Luận án nghiên cứu phân bố khí ozone trong khí quyển tầng thấp với độ phân giải cao trên cơ sở phát triển và ứng dụng phương pháp lidar hấp thụ ví sai

MỤC LỤC Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục chữ viết tắt i Danh mục ký hiệu ii Danh mục bảng vi Danh mục hình, đồ thị vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Ozone khí quyền tầng thấp 1.1.1 Nguồn gốc phân bố 1.1.2 Tiết diện hấp thụ ozone 11 1.1.3 Vai trò tác động ozone 12 1.2 Đo đạc, quan trắc ozone khí 13 1.2.1 Khái quát chung 13 1.2.2 Nguyên lý phương pháp đo ozone khí quyền 15 1.2.2.1 Đo tổng lượng cột ozone 16 1.2.2.2 Đo phân bố mật độ ozone theo phương thẳng đứng 19 1.3 Nguyên lý đo đạc phân bố ozone khí tầng thấp dùng kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai 24 1.3.1 Cơ sở vật lý kỹ thuật LIDAR LIDAR hấp thụ vi sai 24 1.3.2 Hệ LIDAR phương trình LIDAR 27 1.3.3 Kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai 34 1.3.4 Lựa chọn bước sóng cho LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone 37 1.3.5 Đo phân bố ozone dùng kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai khí tầng thấp 39 1.3.6 Tính tốn phân bố nồng độ ozone theo độ cao 45 1.3.7 Độ xác phép đo ozone dùng LIDAR hấp thụ vi sai 49 Kết luận Chương 51 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ LIDAR HẤP THỤ VI SAI ĐO PHÂN BỐ OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP 53 2.1 Thiết kế hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone 53 2.1.1 Sơ đồ khối hệ LIDAR hấp thụ vi sai 53 2.1.2 Khối phát quang học 54 2.1.3 Khối thu quang học 55 2.1.4 Khối thu quang điện tử 56 2.1.5 Phần mềm xử lý, tính tốn 56 2.2 Lựa chọn cặp bước sóng phát 56 2.3 Mơ tín hiệu LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone 58 2.4 Kết mô thảo luận 61 Kết luận Chương 67 CHƯƠNG PHÁT TRIỂN MỘT HỆ LIDAR HẤP THỤ VI SAI ĐỂ ĐO ĐẠC PHÂN BỐ OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP 68 3.1 Cấu hình hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone 68 3.2 Xây dựng hệ laser màu phản hồi phân bố 69 3.2.1 Bộ dao động phát 71 3.2.2 Hệ quang học bơm 72 3.2.3 Bộ khuếch đại quang 73 3.2.4 Môi trường hoạt chất 73 3.2.5 Bơm luân chuyển chất màu 73 3.3 Xây dựng phát hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo đạc đánh giá 74 3.4 Chế tạo hệ telescope tử ngoại khối quang học thu 79 3.4.1 Chế tạo telescope 79 3.4.2 Chế tạo hệ mài phơi kính quang học 79 3.4.3 Khối quang học thu 82 3.5 Phát triển khối điện tử thu 84 3.6 Xây dựng phần mềm thu ghi, xử lý tín hiệu 85 3.7 Đo đạc đánh giá hệ LIDAR hấp thụ vi sai 86 Kết luận Chương 90 CHƯƠNG ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM PHÂN BỐ OZONE TRONG LỚP KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP 92 4.1 Xử lý số liệu 92 4.2 Tính tốn phân bố nồng độ ozone theo độ cao 92 4.3 Kết đo đạc phân bố nồng độ ozone theo độ cao 95 4.4 Phân tích sai số, đánh giá kết đo đạc 96 Kết luận Chương 99 KẾT LUẬN CHUNG 100 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO 103 Danh mục chữ viết tắt abs – absorption (hấp thụ) aer – aerosols (son khí) DFDL – Distributed Feedback Dye Laser (laser màu phản hồi phân bố) DIAL – Differential-Absorption LIDAR (lidar hấp thụ vi sai) FWHM – Full Width at Half Maximum (độ bán rộng) LIDAR – Light Detection And Ranging mol – molecular (phân tử) OMI – Ozone Monitoring Instrument (thiết bị quan trắc ozone) PMT – PhotoMultiplier Tube (ống nhân quang điện) RMS – Root Mean Square (bình phương trung bình) RS – Remote Sensing (viễn thám) STP – Standard Temperature and Pressure (nhiệt độ áp suất chuẩn) i    Danh mục ký hiệu A – diện tích thu quang học As – tiết diện tán xạ tất phần tử thể tích V AL – tiết diện tia laser A – thừa số Α B(off,R) – thừa số 𝐵 𝜆 ,𝑅 , , CM – gương tam giác 12 x 12 mm C1, C2, C3 – cuvette thạch anh G(R) – hàm mơ tả thơng số hình học phụ thuộc độ cao đo F – phin lọc bước sóng Ic – cường độ tán xạ telescope thu nhận Is – tổng cường độ tán xạ vào góc khối 4 Io – cường độ xạ phát I0λ – cường độ xạ mặt trời ngồi khí bước sóng λ Iλ – cường độ xạ mặt trời đến bề mặt trái đất bước sóng λ K – số hệ thống L – độ dài quang học Quang kế UV L1, L2, L3 – thấu kính M1, … M12 – gương, đường kính inch N – số phân tử ozone buồng phản ứng đầu dò ozone N(R) – mật độ khí khảo sát độ cao R Nb – số đếm photon Nd – số đếm dịng tối PMT NIG(R) – mật độ khí nhiễu theo độ cao Nj – nồng độ phần tử tán xạ loại j 𝑁 𝑅 – mật độ trung bình ozone khoảng khơng gian có độ cao R Nph – số đếm photon tín hiệu NS(R) – mật độ ozone tính trực tiếp từ tỷ số cường độ tín hiệu on off ii    Nλ – số xung laser (laser shots) bước sóng λ O(R) – hàm chồng chập chùm tia laser trường nhìn thấy thu P(R,) – cường độ tín hiệu thu nhận từ độ cao R Pb(λ,R) – cường độ tín hiệu xạ 𝑃 – cơng suất laser trung bình Pon(R) – cường độ tín hiệu LIDAR bước sóng on Poff(R) – cường độ tín hiệu LIDAR bước sóng off P0 – cường độ trung bình đơn xung laser P1, P2, P3 – lăng kính R – độ cao tán xạ ngược xạ laser RS – độ cao khởi đầu tính tốn vịng lặp son khí Rm1, Rm2 – chia chùm Q – điện tích S – tỷ số LIDAR S/N – tỷ số tín hiệu nhiễu T – nhiệt độ tuyệt đối T(R,λ) – hệ số truyền, diễn tả ánh sáng bị suy hao đường từ hệ LIDAR tới độ cao R quay trở ngược lại Ta – thời gian thu ghi Vrc – thể tích buồng phản ứng V – thể tích tia laser chiếu rọi cho ánh sáng tán xạ Xi – tổng lượng cột thành phần khí thứ i X – tổng lượng cột ozone khí (ở STP); X’ – tổng lượng cột dioxít sunphua khí (ở STP) frep – tần số lặp lại xung laser fSample – tần số lấy mẫu i – dòng điện đo qua buồng phản ứng đầu dò ozone j – thứ tự bước lặp ozone k – số Boltzman l – thứ tự bước lặp son khí m – bậc nhiễu xạ Bragg iii    m1, …, m14 – gương x mm n – chiết suất môi trường hoạt chất, nP – chiết suất vật liệu lăng kính 𝑛 – số đếm tổng cộng p – áp suất riêng phần cho ozone buồng phản ứng t – thời gian α – góc chùm bơm tới bề mặt lăng kính P1 α(R,λ) – hệ số suy hao ánh sáng λ – hệ số hấp thụ ozone bước sóng λ ’λ – hệ số hấp thụ dioxít sunphua bước sóng λ 𝛼 , 𝑅, 𝜆 – hệ số suy hao phân tử khí tán xạ 𝛼 , 𝑅, 𝜆 – hệ số suy hao phân tử khí hấp thụ 𝛼 , 𝑅, 𝜆 – hệ số suy hao son khí tán xạ 𝛼 , 𝑅, 𝜆 – hệ số suy hao son khí hấp thụ 𝛼 𝑅, 𝜆 – hệ số suy hao khí nhiễu λi – hệ số suy hao thành phần khí làm suy giảm xạ β(R,λ) – hệ số tán xạ ngược độ cao R, đại diện cho khả khí cho tán xạ ánh sáng ngược lại hướng mà lan truyền tới βR(R) – hệ số tán xạ ngược Raman 𝛽 𝑅, 𝜆 – hệ số tán xạ ngược phân tử khơng khí 𝛽 𝑅, 𝜆 – hệ số tán xạ ngược son khí λ – hệ số tán xạ phân tử Rayleigh khơng khí bước sóng λ 𝛾 – hệ số thực nghiệm hệ số tán xạ ngược son khí phân tử khí δλ – hệ số tán xạ hạt son khí bước sóng λ 𝛿𝑁 𝑅 – số hạng hiệu chỉnh tán xạ ngược 𝛿𝑁 𝑅 – số hạng hiệu chỉnh suy hao 𝜀 𝑅 – sai số thống kê nồng độ ozone 1 – sai số thống kê nhiễu nhiễu tín hiệu 2 – sai số suy hao tán xạ ngược thành phần khác (như NO2, SO2, son khí) 3 – sai số độ bất định tiết diện hấp thụ ozone iv    4 – sai số có nguồn gốc từ thiết bị hệ điện tử 𝜁 – hiệu suất hệ LIDAR  – số mũ Angstrom θ – góc tia sáng phương thẳng đứng on – bước sóng on off – bước sóng off λL bước sóng laser, λP – bước sóng laser bơm λR – bước sóng dịch chuyển Raman  – tỉ số đường tia sáng xiên qua lớp ozone với độ dày lớp ozone; ’ – tỉ số đường tia sáng xiên qua lớp dioxít sunphua với độ dày lớp dioxít sunphua µa – tỉ số đường tia sáng xiên qua tồn khí với bề dày tồn khí i – tỉ số quãng đường tia sáng chiếu xiên qua lớp khí có thành phần Xi với độ dày lớp 𝜉 – số điều kiện vịng lặp son khí 𝜉 – số điều kiện vòng lặp ozone 𝜎, 𝜋, 𝜆 – tiết diện tán xạ phần tử j theo phương ngược lại bước sóng λ 𝜎 𝜆 – tiết diện tán xạ đẳng hướng 𝜎 𝜆 – tiết diện hấp thụ 𝜎, 𝜎 𝜆 – tiết diện suy hao cho loại phần tử tán xạ j bước sóng  𝜆 – tiết diện suy hao khí nhiễu bước sóng  𝜎 𝜆 – tiết diện tán xạ ngược Rayleigh phân tử cho khí khí 𝜎 𝜆 – tiết diện tán xạ Rayleigh toàn phần τ – độ dài thời gian xung laser φ – góc chùm bơm tới bề mặt mơi trường hoạt chất v    Danh mục bảng Bảng 1.1 Tóm lược đơn vị đo ozone 15 Bảng 1.2 Tương tác quang học liên quan đến cảm biến dùng laser 25 Bảng 1.3 Các cặp bước sóng thường dùng cho đo đạc LIDAR hấp thụ vi sai loại bỏ ảnh hưởng SO2 39 Bảng 1.4 Các sai số chưa tính phép đo phân bố ozone sau hiệu chỉnh 50 Bảng 2.1 Các thơng số sử dụng tính tốn mô 60 Bảng 3.1 Cấu hình đặc trưng kỹ thuật linh kiện hệ DFDL 70 Bảng 3.2 Năng lượng xạ laser phát 78 Bảng 3.3 Các thông số đặc trưng hệ LIDAR hấp thụ vi sai 88 Bảng 4.1 Tổng hợp sai số đo đạc ozone 98 vi    Danh mục hình Hình 1.1 Cấu hình phân tử ozone Hình 1.2 Phân bố ozone khí Hình 1.3 Minh họa hình thành phân hủy ozone tầng đối lưu Hình 1.4 Nồng độ ozone bề mặt trung bình năm 2013-2015 thay đổi ngày Trung Quốc Hình 1.5 Nồng độ ozone thay đổi theo ngày tháng đo trạm SRVx (Chesapeake Bay – Mỹ) 10 Hình 1.6 Nồng độ ozone bề mặt trung bình năm 2013-2015 thay đổi theo tháng năm Trung Quốc 10 Hình 1.7 Tiết diện hấp thụ dải hấp thụ ozone 12 Hình 1.8 Đo ozone khí 14 Hình 1.9 Minh họa tiến trình phát triển đo đạc quan trắc ozone 14 Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý Quang kế UV đo mật độ ozone bề mặt 16 Hình 1.11 Sơ đồ phận Quang phổ kế Dobson 16 Hình 1.12 Đường ánh sáng tới quang phổ kế 17 Hình 1.13 Đường Umkehr quan trắc hai bước sóng 311,4 nm 332,4 nm 22 Hình 1.14 Sơ đồ tia xạ mặt trời qua lớp ozone độ cao h khí tán xạ đến thiết bị đo 22 Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật LIDAR 24 Hình 1.16 Tương tác quang học dùng cảm biến laser 26 Hình 1.17 Các thành phần phần chủ yếu hệ lidar 28 Hình 1.18 Các cấu hình telescope (a) Newtonian, (b) Gregorian, (c) Cassegrainian 29 Hình 1.19 Minh họa hình học LIDAR 30 Hình 1.20 Ảnh hưởng hàm chồng chập lên động học tín hiệu 31 Hình 1.21 Sơ đồ ngun lý hệ DIAL quan trắc khí nhiễm 35 Hình 1.22 Tiết diện hấp thụ tử ngoại SO2 ozone 38 Hình 1.23 Hệ DIAL đo phân bố ozone Bucharest – Rumani 40 Hình 1.24 Hệ DIAL đo ozone Viện KH CN Gwangju 41 Hình 1.25 Tiết diện hấp thụ ozone vùng phổ UV Bước sóng on vii      sai số SO2 hệ quan trắc mặt đất thường bỏ qua việc lựa chọn cặp bước sóng khơng có ảnh hưởng núi lửa phun trào, sai số NO2 nhỏ 0,3% tác động gây suy hao Rayleigh vi sai tạo độ khơng xác 0,6% [39,84,85]., Sai số chủ yếu đo đạc ozone son khí Ở lớp khí tầng thấp, suy hao tán xạ ngược vi sai son khí nguồn sai số lớn Sai số phụ thuộc vào bước sóng dùng hệ LIDAR hấp thụ vi sai khoảng cách bước sóng Trong phương pháp hấp thụ vi sai cho cặp bước sóng, sai số giả định tỷ số LIDAR số mũ Ångström Tuy nhiên, cách áp dụng thuật tốn tính số hạng hiệu chỉnh, kết nồng độ phân bố ozone với sai số gây son khí đánh giá nhỏ 20% [39,58] Tiết diện hấp thụ vi sai  ozone cho cặp bước sóng 282,9 nm 286,4 nm 8,9.10-19cm2 Độ bất định tiết diện hấp thụ ozone đánh giá 2% [39,85] 3 nhỏ 2,5% sau xem xét tới phụ thuộc vào nhiệt độ 4 gây sai lệch tia laser trường nhìn telescope (FOV - field of view), thời gian chết (dead-time) xảy đếm tốc độ cao (xung thứ hai đến xung trước chưa đếm), hiệu chỉnh tăng tín hiệu cảm ứng SIB (signal-induced bias) tín hiệu Thời gian chết làm biến dạng tín hiệu trường gần SIB làm tăng tín hiệu trường xa Các sai số liên quan đến phi tuyến tín hiệu xác định qua thực nghiệm giảm tối đa kinh nghiệm cân chỉnh hệ LIDAR hấp thụ vi sai hay thiết kế cổng điện tử mạch khuếch đại thu ghi tín hiệu Đối với 10 phút tích hợp số liệu đo, 4 xác định