Tổng quan luận án

Nghiên cứu về son khí và các cấu trúc mây trong khí quyển đóng vai trò quan trọng trong việc tìm hiểu sự cân bằng bức xạ nhiệt của Trái đất, động lực học thời tiết và quá trình biến đổi khí hậu. Trong tầng đối lưu, son khí tầng thấp và mây Ti (Cirrus) tầng cao là hai thành phần có ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng môi trường không khí, tầm nhìn và sự trao đổi năng lượng bức xạ mặt trời. Tuy nhiên, việc quan trắc liên tục với độ phân giải cao theo không gian và thời gian đòi hỏi các công cụ viễn thám quang học chuyên dụng. Kỹ thuật lidar (Light Detection and Ranging) cho phép đo đạc từ xa các thông số quang học và vi vật lý của khí quyển với độ phân giải thời gian đến cỡ nano giây (ns) và độ phân giải không gian đến cỡ decimet (dm).

Tại Việt Nam, việc nghiên cứu, chế tạo và vận hành các hệ thống lidar khảo sát khí quyển tầng thấp và tầng cao trước đây còn gặp nhiều trở ngại do chi phí đầu tư thiết bị cao và kỹ thuật phức tạp. Luận án tiến sĩ của tác giả Bùi Văn Hải với đề tài "Sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của son khí trong tầng khí quyển" (chuyên ngành Quang học, mã số 62 44 11 01) được thực hiện tại Trung tâm Điện tử học lượng tử, Viện Vật lý – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam nhằm giải quyết khoảng trống nghiên cứu thực nghiệm này.

Mục đích nghiên cứu của luận án được xác định gồm 4 nội dung:

  1. Nghiên cứu, xây dựng và phát triển một hệ lidar tích hợp ghi nhận tín hiệu tán xạ Raman và tín hiệu tán xạ đàn hồi theo hai kênh phân cực. Hệ thống được thiết kế để có khả năng khảo sát tới độ cao trên 20 km, hoạt động đa kênh ở cả chế độ đo tương tự (analog) và chế độ đếm photon (photon counting). Từ dữ liệu thu nhận, xác định các tham số vật lý đặc trưng của son khí trong miền quan trắc.
  2. Áp dụng lý thuyết tán xạ đàn hồi và tán xạ Raman để xây dựng chương trình tính toán số bằng ngôn ngữ lập trình Matlab nhằm xử lý dữ liệu ghi nhận từ hệ lidar Raman đa kênh, phục vụ việc xác định các thông số vật lý đặc trưng của son khí trong khí quyển tại thành phố Hà Nội.
  3. Xây dựng bộ dữ liệu quan trắc khí quyển tại Hà Nội tới độ cao trên 20 km, tạo một kênh tín hiệu độc lập cho phép so sánh và tăng cường khả năng quan trắc phục vụ theo dõi môi trường và nghiên cứu khí quyển.
  4. Khai thác cơ sở dữ liệu đã thu nhận để xác định các đặc trưng vật lý cơ bản của lớp son khí tồn tại trong miền khí quyển Hà Nội, bước đầu đánh giá và so sánh với các kết quả quan trắc khác trong khu vực và trên thế giới.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án bao gồm:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cơ sở lý thuyết kỹ thuật lidar đàn hồi và lidar Raman; các kỹ thuật quang học, điện tử trong việc xây dựng hệ lidar Raman phân cực đa kênh; thuật toán và chương trình số xử lý dữ liệu; nguồn phát laser diode nhỏ gọn (bước sóng 905 nm) kết hợp đầu thu diode quang thác lũ (APD) độ nhạy cao dùng cho đo đạc trường gần; các đặc trưng vật lý của son khí tầng thấp và mây Ti tầng cao.
  • Phạm vi không gian: Khí quyển khu vực thành phố Hà Nội từ tầng sát bề mặt (trường gần 0 – 5 km) đến tầng cao trên 20 km (bao gồm tầng đối lưu và phần dưới tầng bình lưu).
  • Phạm vi thời gian: Các chuỗi số liệu quan trắc thực nghiệm được thực hiện từ năm 2009, trọng tâm là các đợt đo đạc chi tiết trong năm 2011 và năm 2012.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án điểm lại các lý thuyết và công trình nghiên cứu nền tảng về vật lý khí quyển, quang học tán xạ và công nghệ viễn thám:

  • Lý thuyết lớp biên khí quyển: Luận án sử dụng các định nghĩa và mô hình cấu trúc lớp biên khí quyển (Atmospheric Boundary Layer - ABL, Convective Boundary Layer - CBL, Mixing Layer, Entrainment Zone) từ công trình của Stull (1988) trong cuốn sách "An introduction to boundary layer meteorology".
  • Phân loại khí quyển và mây: Luận án tham khảo các phân loại chuẩn của Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO) về các tầng khí quyển, phân hạng 10 loại mây cơ bản theo hình thái và độ cao (mây tầng thấp Sc, St, Ns; mây phát triển thẳng đứng Cu, Cb; mây tầng trung Ac, As; mây tầng cao Ci, Cc, Cs).
  • Mô hình tính toán khí hậu: Tham khảo mô hình CCM3 của Trung tâm Quốc gia Nghiên cứu Khí quyển Hoa Kỳ (NCAR) và các phương pháp viễn thám không gian như máy đo quang phổ phân bố tổng lượng Ozone (TOMS), ảnh chụp vệ tinh quang học và kỹ thuật thám không vô tuyến (radiosonde).
  • Cơ sở quang học lidar: Các lý thuyết tán xạ Rayleigh trên phân tử khí, tán xạ Mie trên hạt son khí có kích thước tương đương bước sóng, tán xạ Raman phi đàn hồi trên phân tử nitơ, oxy, hơi nước; cùng với các nghiên cứu chế tạo khối thu quang điện PMT và APD hoạt động ở chế độ Geiger.

Vị trí nghiên cứu của luận án: Giải quyết việc thiết kế, tích hợp phần cứng và phát triển phần mềm xử lý dữ liệu cho 02 hệ thống lidar đo đạc độc lập tại Viện Vật lý, đồng thời thiết lập chuỗi số liệu quan trắc thực tế đầu tiên về son khí tầng thấp và mây Ti tầng cao tại khu vực Hà Nội.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm vật lý

Cấu trúc khí quyển Trái đất được phân chia theo quy luật biến thiên nhiệt độ thành 5 tầng chính, ngăn cách bởi các lớp chuyển tiếp có nhiệt độ gần như không đổi:

Tầng khí quyển Độ cao trung bình (km) Lớp chuyển tiếp Đặc điểm nhiệt độ theo độ cao
Tầng đối lưu (Troposphere) 0 – 11 Lớp đối lưu hạn (Tropopause) Nhiệt độ giảm theo độ cao (gradient nhiệt 6°C - 7°C/km)
Tầng bình lưu (Stratosphere) 11 – 50 Lớp bình lưu hạn (Stratopause) Nhiệt độ tăng theo độ cao do hấp thụ bức xạ mặt trời bởi ozone
Tầng trung gian (Mesosphere) 50 – 80 Lớp mezon hạn (Mesopause) Nhiệt độ giảm dần theo độ cao
Tầng nhiệt (Thermosphere) 80 – 800 Lớp nhiệt hạn (Thermopause) Nhiệt độ tăng mạnh theo độ cao
Tầng khí quyển ngoài (Exosphere) 800 – 2000+ — Mật độ phân tử khí tiến dần về môi trường vũ trụ

Về thành phần vật chất, các khí chính gồm Ni tơ ($N_2$, chiếm 78,08%), Ô xy ($O_2$, chiếm 20,95%), Argon ($Ar$, chiếm 0,09%), Hơi nước ($H_2O$, biến đổi); các thành phần thứ yếu gồm $CO_2$ (380 ppm), $Ne$ (18 ppm), $He$ (5 ppm), $CH_4$ (1,57 ppm), $H_2$ (0,5 ppm), $N_2O$ (0,3 ppm), $O_3$ (0 – 12 ppm). Khối lượng khí quyển đạt $5,16 \times 10^{21}\text{ kg}$, trong đó khoảng 50% khối lượng tập trung ở độ cao dưới 5 km, 75% nằm dưới 10 km và 90% nằm dưới 16 km. Mật độ phân tử khí giảm theo quy luật hàm mũ của độ cao.

Động lực học của son khí và sương mù tầng thấp chịu sự chi phối của gradient nhiệt đoạn nhiệt khô ($\approx 1^\circ\text{C}/100\text{ m}$) và gradient nhiệt đoạn nhiệt ẩm $\gamma_a$ (dao động từ $0,3^\circ\text{C}$ đến $0,9^\circ\text{C}/100\text{ m}$, mùa hạ đạt $0,4^\circ\text{C} - 0,5^\circ\text{C}/100\text{ m}$, mùa đông đạt $0,7^\circ\text{C} - 0,9^\circ\text{C}/100\text{ m}$, ở độ cao 7 – 9 km đạt $1^\circ\text{C}/100\text{ m}$). Luận án phân biệt 3 loại sương mù cơ bản: mù bức xạ (mù lục địa), mù bình lưu và mù bốc hơi (mù đại dương).

Tương tác bức xạ laser với môi trường khí quyển tuân theo 3 cơ chế tán xạ:

  1. Tán xạ Rayleigh: Xảy ra trên các phân tử khí có kích thước nhỏ hơn nhiều so với bước sóng ($x \ll 1$), cường độ tán xạ tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc 4 của bước sóng ($\lambda^{-4}$).
  2. Tán xạ Mie: Xảy ra trên các hạt son khí có kích thước tương đương bước sóng ($x \approx 1$), đặc trưng bởi tính định hướng mạnh về phía trước.
  3. Tán xạ Raman: Tán xạ phi đàn hồi trên các phân tử khí ($N_2, O_2, H_2O$) với độ dịch chuyển số sóng xác định, cho phép đo đạc trực tiếp hệ số suy hao mà không cần giả thiết phụ thuộc về tỉ số lidar.

Phương pháp nghiên cứu và công cụ kỹ thuật

Phương pháp tiếp cận của luận án là phương pháp thực nghiệm kết hợp mô hình hóa tính toán số:

[Khối phát Laser (Nd:YAG / Diode 905nm)] 
[Tán xạ khí quyển: Rayleigh, Mie, Raman]
[Khối thu: Kính thiên văn + Bộ lọc + Đầu thu PMT/APD]
[Khối xử lý số liệu: Giao diện Labview + Thuật toán Matlab]
[Thông số: Đỉnh ABL, Độ sâu quang học, Suy hao, Tán xạ ngược, Tỉ số Lidar, Khử phân cực]
  • Hệ thống phần cứng lidar:
    • Hệ lidar Raman nhiều bước sóng: Sử dụng nguồn phát laser Nd:YAG hoạt động tại các bước sóng 532 nm và 1064 nm, tích hợp kênh tán xạ Raman (bước sóng kích thích 532,1 nm) và các kênh đo phân cực song song/vuông góc. Đầu thu sử dụng ống nhân quang điện (PMT) của Hamamatsu (các module series R7400U, H6780, H6780-20).
    • Hệ lidar laser diode nhỏ gọn: Sử dụng chip laser diode SPL PL90_3 của hãng Osram phát bước sóng 905 nm, phục vụ quan trắc trường gần (0 – 3,5 km). Đầu thu sử dụng Si APD S9251-15 của Hamamatsu kết hợp mạch dập tắt thụ động hoạt động ở chế độ Geiger, được đặt trong module làm lạnh xuống nhiệt độ $-20^\circ\text{C}$ để giảm dòng tối và triệt tiêu nhiễu nhiệt.
  • Kỹ thuật thu thập tín hiệu:
    • Chế độ đo tương tự (Analog): Ghi nhận dòng tín hiệu quang điện tức thời khi cường độ tín hiệu phản hồi mạnh ở cự ly gần.
    • Chế độ đếm photon (Photon Counting): Sử dụng bộ đếm photon (PC) và bộ phân tích biên độ xung đa kênh (MCA) để ghi nhận từng sự kiện photon ở tín hiệu yếu, phục vụ đo đạc tầng cao và kênh Raman.
  • Phương pháp xử lý số liệu:
    • Viết chương trình điều khiển và đếm photon bằng ngôn ngữ Labview.
    • Xây dựng chương trình tính toán số trên nền tảng Matlab để giải phương trình lidar, xác định hàm chồng chập (Overlap Function - OF), tìm vị trí đỉnh lớp son khí bề mặt bằng phương pháp cực tiểu hàm đạo hàm/gradient, xác định độ sâu quang học (Optical Depth), hệ số suy hao ($\alpha$), hệ số tán xạ ngược ($\beta$), tỉ số lidar ($S = \alpha/\beta$) và tỉ số khử phân cực ($\delta$).
    • Đối sánh dữ liệu quan trắc lidar với số liệu thám không vô tuyến (radiosonde) của Trung tâm Viễn thám Quốc gia thu thập trong năm 2011.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Cơ sở lý thuyết khảo sát các đặc trưng vật lý của son khí trong khí quyển trái đất

Chương I trình bày tổng quan cấu trúc vật lý của khí quyển Trái đất, động lực học của tầng đối lưu, cơ chế hình thành và biến động của lớp son khí bề mặt (ABL/CBL) và lớp son khí tự do tầng thấp. Nội dung phân tích chi tiết bản chất của năng lượng bức xạ mặt trời (tốc độ truyền sóng $3,112 \times 10^8\text{ m/s}$, tổng năng lượng Trái đất nhận hàng năm khoảng $1,3 \times 10^{24}\text{ J}$) và sự phân chia các dải sóng: tử ngoại ($0,1 - 0,4\ \mu\text{m}$), ánh sáng nhìn thấy ($0,4 - 0,76\ \mu\text{m}$) và hồng ngoại ($0,76 - 4,0\ \mu\text{m}$).

Chương này cũng tổng kết phân hạng mây quốc tế theo độ cao và hình dạng:

Họ mây Tên gọi tiếng Việt Tên La tinh Ký hiệu Độ cao chân mây (km)
Tầng thấp Mây tầng - tích Stratocumulus Sc 0,3 – 1,5
Mây tầng Stratus St 0,05 – 0,5
Mây vũ – tầng Nimbostratus Ns 0,1 – 1,0
Phát triển thẳng đứng Mây tích Cumulus Cu 0,3 – 1,5
Mây vũ – tích Cumulonimbus Cb 0,4 – 1,0
Tầng trung Mây trung – tích Altocumulus Ac 2 – 6
Mây trung – tầng Altostratus As 3 – 5
Tầng trên Mây Ti Cirrus Ci 7 – 10
Mây Ti – tích Cirrocumulus Cc 6 – 8
Mây Ti – tầng Cirrostratus Cs 6 – 8

Bên cạnh đó, chương I thiết lập cơ sở lý thuyết về 3 quá trình tương tác quang học cốt lõi: tán xạ Rayleigh, tán xạ Mie và tán xạ Raman (kèm các số sóng dịch chuyển đặc trưng khi kích thích tại bước sóng 532,1 nm cho $O_2$, $N_2$ và $H_2O$), tạo tiền đề cho việc giải phương trình vi phân lidar ở chương kế tiếp.

Chương II: Kỹ thuật và hệ đo lidar

Chương II tập trung vào việc nghiên cứu cấu trúc, thiết kế, chế tạo và tối ưu hóa các khối quang - điện tử của 02 hệ thống đo đạc thực nghiệm:

  1. Hệ lidar Raman nhiều bước sóng:

    • Sử dụng nguồn laser rắn Nd:YAG phát các bước sóng 1064 nm và 532 nm, kết hợp đo tín hiệu tán xạ đàn hồi và tín hiệu tán xạ Raman phi đàn hồi của phân tử khí quyển.
    • Thiết kế khối thu phân cực quang học tách tín hiệu thành hai thành phần phân cực song song và vuông góc.
    • Đầu thu tín hiệu sử dụng các module ống nhân quang điện PMT Hamamatsu R7400U và H6780/H6780-20 hoạt động với điện áp nuôi thích hợp, cho phép vận hành đồng thời ở cả chế độ đo tương tự (ghi nhận tín hiệu biên độ lớn ở tầng thấp) và chế độ đếm photon (đo tín hiệu yếu ở tầng cao).

  2. Hệ lidar sử dụng laser diode 905 nm:

    • Nguồn phát sử dụng mảng laser diode SPL PL90_3 của Osram có bước sóng trung tâm 905 nm, hoạt động ở chế độ xung công suất tối ưu.
    • Khối thu tích hợp kính thiên văn kết hợp đầu thu Si APD S9251-15 của Hamamatsu. Module APD được làm lạnh xuống $-20^\circ\text{C}$, hút ẩm, che chắn kín quang học và điện tử để triệt tiêu dòng tối. Mạch dập tắt xung thụ động giúp APD vận hành ổn định tại chế độ Geiger.
    • Chương trình điều khiển và đếm photon được viết bằng Labview, cho phép thu thập và xử lý tín hiệu theo thời gian thực.

  3. Xử lý tín hiệu và giải thuật toán số:

    • Thiết lập phương trình vi phân lidar và các bước hiệu chuẩn: chuẩn hóa gốc thời gian/khoảng cách, trừ phông nhiễu ban ngày, tính hàm chồng chập không gian (Overlap Function) giữa chùm tia laser và trường nhìn của kính thiên văn.
    • Phát triển thuật toán gradient để xác định độ cao đỉnh lớp biên son khí ($z_{PBL}$) và ranh giới đáy/đỉnh mây Ti.
    • Xây dựng thuật toán giải phương trình lidar Raman để trích xuất trực tiếp hệ số suy hao ($\alpha$), từ đó kết hợp với kênh tán xạ đàn hồi xác định hệ số tán xạ ngược ($\beta$), tỉ số lidar ($S$) và tỉ số khử phân cực ($\delta$). Đánh giá sai số thống kê của các phép đo.

Chương III: Quan trắc các đặc trưng vật lý của lớp son khí tầng thấp

Chương III trình bày các kết quả quan trắc thực nghiệm về lớp son khí tầng thấp tại Hà Nội thu được từ hai hệ thống lidar:

  • Độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt: Thực hiện đo đạc sự biến thiên độ cao đỉnh lớp ABL/CBL trong ngày (sáng, chiều, tối) và theo thời gian thực (ví dụ chuỗi đo ngày 27/5/2011, đêm 6/10/2012, đêm 18/11/2012). Kết quả ghi nhận độ cao đỉnh lớp son khí thay đổi phụ thuộc vào chu trình bức xạ nhiệt mặt trời và hoàn lưu gió mùa.
  • Đánh giá tương đồng giữa hai hệ đo: So sánh dữ liệu tán xạ đàn hồi trường gần thu được đồng thời từ hệ lidar Nd:YAG và hệ lidar diode 905 nm (tại các thời điểm đo từ 20h đến 24h ngày 18/11/2012 và ngày 21/11/2012), xác nhận sự khớp nối về mặt tín hiệu và hình dạng phân bố độ cao của lớp son khí.
  • Các tham số quang học của son khí:
    • Xác định cấu trúc độ sâu quang học (Optical Depth) của lớp khí quyển dưới 3,5 km (đo đạc ngày 31/10/2012 và 21/11/2012).
    • Trích xuất hệ số suy hao ($\alpha$) và hệ số tán xạ ngược ($\beta$) của lớp son khí dưới 3,5 km lúc 20h ngày 21/11/2012.
    • Xác định tỉ số lidar đặc trưng ($S$) kèm sai số của son khí tầng thấp tại Hà Nội, so sánh với các giá trị son khí công bố tại một số khu vực khác trên thế giới.

Chương IV: Quan trắc các đặc trưng vật lý của mây Ti tầng cao

Chương IV công bố các kết quả nghiên cứu thực nghiệm về cấu trúc vĩ mô và vi mô của mây Ti (Cirrus) trên bầu trời Hà Nội trong năm 2011:

  • Đặc trưng phân bố hình học và vĩ mô:
    • Xác định vị trí đáy và đỉnh mây Ti qua tín hiệu phân cực song song (chế độ tương tự và đếm photon).
    • Thống kê toàn diện năm 2011 cho thấy mây Ti trên bầu trời Hà Nội tồn tại ở độ cao trung bình là $13,4\text{ km}$, với khoảng biến đổi độ cao phân bố từ $11,2\text{ km}$ đến $15,0\text{ km}$.
    • Độ dày hình học trung bình của lớp mây Ti đạt $1,75\text{ km}$, với khoảng biến đổi từ $0,3\text{ km}$ đến $3,8\text{ km}$.
  • Mối tương quan với nhiệt độ và lớp đối lưu hạn:
    • Đối sánh dữ liệu lidar với số liệu thám không vô tuyến (radiosonde) năm 2011: Khảo sát sự biến đổi nhiệt độ tầng đối lưu, vị trí lớp đối lưu hạn (Tropopause) và khoảng cách giữa đỉnh mây Ti với lớp đối lưu hạn theo mùa.
    • Phân tích sự phụ thuộc của độ cao và độ dày mây Ti theo nhiệt độ nội tại của lớp mây.
  • Đặc trưng quang học vi mô của mây Ti:
    • Xác định cấu trúc tiết diện tán xạ ngược của son khí/tinh thể băng so với phân tử khí theo độ cao.
    • Đo đạc độ sâu quang học của lớp mây Ti.
    • Xác định tỉ số khử phân cực ($\delta$) của mây Ti biến thiên theo độ cao và theo nhiệt độ, phản ánh trạng thái pha và hình thái của các tinh thể băng trong mây tầng cao.

Kết quả và những đóng góp mới

Dựa trên các nội dung trình bày trong văn bản luận án, các kết quả và đóng góp mới gồm:

  1. Về mặt kỹ thuật và công nghệ chế tạo:

    • Thiết kế, chế tạo và tích hợp hoàn chỉnh hệ lidar Raman nhiều bước sóng (532 nm và 1064 nm) có khả năng đo đồng thời tín hiệu phân cực và tín hiệu tán xạ Raman, vận hành song song cả hai chế độ đo tương tự và đếm photon để quan trắc khí quyển từ mặt đất lên độ cao trên 20 km.
    • Nghiên cứu, chế tạo hệ lidar diode nhỏ gọn sử dụng laser diode 905 nm kết hợp đầu thu Si APD làm lạnh $-20^\circ\text{C}$ hoạt động ở chế độ Geiger dập tắt thụ động, phục vụ quan trắc tự động trường gần lớp son khí bề mặt.
    • Xây dựng hệ thống phần mềm điều khiển thu thập dữ liệu bằng Labview và bộ công cụ tính toán số bằng Matlab để giải phương trình lidar đàn hồi, lidar Raman và thuật toán gradient xác định ranh giới lớp biên.

  2. Về mặt dữ liệu thực nghiệm và vật lý khí quyển:

    • Cung cấp chuỗi số liệu quan trắc thực nghiệm đầu tiên bằng kỹ thuật lidar về lớp son khí tầng thấp tại Hà Nội, xác định được quy luật biến động của đỉnh lớp son khí bề mặt (ABL), độ sâu quang học, hệ số suy hao, hệ số tán xạ ngược và tỉ số lidar.
    • Xác định các thông số định lượng về mây Ti tầng cao tại Hà Nội trong năm 2011: độ cao phân bố trung bình ($13,4\text{ km}$, dao động $11,2 - 15,0\text{ km}$), độ dày trung bình ($1,75\text{ km}$, dao động $0,3 - 3,8\text{ km}$), cùng mối liên hệ tương quan giữa đỉnh mây Ti với lớp đối lưu hạn và nhiệt độ radiosonde.
    • Xác định các đặc trưng vi mô của mây Ti gồm độ sâu quang học, tỉ số tán xạ ngược và tỉ số khử phân cực theo nhiệt độ và độ cao.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo các phân tích trong văn bản luận án:

  • Hạn chế thực nghiệm: Điều kiện khí hậu tại khu vực miền Bắc và Hà Nội có độ ẩm cao, số lượng ngày trời trong quang mây ít, gây khó khăn cho việc quan trắc liên tục mây Ti tầng cao. Tín hiệu lidar trường gần bị ảnh hưởng bởi hàm chồng chập (Overlap Function) và suy giảm mạnh khi đi qua các lớp mù/sương dày đặc (tầm nhìn 30 – 50 m làm suy giảm tín hiệu từ 30% đến 45%). Chi phí duy trì và độ ổn định của hệ đo trong môi trường đô thị đòi hỏi việc bảo dưỡng quang cơ phức tạp.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo: Luận án định hướng việc xây dựng các trạm đo lidar đặt tại các vị trí cách biệt khu vực đô thị nhằm tăng cường độ ổn định cho các chuỗi đo dài hạn; hoàn thiện thuật toán tự động hóa hoàn toàn việc xử lý dữ liệu viễn thám; kết hợp dữ liệu lidar mặt đất với các mô hình dự báo khí hậu khu vực và toàn cầu.

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo chuyên môn trong các lĩnh vực:

  • Nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Quang học, Quang điện tử: Cung cấp tài liệu chi tiết về kỹ thuật thiết kế hệ lidar, nguyên lý mạch dập tắt cho đầu thu APD ở chế độ Geiger, kỹ thuật ghép nối module PMT đếm photon, và phương pháp lập trình Labview/Matlab xử lý tín hiệu quang học yếu.
  • Các nhà khoa học Vật lý khí quyển và Môi trường: Cung cấp phương pháp luận và thuật toán trích xuất các tham số vi vật lý (độ sâu quang học, hệ số suy hao, tán xạ ngược, tỉ số lidar, tỉ số khử phân cực) từ tín hiệu tán xạ đàn hồi và Raman.
  • Cơ quan quản lý môi trường và Khí tượng thủy văn: Cung cấp nguồn cơ sở dữ liệu thực nghiệm về cấu trúc lớp biên son khí và mây Ti tại khu vực Hà Nội để đối chuẩn với các mô hình dự báo thời tiết và mô hình lan truyền ô nhiễm không khí.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án đã xây dựng những hệ thống lidar cụ thể nào để phục vụ quan trắc?

Luận án đã thiết kế và chế tạo 02 hệ thống lidar:

  1. Hệ lidar Raman nhiều bước sóng sử dụng laser Nd:YAG (phát bước sóng 532 nm và 1064 nm), tích hợp kênh Raman 532,1 nm và các kênh phân cực song song/vuông góc, sử dụng đầu thu PMT hoạt động ở cả chế độ đo tương tự và đếm photon.
  2. Hệ lidar nhỏ gọn sử dụng laser diode SPL PL90_3 của Osram phát bước sóng 905 nm, tích hợp đầu thu Si APD S9251-15 làm lạnh $-20^\circ\text{C}$ hoạt động ở chế độ Geiger để khảo sát trường gần.

2. Các thông số hình học trung bình của mây Ti tại Hà Nội được xác định trong luận án là bao nhiêu?

Dựa trên số liệu quan trắc thực nghiệm năm 2011 tại Hà Nội, mây Ti có:

  • Độ cao phân bố trung bình: $13,4\text{ km}$ (khoảng biến đổi từ $11,2\text{ km}$ đến $15,0\text{ km}$).
  • Độ dày hình học trung bình: $1,75\text{ km}$ (khoảng biến đổi từ $0,3\text{ km}$ đến $3,8\text{ km}$).

3. Phương pháp nào được sử dụng để xác định vị trí đỉnh lớp son khí bề mặt từ tín hiệu lidar?

Luận án sử dụng phương pháp gradient (tính đạo hàm cường độ tín hiệu đã chuẩn hóa theo khoảng cách $z^2$). Vị trí mà tín hiệu tán xạ đàn hồi chuẩn hóa sụt giảm mạnh nhất tương ứng với điểm cực tiểu của hàm gradient, được xác định là vị trí đỉnh của lớp son khí bề mặt ($z_{PBL}$).

4. Tán xạ Raman mang lại ưu thế gì trong việc xác định các tham số quang học của son khí?

Tán xạ Raman trên các phân tử khí ($N_2, O_2$) là tán xạ phi đàn hồi với tiết diện tán xạ đã biết trước theo lý thuyết. Do đó, việc đo tín hiệu tán xạ Raman cho phép xác định trực tiếp hệ số suy hao quang học ($\alpha$) của son khí mà không cần đưa ra các giả thiết phụ thuộc trước về tỉ số lidar ($S = \alpha/\beta$), giúp nâng cao độ chính xác khi xác định hệ số tán xạ ngược ($\beta$).

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Bùi Văn Hải đã nghiên cứu, chế tạo và tích hợp thành công hai hệ thống lidar đo đạc khí quyển (hệ lidar Raman đa kênh Nd:YAG và hệ lidar diode 905 nm trường gần) tại Viện Vật lý. Tác giả đã xây dựng hoàn chỉnh hệ thống chương trình tính toán số trên Matlab và Labview để xử lý dữ liệu tán xạ đàn hồi và Raman theo hai chế độ đo tương tự và đếm photon. Các kết quả thực nghiệm đã cung cấp bộ dữ liệu định lượng về đặc trưng quang học của lớp son khí tầng thấp cũng như các thông số vĩ mô và vi mô của mây Ti tầng cao trên bầu trời Hà Nội, đóng góp cơ sở khoa học cho lĩnh vực nghiên cứu quang học khí quyển và viễn thám tại Việt Nam.