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

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


VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

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,
𝜎

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

 

Chương 2: trình bày các nghiên cứu thiết kế, lựa chọn bước sóng, lựa chọn
nguồn phát và tính toán mô phỏng hệ LIDAR hấp thụ vi sai hoạt động trong vùng
bước sóng tử ngoại.
Chương 3: trình bày các nghiên cứu phát triển hệ LIDAR hấp thụ vi sai. Sau
khi cân chỉnh và vận hành, hệ đã thu ghi thành công tín hiệu LIDAR tử ngoại.
Chương 4: trình bày các kết quả hoạt động và đo đạc của hệ LIDAR hấp thụ
vi sai tử ngoại để đo đạc thử nghiệm phân bố ozone tại Hà Nội và đánh giá sai số của
kết quả.
Nội dung của bản luận án được hỗ trợ phần lớn tài chính từ đề tài nghiên cứu
khoa học mã số VAST01.08/13-14 thuộc Hướng KHCN ưu tiên: Công nghệ thông
tin, điện tử, tự động hóa và công nghệ vũ trụ (Mã số hướng: VAST01) của Viện Hàn
lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

5 
 


 

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Chương 1 của luận án bao gồm 3 phần. Nội dung phần một trình bày khái quát
về khí ozone, sự hình thành cũng như vai trò của ozone trong khí quyển của Trái đất,
nhất là trong lớp khí quyển tầng thấp. Lớp khí quyển tầng thấp được hiểu là lớp
không khí bao quanh bề mặt hành tinh, có độ cao từ bề mặt quả đất tới độ cao khoảng
3 km. Trong lớp khí quyển này, hàm lượng ozone biến động mạnh theo nồng độ khí
ô nhiễm và cường độ bức xạ của Mặt trời. Phần hai giới thiệu chung các kỹ thuật
được sử dụng chủ yếu hiện nay để đo đạc phân bố ozone theo độ cao là đầu dò điện

hóa, kỹ thuật Umkehr và kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai. Phần 3 sẽ đi sâu trình bày
nguyên lý vật lý phương pháp LIDAR hấp thụ vi sai, là phương pháp được phát triển
trong khuôn khổ của luận án. Cùng với các phương pháp đo phân bố ozone thông
dụng khác từ mạng lưới quan trắc ozone toàn cầu, phương pháp LIDAR hấp thụ vi
sai sẽ giúp cung cấp một bức tranh toàn cảnh về phân bố ozone trong khí quyển.

1.1 Ozone trong khí quyển tầng thấp
Ozone được phát hiện bởi nhà hóa học người Đức Christian Friedrich
Schöbein vào năm 1839 và có ký hiệu hóa học là O3 (Hình 1.1). Nó là khí màu xanh
dương, có mùi rất đặc trưng, hấp thụ ánh sáng UV và có hoạt tính (oxy hóa) cao[2,5].
Ozone là loại khí có rất ít trong khí quyển của trái đất, trung bình trong 10 triệu phân
tử không khí mới có 3 phân tử ozone. Mặc dù chỉ chiếm một hàm lượng nhỏ nhưng
ozone lại đóng một vai trò rất quan trọng đối với sự sống [6].

Hình 1.1. Cấu hình phân tử ozone [5]
1.1.1 Nguồn gốc và phân bố
Ozone được phát hiện chủ yếu trong 2 miền của khí quyển trái đất. Hầu hết
lượng ozone (90%) nằm trong tầng ozone có độ cao từ 15 đến 35 km tính từ bề mặt
trái đất. Tầng ozone này nằm ở miền dưới tầng bình lưu của khí quyển trái đất. Phần
ozone còn lại nằm trong tầng đối lưu (Hình 1.2) [2].

6 
 


 

Hình 1.2. Phân bố ozone trong khí quyển [2]
Tầng ozone được các nhà vật lý người Pháp là Charles Fabry và Henri Buisson
phát hiện ra năm 1913. Các khảo sát chi tiết tầng ozone được nhà khí tượng học

người Anh là G.M.B.Dobson thực hiện. Ông đã triển khai thiết bị quang phổ kế đơn
giản (Dobsonmeter) để đo đạc, quan trắc ozone trong tầng bình lưu từ mặt đất. Trong
khoảng thời gian từ 1928 đến 1958, Dobson đã thực hiện một mạng lưới quan trắc
quốc tế đo hàm lượng ozone trên tầng bình lưu rất thuận tiện và vẫn còn tiếp tục hoạt
động cho đến ngày nay [2].
Các phản ứng cơ bản đóng góp vào quá trình hình thành ozone trong khí quyển
bao gồm [7]:
𝑂

ℎ𝜈 𝜆 242,3𝑛𝑚 → 𝑂
𝑂→𝑂
𝑂
𝑂

𝑂

𝑀→𝑂

𝑂

𝑀∗

(M là một phân tử thứ ba, lấy đi năng lượng của các gốc tự do O và O2)
3𝑂

ℎ𝜈 𝑈𝑉 ↔ 2𝑂

Ozone bị phân hủy bởi quá trình quang phân và phản ứng với các nguyên tử
oxy [7]:
𝑂

ℎ𝜈 𝜆
𝑂

𝑂

𝑋 → 𝑋𝑂

1100𝑛𝑚 → 𝑂
𝑂 → 2𝑂

𝑂 (X có thể là O, NO, OH, Br hoặc Cl)
7 

 

𝑂


 

Các nguyên tử oxy cũng có thể trải qua va chạm trước khi tạo thành ozone
[7]:
𝑂

𝑂

𝑀→𝑂

𝑀∗

Những phản ứng nêu trên mô tả các phản ứng hóa học khống chế nồng độ
ozone trong tầng bình lưu. Những phản ứng này xảy ra một các đồng thời, tạo ra và
phân hủy ozone trong tầng bình lưu một cách cân bằng. Nồng độ ozone tổng thể chỉ
có thể thay đổi khi có sự xuất hiện các sản phẩm hóa học có nguồn gốc từ con người,
chẳng hạn như chlorofluorocarbons (CFCs). CFCs được dùng trong các sản phẩm
như tủ lạnh, máy điều hòa không khí, các dung môi tẩy rửa, bình chữa cháy, bình xịt
son khí, bình khí gas xủi bọt dùng một lần trong sản xuất,… CFCs có thời gian sống
khá lâu trong khí quyển từ 75 tới 100 năm và là một trong những nguyên nhân chính
gây ra sự suy giảm ozone trong tầng bình lưu. Một phân tử CFC có thể phá vỡ liên
kết đến 100.000 phân tử ozone [7].
Không như sự hình thành của ozone trong tầng bình lưu, ozone tầng đối lưu
được sinh ra trong khoảng 50 m tính từ mặt đất thông qua các phản ứng quang hóa
với các oxít nitơ NOx và các phân tử hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (Volatile Organic
Compound – VOC) dưới tác dụng của bức xạ mặt trời. VOC có thể được thải ra từ
các nhà máy hóa chất, các nhà máy lọc và tinh chế dầu, các trạm khí gaz và xe cộ.
Bên cạnh các nguồn nhân tạo, VOC có thể phát sinh trong tự nhiên từ dầu trong thực
vật sống, được bốc hơi trong những điều kiện khắc nghiệt, nhất là vào những ngày
hè nóng nực. Oxít nitơ (NOx) thường được phát ra từ sự đốt cháy của các nhiên liệu
hóa thạch như dầu, khí gaz và than đá. Trong khí quyển, ozone được tạo ra bởi sự
quang phân NO2, giải phóng một nguyên tử oxy. Nguyên tử oxy này tự do kết hợp
với phân tử oxy để tạo thành ozone cùng với NO [7,8,9]:
𝑁𝑂

𝑂

ℎ𝜈 𝜆
𝑂

380𝑛𝑚 → 𝑁𝑂

𝑀→𝑂
𝑀∗

𝑂

NO có thể phản ứng trở lại với phân tử ozone để tạo sự cân bằng. Tuy nhiên,
NO lại phản ứng với HO2 hoặc các gốc hữu cơ của VOC khác, nên số NO có thể phá
hủy phân tử ozone sẽ giảm đi. Sự có mặt của các sản phẩm hóa học có nguồn gốc từ
tự nhiên và từ con người đã thúc đẩy quá trình hình thành ozone vượt ngưỡng cho
phép. Mặt khác, phản ứng tự quang phân của ozone diễn biến một cách chậm sẽ giúp
cho ozone hình thành trong tầng đối lưu (Hình 1.3). Ozone trong tầng đối lưu là thành
8 
 


 

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

Hình 1.3. Minh họa sự hình thành và phân hủy ozone trong tầng đối lưu [15]
Nồng độ ozone cao nhất có xu hướng tập trung ở trong và xung quanh đô thị,
nơi phát sinh ra những tiền chất cần thiết cho quá trình tạo ra ozone, và thường có
đỉnh vào giữa trưa và xuống thấp nhất vào ban đêm. Tuy nhiên, khu vực nông thôn
cũng có thể có nồng độ ozone cao do sự lan truyền trong khí quyển (Hình 1.4).

Hình 1.4. Nồng độ ozone bề mặt trung bình các năm 2013-2015 thay đổi
trong ngày tại Trung Quốc[10]

9