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


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 ఒ
ఒ

ఒ
ఒ

ఒ 

ఒ

ఒ

ఒ

B(of,R) – thừa số �ఒ�� , �ఒ

ఒఒ ఒఒ ,ఒఒ
ఒ ఒఒ ,ఒఒ

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
ii

Nj – nồng độ của phần tử tán xạ loại
j
ఒ ఒఒ ఒ��ఒ – 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
of

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
ఒఒ – 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

3


j – thứ tự bước lặp
ozone k – hằng số
Boltzman
l – thứ tự bước lặp son khí
m – bậc nhiễu xạ Bragg

4


m1, …, m14 – gương 9 x 9 mm
n – chiết suất môi trường hoạt chất,
nP – chiết suất của vật liệu lăng kính
��ఒఒ – 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
��,ఒ ఒ�, ��ఒ – hệ số suy hao do phân tử khí tán xạ
��,ఒ ఒఒ, ��ఒ – hệ số suy hao do phân tử khí hấp thụ
��,ఒ ఒఒ, ��ఒ – hệ số suy hao do son khí tán xạ
��,ఒ ఒఒ, ��ఒ – hệ số suy hao do son khí hấp thụ
��ఒఒఒఒ, ��ఒ – 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
�� ఒఒ , ��ఒ – hệ số tán xạ ngược bởi các phân tử không khí
�� ఒఒ, ��ఒ – hệ số tán xạ ngược bởi son khí
λ – hệ số tán xạ phân tử Rayleigh của không khí ở bước sóng λ
� – 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
���  ఒ��ఒ – số hạng hiệu chỉnh do tán xạ ngược
ఒ��  ఒ��ఒ – số hạng hiệu chỉnh do suy hao
��ఒ ఒ��ఒ – 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
5


4 – sai số có nguồn gốc từ thiết bị và hệ điện tử
� – hiệu suất của hệ LIDAR
 – số mũ Angstrom

θ – góc giữa tia sáng và phương thẳng đứng

on – bước sóng on
of – bước sóng of
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
��௔௔௔

– số điều kiện vòng lặp son khí

��ఒ ఒ – số điều kiện vòng lặp ozone
�,ఒ ఒ�, ��ఒ – tiết diện tán xạ của phần tử j theo phương ngược lại ở bước sóng λ
��ఒ ఒ��ఒ – tiết diện tán xạ đẳng hướng
��ఒ ఒ��ఒ – tiết diện hấp thụ
ఒ,ఒఒ ఒ��ఒ – tiết diện suy hao cho mỗi loại phần tử tán xạ j tại bước sóng 
��ఒఒఒ��ఒ – tiết diện suy hao bởi khí nhiễu tại bước sóng 
��௔ ఒ ఒ��ఒ – tiết diện tán xạ ngược Rayleigh phân tử cho các khí trong khí quyển
�� ఒ ఒ��ఒ – 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

5

Danh mục bảng
Bảng 1.1. Tóm lược các đơn vị đo ozone............................................................... 15
Bảng 1.2. Tương tác quang học liên quan đến cảm biến dùng laser...................... 25
Bảng 1.3. Các cặp bước sóng thường dùng cho đo đạc LIDAR hấp thụ vi sai
loại bỏ ảnh hưởng của SO2 .................................................................... 39
Bảng 1.4. Các sai số chưa tính của phép đo phân bố ozone sau hiệu chỉnh .......... 50
Bảng 2.1. Các thông số sử dụng trong tính toán mô phỏng ...................................
60
Bảng 3.1. Cấu hình và đặc trưng kỹ thuật linh kiện hệ DFDL............................... 70
Bảng 3.2. Năng lượng bức xạ laser phát ................................................................ 78
Bảng 3.3. Các thông số đặc trưng hệ LIDAR hấp thụ vi sai .................................. 88
Bảng 4.1. Tổng hợp các sai số trong đo đạc ozone ................................................ 98


Danh mục hình
Hình 1.1. Cấu hình phân tử ozone ........................................................................... 6
Hình 1.2. Phân bố ozone trong khí quyển................................................................ 7
Hình 1.3. Minh họa sự hình thành và phân hủy ozone trong tầng đối lưu .............. 9
Hình 1.4. Nồng độ ozone bề mặt trung bình các năm 2013-2015 thay đổi trong
ngày tại Trung Quốc ................................................................................ 9
Hình 1.5. Nồng độ ozone thay đổi theo ngày trong tháng đo tại trạm SRVx
(Chesapeake Bay – Mỹ)......................................................................... 10
Hình 1.6. Nồng độ ozone bề mặt trung bình các năm 2013-2015 thay đổi theo
tháng trong năm tại Trung Quốc ...........................................................
10
Hình 1.7. Tiết diện hấp thụ và các dải hấp thụ của ozone ..................................... 12
Hình 1.8. Đo ozone trong khí quyển...................................................................... 14
Hình 1.9. Minh họa tiến trình phát triển đo đạc quan trắc ozone ..........................

14
Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lý Quang kế UV đo mật độ ozone bề mặt....................... 16
Hình 1.11. Sơ đồ các bộ phận chính của Quang phổ kế Dobson............................. 16
Hình 1.12. Đường đi của ánh sáng tới quang phổ kế............................................... 17
Hình 1.13. Đường Umkehr quan trắc tại hai bước sóng 311,4 nm và 332,4 nm ..... 22
Hình 1.14. Sơ đồ tia bức xạ mặt trời đi qua lớp ozone ở độ cao h trong
khí quyển và tán xạ đến thiết bị đo ........................................................ 22
Hình 1.15. Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật LIDAR .......................................................... 24
Hình 1.16. Tương tác quang học khi dùng cảm biến laser ...................................... 26
Hình 1.17. Các thành phần phần chủ yếu của một hệ lidar ..................................... 28
Hình 1.18. Các cấu hình telescope (a) Newtonian, (b) Gregorian,
(c) Cassegrainian.................................................................................... 29
Hình 1.19. Minh họa hình học LIDAR .................................................................... 30
Hình 1.20. Ảnh hưởng của hàm chồng chập lên động học tín hiệu......................... 31
Hình 1.21. Sơ đồ nguyên lý một hệ DIAL quan trắc khí ô nhiễm .......................... 35
Hình 1.22. Tiết diện hấp thụ tử ngoại của SO2 và ozone ........................................ 38
Hình 1.23. Hệ DIAL đo phân bố ozone tại Bucharest – Rumani ............................ 40
Hình 1.24. Hệ DIAL đo ozone tại Viện KH và CN Gwangju ................................. 41
Hình 1.25. Tiết diện hấp thụ của ozone trong vùng phổ UV. Bước sóng on


vii


và bước sóng off được xác định ở 266 nm và 299,5 nm ....................... 41
Hình 1.26. Sơ đồ khối bộ phát (a) và bộ thu (b) của hệ DIAL dùng laser màu
phát ở hai bước sóng λon=285 nm và λoff=291 nm.................................. 43
Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ LIDAR hấp thụ vi sai ....................................................... 53
Hình 2.2. Cặp bước sóng được lựa chọn cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai .................. 58
Hình 2.3. Mô phỏng tín hiệu LIDAR thu ghi ở bước sóng on 282,9 nm,

bước sóng off 286,4 nm và mật độ phân tử khí quyển theo độ cao .........
62
Hình 2.4. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi
cường độ laser phát .................................................................................
63
Hình 2.5. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi
cường độ laser phát .................................................................................
63
Hình 2.6. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi
thời gian đếm photon ................................................................................
64
Hình 2.7. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi
thời gian đếm photon ..............................................................................
64
Hình 2.8. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm với năng lượng
xung phát 50 J/xung và ở bước sóng off 286,4 nm – 30 J/xung......... 65
Hình 2.9. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm với năng lượng
xung phát 30 J/xung và ở bước sóng off 286,4 nm – 50 J/xung......... 65
Hình 2.10. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm trong 2
trường hợp đường kính telescope 40 và 60 cm.......................................
66
Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ DIAL đo phân bố ozone khí quyển tầng thấp
dùng nguồn phát là các laser màu phản hồi phân bố ................................
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
8

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

9


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 of 286,4 nm (ngày đo đạc 22/01/2017).... 90
Hình 4.1.
94

Giản đồ thuật toán tính phân bố nồng độ ozone...................................

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
10


liệu đo từ hệ LIDAR hấp thụ vi sai vào các ngày trong tháng 1/2017 tại
Hà Nội .................................................................................................. 99

11


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
1


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,

2