(Luận án) Sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của son khí trong tầng khí quyển

 BÙI VĂN HẢI SỬ DỤNG KỸ THUẬT LIDAR NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ CỦA SON KHÍ TRONG TẦNG KHÍ QUYỂN LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 62 44 11 01 Người hướng dẫn khoa học PGS. TS. ĐINH VĂN TRUNG GS. TS. NGUYỄN ĐẠI HƯNG  BÙI VĂN HẢI SỬ DỤNG KỸ THUẬT LIDAR NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ CỦA SON KHÍ TRONG TẦNG KHÍ QUYỂN LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS. TS. Đinh Văn Trung thầy đã hướng dẫn, giúp đỡ và cho tôi một không gian làm việc chuyên nghiệp trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin bày tỏ sự kính trọng tới GS. TS. Nguyễn Đại Hưng. Thầy là tấm gương và là người định hướng cho tôi trong chuyên môn khi tôi tham gia học tập và nghiên cứu tại Viện Vật lý từ năm 2007, thời gian làm nghiên cứu sinh cũng như thời gian học tập tiếp sau này. Tôi cũng muốn được gửi lời cảm ơn tới các cô, các chú, các anh, các chị và toàn thể các bạn trong Trung tâm Điện tử học lượng tử, Trung tâm Vật lý kỹ thuật, Phòng Quản lý Tổng hợp và Phòng Sau đại học của Viện Vật lý đã dành cho tôi những tình cảm chân thành cùng sự giúp đỡ tốt nhất để tôi được học tập, trao đổi công việc và chia sẻ cuộc sống. Xin chân thành cảm ơn Tác giả B

Khíquyểntráiđất

Cấutrúckhíquyển

Khí quyển Trái đất có thể xem như một hệ Vật lý có dạng cầu bao quanhtrái đất với thành phần bao gồm: son khí (gồm tất cả các hạt vật chất như: sươngmù, bụi, tinh thể nước…), phân tử khí (N2, O2, CO2, H2O…) và các nguyên tửkim loại (Na, K, Ba, Fe…) [1, 3, 70, 72, 108] Trong đó, các phân tử khí chiếmphần khối lượng chủ yếu của khí quyển và đóng vai trò chi phối trong các hiệntượng, quá trình của thời tiết, khí hậu … Bảng 1.1 cho biết thành phần và nồngđộ của các phân tử trong khí quyển Trái đất Hình 1.1 thể hiện sự biến đổi củamật độ phân tử khí trung bình, nhiệt độ của khí quyển theo độ cao đối với haimùađặc trưng:mùa hè và mùa đông.

Trong đó sự đóng góp của các son khí làm cho lớp khí quyển trở nên phứctạp và đóng góp thêm biến động cho khí quyển Son khí được hiểu là các hạt rắnhoặc lỏng rất nhỏ lơ lửng trong không khí (ví dụ như khói, sương mù, bụi,

7 phấnhoav.v.)cókíchthướccỡtừ0,01mđếnvàichụcmm.Cáchạtsonkhíđượ c 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 củacon người như việc đốt nhiên liệu, tạo khí thải công nghiệp…cũng đưa vào khíquyển một lượng lớn các loại son khí nhân tạo Son khí nhân tạo chiếm khoảng10%sốlượngsonkhítrongkhíquyển[1,112].

Trong Hình 1.1 thể hiện sự thay đổi của nhiệt độ trong lớp khí quyển theođộcao.Vớiđườngmàuxanhdươngthểhiệnsựbiếnđổinhiệtđộtheođộc aovào mùa hè và đường màu đỏ thể hiện quy luật đó vào mùa đông, sự biến độngcủa nhiệt độ mạnh mẽ hơn xảy ra vào mùa hè Mỗi tầng khí quyển có quy luậtbiến 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 lạikhi tăng độ cao nhiệt độ lại tăng, tầng trung gian (50 km – 80 km) tăng độ caonhiệt độ có xu thế giảm và trong tầng nhiệt thì nhiệt độ tăng theo độ cao của lớpkhíquyển.Gianhgiớigiữahaitầngkhíquyểnliêntiếpluôntồntạilớpchuyển tiếpcóđộdàythườngdưới3km[3].Tạicáclớpchuyểntiếpcósựthayđổivềquyluậtb iếnthiêncủa nhiệt độ[96].

Hình 1.1 Phân bố nhiệt độ và mật độ phân tửkhí trung bình trongk h í q u y ể n tráiđất theođộcao tới100km[62]. Điều gì làm thay đổi quy luật biến thiên nhiệt độ trong các lớp khí quyển,các lớpchuyển tiếpcó đặc điểm gìvà sự biến động củacác lớpc ó v a i t r ò g ì trong việc nghiên cứu khí quyển? Câu hỏi đầu tiên không khó trả lời nhưng câuhỏi thứ hai về sự quan trắc biến đổi những thành phần và các đặc tính của mỗitầng khí quyển cũng như vai trò của sự thay đổi đó đóng góp trong sự thay đổikhí hậu như thế nào thì luôn là câu hỏi rất khó khăn và tốn kém khi chúng tamuốn tìm quy luật đó! Để giải thích cho sự giảm nhiệt độ trong tầng thấp – tầngđối lưu khi tăng độ cao, chúng ta có thể dễ hiểu bởi trong tầng này mật độ sonkhí và các loại khí nặng tập trung vớimật độl ớ n n h ấ t v à c h ú n g p h â n b ố t h e o quy luật của sức hút trọng trường trái đất Khi một khối khí nóng xuất hiện sẽ nởra làm giảm tỉt r ọ n g d o đ ó c h ị u l ự c đ ẩ y A c s i m e t s ẽ đ ố i l ư u l à m t ă n g đ ộ c a o , đồng thời với quá trình đó là quá trình giãn nở đoạn nhiệt làm cho chúng giảmnhiệtđộkhităngđộcao.Vìvậycànglêncaonhiệtđộkhíquyểntrongtầngđối lưu sẽ giảm đi Trong tầng đối lưu sự dịch chuyển của các khối vật chất khí chủyếu theo chiều lên xuống vì đó có tên gọi là tầng đối lưu Còn đối với tầng bìnhlưu: do có sự tồn tại chủ yếu của lớp khí ozone, tại đây có sự hấp thụ mạnh củabức xạ bước sóng dài của mặt trời do đóv ù n g k h í c ó đ ộ c a o c à n g l ớ n n ă n g lượng mặt trời bị lưu giữ càng nhiều và nhiệt độ sẽ càng tăng Vì thế nhiệt độ sẽtăng tỉ lệ với độ cao của khối khí Trong tầng bình lưu sự dịch chuyển của cáclớp khí chủ yếu theo phương ngang, người ta gọi loại dịch chuyển này là quátrình loạn lưu Tại lớp binh lưu giữ một vai trò cực kì quan trọng trong quá trìnhlưu giữ năng lượng bức xạ nhiệt của mặt trời tới trái đất Vì thế mà hiện tượngthủng tầng ozone có ảnh hưởng và ý nghĩa quan trọng trong quá trình biến đổikhí hậuvà cụthểtrongtiếntrìnhnónglêncủatráiđất…

Trong Hình 1.1 chúng ta thấy quy luật biến thiên của mật độ khí tồn tạitrong lớp khí quyển theo độ cao, khi vẽ lại theo quy luật hàm log cường độ tínhiệu chuẩn hóa theo độ cao (log cường độ tín hiệu nhân với bình phương khoảngcáchsẽtỉlệvớimậtđộkhítạiđộcaotươngứng)thìquyluậtlàtuyếntính,tứclà vớimỗikmmậtđộkhísẽgiảmđielần.Vìđómàchúngtacóthểhiểuđượcvì sao ~50% tổng khối lượng vật chất tồn tại trong khí quyển phân bố ở độ caodưới 5 km và 70% lượng vật chất tồn tại trong khoảng cách dưới 10 km [1] Đểhiểu rõ hơn về biểu thức toán học tôi sẽ trình bày cụ thể trong mục 2.3 trongchương2của luậnán.

Nghiên cứu các hiện tượng trong lớp khí quyển trái đất chúng ta có thểphân chia ra thành những lớp cầu đồng tâm Sự phân chia có thể dựa theo nhiềunguyên tắc khác nhau Tuy nhiên phổ biến và mang ý nghĩa về năng lượng lưugiữv à q u y ế t đ ị n h t ớ i s ự b i ế n đ ổ i c ủ a k h í q u y ể n , n g ư ờ i t a s ẽ c h i a k h í q u y ể n thành các lớp các tầng theo nhiệt độ [3, 4] Theo sự biến đổi của nhiệt độ lớp khíquyển baoquanh tráiđấtđược chiathành5tầng nhưtrongBảng1.2.

Hình 1.2 thể hiện về cấu trúc khí quyển, giữa các tầng khí quyển luôn tồntạicáclớpchuyểntiếpmỏngvàtạiđóítcósựbiếnđổivềnhiệtđộ.Tronghình Áp suất khí quyển

Nhiệt độ khí quyển đườngm à u đ ỏ t h ể h i ệ n s ự t h a y đ ổ i c ủ a n h i ệ t đ ộ c ủ a k h í q u y ể n t h e o đ ộ c a o Đường màu xanhthểhiệnsựthayđổi ápsuất theo độcao của khíquyển.

Hình1.2:Cấutrúckhíquyểntráiđấtthayđổinhiệtđộtheođộcao,trongmiềnkhônggi an120kmbaoquanhtráiđất[70].

Tên gọi và vị trí của các tầng, các phân lớp khí quyển trong khí quyển tráiđất được thể hiện trong Bảng 1.2 Giữa hai tầng liên tiếp ngăn cách bởi một lớpchuyển tiếp,tạilớp chuyểntiếp nhiệtđộgần nhưkhông đổi.

Cáctầng(lớpcầu) Độcaotrung bình(km)

Tầngđốilưu(troposhere) 0 – 11 Lớpđốilưu hạn(tropopause)

S on k h í tầ n g t h ấ p

Các son khí trong khí quyển đóng một vai trò quan trọng trong quá trìnhhình thànhcác hình tháikhí tượngkhácnhau Dùchỉchiếmmộtp h ầ n n h ỏ không gian trong khí quyển nhưng các hạt son khí ảnh hưởng đáng kể đến cácquá trìnhbức xạánh sáng,c h ấ t l ư ợ n g k h ô n g k h í , t ầ m n h ì n , q u á t r ì n h h ì n h thành mây và các quá trình hóa học ở tầng đối lưu và tầng bình lưu… Sự xuấthiện, thời gian tồn tại, các tính chất vật lý, cấu tạo hóa học và các tính chất liênquan đến chiết suất, cũng như các thông số quang họck h á c c ủ a c á c h ạ t s o n k h í là nguyên nhân của nhiều hình thái thời tiết khác nhau Ví dụ, các loại son khínhân tạo, đặc biệt là các hạt sulfate do đốt cháy nguyên liệu hóa thạch đóng vaitròquantrọng quá trình giảm nhiệt độ tráiđ ấ t , t r á i n g ư ợ c v ớ i ả n h h ư ở n g c ủ a khíC O2vố nlàmtráiđ ấ t ấ m dầnl ê n Ng hi ên c ứ u s o n k h í g i ú p í c h nhiều c h o việc xây dựng chiến lược kiểm soát khí thải và giải quyết các vấn đề liên quanđếnônhiễmmôitrường,mốiquantâmlớnhiệnnaycủatoànthếgiới[ 1 , 3,4, 7,10,124].

Trong các nghiên cứu về chất lượng môi trường tác động tới sức khỏe conngười thì các loại son khí như bụi, phấn hoa có thể gây ra các bệnh như: hen phếquản, các bệnh dị ứng Các hạt có kích thước trong khoảng 0,1m đến 1m lànhữnghạtđặcbiệtgâyhạitớisức khoẻconngười[25,26].

Khả năng làm việc các hệ đo từ xa và các hệ thống quang- đ i ệ n t ử c ũ n g bị ảnh hưởng rất nhiều bởi các hạt son khí Trong quân sự, việc nghiên cứu sonkhí có ý nghĩa quan trọng trong việc nghiên cứu chế tạo các thiết bị quang điệntử hiện đạicũng như các thiết bị để ngụy trang, nghi trang, làm vô hiệu hoá cácthiếtbịquangđiệntửcủađốiphương,làmsuygiảm hoặctriệttiêubứcxạlaser. Đồngthờinhữngnghiêncứuvềsonkhícũngcóvaitròquantrọngtrongviệcch ếtạovàphòngchốngvũkhíhoáhọc [1,85].

Hình 1.3: Ảnh vệ tinh chụp

26/2/2000,mộtcơnbãocátthổiquasam ạ c Sahara ở tây bắc châu Phi đã cuốn theomột đám mây cát rộng hàng ngàn câysốvuông[63].

Hình 1.4: Ảnh chụp bằng TOMS (TotalOzoneMappingSpectrometer)ởthời điểm cùng ngày 26/2/2000 tạicùng địađiểm.Phổmàuchuyểntừxanhlác â y sang đỏ theo sự tăng dần mật độ của khốisonkhí[63].

Như vậy, các đo đạc nhằm xác định tính chất quang học của các hạt sonkhí nhưmật độ bề mặt,mật độ thể tích, mậtđ ộ k h ố i l ư ợ n g , k í c h t h ư ớ c t r u n g bìnhvàhệsốsuygiảmrấtđượcquantâmnghiêncứu.Mộttrongnhữ ngcáchhữuh i ệ u v à c h í n h x á c đ ể c ó đ ư ợ c n h ữ n g t h ô n g s ố n à y l à s ử d ụ n g k ỹ t h u ậ t lidar[109].

Kỹ thuật lidar có đóng góp quan trọng trong việc tìm hiểu về Trái Đấttrong các thập kỷ gần đây Nó đặc biệt hữu dụng trong việc nghiên cứu các thamsố biến đổi trong miền không gian rộng lớn Lidar có tiềm năng trong nghiêncứu,quansátcácquátrìnhvậtlýtrongkhoảngkhônggiantừvàimétkhốiđến cảđ ị a c ầ u , k h o ả n g t h ờ i g i a n v à i g i â y đ ế n n h i ề u n ă m L i d a r c ũ n g đ ư ợ c d ù n g trong nghiên cứu các quá trình hỗn loạn và các chu trình trong khí quyển,baogồmcácđođạcvềhơinướcvàcácluồngozone [1].Cáchiệntượngkhítượng học như bão, áp thấp, các luồng gió dưới tác động của núi cũng được nghiên cứubởi kỹ thuật lidar [3, 4] Lidar cho phép theo dõi sự thay đổi của mật độ khíthải, các lỗ thủng tầng ozone được ghi nhận Các khối mây ở vùng cực cũngđược nghiên cứu và phân loại sử dụng các hệ thống lidar Lidar còn được sửdụng để phân biệt các hạt nước và các hạt băng trong mây Lidar cũng góp phầnlàm phong phú thêm dữ liệu về ảnh hưởng của các hiệu ứng thời tiết Các đámbụi núi lửa và sự lan truyền xuyên châu lục của khí thải, bụi sa mạc, và khói củacác vụ cháy rừng cũng được nghiên cứu [63, 70] Ở trung tầng khí quyển, lidarđã chứng minh được sự có mặt của các nguyên tử kim loại và các ion và sự tồntại sóng trọng trường. Các thiết bị lidar có thể hoạt động trên mặt đất hoặc gắntrên các máy bay, các hệ lidar đã được đưa vào trạm không gian, và trong tươnglai gần các thiết bị lidar gắn trên vệ tinh sẽ dùng trong việc nghiên cứu bầu khíquyển của trái đất từ không gian Bên cạnh kỹ thuật lidar thì loài người còn sửdụng nhiều các công cụ khác để quan trắc khí quyển nhằm so sánh kết hợp cùngkỹthuậtlidarxâydựngngânhàngdữliệuchomôhìnhdựbáothờitiết,vínhưk ỹ thuật chụp ảnh vệ tinh, kỹ thuật TOMS… (Hình 1.3 và Hình 1.4) [54, 78, 84,89,100,114].

TheotácgiảStullcuốnsách“Anintroductiontoboundarylayermeteorology” viết năm 1988 [107] đã định nghĩa các lớp khí quyển bề mặt là:“một phần của tầng đối lưu chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi sự hiện diện của bề mặttrái đất, chịu sự chi phối bởi sức hút trọng trường và sự thay đổi của các yếu tốbề mặt mang lại với thời gian biến đổi khoảng một giờ hoặc ít hơn'' Hình 1.4minh họa một sự biến động giữa thời gianb a n n g à y v à b a n đ ê m d i ễ n r a t r o n g lớp bề mặt Tại lớp bề mặt, khoảng 1 km tính từ bề mặt trái đất, là nơi tập trungmật độ vật chất lớn nhất Ở đó sự trao đổi năng lượng nhiệt do mặt trời cung cấpcũng sẽ là mạnh mẽ nhất Vào thời gian ban ngày nhiệt lượng mặt trời cung cấpgâyraluồngnhiệttừphíadướivậnchuyểnkhí, tấtcảcácloại sonkhí: hơinước,

Mặt trời Trƣa Mặt trời lặn

Lớp bề mặt Miền ranh giới

Mây Khí quyển tự do Miền cuốn theo bụi,m ù … t ạ o t h à n h c á c l u ồ n g v ậ t c h ấ t đ ố i l ư u t h e o c h i ề u đ i l ê n v à m ở r ộ n g đoạn nhiệt, đồng thời với sự dịch chuyển lên của các luồng khí nóng sẽ có sự hạthấp của những luồng khí lạnh với mật độ vật chất lớn Các quá trình trao đổinăng lượng ấy gây ra những xoáy vận chuyển giữa hai luồng khí dưới đi lên vàtrên hạ xuống, như trong Hình 1.5 Quá trình đó sẽ duy trì đến khi đạt tới mộttrạng thái cân bằng nhiệt động lực đạt được ở trên cùng của lớp biên của lớp khíquyển ngay trên bề mặt trái đất Trên miền danh giới của lớp bề mặt nếu cóngưng kết do hơi ẩm trên các tác nhân son khí sẽ tạo thành những khối vật chấtcó mật độ caovàđó làsựrađời củacác đámmâytrong tầngđốilưu[115].

Phần son khí khô phía trên thuộc miền khí tự do (free atmosphere) phíatrên sẽ ngưng xuống theo chiều ngược lại của miền khí bề mặt đưa lên do quátrìnhgiãnnởđoạnnhiệt.Nhưvậysẽtồntạimộtmiềnbiêngiớikhíquyểnhẹp mà tại đó sẽ có sự biến đổi đột ngột về mật độ do có sự giao thoa giữa luồng khíở phía dưới có mật độ lớn nhất đưa lên và phần khí khô ở phía trên và được gọilà miền khí quyển bị cuốn theo(entrainment zone) - miền được tao ra do quátrình đối lưu giữa các luồng khí nóng ở phía dưới đi lên và miền khí lạnh ở trênđixuống.Ởđâychúngtaluônnhớrằngtrongvùngkhônggianthấpthuộctầng đối lưu, dưới ~12 km, vật chất tồn tại có mật độ tăng theo hàm mũ khi độ caogiảm Trong khí quyển ở tầng thấp luôn có sự pha trộn giữa các loại khí và cácloại hạt vật chất khác mà chúng ta quen gọi là son khí Như vậy bản chất của sựtạo thành lớp bề mặt và đỉnh của lớp bề mặt là sự giải phóng năng lượng nhiệtbức xạ gây ra quá trình luân chuyển đối lưu trên dưới giữa các khối khí. Chínhdo các quá trình đối lưu và loạn lưu tạo ra xu hướng duy trì một lớp pha trộn(mixing layer), trong đó có nhiệt độ và độ ẩm gần như không thay đổi theo độcao Đặc trưng nổi bật nhất của lớp khí pha trộn chính là sự „bất ổn‟ và nó còncó thể được gọi là lớp bề mặt đối lưu (convective boundary layer - CBL). Phầnthấp nhất của lớp bề mặt khí quyển (atmospheric boundary layer – ABL) gọi làlớp bề mặt như trong Hình 1.5 màu đen đậm và ngay sát bề mặt trái đất. Trongđiều kiện có gió, lớp bề mặt sẽ bị phân tách và thay đổi theo đặc trưng địa hìnhgâyrado sựma sát[81,114].

Trong quá trình biến đổi của lớp son khí bề mặt diễn ra theo thời gian địaphương bị chi phối bởi nguồn năng lượng bức xạ của mặt trời Trong quá trìnhđósẽcósựthayđổimạnhmẽởkhoảngthờigiangiữalúcmặttrờilặnvàmặt trời mọc Ranh giới của khí quyển tạo ra khi đó được gọi là lớp biên về đêm, lớpranhgiớinàyphânbốliêntụctheođộcaoxuấtpháttừmặtđấtlêntớiđỉnhlớpbề mặt (từ 0 tới ~1,5 km) Miền ranh giới này thường được đặc trưng bởi sự tồntại của một lớp khí ổn định, hình thành khi kết thúc quá trình bức xạ năng lượngmặt trời về cuối ngày kết hợp cả quá trình làm mát do sự bức xạ cộng từ lớp sonkhí bề mặt vào bề mặt trái đất bên cạnh đó còn có sự tác động do ma sát với lớpbề mặt ổn định ở miền thấp nhất của ABL Trong miền khí chuyển tiếp ấy cònnhững tàn tích của các khối nhiễu động tạo ra trong lớp CBL vào ban ngày Lớpranh giới về đêm cũng có thể đối lưu khi có sự xuất hiện của các khối khí nónghoặc lạnh di chuyển theo phương ngang ví dụ như khối khí lạnh ở phương bắc dichuyển xuống tựa trên một bề mặt ấm áp đã có sẵn (ví dụ: khi có gió mùa đôngbắc).

Phía trên lớp son khí bề mặt xảy ra nhiều biến động bởi sự lưu chuyển củacác luồng vật chất nóng đi lên và lạnh đi xuống do sự hấp thụ và bức xạ gây ra.Ngay phía trên vùng son có mật độ lớn nhất trong lớp bề mặt đó chúng ta sẽ thấysựxuấthiệncủanhữngkhốikhívớimậtđộcaođộtngộtvàkhôngliêntụckhic ó tác nhân ngưng kết là các hạt bụi và hơi ẩm, tại đó được hiểu là các đám mâytầng thấp và vừa được hình thành từ sự nâng lên của các khối son khí xuất pháttừ lớp bề mặt Ngoài ra sẽ là sự tồn tại của khí và phần son khí khô và chúng tagọi tên miền son khí khô này là lớp khí quyển tự do tầng thấp, ở đó có sự gópmặtcủason khínhưng khôngcósự ngưngkếtvàmậtđộtồn tạicủavật ch ấttuân theo quy luật giảm của hàm mũ theo độ cao một cách đều đặn Miền phânbố của lớp son khí tự do này thường phần bố trong khoảng trên lớp son khí bềmặt và dưới độ cao ~5 km tùy thuộc vào vị trí địa lý, khí hậu, môi trường địaphương [1,30,48].

Trong toàn bộ lớp son khí tầng thấp (khoảng dưới 5 km) về cơ bản phânthành hai lớp son khí khác nhau với những đặc trưng về sự phân bố mật độ, tốcđộ biến đổi, vai trò ảnh hưởng tới sự biến động chung của khí quyển bề măt tráiđấtvàđặcbiệtchúng có sựliênhệtraođổivớinhau.

 Vaitròlớp khí quyểntầngthấp đối vớikhíquyển

Chúng ta biết rằng trái đất là một trong chín hành tinh của hệ mặt trời. tráiđấtquayquanhmặttrờivớikhoảngcáchtrungbìnhlà149,6.10 6 km[2].Trá iđất có thể coi là một hệ thống kín về mặt hóa học, nó tiếp thu năng lượng từ Mặttrời đưa tới nhưng trong phạm vi so sánh với khối lượng chung của nó là5,98.10 24 kg thì không hề có sự trao đổi vật chất với các vùng xung quanh Vớibán kính 6370 km và tỷ trọng 5520 kg/m 3 , Trái đất cũng như các hành tinh kháctrong hệ mặt trời như sao Hỏa, sao Thổ,sao Kim… làm ộ t t r o n g n h ữ n g h à n h tìnhtươngđốinhỏtrongTháidươnghệ.Trongđósinhquyểnđượchiểulà nơi tồn tại của sinh vật sống, bao gồm cả địa quyển, thủy quyển và khí quyển [1, 3,4,5,29].

Trong đó khí quyển là lớp khí bao phủ xung quanh tầng thấp trái đất, cókhối lượng 5,16.10 21 kg, nhỏ hơn 1/1000 trọng lượng trái đất [4] Dưới tác dụngcủa lực hút trái đất, mật độ không khí lớn nhất ở lớp gần mặt đất Theo chiềutăng của độ cao, mật độ giảm xuống (khoảng cách giữa các phân tử tăng lên).Dần dần mật độ không khí tiến gần đến mật độ của không gian vũ trụ (ở độ caotrên 2000 km) Trong tổng cộng khối lượng của khí quyển 5,16.10 21 kg thìkhoảng50%khốilượngởtrongbềdàycáchmặtđất5kmvà75%nằmtrong lớpdàyđến10kmvà 90% đến16km[3,109].

Khí quyển có tác dụng duy trì sự sống trên Trái đất, ngăn chặn những tácđộngđ ộ c h ạ i c ủ a c á c t i a t ử n g o ạ i g ầ n (𝜆p(i+2)&p(i+4)>p(i+3) p(i+5)>p(i+

2.3 Chươngtrìnhchuẩnhóatínhiệu đốivới phépđo củahệởchếđộ đếm photon

%3 chon bin can thietclc;clearall;closeall; filename='e:\lidar\photoncounting\2012\905\boundary\05oct18h10.3000.45o.50.txt';a= load(filename); kenh=2; t = a(:,1);c = 3*1e8; % thoi gian: 1e-6(s)- r(km)z0 = t/2*c*1e-12;%z-km p0 = smooth(a(:,kenh),100);n= length(t);

%ve den dauxa%;%k m hss;%km-vitrilayso sanhhaitinhieu varadiosondedata tb ;%so diemlaytrungbinh gia trisosanh2 duongtin hieu …VV

%chuantin hieutinhtoihamoverlap function[z,ov,i,izz,lizz,izzcu]=ham_chuantinhieu_tinhtoi_overlap(a,b,kenhe,kenhr,sm,xa,hss,tb,duoi,tren,k hackhong);

[z,p,pzz,p4]=ham_chuanphoton(a,kenhr,sm,xa,hss,tb);

%z,p,pzz,log(pzz): tuong ungfori=1:length(z)…. end …VV

[Zt,Pt,P1t,Rt,topt,hat]=ham_B_R_Mixinglayer(A,kenh);

%laydulieu nasa_matdo phantu khiquyenkh='atmos.txt';

B=load(kh); h=B(:,1);%km mdkhi=B(:,2)+B(:,3); bmol=mdkhi;%Phantu/m3bb

%tim gia tri maxt=round(length(P1t

%vitridiemcuc dai fori=round(length(P1t)/10):length(P1t) ifP1t(i) ==T …VV

2.6 Chươngt r ì n h x á c đ ị n h h ệ s ố s u y h a o , t á n x ạ n g ư ợ c b ằ n g t h u ậ t t o á n Fernaldkhigiảthuyết hàng sốlidar biếttrước.

% ham: chuan tin hieu tinh ca ham overlap()clc;clear all;close all; filename1 = 'e:\lidar\photon counting\2012\31oct2012_thu vi_xem them\

31oct15.txt';a= load(filename1); kh =

=load(kh); kenhe = 2;% kenh tin hieu dan hoikenhr=3;%kenhtin hieuraman sm = 5;% so diem smoothxa ;%km:khoan gdo hss = 17;% km - vi tri lay so sanh hai tin hieu va radiosonde data- khong co sol khitb = 20;%so diemlaytrungbinhgia trisosanh2duongtinhieu duoi=4;%km:diemtrenvadiemduoifitdothituyentinhoverlapfunctiontren; khackhong=.2;%km:vitrihamoverlap khackhong

[z,ov,i,izz,lizz,izzcu]=ham_chuantinhieu_tinhtoi_overlap(a,b,kenhe,kenhr,sm,xa,hss,tb,duoi,tren,khackhong);

%matdokhitutinhieuradiosonde:z,mdokhi,logmdkhi[z,bmol, bb,sk]=ham_radiosonde(b,z,hss,lizz,tb);

%chuan tin hieu theo tin hieu radiosondez;%khoangcachdo ov;%hamoverlap …VV

%extintion coefficient of aerosolclearall;close all;clc

%goihamovdactrungcua he: filename = 'd:\lay so lieu tu do thi\plot digitizer\e_b_lr_luanan\ raman_signal.txt';a= load(filename); kh =

=load(kh); h=b(:,1).*1000;%km - m mdkhi = b(:,2)+b(:,3);fori=

(a(:,1)),t); xx=linspace(min(a(:,1)),max(a(:,1)),length(a(:,1))); y=spline(x,mdkhi(1:t),xx);

%matransomatdokhitheokhoangchia1000buocsmoll=mdkhi*5.45*(550/(532)).^4.*1e-28;%s_mol(l):hat.m2/sr-1 smolr=mdkhi*5.45*(550/(607)).^4.*1e-28;%s_mol(r) bt=(smoll+smolr);

%hesotanxanguocphantukhitheo2buocsongs=bt.*(8.*pi)./3;%heso suyhao theo2 buocsong voiphan tukhi yy=log(y./(rot90(a(:,2)))); dz = max(a(:,1))./(length(a(:,1))-

(yy(i)-yy(i+1))./dz;end q=(dh-rot90(bt(1:length(dh))))./(1+532/607); …VV

%backscattering coefficient of aerosolclearall;close all;clc

%chuan ham filename = 'd:\lay so lieu tu do thi\plot digitizer\e_b_lr_luanan\ raman_signal.txt';a= load(filename); kenh=2; km= 5; sm = 10;% so diem lay smoothxa= 6;%ve toidau km hm=6;%km:khoangcach xakhongcon solkhiedeeeed4444

%z,signal,xr=izz,lxr=logizz,molr=bmol,lpr=logbmol-nasa,h=z(khithuc),lmdk=log(mkthuc)

%[z,p,pp1,lp, bmol,bb,hc,mmtk,cc,zr,over,diem]=ham_overlap_raman(a,kenh,km,sm) [zr,pr,xr,lxr,molr,lpr,mmtk,lmdk,zo,ov,diem]=ham_overlap_raman(a,kenh,km,sm); n=length(zr); figure(3) …VV

2.9 Chương trìnhxácđịnhtỉsốlidar clc;clearall;closeall; filename1 = 'E:\LIDAR\Photon counting\2012\31oct2012_Thu vi_xem them\

31oct15.txt';A= load(filename1); kh= 'atmos.txt';

B=load(kh); kenhe = 2;% Kenh tin hieu dan hoi… xa= 20;%Km:khoang do hss = 17;% km - vi tri lay so sanh hai tin hieu va radiosonde data- khong co sol khitb = 20;%So diemlaytrungbinh gia triso sanh2duongtinhieu duoi=4;%km:Diemtren vadiemduoi fitdothituyentinhoverlapfunctiontren= 14;

2.10 Chươngtrìnhxácđịnhtỉsốkhửphâncực clearall;closeall;clc filename = 'e:\lidar\analoge\2011\april\

180411_h1_10.txt';a= load(filename); s=2;%kenhsong song v=3;%kenhvuong goc… sm = 1;% smooth tin hieu - tot hon tuy chat luong tin hieuhs;%h e so khuechdaicuakenhvuonggoc

[z5,p5l,p5r,p6l,p6r,pl,pr,d]=ham_depolirationratio(a,s,v,sm,hs);

%height,reidensity,izz,log(izz),d:depolizationratio …VV

% Tinh sai so cua tin hieu countingnoi= 0;nn= length(Z); fori=round(7*nn/10):1:(10*nn/10);noi= noi+ p0(i); end noi=noi/(3*nn/10+1); snr=(P2 -noi)./sqrt(P2-noi+2*noi); …VV

%loadfile clc;clear all;closeall; filename='E:\LIDAR\Photoncounting\Gate_Tuan\gate121.txt'; kenh=3;

A=load(filename); t = A(:,1);c = 3*1e8; % thoi gian: 1e-6(s)- r(Km)z0 = t/2*c*1e-12;%Z-km

%Nen cuong do - ofsetansnen= 0; fori=round(9*n/10):1:round(10*n/

%Vetin hieumuatrungtamthamkhongquocgiaclc;close all;clearall; filename1 = 'E:\LIDAR\Solieu_Khi tuong\Tham khong data da chinh sua_Hai\

7h_8_9_2011.txt';filename2='E:\LIDAR\Solieu_Khituong\Thamkhongdatadachinhsua_Hai\

%DocaomayCirrus file='E:\LIDAR\Solieu_Khituong\Thamkhongdatadachinhsua_Hai\Macro_properties_cirrus.txt';A= load(file);tg= A(:,5); h=A(:,2);%Docaodinhcuamaycirrus

%Timnhietdo tuongungvoivitri mayCirrus… fori=1:length(h) tci(i) = t(vt,i);%nhiet do vi tri dinh lop may cirrusatc = polyfit(tci(:),h,1);ytc = polyval(atc,tci(:));figure(4)%ve theo do cao dinh lop may cirrusplot(tci,h,'vr',tci(:),ytc,'^ b','LineWidth',3);gridon;legend('Top height of Cirrus','Averaged

Height')ylabel('Height(km)'); xlabel('Temperatureofcirrus'); …VV

Phụlục3:Dữliệulidarquantrắcnăm2011sửdụnghệlidarRamanphâncựcđak ênh thựchiện tạiphòng901,nhà2H,Viện Vậtlý

3.1 Cơ sở dữ liệu ghi nhận của hệ lidar phân cực đa kênh hoạt động ở chếđộ tươngtự

Ngàyđo,giờđo, sốfileđotối đa Nhiệtđộ Độẩm Sáng Chiều Tối 1064or2 kênhpc 532 Boundar ylayer Sốfile và sốlầncó mây

7sep9h12.pcb300.7.txt x 1,2 3 700m–Cloud,mâyđen

8Sep9h57pcb300.132.txt x 1,2 3 Cirrus,ngaysaukếtthúc đothìmưa

17Nov21h17v300.10 X2 X3 Cir–hai lớp rấtđặcbiệt

17Nov21h26v300.10 X2 X3 Cir–hai lớp rấtđặcbiệt

17Nov21h35vb360dl300.1 X2 X3 Cir–hai lớp rấtđặcbiệt

10Nov9h17vb300.73 X2 X3 Cir–hai lớp rấtđặcbiệt

19test9h6780.360.2 X23 Cir–hai lớp rấtđặcbiệt

25Nov15hvb370dl400300.10 X2 X3 Mây3km

23Apr17.v.b-pc.300.19 Đến:23Apr17.v.b-pc.300.25 X2

3.2 Dữliệuđếmphotoncủa kênhtánxạ Raman trong năm2012

Ngàyđo,giờđo,sốfileđotốiđa Nhiệtđộ Độẩm

Tháng9/12 raman_N2_sep16_22h27.5 23 Raman,17km,532,19km,k raman_N2_sep24_21h50 23 Raman,16km,532,20km,15km

31Otoh40b600.10 23 Raman,16km,532,20km,15km