CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.2 Đo đạc, quan trắc ozone trong khí quyển
1.2.2.2 Đo phân bố mật độ ozone theo phương thẳng đứng
Phân bố mật độ ozone theo phương thẳng đứng cho biết nồng độ ozone như là một hàm của độ cao hay áp suất môi trường. Lượng ozone ở mỗi độ cao hay mực áp suất trong khí quyển thường được biểu diễn như là áp suất riêng phần, tỷ số hỗn hợp hoặc nồng độ cục bộ. Tổng của phân bố ozone thẳng đứng từ mặt đất tới bờ trên của khí quyển là tổng lượng cột ozone.
Phân bố ozone thẳng đứng được đo bởi đầu dò ozone (ozonesonde), kỹ thuật Umkehr sử dụng thiết bị viễn thám là các quang phổ kế đặt trên mặt đất hoặc gắn trên vệ tinh và thiết bị LIDAR (LIght Detection And Ranging) [19].
Đầu dò ozone:
Các đầu dị ozone được thả bay theo các bóng thám khơng quan trắc thời tiết để đo phân bố phân giải theo độ cao của ozone khí quyển. Kỹ thuật đo đạc dùng đầu dò ozone là kỹ thuật đo trực tiếp, dựa trên nguyên lý oxi hóa điện hóa của potassium
iodine (KI) bởi ozone trong một dung dịch ngậm nước. Thành phần chính của đầu
dị ozone bao gồm buồng phản ứng chứa dung dịch KI đóng vai trị là bộ phận cảm biến ozone, một bơm khơng khí, một nguồn điện và một mạch điện tử giao tiếp và chuyển đổi dịng điện thành tín hiệu radio truyền về trạm thu mặt đất. tất cả được đặt trong hộp bảo vệ chống va đập và nhiệt độ thấp.
Có hai loại kết cấu đầu dị ozone: ECC (electrochemical cell) và Brewer-Mast [27]. Đầu dị ECC có 2 buồng nhỏ chứa KI và ngăn cách nhau bởi màng ngăn. Mỗi buồng có một điện cực platin. Khơng khí được bơm vào một buồng và ozone sẽ phản ứng với KI tạo iodine I2 qua phương trình phản ứng [27]:
2KI + O3 + H2O --> 2KOH +I2 +O2
Khi muối KI chuyển thành I2 thì 2 buồng sẽ mất cân bằng điện tích và sẽ có dịng electron giữa 2 buồng. Dịng điện sẽ được đo để tính tốn ra áp suất riêng phần của ozone khí quyển.
Khác với đầu dò trong ECC, đầu dị Brewer-Mast chỉ có một buồng phản ứng, có một điện cực cathode platin và một điện cực anode bạc. Ở cathode platin, I2 bị
oxy hóa theo phản ứng:
I + 2 e- 2I-
2I- + 2Ag AgI + 2e-
Vì AgI bền vững, nó bám ở điện cực và khơng tham gia các phản ứng nào khác. Nếu một điện thế 410 mV được áp giữa lưới platin và dây bạc, thế phân cực giữa anode và cathode được bù trừ và khơng có dịng electron nào giữa chúng. Nồng độ của KI và I2 trong buồng phản ứng ở trạng thái cân bằng điện hóa. Nếu một phân tử ozone đi vào dung dịch muối, nó phản ứng với muối iode theo phương trình:
O3 + 2 H+ + 2I- => I2 + H20 +O2
Kết quả là sự cân bằng bị phá vỡ và 2 electron sẽ chạy về anode để sự cân bằng được tái lập. Dòng điện sẽ cho một số đo tuyệt đối về lượng ozone tham gia phản ứng trong một đơn vị thời gian.
N phân tử ozone cho một điện tích Q=N.2.e. Theo định luật khí lý tưởng thì:
p.Vrc=N.k.T (1.5)
với p là áp suất riêng phần cho ozone; Vrc là thể tích; N là số phân tử ozone; k là hằng số Boltzman và T là nhiệt độ tuyệt đối, chúng ta sẽ có:
p.Vrc = Q.k.T/(2.e) (1.6) Khi Q = i.t, với i là dòng điện được đo và t là thời gian:
p = i.k.T/(2.e) . t/Vrc (1.7) hay:
p = 4,31.10-3.i.T.t/Vrc (1.8) trong đó:
p là áp suất riêng phần của ozone (milipascal) i là dòng điện được đo (A)
T là nhiệt độ của bơm (oK)
Vrc/t là thể tích khơng khí Vrc được bơm qua buồng trong thời gian t (100ml.s-1). Kỹ thuật bóng thám khơng dùng các đầu dị ozone là thơng dụng nhất, là cột trụ cho việc đo đạc phân bố ozone thẳng đứng từ những năm 60 của thế kỷ trước. Dùng bóng thám khơng, phân bố ozone theo phương thẳng đứng đã được xác định với độ phân giải từ vài chục mét tới trên 1 km, từ bề mặt trái đất đến độ cao 35km, với độ chính xác 5%-10% [19]. Các đầu dị ozone điện hóa rất được ưa chuộng vì giá thành khơng q cao, hoạt động ở mọi miền khí hậu và trong cả những điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Tuy nhiên, có nhiều hạn chế do các thiết bị phục vụ đo đạc
không phù hợp với việc đo đạc liên tục theo không gian và thời gian. Sự phân bố ozone trong khí quyển thay đổi nhanh trong ngày nên khó có thể giám sát nồng độ ozone bằng các bóng thám khơng. Hơn nữa, các bóng thám khơng được thả tự do, không thể điều khiển và cũng không thể thu hồi. Mặc dầu được kiểm tra trước khi thả cùng bóng thám khơng nhưng khơng thể tránh được những hư hỏng trong khi bay và sự ổn định giữa các đầu dị cũng khó duy trì.
Kỹ thuật Umkehr:
Phân bố ozone thẳng đứng được đo từ mặt đất với kỹ thuật Umkehr. Cơ sở của phương pháp viễn thám này dựa trên hiệu ứng Umkehr được quan sát khi sử dụng quang phổ kế tử ngoại để đo cường độ I và I’ ở hai bước sóng và ’. Ở bước sóng , sự hấp thụ của ozone mạnh hơn so với ở bước sóng ’ và thơng thường các cặp bước sóng được lựa chọn trong băng phổ Huggin. Giá trị log(I/I’) biến đổi như là một hàm của góc hợp bởi phương của tia sáng mặt trời và phương thẳng đứng (góc
zenith). Sự phụ thuộc của log(I/I’) vào đã được Gưtz, Meetham và Dobson giải thích là do sự phân bố của ozone theo phương thẳng đứng [28]. Sự phụ thuộc này càng rõ rệt khi Mặt trời ở gần với đường chân trời (bình minh hoặc hồng hơn), khi đó tia sáng Mặt trời phải đi một quãng đường dài hơn xuyên qua lớp ozone trong khí quyển. Đường cong biểu diễn giá trị log(I/I’) theo góc được gọi là đường Umkehr (Hình 1.13) [29].
Kỹ thuật Umkehr đã được triển khai từ năm 1934 [28], cho phép đo đạc phân bố ozone với độ phân giải thấp. Trong kỹ thuật này, tỷ số cường độ ánh sáng tán xạ theo phương thẳng đứng từ bầu trời khi góc tới của tia Mặt trời giữa 60o và 90o (Hình 1.14) được đo đạc. Thiết bị thường được sử dụng để đo đạc với kỹ thuật Umkehr là quang phổ kế Dobson và quang phổ kế Brewer.
Trong kỹ thuật Umkehr, khí quyển được phân chia thành các lớp và mật độ ozone cho mỗi lớp được giả sử. Bằng việc tính tốn sự tán xạ và hấp thụ ánh sáng cho các độ cao khác nhau, đường Umkehr lý thuyết sẽ được suy ra. Sau đó, mật độ ozone sẽ được hiệu chỉnh cho đến khi trùng khớp giữa đường Umkehr lý thuyết và đường Umkehr thực nghiệm.
Hình 1.13. Đường Umkehr quan trắc tại hai bước sóng 311,4 nm và 332,4 nm [29]
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.