CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.3 Nguyên lý đo đạc phân bố ozone trong khí quyển tầng thấp dùng kỹ
1.3.5 Đo phân bố ozone dùng kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai trong khí
tầng thấp
Đối với lớp khí quyển tầng cao (tầng bình lưu), hầu hết các nhóm nghiên cứu, trạm quan trắc sử dụng nguồn laser excimer XeCl, phát trực tiếp bước sóng on trong vùng UV ở 308 nm với cơng suất rất mạnh 100W [40]. Đối với bước sóng off, một số kỹ thuật được sử dụng như hệ phát ở bước sóng 353 nm tương ứng với bức xạ Stokes của hiệu ứng Raman kích thích trong ống chứa đầy khí hydro [41,42,43], bước sóng 355 nm là họa ba bậc ba của laser Nd:YAG [41,44,45], hay dùng bước sóng 351 nm được phát bởi laser XeF [46,47]. Các hệ DIAL UV này có thể dùng quan trắc ozone đến độ cao 20 – 30 km vào ban đêm.
Khơng giống như đối với lớp khí quyển tầng cao, việc khảo sát phân bố ozone trong lớp khí quyển tầng thấp hay tầng đối lưu được nghiên cứu triển khai với các
cặp bước sóng trong khoảng từ 266 nm tới 320 nm. Các hệ LIDAR hấp thụ vi sai sử dụng các bức xạ phát từ họa ba bậc bốn của laser Nd:YAG ở 266 nm; bức xạ laser là các vạch Stokes 289 nm, 299 nm, 316 nm từ các ống Raman chứa các khí hơi áp suất thấp H2, D2, He [48,49] hay 276.2 nm, 287.2 nm, 299.1 nm từ CO2 [50,51] được bơm bởi bước sóng họa ba bậc bốn của laser Nd:YAG ở 266 nm; cặp bước sóng 277 và 313 nm là dịch chuyển Raman kích thích (Stimulated Raman Shifting – SRS) của bức xạ 248 nm phát bởi laser excimer krypton-fluoride trong hydro [52]; hay các cặp bước sóng được phát bởi các hệ laser màu [39,53,54].
Hình 1.23 trình bày sơ đồ khối một hệ DIAL được lắp đặt tại Viện nghiên cứu và phát triển Quang điện tử ở Bucharest (Rumani) [48]. Hệ sử dụng các họa ba bậc bốn của laser Nd:YAG và các ống Raman H2, D2 để phát các bức xạ laser ở bốn bước sóng 266, 289, 299 và 316 nm. Do tiết diện hấp thụ khác nhau ở mỗi bước sóng, các cặp bước sóng on – off đã được sử dụng cho đo đạc ozone ở những độ cao khác nhau. Đối với lớp thấp của tầng đối lưu (1-3 km), cặp bước sóng 266 và 289 nm đã được sử dụng, lớp giữa tầng đối lưu (3-6 km) là cặp 289 và 299 nm và cho những độ cao cao hơn (lên tới 12 km), hệ dùng cặp bước sóng 299 và 316 nm. Hệ LIDAR hấp thụ vi sai đa cặp bước sóng này cho phép kết hợp tính tốn loại trừ ảnh hưởng của son khí trong phương trình LIDAR. Hệ có khả năng đo đạc phân bố ozone đến độ cao 12 km vào ban đêm và 8 km vào ban ngày.
Hình 1.23. Hệ DIAL đo phân bố ozone tại Bucharest – Rumani [50]
Với ưu điểm là có thể điều chỉnh liên tục bước sóng, các laser màu cũng rất được chú ý trong thiết kế chế tạo làm nguồn phát cho các hệ DIAL đo phân bố ozone khí quyển. Người ta có thể dùng bức xạ được nhân tần của các laser màu làm bước sóng off hoặc cả bước sóng on và off trong hệ LIDAR ozone. Hình 1.24 giới thiệu
một hệ DIAL do Trung tâm Nghiên cứu Quan trắc Môi trường tiên tiến của Viện Khoa học và Công nghệ Gwangju (Hàn Quốc) thiết kế chế tạo [53]. Hệ có bước sóng
on là họa ba bậc bốn của laser Nd:YAG 266 nm, bước sóng off ở 299.5 nm là bức
xạ nhân tần của một laser màu (Hình 1.25).
Hình 1.24. Hệ DIAL đo ozone tại Viện KH và CN Gwangju (Hàn Quốc) [53]
Hình 1.25. Tiết diện hấp thụ của ozone trong vùng phổ UV. Bước sóng on và bước
sóng off được xác định ở 266 nm và 299,5 nm [53]
Hệ DIAL tại Gwangju (Hàn Quốc) có thể đo đạc phân bố nồng độ ozone tới độ cao 2 km với độ phân giải không gian 50 m và phân giải thời gian 2 phút. Nguồn
sai số quan trọng nhất trong hệ đo DIAL này là nhiễu cảm ứng tín hiệu (Signal- Induced-Noise, SIN) do PMT bị chiếu rọi mạnh ở trường gần. Để ngăn chặn bức xạ mạnh ở những khoảng cách ngắn, người ta có thể dùng cả phần cứng (mạch cổng điện tử) và phần mềm (hiệu chỉnh đường nền của một tín hiệu LIDAR). Một sai số khác cũng khơng thể bỏ qua là do nồng độ son khí và độ dốc của đường phân bố son khí cao trong lớp khí quyển thấp trong tầng đối lưu. Sai số này cần được bù trừ bằng cách đưa thêm vào phương trình LIDAR các số hạng hiệu chỉnh [53].
Hình 1.26 trình bày một hệ DIAL với hai bước sóng phát on và off dùng laser màu ở 285 nm và 291 nm [39]. Hai bước sóng này là kết quả lựa chọn giữa bốn sự xem xét: 1) tối ưu khoảng độ cao xác định phân bố ozone; 2) giảm ảnh hưởng ánh sáng nền khi hoạt động ban ngày; 3) giảm ảnh hưởng xen vào của son khí; 4) phạm vi điều chỉnh được bước sóng phát của các laser màu . Sự lựa chọn bước sóng này là sự lựa chọn linh động và tối ưu cho sự phân bố ozone tại địa phương, sự hấp thụ do các thành phần khác, độ cao khảo sát phân bố, cấu hình đặc trưng của hệ, bao gồm cả cơng suất phát, kích thước gương telescope và đặc trưng của ống nhân quang điện (PMT) [55]. Mặc dù ở những bước sóng ngắn hơn cho độ nhạy phép đo cao hơn từ tiết diện hấp thụ vi sai ozone lớn nhưng chúng lại làm giới hạn khoảng đo theo độ cao do giảm mạnh bởi hấp thụ ozone và sự suy hao do tán xạ (phân tử) Rayleigh, dẫn đến kéo dài thời gian thu ghi tín hiệu. Thêm vào đó, bước sóng ngắn địi hỏi đặc trưng động học của hệ đầu dò rộng hơn và địi hỏi thêm kênh đo. Với cơng suất phát được thiết kế 4 mJ/xung ở bước sóng on 285 nm cho phép đo phân bố ozone tới độ cao 9 km khi trời trong và 7 km khi có son khí với độ phân giải khơng gian 750 m, độ phân giải thời gian 10 phút. Do có bức xạ nền mặt trời khi đo ban ngày, bước sóng 291 nm được lựa chọn làm bước sóng off. Các bước sóng dài hơn sẽ làm tăng nhiễu nền bức xạ Mặt trời và giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu một cách đáng kể.
(a)
(b)
Hình 1.26. Sơ đồ khối bộ phát (a) và bộ thu (b) của hệ DIAL dùng laser màu phát ở
hai bước sóng λon=285 nm và λoff=291 nm [39]
Sai số gây bởi sự có mặt của son khí trong lớp khí quyển bao sát hành tinh và lớp khí quyển tầng thấp khơng đơn giản là một hàm của sự phân tách hai bước sóng
on và off, giảm sự phân tách tán xạ ngược vi sai ở hai bước sóng cũng sẽ làm giảm
tiết diện hấp thụ vi sai ozone. Sai số này rất nhạy với thành phần, kích thước và phân bố theo phương thẳng đứng của son khí tại nơi quan trắc. Dẫu sao thì ảnh hưởng của
son khí trong đo đạc cũng sẽ thấp hơn khi bước sóng on nằm trên triền dốc nhất của đồ thị tiết diện hấp thụ của ozone. Do vậy, các tác giả thiết kế hệ đã lựa chọn cặp bước sóng 285-291 nm là cặp bước sóng tối ưu cân bằng giữa độ cao tối đa có thể đo, tác động của tán xạ ngược bởi son khí và ảnh hưởng gây bởi nền bức xạ Mặt trời. Bộ thu của hệ DIAL hoạt động với hai telescope riêng rẽ. Telescope Newtonian đường kính 40 cm dùng để đo ozone từ 3 đến 8 km và có thể đạt đến 12 km tùy thời tiết. Telescope có đường kính 10 cm dùng đo trong khoảng 1 đến 5 km.
Các hệ LIDAR hấp thụ vi sai được trình bày ở trên, đo ghi các bức xạ tán xạ ngược đàn hồi của hai bức xạ on và off từ các thành phần của khí quyển, gọi là các hệ LIDAR hấp thụ vi sai tán xạ đàn hồi. Các hệ DIAL này cho phép đo đạc phân bố ozone đến các khoảng độ cao khác nhau trong tầng đối lưu với độ phân giải từ vài chục tới vài trăm mét, tùy theo cặp bước sóng được sử dụng, cường độ bức xạ laser phát và điều kiện thời tiết. Một số các vấn đề gặp phải đối với hệ LIDAR hấp thụ vi sai tán xạ đàn hồi là nếu dùng cặp bước sóng có một bức xạ mạnh, như bức xạ ở 266 nm của họa ba bậc bốn laser Nd:YAG, để tăng độ cao đo đạc thì sẽ làm tăng nhiễu cảm ứng tín hiệu gây sai số lớn; nếu dùng bức xạ phát nằm sâu trong miền tử ngoại, như bức xạ ở 266 nm có tiết diện hấp thụ cao của ozone, thì tuy độ nhạy phát hiện tăng nhưng lại làm hạn chế độ cao đo đạc; nếu lựa chọn khoảng cách vi sai giữa hai bước sóng on và off lớn để có độ phân giải khơng gian tốt hơn thì kết quả đo cần phải được hiệu chỉnh bằng số liệu son khí được đo từ các phương pháp khác hoặc phải sử dụng hệ LIDAR hấp thụ vi sai có nhiều cặp bước sóng.
Ngồi ra, kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai Raman cũng đã được phát triển để đo phân bố ozone trong khí quyển. Trong các hệ LIDAR hấp thụ vi sai thông thường, hai tín hiệu LIDAR ở hai bước sóng on và off là hai tín hiệu đàn hồi được tán xạ ngược bởi các phân tử và các hạt trong khí quyển. Cịn trong các hệ LIDAR hấp thụ vi sai Raman, chỉ một bước sóng được phát và hệ sử dụng tán xạ Raman của O2 và N2 trong khí quyển làm bước sóng on và off để đo đạc phân bố ozone.
Phương trình LIDAR trong trường hợp tán xạ Raman sẽ khác với phương trình LIDAR (1.21) ở những điểm sau:
1) Hệ số tán xạ ngược (R) trong phương trình LIDAR (1.21) được thay bằng hệ số tán xạ ngược Raman [3]:
𝛽 𝑅 𝑁 𝑅 (1.30) Được tính bởi mật độ số phân tử khí cho tán xạ Raman và tiết diện Raman vi sai theo phương ngược lại 𝑑𝜎 𝜋 /𝑑Ω.
2) Sự suy hao ánh sáng trên đường quay trở lại từ thể tích tán xạ phải được xem xét ở bước sóng dịch chuyển Raman λR.
Để đo phân bố ozone trong lớp khí quyển tầng thấp, hệ LIDAR hấp thụ vi sai Raman được thiết kế với nguồn phát là họa ba bậc bốn của laser Nd:YAG ở bước sóng 266 nm. Các vạch Raman dao động – quay của oxy và nitơ ở 277,5 nm và 283,6 nm là các tín hiệu ở bước sóng on và off tương ứng. Đo nồng độ ozone ở lớp khí
quyển tầng thấp với hệ LIDAR hấp thụ vi sai này đạt tới độ cao 2 km và có thể được thực hiện đo đạc cả ngày lẫn đêm [56,57]. Thuận lợi của kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai Raman so với kỹ thuật thông thường là thiết bị phát bức xạ laser đơn giản hơn do chỉ phải phát một bức xạ, số hạng hiệu chỉnh do tán xạ ngược vi sai trong phương trình LIDAR ở bước sóng phát sẽ khơng có. Việc đo phân bố ozone bằng kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai thơng thường với các tín hiệu tán xạ đàn hồi trong vùng khơng đồng nhất về son khí là rất khó khăn khi xác định số hạng này, nhất là trường hợp hai bước sóng on và off phân tách nhau xa vì phải sử dụng số liệu son khí được đo bằng các phương pháp khác đưa vào trong tính tốn hoặc phải phát triển hệ LIDAR hấp thụ vi sai với nhiều cặp bước sóng. Tuy nhiên, sử dụng hệ LIDAR hấp thụ vi sai Raman đo ozone cũng có một số điểm khơng thuận lợi là tín hiệu Raman yếu, chúng ta phải có nguồn phát laser công suất mạnh trong vùng tử ngoại và bộ thu phải được bổ sung thêm thiết bị tách phổ dùng cách tử UV có mật độ vạch lớn, hiệu chỉnh chính xác.