Hình 1.14. Sơ đồ tia bức xạ mặt trời đi qua lớp ozone ở độ cao h trong khí quyển
và tán xạ đến thiết bị đo [29 ]
Cho đến nay, có rất nhiều nghiên cứu phát triển thuật toán xác định mật độ ozone dùng kỹ thuật Umkehr [28–36]. Thuật tốn cổ điển phân chia khí quyển thành 5 lớp tính từ mặt đất, độ cao mỗi lớp ~15 km. Cịn hiện nay, khí quyển thường được
chia thành 16 lớp nên độ phân giải mật độ ozone trong kỹ thuật Umkehr đạt đến ~ 5 km [36]. Tương tự như các máy quang phổ đặt ở mặt đất, các máy quang phổ đặt trên vệ tinh dùng kỹ thuật Umkehr để đo phân bố ozone cũng sẽ đo tỷ số cường độ ánh sáng tán xạ của Mặt trời ở các cặp bước sóng nằm trong băng phổ Huggin. Tuy nhiên, thay vì đo tia tán xạ đến mặt đất, các máy quang phổ đặt trên vệ tinh sẽ đo tia tán xạ của ánh sáng Mặt trời ra ngồi khí quyển của Trái đất.
Việc quan trắc phân bố ozone theo phương thẳng đứng dùng kỹ thuật Umkehr bằng các máy quang phổ đặt trên mặt đất hay trên vệ tinh có ưu điểm lớn là cung cấp được bản đồ ozone toàn cầu. Hiện nay, các số liệu đo bằng phương pháp này vẫn thường xuyên được cập nhật và phân tích tại Trung tâm Số liệu UV và Ozone thế giới (World Ozone and Ultraviolet Data Centre – WOUDC) [19]. Tuy nhiên, quan trắc dùng kỹ thuật Umkehr cho các kết quả phân bố nồng độ ozone với độ phân giải thô về không gian và thời gian, khơng cho phép chúng ta có được những thơng tin về những biến đổi của nồng độ ozone trong khoảng thời gian ngắn tại những vùng miền hay từng địa phương, chỉ có thể đo đạc phân bố ozone vào thời điểm Mặt trời mọc hay lặn, và cũng giống như các kỹ thuật viễn thám khác, kỹ thuật Umkehr cũng đòi hỏi điều kiện trời trong khi thực hiện đo đạc.
Ngoài ra, một số các kỹ thuật viễn thám như phát xạ nhiệt hồng ngoại (infrared
thermal emission), phát xạ nhiệt vi sóng (microwave thermal emission), và hấp thụ
hồng ngoại (infrared absorption), cũng vừa được một số nhà nghiên cứu phát triển để sử dụng trong đo đạc phân bố ozone [19]. Một số kỹ thuật này đã bắt đầu cung cấp số liệu phục vụ lưu trữ điều tra cơ bản.
Kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai:
LIDAR là một hệ rađa quang học. LIDAR đã có đóng góp to lớn vào sự hiểu biết của con người đối với khí quyển của trái đất trong nhiều thập kỷ qua. Để đo đạc phân bố ozone theo độ cao, kỹ thuật được sử dụng là LIDAR hấp thụ vi sai. Hiện nay, kỹ thuật này rất được quan tâm phát triển để sử dụng đo phân bố ozone thẳng đứng do có thể thực hiện việc đo đạc với độ phân giải không gian và thời gian cao, có thể quan trắc liên tục theo thời gian, vị trí đo cơ động, và có thể đo đạc cả ngày lẫn đêm. Các hệ LIDAR hấp thụ vi sai cịn có thể hoạt động ngay khi có lượng mây che khơng đáng kể. Trong phần 3 của Chương 1 tiếp theo, kỹ thuật LIDAR, LIDAR
hấp thụ vi sai sẽ được trình bày từ nguyên lý cơ bản đến việc sử dụng kỹ thuật này trong đo đạc phân bố ozone khí quyển.
1.3 Nguyên lý đo đạc phân bố ozone trong khí quyển tầng thấp dùng kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai LIDAR hấp thụ vi sai
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).