Để khảo sát các đặc trưng cơ bản của lớp mây Ti (đặc trưng độ cao trung bình, độ dày quang học…) thực tế có 5 kỹ thuật cơ bản sau:
1. Kỹ thuật ghi nhận radar ở bước sóng 8,6 mm [68].
2. Kỹ thuật sử dụng ẩm kế ghi điểm sương thả theo bóng thám không [68].
3. Kỹ thuật kết hợp cả thiết bị kinh vĩ lưỡng kênh và tín hiệu quan sát từ máy bay [3, 68].
4. Kỹ thuật quan sát từ tín hiệu vệ tinh (chỉ cho phép xác định độ cao của mây) [68].
5. Kỹ thuật đo lidar (light detection and ranging) [68].
Trong đó kỹ thuật lidar là kỹ thuật đáng tin cậy hơn cả. Tuy nhiên hệ lidar bao giờ cũng có những yếu điểm về giá cả cao và tính ổn định của hệ khó duy trì trong suốt quá trình quan trắc. Để khắc phục hạn chế về sự ổn định, thực tế người ta có thể xây dựng một trạm đo cách biệt với đô thị nhằm đạt độ ổn định sẽ cho phép thực hiện các phép đo trong thời gian dài với độ chính xác cao.
Các phép đo để xác định các đặc tính vi mô của mây Ti (mật độ tinh thể, trữ lượng nước và phân bố kích thước tinh thể…) là không thể thực hiện được trừ khi chúng ta có thể trực tiếp lấy mẫu các đám mây về phòng thí nghiệm nghiên cứu. Hiện nay để xác định các đặc trưng vi mô của mây Ti, như chúng ta
35
biết, trung tâm quốc gia Mỹ về nghiên cứu khí quyển - NCAR sử dụng mô hình CCM3. Thực tế đây là mô hình phức tạp và cơ sở dữ liệu tập hợp từ nhiều đài quan sát với hệ thống thiết bị phức hợp khác nhau. Trong chương 4 chúng tôi khai thác số liệu từ hệ đo lidar phân cực nhằm đưa ra một vài đặc trưng vi mô quan trọng như tính suy hao, đặc trưng tán xạ ngược, tính khử phân cực của các tinh thể băng trong mây Ti bằng nguồn dữ liệu khai thác từ hệ lidar nhiều bước sóng.
1.2. Các kỹ thuật quan trắc khí quyển
Về nguyên tắc của kỹ thuật khảo sát các đặc trưng với những đối tượng trong khí quyển có thể chia thành hai phương pháp cơ bản là:
Phương pháp ghi nhận trực tiếp.
Phương pháp ghi nhận từ xa [3, 4, 12, 15, 18, 63, 70].
Phương pháp ghi nhận trực tiếp là phương pháp ghi nhận thông qua các thiết bị đo đạc các đặc tính của mẫu bằng cách tiếp xúc trực tiếp với mẫu đo. Như tại các đài trạm mặt đất là các kĩ thuật đo nhiệt độ bằng nhiệt kế, đo độ ẩm bằng ẩm kế, đo mật độ khí bằng thiết bị lấy mẫu hay như đo mật độ son khí… Tại đó thực hiện phép lấy mẫu trực tiếp hoặc phép đo theo độ cao bằng phương pháp thả bóng thám không, máy bay, tàu thủy, các đài trạm di động… ghi nhận số liệu rồi gửi về trung tâm lưu trữ và xử lý.
Phương pháp đo từ xa có thể kể tới là kĩ thuật đo xa sử dụng sóng vô tuyến – hệ rada, sử dụng ánh sáng – hệ lidar hay phương pháp chụp ảnh vệ tinh. Các kỹ thuật đó cho phép chúng ta nhận biết một số các đặc trưng lý hóa của đối tượng nghiên cứu mà không cần phải tiếp cận trực tiếp đối tượng cần khảo sát. Đó cũng chính là ưu điểm vượt trội đầu tiên của các hệ đo xa xây dựng trên mặt đất hay gắn trên các thiết bị di động hoặc các vệ tinh nhân tạo. Bên cạnh đó ưu điểm nổi trội và đáng kể nhất đó chính là khả năng phân giải về thời gian và không gian của hệ đo đối với các tham số cần quan trắc. Kỹ thuật rada và lidar
36
được xây dưng ban đầu vì mục đích quân sự bởi sự đầu tư về kỹ thuật cũng như kinh tế là rất lớn. Kể từ thập niên 70 của thế kỉ 20 cả hai kỹ thuật này đều được dân sự hóa và trở thành các thiết bị phục vụ mục đích quan trắc khí quyển phục vụ môi trường và dân dụng.
Trong hệ thống quan trắc sự biến đổi của khí quyển nhằm mục đích dự báo thời tiết, hàng ngày có khoảng 100.000 lượt quan trắc trong bầu khí quyển gần bề mặt trái đất và khoảng 11.000 lượt quan trắc các lớp khí quyển trên cao. Các quan trắc đó được tiến hành và nghi nhận từ trên 8.000 trạm khảo sát mặt đất, 3.000 máy bay vận tải dân dụng và chuyên ngành, cùng 4.000 tàu thủy chở hàng [70]. Bên cạnh đó thông tin được thu thập từ các vệ tinh nhân tạo, từ tên lửa khí tượng và các đài trạm tự động khác. Tất cả các dữ liệu thu nhận được tập hợp vào cùng thời điểm. Các trạm quan trắc được phân biệt bởi 5 con số quy ước trong đó 2 con số đầu là biểu số vùng trên bản đồ mà trạm phân bố còn 3 số sau – thể hiện biểu số trạm (ghi nhận vị trí trên bản đồ).
Kỹ thuật đo đạc từ xa sử dụng laser, về nguyên lý giống với kỹ thuật radar, tuy nhiên có những ưu điểm vượt trội và là một kỹ thuật tiên tiến được áp dụng rộng trên khắp thế giới với cả mục đích quân sự nhưng phổ dụng hơn cả là mục đích dân sự. Trong việc khảo sát các đặc trưng của son khí trong tầng khí quyển. Bằng phương pháp đo đạc từ xa cho phép thu nhận các thông tin với độ phân giải về không gian và thời gian rất cao, khoảng không gian khảo sát có thể lên tới trên 100 km [12, 53].
Với mỗi đối tượng nghiên cứu tồn tại trong khí quyển đều có những lý thuyết nghiên cứu riêng theo hiệu ứng vật lý đặc trưng của chúng và đi cùng cơ sở lý thuyết đó là các hệ lidar chuyên dụng. Hiện nay kỹ thuật và các hệ lidar đã được phát triển và thương mại hóa trên toàn thế giới với những hệ lidar nhiều bước sóng đa kênh và hoạt động có thể đồng thời ở cả chế độ tương tự hay đếm photon. Tuy nhiên với những hệ lidar đo xa tới khoảng cách 70 - 80 km với độ chính xác cao vẫn luôn là những dự án lớn chỉ có thể giải quyết bởi các nước
37
giàu. Vì vậy, xây dựng mới một hệ lidar và lần đầu đưa vào khai thác phục vụ quan trắc khí quyển tại Việt Nam là một công việc phức tạp và gặp nhiều khó khăn trong cả kĩ thuật xây dựng thiết bị cũng như kĩ năng sử dụng thiết bị quan trắc các đối tượng trong tầng khí quyển. Trong phần tiếp theo chúng tôi trình bày những tìm hiểu về kỹ thuật lidar và hoàn thiện cơ sở lý thuyết để bắt tay vào nghiên cứu, thiết kế và xây dựng một hệ lidar hoàn toàn mới tại Việt Nam.