15/09/2022
Sự cần thiết của công nghệ LIDAR trong dự báo ô nhiễm không khí
Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường không khí đã và đang nhận được sự quan tâm từ người dân, đặc biệt là cư dân tại các đô thị lớn, do khả năng gây hại đến sức khỏe và môi trường sống. Tình trạng ô nhiễm không khí tại TP. Hồ Chí Minh càng ngày càng đáng lo ngại do sự gia tăng nồng bụi cũng như khí ô nhiễm khác trong khí quyển, các sự kiện ô nhiễm kéo dài nhiều ngày đặc biệt là vào thời điểm chuyển mùa và ban đêm, mà cơ chế hình thành cũng như các nguồn phát thải phức tạp gây khó khăn cho quan trắc và xây dựng các biện pháp cải thiện chất lượng không khí.
Vấn đề nghiên cứu đánh giá nguyên nhân ô nhiễm không khí đô thị theo kinh nghiệm trên thế giới đến từ giao thông, hoạt động kinh tế xã hội của đô thị và quá trình lan truyền ô nhiễm từ xa đến đô thị. Hiện nay các công nghệ quan trắc tại Việt Nam chủ yếu đo đạc, tính toán từ quá trình hoạt động của đô thị trạm quan trắc tầm thấp. Quá trình lan truyền ô nhiễm từ nơi khác và ở tầng không khí trên cao chưa được quan trắc, tính toán khi có hiện tượng đối lưu nhiệt gây ô nhiễm đối với cư dân đô thị. Việc tìm nguyên nhân qua ảnh mây vệ tinh chưa đảm báo tính liên tục và chưa có tính thuyết phục cao do chưa định lượng được vấn đề ô nhiễm.
Hiện nay tại Việt Nam, do chưa có công nghệ đánh giá ô nhiễm không khí tầm cao nên khi xảy ra vấn đề nghịch nhiệt giai đoạn chuyển mùa, mây mù…chưa thể xác định được là mù do ô nhiễm bụi mịn hay do hơi nước và chưa xác định được quá trình duy chuyển bụi/chất ô nhiễm nên ít có cơ sở khoa học cung cấp thông tin đến cộng đồng. Đặc biệt khi các ngày có gió mùa hoạt động mạnh lớp biên khí quyển bề mặt xuống thấp làm cho quá trình thoát bụi, khí ô nhiễm từ hoạt động đô thị lên trên tầng cao gặp khó khăn gây ô nhiễm cục bộ.
Trước những vấn đề thực tiễn quan trắc ô nhiễm không khí và theo chỉ đạo của, lãnh đạo Bộ Tài nguyên và Môi trường, Tổng cục Môi trường đã tìm hiểu và nhận thấy rằng để quan trắc, đánh giá các thông số ô nhiễm trên cao tính toán được nguồn lan truyền ô nhiễm trong không khí trên cao đến ô nhiễm đô thị các nước trên thế giới đã và đang áp dụng công nghệ LIDAR (Light Detection And Ranging) là công nghệ quét tầm xa sử dụng bức xạ laser để quan trắc các đặc trưng vật lý của khí quyển theo không gian và thời gian. Dựa trên nguyên tắc hấp thụ ánh sáng khác nhau giữa các thành phần ô nhiễm, từ đó tính toán được nồng độ các hợp chất trong các tầng khí quyển.
Đây là công nghệ duy nhất hiện nay có khả năng quan trắc tầm xa trên 10 km và dùng tia laser chủ động quét các tầng khí quyển để xác định thành phần ô nhiễm. Số liệu quan trắc 24/24 các thông số ô nhiễm không khí theo chiều ngang/chiều dọc.
Ảnh 1: Hệ thống viễn thám mặt đất mini micropulse LIDAR
Nguyên lý hoạt động của công nghệ LIDAR
LIDAR (Light Detection And Ranging) là một công nghệ mới tiếp theo công nghệ Radar. LIDAR dùng sóng Laser có thể quét được ở vùng khả kiến nên khả năng quan sát được các Aerosol khí, bụi mịn ở nhiều tầng khí quyển. Dựa trên nguyên tắc hấp thụ của từng loại ô nhiễm và tán xạ sóng, sẽ dễ dàng tính được nồng độ ô nhiễm trên các tầng của khí quyển. Radar nói chung và Radar thời thiết nói riêng chỉ dùng sóng radio (sóng dài) nên chỉ quan sát được mây, sương mù có kích thướt lớn và thường xuyên bị nhiễu do gần bước sóng vô tuyến và gây sai số. Quan trắc môi trường không khí dùng công nghệ đo quang dựa trên tia laser thường được đặt cố định trên tháp quan sát môi trường hoặc trên xe di động. Hiện nay, LIDAR đã trở thành một công cụ không thể thiếu để nghiên cứu biến đổi khí hậu nói chung và vật lý khí quyển nói riêng, với các ứng dụng rộng rãi từ khả năng đo, đánh giá và phân tích mật độ của bụi, sol khí (aerosol), ozone... cho tới các loại khí thải độc hại gây ô nhiễm như: Thủy ngân, SO2, NO2, Benzen... Công nghệ LIDAR đã và đang được sử dụng rộng rãi ở nhiều mạng lưới trên toàn thế giới để nghiên cứu khí quyển trong đó có thể kể đến mạng lưới Micro-Pulse LIDAR của NASA (MPLNET), mạng lưới LIDAR nghiên cứu về Sol khí (Aerosol) tại châu Âu (EARLINET), mạng lưới Bụi Châu Á và quan trắc Aerosol bằng LIDAR (AD-Net)...
Ảnh 2: Sơ đồ khối hệ LIDAR tán xạ đàn hồi ngược
Công nghệ LIDAR cung cấp dữ liệu về các đám mây và lớp biên bề mặt bầu khí quyển lên đến độ cao 15 km tính từ vị trí đặt thiết bị, đồng thời cho phép xác định các phép đo tán xạ ngược đồng phân cực và phân cực chéo cung cấp thông tin về pha của aerosol từ đó tính toán phân bố nồng độ và tính chất của aerosol theo chiều thẳng đứng.
Trên cơ sở khoa học và thực tiễn các nước trên thế giới trong khuôn khổ của Dự án "Xây dựng Dự án Quan trắc môi trường vùng Đông Nam Bộ" Tổng cục Môi trường đầu tư hệ thống Micro Pulse LIDAR (MPL) nhằm hoàn thiện được bức tranh nguyên nhân gây ô nhiễm đô thị gồm trạm quan trắc tầm thấp (đã và đang được đầu tư) và ô nhiễm ở tầng cao do nơi khác di chuyển đến đô thị, khi có hiện tượng nghịch nhiệt gây ô nhiễm kéo dài nhiều ngày cho đô thị; Đây cũng là cơ sở bước đầu để tiến hành đầu tư công nghệ quan trắc ô nhiễm không khí tầm xa LIDAR cho các vùng kinh tế trọng điểm trên cả nước. Việc đầu tư này Bộ Tài nguyên và Môi trường, Tổng cục Môi trường cũng cụ thể hóa “Chiến lược phát triển viễn thám quốc gia đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2040” của Thủ tướng Chính phủ. Đây cũng là công nghệ quan trọng nhằm hoàn thiện công cụ dự báo cảnh báo ô nhiễm không khí tại TP. Hồ Chí Minh nói riêng và các đô thị lớn trong tương lai.
Ảnh 3: Ứng dụng của mini - MPL
TS. Lê Hoài Nam
Trung tâm Quan trắc môi trường miền Nam
Tổng cục Môi trường
(Nguồn: Bài đăng trên Tạp chí Môi trường số Chuyên đề Môi trường không khí năm 2022)
