và đẳng hướng, điều này giải thích cho
sự tái phát xạ ở cùng tần số với sóng điện từ tới. Nếu bước sóng kích thích là lớn hơn
nhiều kích thước của phân tử thì tán xạ Rayleigh sẽ chi phối. Một photon được tái
phát xạ với cùng năng lượng của photon tới. Trong ứng dụng lidar, tán xạ Rayleigh
sử dụng hệ số tán xạ ngược của phân tử (molecular scattering coefficient) mol(,z)

11

[m-1sr-1] để xác định các đại lượng liên quan. Hệ số tán xạ ngược của phân tử được
xác định từ mật độ phân tử khí quyển 𝑛𝑎𝑖𝑟 (𝑧) và tiết diện tán xạ ngược vi phân [40]:
𝛽𝑚𝑜𝑙 (, z) = 𝑛𝑎𝑖𝑟 (𝑧)

𝑑𝜎𝑚𝑜𝑙 (𝜙,𝜋,𝜆)
𝑑Ω

(1.3)

Trong các tính toán thực tế một công thức bán thực nghiệm thường dùng để xác định
tiết diện tán xạ ngược vi phân
𝑑𝜎𝑚𝑜𝑙 (𝜙,𝜋,𝜆)
𝑑Ω

𝑑𝜎𝑚𝑜𝑙 (𝜙,𝜋,𝜆)
𝑑Ω

= 5.45. 10−32 (

ở lớp khí quyển dưới 100 km [63]:
550
𝜆

) 4.09

(1.4)

Trong đó, dσm/dΩ có đơn vị là m2 molecule-1 và bước sóng được tính theo đơn vị nm.
Ví dụ tiết diện tán xạ Rayleigh của phân tử ở bước sóng 532 nm được xác định là

6.23x10-28cm2sr-1.
Sự phụ thuộc cường độ tán xạ vào góc tán xạ được cho thấy ở trên hình 1.6.
Cường độ tán xạ Rayleigh là đối xứng theo hướng phía trước (00) và hướng ngược
lại (1800) .

Hình 1.6. Sự phụ thuộc cường độ tán xạ Rayleigh vào góc tán xạ của phân tử [40].
Hệ số dập tắt phân tử αmol(z) (molecular extinction coefficient) và hệ số tán xạ
ngược của phân tử liên hệ theo biểu thức sau [40]:
αmol (, z) =

8π
3

βmol (, z)

(1.5)

12


Các đặc trưng của tán xạ Rayleigh trong ứng dụng lidar được tổng kết như sau:
(a) Cường độ tán xạ ngược Rayleigh là tỉ lệ với λ-4 vì vậy cường độ tín hiệu lidar
Rayleigh biến đổi mạnh với bước sóng laser được dùng. Các phân tử khí sẽ tán xạ
ở vùng cực tím mạnh hơn vùng hồng ngoại. Vì vậy, trong ứng dụng lidar Rayleigh
các nguồn laser có bước sóng ngắn sẽ hiệu quả hơn.
(b) Cường độ tán xạ Rayleigh là đối xứng theo các hướng. Cường độ tán xạ theo hai
hướng phía trước và phía sau theo trục của tia laser là cao nhất so với các hướng
còn lại. Vì vậy hệ lidar được thiết kế mà trục thiết bị thu trùng với trục của chùm
laser thì sẽ cho cường độ tán xạ ngược cao nhất.
1.3.2. Tán xạ Mie và sự dập tắt của sol khí

Khí quyển Trái đất chứa một lượng sol khí bao gồm các hạt bụi, khói, sương
mù, giọt nước, tinh thể băng…Các hạt này có kích thước từ 0.01 μm tới 1 cm. Do
kích thước và hình dạng biến đổi cũng như thành phần và phân bố phức tạp, nên
tương tác giữa ánh sáng và sol khí là một vấn đề phức tạp. Trong ứng dụng lidar, lý
thuyết tán xạ Mie được dùng để mô tả tán xạ của ánh sáng đối với sol khí. Sự phụ
thuộc bước sóng trong tán xạ của sol khí có thể được mô tả qua thành phần Angstrom
chứa hệ số dập tắt 𝛼𝑎𝑒𝑟 (𝜆, 𝑧) [40]:
𝛾= −

𝑑𝑙𝑜𝑔(𝛼𝑎𝑒𝑟(𝜆,𝑧))
𝑑𝑙𝑜𝑔(𝜆)

≅ −

(𝜆 ,𝑧)
𝛼
𝑙𝑜𝑔( 𝑎𝑒𝑟 (𝜆1 )
𝛼𝑎𝑒𝑟 2 ,𝑧)
𝜆
𝑙𝑜𝑔( 1 )

(1.6)

𝜆2

Trong tán xạ Rayleigh (vùng sol khí có nồng độ thấp) thành phần Angstrom biến đổi
trong khoảng từ -3 đến -4. Khi mà sol khí có nồng độ cao hơn, thành phần này ở
khoảng giữa 1 và 0. Trong vùng mây đậm đặc thành phần Angstrom không phụ thuộc
bước sóng. Giá trị của thành phần Angstrom đối với các hạt bụi có kích thước từ 1-3
μm là nhỏ hơn 1 và lớn hơn 1 đối với các hạt có kích thước nhỏ hơn 1 μm.

Sử dụng phần mềm Mieplot version 4305 của Philip Laven [50] chúng ta có
thể xác định được sự phụ thuộc của cường độ tán xạ Mie vào góc tán xạ với các hạt
có bán kính khác nhau ở bước sóng 532 nm. Kết quả ở Hình 1.7 chỉ ra rằng:

13


Hình 1.7. Sự phụ thuộc của cường độ tán xạ Mie vào góc tán xạ ở bước sóng 532 nm
với các hạt có bán kính khác nhau. , (a): 0.1 µm, (b): 1 µm, (c): 10 µm, (d): 50 µm,
(e): 100 µm, (f): 1000 µm.
 Cường độ tán xạ Mie ở hướng phía trước (00) lớn hơn đáng kể so với hướng phía
sau (1800) trên cùng một phương. Khi kích thước của hạt tăng thì cường độ của
hướng phía trước cũng tăng theo.
 Sự phụ thuộc của cường độ vào góc tán xạ của tán xạ Mie phức tạp hơn nhiều so
với tán xạ của phân tử.
 Sự khác nhau giữa thành phần vuông góc và thành phần song song tăng khi kích
thước của hạt tăng.
 Sự phụ thuộc của cường độ vào góc tán xạ của tán xạ Mie biến đổi mạnh khi hạt
có kích thước lớn hơn 50 μm.
1.3.3. Tán xạ Raman của phân tử
Khi một chùm ánh sáng tương tác với các thành phần của khí quyển thì ngoài
tán xạ đàn hồi chúng ta còn có thể thu được tán xạ phi đàn hồi (tán xạ Raman). Khác
với tán xạ đàn hồi, tán xạ Raman dao động-quay (gọi tắt là tán xạ Raman) làm dịch

14