Chương 1 Nguyên lý của lidar xác định mật độ phân tử và nhiệt độ Phân bố nhiệt độ của khí quyển có thể được xác định từ phân bố mật độ phân tử của khí quyển theo điều kiện cân bằng thủy tĩnh và khí lí tưởng. Trong khi đó, phân bố mật độ phân tử có thể được xác định từ tín hiệu tán xạ ngược (tín hiệu lidar) Rayleigh hoặc tín hiệu tán xạ ngược Raman của phân tử trong khí quyển dựa vào phương trình lidar. Chương này trình bày nguyên lí của việc xác định phân bố mật độ phân tử và phân bố nhiệt độ của khí quyển từ tín hiệu lidar. Các phương pháp để hiệu chỉnh suy hao của khí quyển bao gồm suy hao của sol khí, ô zôn, phân tử cũng sẽ được trình bày.
Cuối cùng là tổng kết về ưu điểm và hạn chế của phương pháp lidar này trong việc xác định phân bố mật độ phân tử và nhiệt độ.1 Nguyên lí chung của kỹ thuật Lidar Hình 1. Nguyên lí cơ bản của lidar (kiểu đơn tĩnh đồng trục) [18]. Nguyên lí cơ bản của kỹ thuật lidar kiểu đơn tĩnh đồng trục (mono-static coaxial) được trình bày ở Hình 1. Theo đó, chùm xung laser được phát vào khí 6 quyển, ánh sáng tán xạ ngược từ sự tương tác của xung laser với các thành phần khí quyển được tập hợp bởi kính thiên văn.
Các tín hiệu tán xạ ngược này được thu bởi các đầu đo quang học. Phân tích tín hiệu tán xạ ngược này, chúng ta rút ra được các thông tin về các đối tượng trong khí quyển theo thời gian và khoảng cách. Khoảng cách R của đơn vị thể tích tán xạ ngược được xác định từ thời gian t lan truyền của xung laser tới đầu đo quang học [18]: 𝑡.1) 2 Trong đó, c là vận tốc ánh sáng trong không khí. Độ phân giải không gian cực đại R phụ thuộc vào độ rộng xung laser L, thời gian đáp ứng của hệ điện tử N, và thời gian phản ứng từ sự tương tác của ánh sáng với các thành phần khí quyển W [18]: 𝑐 R = (𝜏 𝐿 + 𝜏 𝑁 + 𝜏 𝑊 ) (1.2) 2 thời gian W thường bỏ qua vì quá nhỏ.2 Khí quyển Trái đất 1.1 Cấu trúc của khí quyển Bảng 1.1 Các tầng của khí quyển Trái đất[46].
Độ cao trung Các tầng khí quyển Lớp chuyển tiếp bình (km) Tầng ngoài (Exosphere) >700 km Tầng điện li (Thermosphere) 80 to 700 km Đỉnh tầng điện li (thermopause) Tầng trung lưu (Mesosphere) 50 to 80 km Lớp trung lưu hạn (mesopause) Tầng bình lưu (Stratosphere) 12 to 50 km Lớp bình lưu hạn (stratopause) Tầng đối lưu (Troposphere) 0 to 12 km Lớp đối lưu hạn (tropopause) Khí quyển Trái đất là một lớp khí bao quanh Trái đất và được giữ lại nhờ trọng lực. Dựa vào sự biến đổi của nhiệt độ (Hình 1.2), khí quyển có thể được chia thành nhiều tầng khí quyển khác nhau như được tổng kết trong Bảng 1. Cấu trúc của khí quyển theo độ cao [46]. Tầng ngoài khí quyển là ranh giới giữa khí quyển Trái đất và khoảng không vũ trụ, nơi các hiện tượng khí tượng không xảy ra.
Trong tầng điện li, nhiệt độ tăng rất nhanh theo độ cao và có thể đạt tới 2000 0C, các phân tử tồn tại dưới dạng ion. Tầng trung lưu kéo dài từ lớp bình lưu hạn đến lớp trung lưu hạn có nhiệt độ giảm dần theo độ cao và có thể đạt tới -85 0C. Đây là tầng khí quyển lạnh nhất trong khí quyển. Mật độ phân tử trong tầng trung lưu là rất thấp và đỉnh tầng khí quyển này chứa một ít hơi nước.
Tầng bình lưu khí quyển được chia tách với tầng đối lưu khí quyển bởi lớp đối lưu hạn. Trong lớp khí quyển này, nhiệt độ tăng dần theo độ cao và có thể đạt tới 0 0C. Nhiệt độ tăng dần là do sự tồn tại của lớp ô zôn. Ô zôn hấp thụ ánh sáng mặt trời ở vùng cực tím làm gia tăng nhiệt độ khí quyển.3 cho thấy phân bố nồng độ ô zôn trong tầng bình lưu.
Mật độ phân tử khí trong tầng khí quyển này là loãng, có rất ít hơi nước và bụi. Không khí chuyển động theo chiều ngang là chính và rất ổn định. Đây là tầng khí quyển cao nhất mà các nghiên cứu có thể được thực hiện bởi các máy bay và bóng thám không. Phân bố mật độ ô zôn của bán cầu Bắc [48].
Sự biến đổi độ cao của lớp đối lưu hạn từ cực Bắc tới xích đạo [52]. Bên dưới tầng bình lưu, tầng đối lưu là tầng khí quyển thấp nhất tính từ lớp đối lưu hạn tới bề mặt của Trái đất. Theo tổ chức khí tượng thế giới (WMO), lớp đối lưu hạn được định nghĩa là nơi có sự thay đổi đột ngột (từ dương sang âm) của tỉ lệ giảm nhiệt độ (lapse rate) của môi trường, tỉ lệ giảm nhiệt là khoảng 2 0C hoặc ít hơn. Độ cao của lớp đối lưu hạn thay đổi theo vĩ độ của Trái đất, khoảng 9 km ở vùng cực và 17 km ở xích đạo và biến đổi theo thời tiết như mô tả ở hình 1.
Nhiệt độ của tầng đối lưu giảm dần do mật độ phân tử khí giảm dần và nhiệt độ thấp nhất có thể hạ xuống – 50 0C. Không khí trong tầng đối lưu chuyển động mạnh theo cả hai phương thẳng đứng và nằm ngang. Sự biến đổi nhiệt độ cao từ bề mặt tới lớp đối lưu hạn đã 9 làm cho nước có thể tồn tại ở cả ba trạng thái. Trong tầng đối lưu, lớp biên bề mặt (boundary layer) chịu sự đối lưu mạnh nhất.
Nó chịu sự ảnh hưởng trực tiếp của bề mặt Trái đất nên thay đổi tính chất rất mạnh theo thời gian và địa điểm. Độ cao của lớp tiếp xúc bề mặt từ mặt đất đến khoảng 2 km tùy theo thời gian và địa điểm và điều kiện thời tiết.2 Thành phần của khí quyển Hình 1. Thành phần khí quyển tính theo thể tích [46]. Thành phần chính của khí quyển Trái đất là phân tử khí và sol khí, trong đó các phân tử khí chiếm khối lượng chủ yếu và chi phối các hiện tượng thời tiết và khí hậu trên Trái đất.
Về nồng độ, không khí khô chứa khoảng 78% Ni tơ, 20.93% là Argon, phần còn lại là các khí khác được cho thấy ở Hình 1. Hai chất khí có nồng độ biến đổi đáng kể nhất trong số các chất khí còn lại là hơi nước và khí CO2. Tương tác của ánh sáng với khí quyển Khí quyển chứa nhiều thành phần khác nhau có kích thước biến đổi từ kích thước của nguyên tử và phân tử (khoảng Angstrom d~10-3-10-4μm) đến kích thước của các hạt sol khí (d~10-2-5 μm), giọt nước hoặc tinh thể băng (d~1-15 μm). Ngày nay, hầu hết các kỹ thuật lidar đều sử dụng các nguồn laser như là nguồn phát (transmitter).
Chùm laser có thể coi như một nguồn ánh sáng kết hợp, đơn sắc, phân cực tuyến tính. Tương tác của chúng với các thành phần khí quyển có thể được mô tả 10 dựa trên lý thuyết lan truyền sóng điện từ trong môi trường biến đổi. Nhiều quá trình có thể xảy ra từ kết quả của sự tương tác của ánh sáng với các thành phần khí quyển khí quyển như: phản xạ, tán xạ, hấp thụ, nhiễu xạ. Cường độ của ánh sáng sinh ra từ các quá trình tương tác đó phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng kích thích ban đầu, mật độ của các vật tán xạ, tác động của môi trường, và tiết diện tán xạ của vật được nghiên cứu.
Trong kỹ thuật lidar, hai quá trình được quan tâm là hấp thụ và tán xạ. Quá trình tán xạ bao gồm tán xạ đàn hồi và tán xạ phi đàn hồi (tán xạ Raman). Dựa trên quan hệ giữa kích thước của hạt tán xạ và bước sóng ánh sáng tới thông qua tham số kích thước tán xạ = D.λ-1, trong đó, D là đường kích của hạt tán xạ, ms là chiết xuất phức, λ là bước sóng ánh sáng tới. Tán xạ đàn hồi có thể được chia thành tán xạ Mie và tán xạ Rayleigh (tán xạ của phân tử).
Khi << 1 tán xạ Rayleigh là chủ đạo, trong khi ~ 1 tán xạ Mie chiếm ưu thế so với tán xạ Rayleigh. Khi >> 1 tán xạ trở thành tán xạ hình học (phản xạ bởi mây). Đối với kỹ thuật lidar tích phân đo đạc phân bố mật độ và nhiệt độ khí quyển, các quá trình sau đây được đề cập trong luận án: (a) Tán xạ Rayleigh và dập tắt (extinction) của phân tử. (b) Tán xạ Mie và dập tắt của sol khí.
(c) Tán xạ phi đàn hồi Raman dao động-quay của phân tử. Tán xạ Rayleigh và sự dập tắt của phân tử Khi một sóng điện từ tới tương tác với phân tử trong khí quyển, nó sinh ra một lưỡng cực điện bên trong phân tử. Đối với phân tử gồm hai nguyên tử như ni tơ và ô xy, ten xơ phân cực có thành phần không đổi và đẳng hướng, điều này giải thích cho sự tái phát xạ ở cùng tần số với sóng điện từ tới. Nếu bước sóng kích thích là lớn hơn nhiều kích thước của phân tử thì tán xạ Rayleigh sẽ chi phối.
Một photon được tái phát xạ với cùng năng lượng của photon tới. Trong ứng dụng lidar, tán xạ Rayleigh sử dụng hệ số tán xạ ngược của phân tử (molecular scattering coefficient) mol(,z) 11 [m-1sr-1] để xác định các đại lượng liên quan. Hệ số tán xạ ngược của phân tử được xác định từ mật độ phân tử khí quyển 𝑛𝑎𝑖𝑟 (𝑧) và tiết diện tán xạ ngược vi phân [40]: 𝑑𝜎𝑚𝑜𝑙 (𝜙,𝜋,𝜆) 𝛽𝑚𝑜𝑙 (, z) = 𝑛𝑎𝑖𝑟 (𝑧) (1.3) 𝑑Ω Trong các tính toán thực tế một công thức bán thực nghiệm thường dùng để xác định 𝑑𝜎𝑚𝑜𝑙 (𝜙,𝜋,𝜆) tiết diện tán xạ ngược vi phân ở lớp khí quyển dưới 100 km [63]: 𝑑Ω 𝑑𝜎𝑚𝑜𝑙 (𝜙,𝜋,𝜆) 550 = 5.4) 𝑑Ω 𝜆 Trong đó, dσm/dΩ có đơn vị là m2 molecule-1 và bước sóng được tính theo đơn vị nm. Ví dụ tiết diện tán xạ Rayleigh của phân tử ở bước sóng 532 nm được xác định là 6.
Sự phụ thuộc cường độ tán xạ vào góc tán xạ được cho thấy ở trên hình 1. Cường độ tán xạ Rayleigh là đối xứng theo hướng phía trước (00) và hướng ngược lại (1800). Sự phụ thuộc cường độ tán xạ Rayleigh vào góc tán xạ của phân tử [40]. Hệ số dập tắt phân tử αmol(z) (molecular extinction coefficient) và hệ số tán xạ ngược của phân tử liên hệ theo biểu thức sau [40]: 8π αmol (, z) = βmol (, z) (1.