CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.3 Nguyên lý đo đạc phân bố ozone trong khí quyển tầng thấp dùng kỹ
1.3.1 Cơ sở vật lý của kỹ thuật LIDAR và LIDAR hấp thụ vi sai
LIDAR là một kỹ thuật viễn thám, sử dụng bức xạ laser như cảm biến để đo đạc từ xa. Trong các kỹ thuật viễn thám, chỉ có LIDAR là kỹ thuật viễn thám chủ động do chúng ta có thể chủ động điều khiển nguồn phát năng lượng bức xạ, trong khi các phương pháp viễn thám khác để quan trắc nồng độ ozone đều là kỹ thuật thụ động, sự quan trắc phụ thuộc vào nguồn sáng tự nhiên (Mặt trời, Mặt trăng) hay các nguồn bức xạ điện từ trường khác. Sơ đồ nguyên lý của kỹ thuật LIDAR gồm các thành phần chính là bộ phát bức xạ laser; bộ thu bức xạ tán xạ ngược trở về từ khí quyển; bộ điều khiển, thu ghi tín hiệu; phần mềm xử lý và phân tích số liệu (Hình 1.15).
Hình 1.15. Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật LIDAR [37]
Trong kỹ thuật LIDAR, bức xạ laser sẽ tương tác với các thành phần của khí quyển bao gồm các phân tử, nguyên tử, son khí và hơi nước. Khi đó, các q trình vật lý xảy ra bao gồm tán xạ Rayleigh, tán xạ Mie, tán xạ Raman, tán xạ cộng hưởng, huỳnh quang, hấp thụ, hấp thụ và tán xạ vi sai (differential absorption and scattering
– DAS). Các q trình này được mơ tả tóm tắt trong Bảng 1.2 kèm theo các hình vẽ minh họa sự dịch chuyển giữa các mức năng lượng.
Bảng 1.2. Tương tác quang học liên quan đến cảm biến dùng laser [37]
Kỹ thuật Diễn giải quá trình vật lý
Tán xạ Rayleigh
Bức xạ laser được tán xạ đàn hồi từ các phân tử và nguyên tử với tần số không đổi
Tán xạ Mie Bức xạ laser được tán xạ đàn hồi từ các hạt nhỏ hay son khí (có kích thước cỡ như bước sóng của bức xạ) với tần số khơng đổi
Tán xạ Raman
Bức xạ laser được tán xạ không đàn hồi từ các phân tử với đặc trưng dịch chuyển tần số của phân tử (ℎ𝜈
ℎ𝜈∗ 𝐸)
Tán xạ cộng hưởng
Bức xạ laser có tần số phù hợp với dịch chuyển riêng của nguyên tử được tán xạ với tiết diện lớn và với tần số không thay đổi
Huỳnh quang Bức xạ laser có tần số phù hợp với dịch chuyển điện tử của nguyên tử hay phân tử được hấp thụ và phát xạ ra tần số thấp hơn. Sự va chạm dập tắt có thể làm giảm tiết diện hiệu dụng của q trình này. Phát xạ băng rộng có thể được quan sát với các phân tử
Hấp thụ Sự suy giảm của tia laser khi tần số phù hợp với dải hấp thụ của phân tử
Hấp thụ và tán xạ vi sai (DAS)
Sự suy giảm vi sai từ các tín hiệu tán xạ ngược của 2 tia laser khi tần số của một tia laser hầu như phù hợp với dịch chuyển của phân tử còn tia thứ hai thì khơng
Hình 1.16. Tương tác quang học khi dùng cảm biến laser (l, d, a và s tương ứng là ký hiệu bước sóng laser, bước sóng đo, bước sóng hấp thụ và dịch chuyển ứng là ký hiệu bước sóng laser, bước sóng đo, bước sóng hấp thụ và dịch chuyển
Raman) [37]
Khoảng tiết diện cho mỗi quá trình được minh họa theo sơ đồ trong Hình 1.16. Các quá trình này là nguyên nhân gây nên sự suy hao của chùm tia bức xạ laser được phát bởi hệ LIDAR. Từ Hình 1.16 này có thể nhận thấy tiết diện tán xạ Mie của phân
tử, ngun tử với kích thước thích hợp có thể làm tăng nhiều bậc tín hiệu tán xạ. Điều này dẫn đến những nồng độ rất thấp (hay một thay đổi nhỏ của nồng độ) của thành phần được quan trắc hay son khí cũng có thể được phát hiện.Về ngun tắc, dịch chuyển Raman đặc trưng riêng cho các phân tử khí, nên có thể dễ dàng xác định nồng độ tương đối của thành phần nào đó so với một số thành phần quy chiếu, như ni tơ, từ tỉ số tín hiệu Raman tương ứng với tỉ số tiết diện đã được biết. Tuy nhiên, tiết diện Raman của ozone nhỏ nên cũng khó phát hiện do bị giới hạn bởi độ nhạy phát hiện của cảm biến laser. Đối với ozone, tiết diện hấp thụ trong vùng tử ngoại lớn hơn nhiều tiết diện huỳnh quang và tiết diện tán xạ Raman. Do vậy, sự suy hao của một chùm tia laser thích hợp gây bởi ozone sẽ là một phương pháp có độ nhạy cao để xác định mật độ của ozone trong khí quyển cho dù tín hiệu bị suy giảm do tương tác (tán xạ, hấp thụ) với các thành phần chiếm đa số trong khí quyển [37].
Để tách sự hấp thụ của ozone mà chúng ta quan tâm với thành phần gây suy hao khác, kỹ thuật đo đạc vi sai được áp dụng. Trong kỹ thuật này, hai tần số được sử dụng, một ở tâm băng hấp thụ và một ở phần rìa của băng hấp thụ. Ozone có hai băng hấp thụ lớn là Hartley và Huggin (Hình 1.7) nên chúng thường được sử dụng trong kỹ thuật hấp thụ vi sai. Thuật ngữ DIAL, viết tắt cho “Differential-Absorption Lidar” ngày nay đã trở nên thông dụng do tất cả các kỹ thuật viễn thám sử dụng laser đều được thực hiện theo phương pháp hấp thụ vi sai này.