mở đầu chúng tôi trình bày về cấu trúc, phân bố, vai trò của lớp son khí đối với khí quyển, đối với thời tiết và sự biến đổi khí hậu của trái đất. Chúng tôi trình bày lý thuyết về tương tác giữa chùm photon kết hợp và môi trường phân tử khí, son khí theo lý thuyết tán xạ đàn hồi và phi đàn hồi, đó là cơ sở của các nghiên cứu lý thuyết và các kết luận thực nghiệm được đưa ra trong luận án ở các chương tiếp sau. Bên cạnh đó chúng tôi cũng thảo luận về những ưu điểm và phạm vi ứng dụng của kỹ thuật lidar trong quan trắc khí quyển. Khí quyển trái đất 1.
Cấu trúc khí quyển Khí quyển Trái đất có thể xem như một hệ Vật lý có dạng cầu bao quanh trái đất với thành phần bao gồm: son khí (gồm tất cả các hạt vật chất như: sương mù, bụi, tinh thể nước…), phân tử khí (N2, O2, CO2, H2O…) và các nguyên tử kim loại (Na, K, Ba, Fe…) [1, 3, 70, 72, 108]. Trong đó, các phân tử khí chiếm phần khối lượng chủ yếu của khí quyển và đóng vai trò chi phối trong các hiện tượng, quá trình của thời tiết, khí hậu … Bảng 1.1 cho biết thành phần và nồng độ của các phân tử trong khí quyển Trái đất.1 thể hiện sự biến đổi của mật độ phân tử khí trung bình, nhiệt độ của khí quyển theo độ cao đối với hai mùa đặc trưng: mùa hè và mùa đông. Trong đó sự đóng góp của các son khí làm cho lớp khí quyển trở nên phức tạp và đóng góp thêm biến động cho khí quyển. Son khí được hiểu là các hạt rắn hoặc lỏng rất nhỏ lơ lửng trong không khí (ví dụ như khói, sương mù, bụi, phấn hoa v.) có kích thước cỡ từ 0,01m đến vài chục mm.
Các hạt son khí được 6 hình thành từ các hiện tượng tự nhiên như hoạt động của núi lửa, bão sa mạc, cháy rừng, chu trình thủy học, từ các sinh vật sống. Ngoài ra, các hoạt động của con người như việc đốt nhiên liệu, tạo khí thải công nghiệp…cũng đưa vào khí quyển một lượng lớn các loại son khí nhân tạo. Son khí nhân tạo chiếm khoảng 10% số lượng son khí trong khí quyển [1, 112].1: Thành phần và nồng độ chất khí trong khí quyển trái đất [65]. Thành phần Khối lƣợng phân tử (đvC) Nồng độ (%) Ni tơ (N2) 28 78,08 Thành phần Ô xy (O2) 32 20,95 chủ yếu Argon (Ar) 40 0,09 Hơi nước (H2O) 18 Biến đổi CO2 44 380 ppm Neon (Ne) 20 18 ppm Thành phần Hê li (He) 4 5 ppm thứ yếu Mê tan (CH4) 16 1,57 ppm Hydro (H2) 2 0,5 ppm Ni tơ oxít(N2O) 56 0,3 ppm Ozone (O3) 48 0 – 12 ppm Trong Hình 1.1 thể hiện sự thay đổi của nhiệt độ trong lớp khí quyển theo độ cao.
Với đường màu xanh dương thể hiện sự biến đổi nhiệt độ theo độ cao vào mùa hè và đường màu đỏ thể hiện quy luật đó vào mùa đông, sự biến động của nhiệt độ mạnh mẽ hơn xảy ra vào mùa hè. Mỗi tầng khí quyển có quy luật biến thiên nhiệt độ theo độ cao là khác nhau. Cụ thể trong tầng đối lưu (0 – 11km) tăng độ cao nhiệt độ giảm, tầng bình lưu (11 km – 50 km) thì ngược lại khi tăng độ cao nhiệt độ lại tăng, tầng trung gian (50 km – 80 km) tăng độ cao nhiệt độ có xu thế giảm và trong tầng nhiệt thì nhiệt độ tăng theo độ cao của lớp khí quyển. Gianh giới giữa hai tầng khí quyển liên tiếp luôn tồn tại lớp chuyển 7 tiếp có độ dày thường dưới 3 km [3].
Tại các lớp chuyển tiếp có sự thay đổi về quy luật biến thiên của nhiệt độ [96]. Phân bố nhiệt độ và mật độ phân tử khí trung bình trong khí quyển trái đất theo độ cao tới 100 km [62]. Điều gì làm thay đổi quy luật biến thiên nhiệt độ trong các lớp khí quyển, các lớp chuyển tiếp có đặc điểm gì và sự biến động của các lớp có vai trò gì trong việc nghiên cứu khí quyển? Câu hỏi đầu tiên không khó trả lời nhưng câu hỏi thứ hai về sự quan trắc biến đổi những thành phần và các đặc tính của mỗi tầng khí quyển cũng như vai trò của sự thay đổi đó đóng góp trong sự thay đổi khí hậu như thế nào thì luôn là câu hỏi rất khó khăn và tốn kém khi chúng ta muốn tìm quy luật đó! Để giải thích cho sự giảm nhiệt độ trong tầng thấp – tầng đối lưu khi tăng độ cao, chúng ta có thể dễ hiểu bởi trong tầng này mật độ son khí và các loại khí nặng tập trung với mật độ lớn nhất và chúng phân bố theo quy luật của sức hút trọng trường trái đất. Khi một khối khí nóng xuất hiện sẽ nở ra làm giảm tỉ trọng do đó chịu lực đẩy Acsimet sẽ đối lưu làm tăng độ cao, đồng thời với quá trình đó là quá trình giãn nở đoạn nhiệt làm cho chúng giảm nhiệt độ khi tăng độ cao.
Vì vậy càng lên cao nhiệt độ khí quyển trong tầng đối 8 lưu sẽ giảm đi. Trong tầng đối lưu sự dịch chuyển của các khối vật chất khí chủ yếu theo chiều lên xuống vì đó có tên gọi là tầng đối lưu. Còn đối với tầng bình lưu: do có sự tồn tại chủ yếu của lớp khí ozone, tại đây có sự hấp thụ mạnh của bức xạ bước sóng dài của mặt trời do đó vùng khí có độ cao càng lớn năng lượng mặt trời bị lưu giữ càng nhiều và nhiệt độ sẽ càng tăng. Vì thế nhiệt độ sẽ tăng tỉ lệ với độ cao của khối khí.
Trong tầng bình lưu sự dịch chuyển của các lớp khí chủ yếu theo phương ngang, người ta gọi loại dịch chuyển này là quá trình loạn lưu. Tại lớp binh lưu giữ một vai trò cực kì quan trọng trong quá trình lưu giữ năng lượng bức xạ nhiệt của mặt trời tới trái đất. Vì thế mà hiện tượng thủng tầng ozone có ảnh hưởng và ý nghĩa quan trọng trong quá trình biến đổi khí hậu và cụ thể trong tiến trình nóng lên của trái đất… Trong Hình 1.1 chúng ta thấy quy luật biến thiên của mật độ khí tồn tại trong lớp khí quyển theo độ cao, khi vẽ lại theo quy luật hàm log cường độ tín hiệu chuẩn hóa theo độ cao (log cường độ tín hiệu nhân với bình phương khoảng cách sẽ tỉ lệ với mật độ khí tại độ cao tương ứng) thì quy luật là tuyến tính, tức là với mỗi km mật độ khí sẽ giảm đi e lần. Vì đó mà chúng ta có thể hiểu được vì sao ~50% tổng khối lượng vật chất tồn tại trong khí quyển phân bố ở độ cao dưới 5 km và 70% lượng vật chất tồn tại trong khoảng cách dưới 10 km [1].
Để hiểu rõ hơn về biểu thức toán học tôi sẽ trình bày cụ thể trong mục 2.3 trong chương 2 của luận án. Nghiên cứu các hiện tượng trong lớp khí quyển trái đất chúng ta có thể phân chia ra thành những lớp cầu đồng tâm. Sự phân chia có thể dựa theo nhiều nguyên tắc khác nhau. Tuy nhiên phổ biến và mang ý nghĩa về năng lượng lưu giữ và quyết định tới sự biến đổi của khí quyển, người ta sẽ chia khí quyển thành các lớp các tầng theo nhiệt độ [3, 4].
Theo sự biến đổi của nhiệt độ lớp khí quyển bao quanh trái đất được chia thành 5 tầng như trong Bảng 1.2 thể hiện về cấu trúc khí quyển, giữa các tầng khí quyển luôn tồn tại các lớp chuyển tiếp mỏng và tại đó ít có sự biến đổi về nhiệt độ. Trong hình 9 đường màu đỏ thể hiện sự thay đổi của nhiệt độ của khí quyển theo độ cao. Đường màu xanh thể hiện sự thay đổi áp suất theo độ cao của khí quyển. Nhiệt độ khí quyển Áp suất khí quyển Hình 1.2: Cấu trúc khí quyển trái đất thay đổi nhiệt độ theo độ cao, trong miền không gian 120 km bao quanh trái đất [70].
Tên gọi và vị trí của các tầng, các phân lớp khí quyển trong khí quyển trái đất được thể hiện trong Bảng 1. Giữa hai tầng liên tiếp ngăn cách bởi một lớp chuyển tiếp, tại lớp chuyển tiếp nhiệt độ gần như không đổi.2: Phân tầng bầu khí quyển trái đất [4]. Các tầng (lớp cầu) Độ cao trung Các lớp chuyển tiếp bình (km) Tầng đối lưu (troposhere) 0 – 11 Lớp đối lưu hạn (tropopause) Tầng bình lưu (stratosphere) 11 - 50 Lớp bình lưu hạn (Stratopause) Tầng trung gian (mesosphere) 50 – 80 Lớp mezon hạn (Mezonpause) 10 Tầng nhiệt (thermosphere) 80 – 800 Lớp nhiệt hạn (Thermopause) Tầng khí quyển ngoài 800 – 2. Son khí tầng thấp Các son khí trong khí quyển đóng một vai trò quan trọng trong quá trình hình thành các hình thái khí tượng khác nhau.
Dù chỉ chiếm một phần nhỏ không gian trong khí quyển nhưng các hạt son khí ảnh hưởng đáng kể đến các quá trình bức xạ ánh sáng, chất lượng không khí, tầm nhìn, quá trình hình thành mây và các quá trình hóa học ở tầng đối lưu và tầng bình lưu… Sự xuất hiện, thời gian tồn tại, các tính chất vật lý, cấu tạo hóa học và các tính chất liên quan đến chiết suất, cũng như các thông số quang học khác của các hạt son khí là nguyên nhân của nhiều hình thái thời tiết khác nhau. Ví dụ, các loại son khí nhân tạo, đặc biệt là các hạt sulfate do đốt cháy nguyên liệu hóa thạch đóng vai trò quan trọng quá trình giảm nhiệt độ trái đất, trái ngược với ảnh hưởng của khí CO2 vốn làm trái đất ấm dần lên. Nghiên cứu son khí giúp ích nhiều cho việc xây dựng chiến lược kiểm soát khí thải và giải quyết các vấn đề liên quan đến ô nhiễm môi trường, mối quan tâm lớn hiện nay của toàn thế giới [1, 3, 4, 7, 10, 124]. Trong các nghiên cứu về chất lượng môi trường tác động tới sức khỏe con người thì các loại son khí như bụi, phấn hoa có thể gây ra các bệnh như: hen phế quản, các bệnh dị ứng.
Các hạt có kích thước trong khoảng 0,1m đến 1m là những hạt đặc biệt gây hại tới sức khoẻ con người [25, 26]. Khả năng làm việc các hệ đo từ xa và các hệ thống quang - điện tử cũng bị ảnh hưởng rất nhiều bởi các hạt son khí. Trong quân sự, việc nghiên cứu son khí có ý nghĩa quan trọng trong việc nghiên cứu chế tạo các thiết bị quang điện tử hiện đại cũng như các thiết bị để ngụy trang, nghi trang, làm vô hiệu hoá các thiết bị quang điện tử của đối phương, làm suy giảm hoặc triệt tiêu bức xạ laser.