Nghiên cứu phân bố khí ozone trong khí quyển tầng thấp với phương pháp lidar hấp thụ ví sai

Khí ozone (khí ozone) là một thành phần quan trọng trong khí quyển, đặc biệt là… 123 trang · Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam · 2017.

• Trường học: Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
• Chuyên ngành: Kỹ thuật LIDAR
• Đề tài: Nghiên Cứu Phân Bố Khí Ozone Trong Khí Quyển Tầng Thấp Bằng Phương Pháp Lidar
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT
• DANH MỤC KÝ HIỆU
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• 1. MỞ ĐẦU
• 2. CHƯƠNG 1: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ LIDAR HẤP THỤ VI SAI ĐO PHÂN BỐ OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP
• 1.1. Thiết kế hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone
• 1.1.1. Sơ đồ khối hệ LIDAR hấp thụ vi sai
• 1.1.2. Khối phát quang học
• 1.1.3. Khối thu quang học
• 1.1.4. Khối thu quang điện tử
• 1.1.5. Phần mềm xử lý, tính toán
• 1.2. Lựa chọn cặp bước sóng phát
• 1.3. Mô phỏng tín hiệu LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone
• 1.4. Kết quả mô phỏng và thảo luận
• 3. CHƯƠNG 2: PHÁT TRIỂN MỘT HỆ LIDAR HẤP THỤ VI SAI ĐỂ ĐO ĐẠC PHÂN BỐ OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP
• 2.1. Cấu hình hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone
• 2.2. Xây dựng hệ laser màu phản hồi phân bố
• 2.2.1. Bộ dao động phát
• 2.2.2. Hệ quang học bơm
• 2.2.3. Bộ khuếch đại quang
• 2.2.4. Môi trường hoạt chất
• 2.2.5. Bơm luân chuyển chất màu
• 2.3. Xây dựng bộ phát hệ LIDAR hấp thụ vi sai và đo đạc đánh giá
• 2.4. Chế tạo hệ telescope tử ngoại và khối quang học thu
• 2.4.1. Chế tạo telescope
• 2.4.2. Chế tạo hệ mài phôi kính quang học
• 2.4.3. Khối quang học thu
• 2.5. Phát triển khối điện tử thu
• 2.6. Xây dựng phần mềm thu ghi, xử lý tín hiệu
• 2.7. Đo đạc đánh giá hệ LIDAR hấp thụ vi sai
• 4. CHƯƠNG 3: ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM PHÂN BỐ OZONE TRONG LỚP KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP
• 3.1. Xử lý số liệu
• 3.2. Tính toán phân bố nồng độ ozone theo độ cao
• 3.3. Kết quả đo đạc phân bố nồng độ ozone theo độ cao
• 3.4. Phân tích sai số, đánh giá kết quả đo đạc
• 5. KẾT LUẬN CHUNG
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về khí ozone trong khí quyển tầng thấp

Khí ozone (khí ozone) là một thành phần quan trọng trong khí quyển, đặc biệt là ở tầng thấp (tầng thấp). Ozone được hình thành chủ yếu từ các phản ứng quang hóa giữa các chất ô nhiễm như oxit nitơ và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi dưới tác động của ánh sáng mặt trời. Sự phân bố của ozone trong khí quyển có ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người và môi trường. Nồng độ ozone cao có thể gây ra các vấn đề về hô hấp và làm giảm chất lượng không khí. Theo nghiên cứu, nồng độ ozone trong tầng đối lưu có thể tăng lên đáng kể trong những ngày nắng nóng, dẫn đến hiện tượng ô nhiễm không khí. Do đó, việc theo dõi và đo đạc nồng độ ozone là rất cần thiết để bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường.

1.1 Nguồn gốc và phân bố của ozone

Ozone trong khí quyển được hình thành từ các phản ứng hóa học phức tạp. Nguồn gốc chính của ozone là từ các khí thải công nghiệp và giao thông. Ozone có thể được tìm thấy ở cả tầng đối lưu và tầng bình lưu, nhưng nồng độ cao hơn thường xuất hiện ở tầng bình lưu. Sự phân bố của ozone không đồng đều và phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thời tiết, địa hình và hoạt động con người. Việc hiểu rõ về nguồn gốc và phân bố của ozone giúp các nhà nghiên cứu đưa ra các biện pháp kiểm soát ô nhiễm không khí hiệu quả hơn.

II. Phương pháp đo đạc ozone trong khí quyển

Phương pháp đo đạc ozone trong khí quyển hiện nay rất đa dạng, trong đó phương pháp LIDAR (phương pháp lidar) được coi là một trong những kỹ thuật tiên tiến nhất. LIDAR sử dụng bức xạ laser để đo đạc nồng độ ozone theo chiều cao. Kỹ thuật này cho phép thu thập dữ liệu với độ chính xác cao và thời gian thực. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng LIDAR có khả năng phát hiện nồng độ ozone trong các điều kiện thời tiết khác nhau, từ đó cung cấp thông tin quan trọng về sự biến đổi của ozone trong khí quyển. Việc áp dụng LIDAR trong nghiên cứu phân bố ozone giúp cải thiện khả năng theo dõi và dự đoán ô nhiễm không khí.

2.1 Nguyên lý hoạt động của phương pháp LIDAR

Nguyên lý hoạt động của LIDAR dựa trên việc phát ra các xung laser và đo lường thời gian phản hồi của ánh sáng bị tán xạ từ các phân tử ozone trong khí quyển. Kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai (DIAL) cho phép phân biệt giữa các bước sóng khác nhau, từ đó xác định nồng độ ozone một cách chính xác. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng DIAL có thể đo đạc nồng độ ozone đến độ cao 30 km với độ phân giải không gian cao. Điều này giúp các nhà khoa học có cái nhìn sâu sắc hơn về sự phân bố và biến đổi của ozone trong khí quyển.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả từ các nghiên cứu sử dụng phương pháp LIDAR cho thấy sự biến đổi nồng độ ozone theo thời gian và không gian. Các số liệu thu thập được cho thấy nồng độ ozone có xu hướng tăng trong những ngày nắng nóng, đặc biệt là ở các khu vực đô thị. Điều này cho thấy mối liên hệ giữa hoạt động con người và sự gia tăng nồng độ ozone trong khí quyển. Việc phân tích dữ liệu LIDAR cũng giúp xác định các khu vực có nguy cơ ô nhiễm cao, từ đó đưa ra các biện pháp can thiệp kịp thời. Kết quả này không chỉ có giá trị trong nghiên cứu khoa học mà còn có ý nghĩa thực tiễn trong việc quản lý chất lượng không khí.

3.1 Đánh giá độ chính xác của phương pháp LIDAR

Độ chính xác của phương pháp LIDAR trong việc đo đạc nồng độ ozone đã được kiểm chứng qua nhiều nghiên cứu. Các sai số trong phép đo chủ yếu đến từ các yếu tố như tán xạ ánh sáng và nhiễu nền. Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ và các thuật toán xử lý tín hiệu, độ chính xác của LIDAR đã được cải thiện đáng kể. Việc sử dụng LIDAR không chỉ giúp theo dõi nồng độ ozone mà còn cung cấp thông tin quan trọng cho các nghiên cứu về biến đổi khí hậu và ô nhiễm không khí.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án thuộc chuyên ngành Vật lý – Quang học và Kỹ thuật Laser, theo hướng thực nghiệm – phát triển thiết bị đo đạc. Nghiên cứu tập trung vào việc phát triển hệ thống LIDAR hấp thụ vi sai (Differential Absorption LIDAR – DIAL) hoạt động trong vùng bước sóng tử ngoại, nhằm đo phân bố nồng độ khí ozone theo độ cao trong lớp khí quyển tầng thấp.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Tác giả xác định hai lý do chính thúc đẩy nghiên cứu. Thứ nhất, ozone tầng đối lưu — lớp khí quyển từ mặt đất đến khoảng 3 km — dù chỉ chiếm nồng độ cỡ vài chục phần tỷ (ppb), song là thành phần đóng góp quan trọng vào khói bụi ô nhiễm (photochemical smog), gây các bệnh lý như đau ngực, viêm cuống phổi, hen suyễn và đóng góp vào hiệu ứng nhà kính. Thứ hai, tại Việt Nam, theo báo cáo của Trung tâm Quan trắc Môi trường thuộc Tổng cục Môi trường (tháng 5/2012), trong số khoảng 20 trạm khí tượng cao không trên lãnh thổ, không có trạm nào có số liệu ozone trong bảng thống kê hàng năm. Đo đạc ozone chỉ được thực hiện tại Đài Khí tượng Cao không (Láng – Hà Nội) bằng bóng thám không, với tần suất tối đa 1–2 lần mỗi tháng do chi phí trên 1.000 đô la Mỹ cho mỗi lần đo.

Khoảng trống được xác định là Việt Nam chưa có hệ thống DIAL tự phát triển trong nước để đo phân bố ozone theo độ cao với độ phân giải cao về không gian và thời gian. Các hệ thống LIDAR hiện có tại Viện Vật lý — Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam — mới chỉ hoạt động trong vùng khả kiến và hồng ngoại, xác định các thông số son khí khí quyển, chứ chưa có hệ LIDAR tử ngoại để đo ozone.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu được tác giả nêu rõ: phát triển kỹ thuật LIDAR hấp 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.

Đối tượng và phạm vi

• Đối tượng: Phân bố nồng độ ozone theo độ cao trong lớp khí quyển tầng thấp (từ mặt đất đến khoảng 3 km).
• Phạm vi không gian: Hà Nội, Việt Nam.
• Phạm vi thời gian: Đo đạc thử nghiệm thực hiện vào tháng 01/2017; số liệu vệ tinh đối chiếu lấy từ vệ tinh Aura – NASA trong các tháng 1 của các năm 2013, 2014, 2015 và 2016.
• Nguồn tài trợ: Đề tài VAST01.08/13-14, Hướng ưu tiên Công nghệ thông tin, điện tử, tự động hóa và công nghệ vũ trụ của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước được tác giả điểm lại

Tác giả điểm lại lịch sử đo đạc ozone khí quyển từ các công trình nền tảng đến các hệ thống hiện đại:

• Charles Fabry và Henri Buisson (1913) phát hiện tầng ozone.
• G. Dobson (1928–1958) xây dựng mạng lưới quan trắc quốc tế bằng quang phổ kế mang tên ông (Dobsonmeter); kỹ thuật Umkehr do Götz, Meetham và Dobson giải thích liên quan đến phân bố ozone thẳng đứng; kỹ thuật Umkehr được triển khai từ năm 1934.
• Walther N. Hartley (1880) mô tả sự hấp thụ mạnh của ozone trong vùng 200–300 nm.
• J. Chappuis (1880) nghiên cứu sự hấp thụ trong vùng khả kiến (400–750 nm).
• William Huggins (1890) phát hiện sự hấp thụ ozone trong vùng 300–360 nm.
• Oliver R. Wulf (1926–1927) có các nghiên cứu đầu tiên về hấp thụ ozone trong vùng hồng ngoại gần (750–950 nm).
• Hệ DIAL đo phân bố ozone tại Bucharest – Rumani và tại Viện Khoa học và Công nghệ Gwangju (Hàn Quốc) được tác giả dùng làm ví dụ minh họa hệ vận hành thực tế.
• Tài liệu tham khảo chính về nguyên lý và kỹ thuật LIDAR/DIAL được tác giả viện dẫn liên tục từ nguồn [3] và [37].
• Dữ liệu nồng độ ozone bề mặt trung bình các năm 2013–2015 tại Trung Quốc từ tài liệu [10]; dữ liệu trạm SRVx (Chesapeake Bay – Mỹ) từ tài liệu [11].
• Các kỹ thuật đo đạc phân bố ozone thẳng đứng được tổng hợp từ tài liệu [19]: đầu dò điện hóa (ECC và Brewer-Mast), kỹ thuật Umkehr, phổ kế Brewer [24, 25], ozone kế M-124 [26], và LIDAR hấp thụ vi sai.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Tác giả xác định rằng mặc dù kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai đã được phát triển rộng rãi trên thế giới, tại Việt Nam chưa có hệ DIAL tử ngoại nào được tự nghiên cứu chế tạo trong nước. Hệ DIAL hoạt động trong vùng tử ngoại đòi hỏi linh kiện quang học và quang điện tử phức tạp hơn, độ bền và độ chính xác cao hơn so với các hệ LIDAR thông thường, cùng với các thuật toán xử lý tín hiệu chuyên biệt cho phép đo hấp thụ vi sai.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết và khung phân tích

Luận án xây dựng trên nền tảng vật lý sau:

• Phương trình LIDAR cơ bản (công thức 1.9 trong luận án): $P(R,\lambda) = K \cdot G(R) \cdot \beta(R,\lambda) \cdot T^2(R,\lambda)$, trong đó K là hằng số hệ thống, G(R) là hàm hình học, β(R,λ) là hệ số tán xạ ngược, T(R,λ) là hệ số truyền sóng.
• Kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai (DIAL): phát đồng thời hai bước sóng λon (hấp thụ mạnh) và λoff (hấp thụ yếu), lấy tỉ số tín hiệu để triệt tiêu các hằng số hệ thống và suy ra mật độ khí theo công thức: $N(R) = \frac{1}{2\Delta\sigma} \cdot \frac{d}{dR} \ln\frac{P_{off}(R)}{P_{on}(R)}$.
• Bốn băng hấp thụ của ozone: Hartley (200–300 nm), Huggins (300–360 nm), Chappuis (400–750 nm) và Wulf (750–950 nm); luận án tập trung vào băng Hartley để đo ozone tầng thấp.
• Hệ số suy hao khí quyển phân tách thành bốn thành phần: tán xạ phân tử, hấp thụ phân tử, tán xạ son khí, hấp thụ son khí (công thức 1.19).
• Định luật Lambert-Beer áp dụng cho đo tổng lượng cột ozone.
• Phản ứng quang hóa hình thành ozone tầng đối lưu từ NOx và VOC dưới bức xạ mặt trời bước sóng < 380 nm.

Phương pháp thực nghiệm

Luận án theo hướng phát triển thiết bị và đo đạc thực nghiệm:

• Thiết kế và mô phỏng tính toán: mô phỏng tín hiệu LIDAR tán xạ ngược ở cặp bước sóng 282,9 nm (on) và 286,4 nm (off); tính toán tỷ số tín hiệu trên nhiễu (S/N) khi thay đổi năng lượng laser phát và thời gian đếm photon.
• Chế tạo hệ nguồn phát: xây dựng hệ laser màu phản hồi phân bố (Distributed Feedback Dye Laser – DFDL) gồm bộ dao động phát, hệ quang học bơm, bộ khuếch đại quang và bơm luân chuyển chất màu; sau đó nhân tần vào vùng tử ngoại.
• Chế tạo hệ thu quang học: tự nghiên cứu chế tạo telescope đường kính 40 cm, gồm cả hệ mài phôi kính quang học bán tự động trong nước; lắp đặt bộ lọc băng hẹp FF01-292/27.
• Khối điện tử thu: phát triển mạch khuếch đại băng rộng, đếm đơn photon (photon counting), ghi nhận bằng dao động ký số Picoscope.
• Phần mềm: xây dựng phần mềm thu nhận, xử lý tín hiệu vi sai và tính toán phân bố ozone theo thuật toán vòng lặp riêng cho son khí và ozone.
• Đo đạc thử nghiệm: đo phân bố nồng độ ozone tại Hà Nội trong tháng 01/2017; phân tích sai số thống kê với thời gian đo tích hợp 10 phút và độ phân giải không gian 480 m.

Nguồn dữ liệu đối chiếu

Số liệu đo từ hệ LIDAR hấp thụ vi sai được đối chiếu với số liệu mật độ ozone trung bình tháng 1 của các năm 2013, 2014, 2015 và 2016 từ vệ tinh Aura – NASA tại khu vực Hà Nội.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu tổng quan

Chương gồm ba phần. Phần một trình bày tổng quan về ozone trong khí quyển tầng thấp: cấu hình phân tử O₃, nguồn gốc hình thành, tiết diện hấp thụ theo bốn băng phổ và vai trò sinh thái – môi trường. Tác giả dẫn số liệu: 90% lượng ozone tập trung ở tầng ozone (15–35 km); ozone tầng đối lưu hình thành trong khoảng 50 m tính từ mặt đất; tại bước sóng 250 nm, ozone trong tầng bình lưu chỉ cho xuyên tới mặt đất lượng nhỏ hơn 1 phần 10³⁰ bức xạ mặt trời; một phân tử CFC có thể phá vỡ đến 100.000 phân tử ozone.

Phần hai so sánh các kỹ thuật đo đạc ozone hiện hành: Quang kế UV (đo tại bước sóng 253,7 nm), quang phổ kế Dobson và Brewer, kỹ thuật Umkehr (độ phân giải đạt ~5 km với 16 lớp khí quyển), đầu dò điện hóa ECC và Brewer-Mast trên bóng thám không (độ phân giải vài chục mét đến trên 1 km, độ cao tới 35 km, độ chính xác 5%–10%), và kỹ thuật DIAL. Bảng 1.1 tóm lược các đơn vị đo ozone; Bảng 1.2 liệt kê các tương tác quang học liên quan đến cảm biến laser (tán xạ Rayleigh, Mie, Raman, cộng hưởng, huỳnh quang, hấp thụ và hấp thụ vi sai). Tác giả chỉ rõ LIDAR là kỹ thuật viễn thám chủ động duy nhất trong số các phương pháp quan trắc ozone, có khả năng đo cả ban ngày lẫn ban đêm với độ phân giải thời gian từ 1 phút đến vài giờ và độ phân giải không gian tới vài mét.

Phần ba đi sâu vào cơ sở vật lý của LIDAR và LIDAR hấp thụ vi sai: phương trình LIDAR, hệ số tán xạ ngược, hệ số suy hao, biểu thức tính mật độ khí theo phương pháp DIAL (công thức 1.24 và 1.25), các số hạng hiệu chỉnh D, E, F cho suy hao phân tử, son khí và khí nhiễu. Bảng 1.3 liệt kê 13 cặp bước sóng thường dùng cho DIAL ozone để loại bỏ ảnh hưởng của SO₂.

Chương 2: Thiết kế và mô phỏng hệ LIDAR hấp thụ vi sai

Chương trình bày quá trình thiết kế hệ DIAL và các kết quả mô phỏng số. Tác giả lựa chọn cặp bước sóng 282,9 nm (on) và 286,4 nm (off) — cặp thuộc băng Hartley, loại trừ được ảnh hưởng của SO₂ theo tiêu chí sai số dưới 3%.

Sơ đồ khối hệ DIAL gồm: khối phát quang học (hệ DFDL và nhân tần), khối thu quang học (telescope và phin lọc), khối thu quang điện tử (PMT và mạch khuếch đại), và phần mềm xử lý.

Kết quả mô phỏng được trình bày trong Bảng 1.4 (các thông số sử dụng trong tính toán mô phỏng) và nhiều đồ thị khảo sát ảnh hưởng của các tham số thiết kế:

Tham số khảo sát	Bước sóng đánh giá	Nội dung
Năng lượng laser phát	282,9 nm (on)	Cường độ tín hiệu và S/N theo độ cao
Thời gian đếm photon	282,9 nm (on)	Cường độ tín hiệu và S/N theo độ cao
Đường kính telescope	282,9 nm (on)	So sánh 40 cm và 60 cm
Năng lượng on/off bất cân xứng	282,9 nm và 286,4 nm	Tín hiệu với 50 µJ/xung (on) – 30 µJ/xung (off) và ngược lại

Bảng tổng hợp cấu hình linh kiện (Bảng cấu hình hệ DFDL) và Bảng năng lượng bức xạ laser phát được trình bày trong chương này.

Chương 3: Phát triển một hệ LIDAR hấp thụ vi sai

Chương mô tả chi tiết quá trình chế tạo và tích hợp từng cấu phần của hệ DIAL:

Hệ nguồn phát DFDL tử ngoại: bao gồm bộ dao động phát với gương tam giác (CM) 12 × 12 mm, ba cuvette thạch anh (C1, C2, C3), 14 gương 9 × 9 mm (m1–m14), bơm lưu thông chất màu, bộ khuếch đại quang. Phổ bức xạ laser DFDL được đo và xác nhận đúng tại hai bước sóng on 282,9 nm và off 286,4 nm. Hai vết laser tử ngoại được ghi nhận cách nguồn phát 2 m. Thăng giáng cường độ bức xạ tại cả hai bước sóng được đo và đánh giá.

Hệ telescope tự chế tạo đường kính 40 cm: tác giả mô tả hệ mài phôi kính quang học bán tự động được thiết kế và chế tạo trong nước (mặt cắt ngang và mặt cắt đứng hệ mài được trình bày). Gương cầu đường kính 40 cm sau khi mài và mạ nhôm được lắp vào hệ telescope Newtonian. Gương phẳng và giá treo, gá đỡ tinh chỉnh được mô tả cụ thể.

Khối quang học thu: sử dụng phin lọc FF01-292/27 (đặc trưng phổ truyền qua được đo đạc), PMT (PhotoMultiplier Tube), bộ khuếch đại tín hiệu và dao động ký số Picoscope.

Phần mềm: giao diện phần mềm thu nhận tín hiệu hệ LIDAR DIAL tử ngoại được phát triển, bao gồm các thuật toán vòng lặp tính phân bố son khí (chỉ số điều kiện ξₐ) và phân bố ozone (chỉ số điều kiện ξₒ).

Sau khi cân chỉnh và vận hành, hệ đã thu ghi thành công tín hiệu LIDAR tử ngoại. Bảng đặc trưng kỹ thuật hệ LIDAR hấp thụ vi sai (Bảng thông số đặc trưng hệ) được tổng hợp trong chương.

Chương 4: Đo đạc thử nghiệm phân bố ozone trong lớp khí quyển tầng thấp

Chương trình bày quy trình xử lý số liệu, kết quả đo đạc và đánh giá sai số. Ngày đo đạc điển hình được nêu: 22/01/2017. Tín hiệu LIDAR tử ngoại được ghi nhận đến độ cao trên 4 km ở cả hai bước sóng 282,9 nm và 286,4 nm.

Giản đồ thuật toán tính phân bố nồng độ ozone được trình bày với các bước: trừ nền, hiệu chỉnh hàm chồng chập O(R), tính mật độ son khí theo vòng lặp l, tính mật độ ozone NS(R) trực tiếp từ tỉ số tín hiệu on/off, hiệu chỉnh δNβ(R) do tán xạ ngược và δNα(R) do suy hao các thành phần khác.

Kết quả đo phân bố mật độ ozone theo độ cao trong tháng 01/2017 tại Hà Nội được trình bày và đối chiếu với số liệu vệ tinh Aura – NASA tháng 1 của các năm 2013–2016.

Phân tích sai số: Bảng tổng hợp các sai số trong đo đạc ozone liệt kê bốn thành phần sai số:

Ký hiệu	Nguồn gốc sai số
ε₁	Sai số thống kê do nhiễu nền và nhiễu tín hiệu
ε₂	Sai số do suy hao và tán xạ ngược của các thành phần khác (NO₂, SO₂, son khí)
ε₃	Sai số do độ bất định của tiết diện hấp thụ của ozone
ε₄	Sai số có nguồn gốc từ thiết bị và hệ điện tử

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 được trình bày trong Bảng 9 của chương (trang 98). Bảng các sai số chưa tính sau hiệu chỉnh (Bảng 1.4 trong chương 1) cũng được dẫn chiếu.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Tác giả tự nêu ba điểm mới của luận án:

1. Lần đầu tiên phát triển nguồn phát UV cho một hệ DIAL tại Việt Nam bằng cách sử dụng bức xạ nhân tần của hai laser màu phản hồi phân bố (DFDL), phát ở hai bước sóng tử ngoại 282,9 nm và 286,4 nm.

2. Phát triển hệ thu DIAL với telescope tự nghiên cứu chế tạo trong nước đường kính 40 cm, bao gồm cả hệ mài phôi kính quang học bán tự động. Đây là telescope đường kính lớn tự chế tạo đầu tiên dùng cho ứng dụng này trong nước.

3. Phát triển phần mềm xử lý tín hiệu vi sai và tính toán phân bố ozone cho hệ DIAL tử ngoại, được phát triển lần đầu trong nước, bao gồm thuật toán vòng lặp xử lý son khí và ozone.

Về kết quả đo đạc thực tế, hệ DIAL đã thu ghi được tín hiệu LIDAR tử ngoại đến độ cao trên 4 km tại Hà Nội và tính toán được phân bố mật độ ozone theo độ cao trong tháng 01/2017, với kết quả được đối chiếu với số liệu vệ tinh Aura – NASA. Đóng góp thực tiễn bao gồm việc cung cấp công cụ đo đạc chủ động phục vụ nhu cầu của các đơn vị như Trung tâm Khí tượng Thủy văn, Viện Vật lý Địa cầu, Viện Công nghệ Vũ trụ và Viện Công nghệ Môi trường.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Luận án không trình bày một mục riêng về hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp theo. Tuy nhiên, từ phạm vi nghiên cứu được mô tả, có thể nhận thấy một số giới hạn nội tại:

Kết quả đo đạc thử nghiệm mới được thực hiện trong tháng 01/2017 tại một địa điểm (Hà Nội), nên dữ liệu chưa bao phủ nhiều mùa và khu vực địa lý khác nhau. Hệ thống chưa được vận hành liên tục để theo dõi biến đổi ozone theo thời gian dài. Sai số ε₄ từ thiết bị và hệ điện tử là một thành phần cần tiếp tục được giảm thiểu qua cải tiến phần cứng. Độ phân giải không gian 480 m (với thời gian tích hợp 10 phút) có thể cần cải thiện để theo dõi các biến đổi ozone trong thời gian ngắn hơn.

---

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo cho các nhóm đối tượng sau:

• Nghiên cứu sinh và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực vật lý laser, quang học và kỹ thuật LIDAR: Chương 1 cung cấp tổng quan hệ thống về các kỹ thuật đo đạc ozone và cơ sở vật lý DIAL; Chương 2 và 3 là tài liệu chi tiết về thiết kế, mô phỏng và chế tạo một hệ LIDAR hấp thụ vi sai tử ngoại từ đầu.
• Kỹ sư và nhà nghiên cứu phát triển thiết bị quan trắc môi trường: Phần thiết kế telescope tự chế tạo trong nước, hệ mài phôi kính và khối điện tử đếm photon (Chương 3) là tài liệu có giá trị thực tiễn cho các đơn vị muốn nội địa hóa thiết bị LIDAR.
• Nhà khoa học khí quyển và người làm chính sách trong lĩnh vực môi trường, khí tượng thủy văn: Chương 4 cung cấp phương pháp luận và kết quả đo phân bố ozone tầng thấp tại Hà Nội, có thể dùng làm cơ sở cho các chương trình quan trắc chất lượng không khí.
• Các đơn vị như Trung tâm Khí tượng Thủy văn, Viện Vật lý Địa cầu, Viện Công nghệ Vũ trụ, Viện Công nghệ Môi trường: Kết quả luận án cung cấp nền tảng kỹ thuật để triển khai các hệ quan trắc ozone liên tục bằng phương pháp LIDAR tại Việt Nam.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả lựa chọn cặp bước sóng 282,9 nm và 286,4 nm thay vì các cặp bước sóng khác trong bảng 13 cặp được liệt kê?

Cặp bước sóng này thuộc băng Hartley phù hợp để đo ozone tầng thấp (nơi mật độ ozone nhỏ, cần vùng hấp thụ mạnh để tăng độ nhạy). Cặp này thỏa mãn đồng thời các tiêu chí: tiết diện hấp thụ vi sai ozone đủ lớn, tiết diện hấp thụ vi sai của SO₂ bằng không với sai số dưới 3%, tỉ số Δσ/σ đủ lớn để giảm ảnh hưởng của son khí, và khoảng cách Δλ đủ lớn để không ảnh hưởng đến độ phân giải không gian.

2. Tại sao bóng thám không — kỹ thuật hiện đang dùng tại Đài Khí tượng Cao không Láng — không đáp ứng được nhu cầu quan trắc ozone tầng thấp tại Việt Nam?

Theo thông tin tác giả dẫn (báo cáo tháng 5/2012 của Trung tâm Quan trắc Môi trường), mỗi lần thả bóng thám không đo ozone tốn trên 1.000 đô la Mỹ, nên chỉ thực hiện tối đa 1–2 lần mỗi tháng. Bóng thám không không thể điều khiển và không thể thu hồi, khó duy trì sự ổn định giữa các đầu dò. Phương pháp này không cho phép theo dõi liên tục sự biến đổi nồng độ ozone trong ngày — trong khi nồng độ ozone tầng đối lưu thay đổi nhanh theo giờ, đạt đỉnh vào giữa trưa và xuống thấp nhất vào ban đêm.

3. Việc chế tạo telescope đường kính 40 cm trong nước gặp thách thức kỹ thuật nào?

Tác giả mô tả phải tự xây dựng hệ mài phôi kính quang học bán tự động trong nước để tạo gương cầu đường kính 40 cm phù hợp hoạt động trong vùng tử ngoại (đòi hỏi chất lượng bề mặt quang học cao hơn vùng khả kiến). Sau khi mài, gương được mạ nhôm và lắp vào khung Newtonian cùng với gương phẳng và giá treo tinh chỉnh. Hệ LIDAR hoạt động trong vùng tử ngoại đòi hỏi độ bền và độ chính xác linh kiện cao hơn nhiều so với các hệ LIDAR khả kiến và hồng ngoại đã được Viện Vật lý phát triển trước đó.

4. Kết quả đo đạc của hệ DIAL được kiểm chứng bằng cách nào?

Tác giả đối chiếu số liệu phân bố mật độ ozone đo được trong tháng 01/2017 tại Hà Nội với mật độ ozone trung bình tháng 1 của các năm 2013, 2014, 2015 và 2016 từ số liệu vệ tinh Aura – NASA tại cùng khu vực địa lý. Ngoài ra, sai số thống kê của hệ được đánh giá định lượng với thời gian đo tích hợp 10 phút và độ phân giải không gian 480 m (Bảng tổng hợp sai số, trang 98), phân tách thành bốn thành phần sai số ε₁ đến ε₄.

5. Hệ DIAL phát triển trong luận án hoạt động theo chế độ thu tín hiệu nào và đạt đến độ cao bao nhiêu?

Hệ hoạt động theo chế độ đếm đơn photon (single photon counting), sử dụng PMT và mạch khuếch đại băng rộng cùng dao động ký số Picoscope. Trong phép đo ngày 22/01/2017, tín hiệu LIDAR tử ngoại được ghi nhận đến độ cao trên 4 km ở cả hai bước sóng on (282,9 nm) và off (286,4 nm). Để so sánh, Viện Vật lý trước đó đã xây dựng các hệ LIDAR khả kiến và hồng ngoại đạt đến 10 km (chế độ tương tự) và 30 km (chế độ đếm photon) cho đo đạc son khí, và đến 5 km cho phân bố N₂.

---

Kết luận

Luận án trình bày quá trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và vận hành thử nghiệm một hệ LIDAR hấp thụ vi sai tử ngoại đầu tiên được phát triển trong nước để đo phân bố ozone tầng thấp, hoạt động ở hai bước sóng 282,9 nm và 286,4 nm. Ba cấu phần chính — nguồn phát DFDL tử ngoại, telescope tự chế đường kính 40 cm, và phần mềm xử lý tín hiệu vi sai — đều được nghiên cứu và chế tạo trong khuôn khổ luận án. Kết quả đo thử nghiệm tại Hà Nội (tháng 01/2017) cho thấy hệ thu ghi được tín hiệu đến trên 4 km độ cao và tính toán được phân bố mật độ ozone, được đối chiếu với số liệu vệ tinh Aura – NASA. Luận án đặt nền móng kỹ thuật cho việc vận hành các hệ quan trắc ozone liên tục bằng phương pháp LIDAR tại Việt Nam, phục vụ nhu cầu dự báo khí tượng, giám sát chất lượng không khí và nghiên cứu động học ozone khí quyển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 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. 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]. Cấu hình phân tử ozone [5] 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. 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.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 𝑂 𝑀→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 1100𝑛𝑚 → 𝑂 𝑂 𝑂 𝑂 → 2𝑂 𝑂 𝑋 → 𝑋𝑂 𝑂 (X có thể là O, NO, OH, Br hoặc Cl) 7 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.