Luận án tiến sĩ nghiên cứu phân bố khí ozone trong khí quyển tầng thấp với độ ph

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ------------------------ Phạm Minh Tiến NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ KHÍ OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP VỚI ĐỘ PHÂN GIẢI CAO TRÊN CƠ SỞ PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP LIDAR HẤP THỤ VI SAI LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH QUANG HỌC Hà Nội – 2017 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ------------------------ Phạm Minh Tiến NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ KHÍ OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP VỚI ĐỘ PHÂN GIẢI CAO TRÊN CƠ SỞ PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP LIDAR HẤP THỤ VI SAI Chuyên ngành: Quang học Mã số: 9 44 01 09 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH QUANG HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. Đinh Văn Trung Hà Nội – 2017 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lời cam đoan Tôi xin cam đoan luận án này do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Các dẫn giải, phân tích, số liệu, nội dung nghiên cứu đã có của các tác giả có liên quan đến luận án đều có nguồn gốc rõ ràng, được chỉ rõ trong phần Tài liệu tham khảo. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực, chưa được công bố trong các công trình khác.

Nghiên cứu sinh Phạm Minh Tiến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lời cảm ơn Trong quá trình thực hiện luận án “Nghiên cứu phân bố ozone trong khí quyển tầng thấp với độ phân giải cao trên cơ sở phát triển và ứng dụng phương pháp LIDAR hấp thụ vi sai”, tôi đã nhận được sự hướng dẫn và truyền đạt kiến thức rất tận tình của các thầy, cô, giảng viên của Viện Vật lý (Viện Hàn lâm KHCNVN). Tôi cũng đã nhận được sự hỗ trợ, tạo điều kiện, sự giúp đỡ quý báu từ Ban Lãnh đạo viện Hàn lâm KHCNVN, Ban Lãnh đạo Viện Vật lý, Phòng Đào tạo Sau Đại học (Viện Vật lý), Ban Lãnh đạo và đồng nghiệp Viện Vật lý Thành phố Hồ Chí Minh. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.

Đinh Văn Trung, thầy giáo hướng dẫn khoa học trực tiếp cho tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS. Bùi Văn Hải, TS. Nguyễn Xuân Tuấn, ThS.

Dương Tiến Thọ, NCS. Trần Ngọc Hưng và rất nhiều đồng nghiệp khác trong Viện Vật lý đã cộng tác, giúp đỡ, chia sẻ trong công việc nghiên cứu. Tôi cũng xin cảm ơn những ý kiến đóng góp quý báu, các ý kiến phản biện của các thành viên trong hội đồng chấm luận án cấp cơ sở và hai phản biện kín để bản luận án được hoàn thiện hơn. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn bạn bè, gia đình và đặc biệt là GS.

Nguyễn Đại Hưng đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án này. Tác giả luận án NCS. Phạm Minh Tiến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục chữ cái viết tắt. i Danh mục ký hiệu.

ii Danh mục bảng. vi Danh mục hình, đồ thị. vii MỞ ĐẦU. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN.

Ozone trong khí quyền tầng thấp. Nguồn gốc và phân bố. Tiết diện hấp thụ của ozone. Vai trò và tác động của ozone .2 Đo đạc, quan trắc ozone trong khí quyển .1 Khái quát chung .2 Nguyên lý phương pháp đo ozone trong khí quyền .1 Đo tổng lượng cột ozone .2 Đo phân bố mật độ ozone theo phương thẳng đứng .3 Nguyên lý đo đạc phân bố ozone trong khí quyển tầng thấp dùng kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai .1 Cơ sở vật lý của kỹ thuật LIDAR và LIDAR hấp thụ vi sai .2 Hệ LIDAR và phương trình LIDAR .3 Kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai .4 Lựa chọn bước sóng cho LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone .5 Đo phân bố ozone dùng kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai trong khí quyển tầng thấp .6 Tính toán phân bố nồng độ ozone theo độ cao .7 Độ chính xác của phép đo ozone dùng LIDAR hấp thụ vi sai.

49 Kết luận Chương 1. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ LIDAR HẤP THỤ VI SAI ĐO PHÂN BỐ OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP. 53 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1 Thiết kế hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone .1 Sơ đồ khối hệ LIDAR hấp thụ vi sai .2 Khối phát quang học .3 Khối thu quang học.4 Khối thu quang điện tử .5 Phần mềm xử lý, tính toán .2 Lựa chọn cặp bước sóng phát .3 Mô phỏng tín hiệu LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone .4 Kết quả mô phỏng và thảo luận. 61 Kết luận Chương 2.

PHÁT TRIỂN MỘT HỆ LIDAR HẤP THỤ VI SAI ĐỂ ĐO ĐẠC PHÂN BỐ OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP .1 Cấu hình hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone .2 Xây dựng hệ laser màu phản hồi phân bố .1 Bộ dao động phát .2 Hệ quang học bơm.3 Bộ khuếch đại quang .4 Môi trường hoạt chất.5 Bơm luân chuyển chất màu .3 Xây dựng bộ phát hệ LIDAR hấp thụ vi sai và đo đạc đánh giá .4 Chế tạo hệ telescope tử ngoại và khối quang học thu .1 Chế tạo telescope.2 Chế tạo hệ mài phôi kính quang học .3 Khối quang học thu .5 Phát triển khối điện tử thu .6 Xây dựng phần mềm thu ghi, xử lý tín hiệu .7 Đo đạc đánh giá hệ LIDAR hấp thụ vi sai. 86 Kết luận Chương 3. ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM PHÂN BỐ OZONE TRONG LỚP KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP .1 Xử lý số liệu.2 Tính toán phân bố nồng độ ozone theo độ cao. 92 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3 Kết quả đo đạc phân bố nồng độ ozone theo độ cao .4 Phân tích sai số, đánh giá kết quả đo đạc.

96 Kết luận Chương 4. 99 KẾT LUẬN CHUNG. 100 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ. 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

103 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Danh mục chữ cái viết tắt abs – absorption (hấp thụ) aer – aerosols (son khí) DFDL – Distributed Feedback Dye Laser (laser màu phản hồi phân bố) DIAL – Differential-Absorption LIDAR (lidar hấp thụ vi sai) FWHM – Full Width at Half Maximum (độ bán rộng) LIDAR – Light Detection And Ranging mol – molecular (phân tử) OMI – Ozone Monitoring Instrument (thiết bị quan trắc ozone) PMT – PhotoMultiplier Tube (ống nhân quang điện) RMS – Root Mean Square (bình phương trung bình) RS – Remote Sensing (viễn thám) STP – Standard Temperature and Pressure (nhiệt độ và áp suất chuẩn) i LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Danh mục ký hiệu A – diện tích của bộ thu quang học As – tiết diện tán xạ của tất cả các phần tử trong thể tích V AL – tiết diện tia laser A – thừa số Α , B(off,R) – thừa số 𝐵 𝜆 ,𝑅 , CM – gương tam giác 12 x 12 mm C1, C2, C3 – cuvette thạch anh G(R) – hàm mô tả thông số hình học phụ thuộc độ cao khi đo F – phin lọc bước sóng Ic – cường độ được tán xạ được telescope thu nhận Is – tổng cường độ được tán xạ vào góc khối 4 Io – cường độ bức xạ phát I0λ – cường độ bức xạ mặt trời ở ngoài khí quyển tại bước sóng λ Iλ – cường độ bức xạ mặt trời đến bề mặt trái đất tại bước sóng λ K – hằng số hệ thống L – độ dài quang học của Quang kế UV L1, L2, L3 – thấu kính M1, … M12 – gương, đường kính 1 inch N – số phân tử ozone trong buồng phản ứng của đầu dò ozone N(R) – mật độ khí khảo sát ở độ cao R Nb – số đếm photon nền Nd – số đếm dòng tối của PMT NIG(R) – mật độ khí nhiễu theo độ cao Nj – nồng độ của phần tử tán xạ loại j 𝑁 𝑅 – mật độ trung bình của ozone trong khoảng không gian có độ cao R Nph – số đếm photon tín hiệu NS(R) – mật độ ozone tính trực tiếp từ tỷ số cường độ tín hiệu ở on và off ii LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nλ – số xung laser (laser shots) ở bước sóng λ O(R) – hàm chồng chập giữa chùm tia laser và trường nhìn thấy của bộ thu P(R,) – cường độ tín hiệu được thu nhận từ độ cao R Pb(λ,R) – cường độ tín hiệu bức xạ nền 𝑃 – công suất laser trung bình Pon(R) – cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on Poff(R) – cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng off P0 – cường độ trung bình của đơn xung laser P1, P2, P3 – lăng kính R – độ cao tán xạ ngược của bức xạ laser RS – độ cao khởi đầu trong tính toán vòng lặp son khí Rm1, Rm2 – bản chia chùm Q – điện tích S – tỷ số LIDAR S/N – tỷ số tín hiệu trên nhiễu T – nhiệt độ tuyệt đối T(R,λ) – hệ số truyền, diễn tả ánh sáng bị suy hao trên đường từ hệ LIDAR tới độ cao R và quay trở ngược lại Ta – thời gian thu ghi Vrc – thể tích của buồng phản ứng V – thể tích được tia laser chiếu rọi cho ánh sáng tán xạ Xi – tổng lượng cột của thành phần khí quyển thứ i X – tổng lượng cột ozone trong khí quyển (ở STP); X’ – tổng lượng cột dioxít sunphua trong khí quyển (ở STP) frep – tần số lặp lại của xung laser fSample – tần số lấy mẫu i – dòng điện đo được qua buồng phản ứng của đầu dò ozone j – thứ tự bước lặp ozone k – hằng số Boltzman l – thứ tự bước lặp son khí m – bậc nhiễu xạ Bragg iii LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.