MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, biến đổi khí hậu là một trong những vấn đề môi trƣờng lớn của thế giới và Việt Nam là một trong những quốc gia bị ảnh hƣởng nhiều do sự biến đổi này. Một trong những dấu hiệu của sự biến đổi này là hiện tƣợng trái đất đang nóng dần lên do hiệu ứng nhà kính. Các khí gây ra hiệu ứng nhà kính có thể kể đến là CO2, CH4, SO2, CFC, hơi nƣớc… Khí nhà kính chỉ chiếm 1% thành phần khí quyển nhƣng có vai trò nhƣ tấm chăn bao phủ trái đất, vì chúng giữ nhiệt sƣởi ấm cho trái đất, nơi mà nhiệt độ sẽ thấp hơn khoảng 300C nếu nhƣ không có khí nhà kính.
Các hoạt động của con ngƣời nhƣ sử dụng nhiên liệu hóa thạch, chuyển đổi mục đích sử dụng đất nhƣ phá rừng để canh tác nông nghiệp và hoạt động công nghiệp làm dày thêm “lớp chăn” bao phủ này dẫn đến sự nóng lên toàn cầu (Phan Minh Sang và Lưu Cảnh Trung, 2006). Trong số các loại khí nhà kính thì phổ biến nhất là CO2. Hàm lƣợng CO2 trong khí quyển là một đại lƣợng quan trọng đặc trƣng cho lƣợng khí CO2 trong khí quyển, ngoài ra còn là đầu vào của các mô hình khí hậu cũng nhƣ là các mô hình sinh thái, tuần hoàn cacbon cấp vùng và cấp hành tinh. Việc quan trắc CO2 trong khí quyển nhằm phục vụ dự báo về biến đổi khí hậu và ấm lên toàn cầu (Doãn Hà Phong et al.
Hiện nay trên thế giới đã xuất hiện thị trƣờng mua bán các tín chỉ cacbon. Các quốc gia đã có sự quan tâm đến lƣợng phát thải CO2 hằng năm, thực hiện nhiều biện pháp nhằm giảm thiểu sự phát thải CO2. Ngoài những biện pháp về nâng cao kỹ thuật, thay thế nguồn nguyên nhiên liệu, còn có một biện pháp tự nhiên giúp giảm thiểu CO2 trong khí quyển đó là duy trì diện tích rừng. Cây hấp thu khí CO2 từ không khí và giữ chúng dƣới dạng cacbon ở trong thân cây, cành và lá, qua đó giúp làm chậm tốc độ nóng lên trên toàn cầu, góp phần giảm thiểu tác động của hiệu ứng nhà kính.
Khả năng hấp thụ CO2 ở mỗi loại rừng là khác nhau và là một trong những vai trò quan trọng của rừng. Do đó, chƣơng trình Giảm thiểu phát thải từ suy thoái và mất rừng (Reducing Emission from Deforestation and 1 Degradation - REDD) ra đời nhằm mục đích giảm thiểu phát thải từ suy thoái và mất rừng, kêu gọi các quốc gia tham gia bảo vệ rừng. Vai trò của rừng ngày càng đƣợc nâng cao trong bối cảnh hiện nay một phần là do sự gia tăng của các khí nhà kính nhƣ CO2. Vì thế, việc theo dõi, kiểm soát nồng độ CO2 trong khí quyển là điều cần thiết.
Đặc biệt đối với Việt Nam khi tham gia chƣơng trình REDD thì càng phải xây dựng bản đồ nồng độ CO2. Để mô phỏng hay ƣớc lƣợng CO2, hiện nay có ba phƣơng pháp nghiên cứu tiêu biểu và các đặc điểm theo IPCC (IPCC, 2000) nhƣ sau: a. Điều tra mặt đất: Đây là phƣơng pháp khá phổ biến, hầu hết các nghiên cứu đều theo hƣớng này. Tuy nhiên, với phƣơng pháp này, cần phải có nguồn nhân lực và chi phí nghiên cứu khá cao.
Mô hình hóa: hƣớng nghiên cứu bằng cách mô hình hóa hệ sinh thái có độ chính xác không chắc chắn, dựa trên nhiều giả định khác nhau. Mô hình đạt độ chính xác cao khi có nhiều yếu tố đầu vào, tuy nhiên nhƣ vậy sẽ làm cho mô hình trở nên nặng nề, khó vận hành. Đồng thời, chi phí để xây dựng một mô hình mới không thấp. Viễn thám: Đây là phƣơng pháp có diện tích nghiên cứu linh động từ nhỏ đến lớn, tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu.
Với chi phí chỉ khoảng 0.0002 $/ha mua ảnh, đây là mức chi phí phù hợp cho các nghiên cứu có quy mô từ nhỏ đến lớn. Đồng thời, phƣơng pháp này sẽ dễ thực hiện hơn nếu kết hợp với dữ liệu mặt đất. Hiện nay, việc tăng cƣờng ứng dụng công nghệ vũ trụ phục vụ nghiên cứu thành phần khí nhà kính có trong khí quyển nhằm tăng tính kịp thời và hiệu quả của công tác giám sát và dự báo khi mà số liệu đo đạc mặt đất về hàm lƣợng CO2 rất hiếm hoặc không có. Với những đặc điểm nhƣ trên cùng với sự ra đời của vệ tinh quan trắc khí nhà kính GOSAT của Nhật, việc ứng dụng công nghệ viễn thám để ƣớc tính hàm lƣợng CO2 càng trở nên khả thi hơn bao giờ hết.
Với những thuận lợi này, trong khuôn khổ luận văn, đề tài sẽ nghiên cứu theo hƣớng ứng dụng công nghệ viễn thám nhằm ƣớc tính hàm lƣợng CO2 trong không khí. Mục tiêu nghiên cứu Ứng dụng kỹ thuật viễn thám để xác định hàm lƣợng CO2 khí quyển từ các giá trị bức xạ phổ trên ảnh vệ tinh, từ đó mô phỏng phân bố không gian giá trị khí CO2 cho toàn vùng nghiên cứu, nhằm để có các giải pháp phù hợp trong việc giảm tác động của hiệu ứng nhà kính. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: nồng độ CO2 khí quyển và thông tin bức xạ phổ từ ảnh vệ tinh. Khu vực nghiên cứu: Vùng Nam Tây Nguyên gồm ba tỉnh: Lâm Đồng, Đắk Nông, Đắk Lắk.
Đề tài chọn ba tỉnh Lâm Đồng, Đắk Nông, Đắk Lắk làm khu vực nghiên cứu vì đây là nơi có thực phủ đa dạng nhƣ: rừng, đất nông nghiệp, đô thị, đất trống. Đặc điểm này sẽ tạo thuận lợi trong việc xác định sự khác biệt phổ CO2. Dữ liệu vệ tinh: sử dụng trong nghiên cứu là (1) số đo CO2 (XCO2) toàn cầu từ vệ tinh GOSAT; (2) ảnh vệ tinh MODIS với các sản phẩm dùng để trích xuất các tham số lý sinh liên quan đến hàm lƣợng cacbon. Đơn vị đo lường nồng độ CO2 trong nghiên cứu này là ppm.
PPM là từ viết tắt của part per million. Theo từ điển, ppm là đơn vị đo lƣờng để diễn đạt nồng độ theo khối lƣợng hay thể tích của một chất trong một hỗn hợp có chứa chất đó, tính theo phần triệu. Đơn vị đo lƣờng này thƣờng đƣơc sử dụng trong phép phân tích vi lƣợng (nồng độ của chất trong hỗn hợp rất nhỏ). Ngƣời ta sử dụng đơn vị ppm trong nhiều ngành, từ hoá học, vật lý, cho đến điện tử, luyện kim.
và nhất là dùng ppm để đo nồng độ các loại khí thải, khí gây ô nhiễm, và tính trên thể tích một lít. Ví dụ, khi tính toán phần CO2 trong không khí, thì ta sẽ đo coi có bao nhiêu phân tử CO2 trên tổng số phân tử của không khí. Không khí có oxygen, có nitrogen, có rất nhiều loại khí khác, thì phải đo xem là CO2 chiếm bao nhiêu phần trên phần triệu của những phần của khí khác. Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm: 3 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu liên quan đến tình hình phát thải khí CO2 và cơ sở khoa học về kỹ thuật viễn thám ứng dụng trong tính toán hàm lƣợng carbon và giám sát hiệu ứng nhà kính.
Xử lý ảnh viễn thám để xác định các dải bƣớc sóng phù hợp và các chỉ số liên quan sử dụng trong việc dự đoán đặc tính của CO2. Phân tích tƣơng quan, xây dựng phƣơng trình hồi quy giữa giá trị bức xạ phổ trên ảnh viễn thám với số đo XCO2 toàn cầu để mô phỏng phân bố không gian hàm lƣợng CO2 khí quyển cho khu vực nghiên cứu. Đề xuất giải pháp giảm phát thải khí CO2 tác động đến hiệu ứng nhà kính trong bối cảnh biến đổi khí hậu hiện nay. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn Ngày này, con ngƣời và các sinh vật chịu tác động lớn từ hiện tƣợng trái đất nóng dần lên, nhiệt độ ngày càng tăng ảnh hƣởng trực tiếp đến đời sống, sức khỏe và sinh hoạt của mọi ngƣời.
Nguyên nhân gây ra hiện tƣợng này là do hiệu ứng nhà kính gây ra bởi các khí nhà kính, đặc biệt là khí CO2. Tuy nhiên, tại Việt Nam có rất ít những nghiên cứu về tính toán khả năng hấp thụ CO2 của các khu rừng, đặc biệt là trong lĩnh vực viễn thám, sử dụng ảnh vệ tinh. Trong bối cảnh khoa học kỹ thuật phát triển nhƣ hiện nay, các vệ tinh đã lần lƣợt đƣợc phóng lên quỹ đạo, ngân hàng ảnh vệ tinh là vô cùng phong phú. Vì thế, việc áp dụng công nghệ viễn thám để khai thác tiềm năng từ nguồn dữ liệu này là hoàn toàn khả thi.
Kết quả đề tài sẽ là quy trình tính toán nồng độ CO2 dựa trên các giá trị bức xạ từ ảnh vệ tinh cho khu vực nghiên cứu. Thông tin này sẽ góp phần giúp ích cho các nhà quản lý nắm đƣợc khả năng hấp thụ CO2 của khu vực nghiên cứu nói riêng và các khu rừng khác nói chung khi cần nghiên cứu. Đặc biệt với kết quả từ đề tài này, việc ƣớc lƣợng khả năng hấp thụ CO2 của các khu rừng sẽ trở nên thuận tiện hơn vì không cần phải tiến hành đi khảo sát thực địa, giảm bớt chi phí cho việc nghiên cứu khoa học. Hiện nay, xét về phƣơng diện quốc gia, nƣớc ta vẫn là một nƣơc đang phát triển, vấn đề quản lý phát thải CO2 chƣa cấp bách nhƣ các nƣớc phát triển khác.
Tuy 4 nhiên, hiện tƣợng hiệu ứng nhà kính gây biến đổi khí hậu đã mang tính toàn cầu, vì thế để góp tiếng nói vào công cuộc bảo vệ môi trƣờng sống trên trái đất, vấn đề CO2 cần đƣợc quan tâm hơn nữa. Kết quả từ đề tài sẽ góp phần xây dựng bản đồ lƣu giữ cacbon của rừng, giúp ích cho Việt Nam khi tham gia vào chƣơng trình REDD. 5 CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Hiệu ứng nhà kính và các tác động 1.1 Giới thiệu về Hiệu ứng nhà kính Nhiệt độ bề mặt Trái Đất đƣợc tạo nên do sự cân bằng giữa năng lƣợng Mặt Trời đến bề mặt Trái Đất và năng lƣợng bức xạ của Trái Đất vào khoảng không gian giữa các hành tinh. Hiệu ứng nhà kính là hiện tƣợng không khí của Trái Đất nóng lên do bức xạ Mặt Trời đến với Trái Đất có dạng sóng ngắn, có thể xuyên qua tầng khí quyển chiếu xuống mặt đất nhƣng khi mặt đất hấp thu nóng lên lại bức xạ sóng dài vào khí quyển, do sóng dài có năng lƣợng thấp hơn nên không thể xuyên qua khi khí quyển bị bao bọc bởi lớp khí nhƣ CO2, CH4, CFC, … Vì thế, chúng tích tụ lại làm cho nhiệt độ của Trái Đất ngày càng nóng lên.1: Hiệu ứng nhà kính Hiệu ứng nhà kính là một hiện tƣợng có sẵn trong tự nhiên.