Lidar đo khí quyển bằng cách bắn những xung laser ngắn lên trời rồi bắt lấy phần ánh sáng bị các hạt bụi, giọt mây hay phân tử khí tán xạ ngược trở lại. Thời gian ánh sáng đi và về cho biết độ cao, cường độ tín hiệu cho biết có bao nhiêu hạt hay khí ở độ cao đó. Nhờ vậy lidar vẽ được "lát cắt" khí quyển theo chiều đứng với độ chi tiết vài mét, từ lớp bụi sát đất tới lớp natri ở độ cao gần 100 km, và từ năm 2006 đã được đưa lên vệ tinh.
Lidar là gì, khác ra-đa thế nào
Lidar viết tắt từ light detection and ranging — dò và đo khoảng cách bằng ánh sáng. Nguyên lý giống ra-đa: phát tín hiệu, chờ tín hiệu dội lại, đo thời gian. Khác biệt nằm ở bước sóng:
| Ra-đa thời tiết | Lidar | |
|---|---|---|
| Bước sóng | Vài cm (vi sóng) | Khoảng 0,3–2 µm (tử ngoại, khả kiến, hồng ngoại gần) |
| Thấy rõ | Giọt mưa, hạt mưa đá, bông tuyết | Bụi mịn, sol khí, giọt mây nhỏ, tinh thể băng, cả phân tử khí |
| Xuyên mây | Có, xuyên được mây dày | Không, bị mây dày chặn lại |
| Độ phân giải đứng | Hàng trăm mét | Vài mét tới vài chục mét |
Hai thiết bị bổ sung cho nhau: ra-đa nhìn mưa, lidar nhìn những thứ nhỏ hơn nhiều mà mắt thường chỉ thấy như một màn mờ.
Từ đèn pha tới tia laser
Trước khi có laser, từ thập niên 1930 các nhà khoa học đã chiếu đèn pha công suất lớn lên trời và dùng kính thiên văn đặt cách xa vài km để đo ánh sáng tán xạ, từ đó ước tính mật độ không khí ở trên cao. Cách làm này thô và chỉ dùng được vào ban đêm.
Năm 1960, Theodore Maiman chế tạo laser đầu tiên. Laser cho chùm sáng rất hẹp, một màu, và có thể phát thành xung cực ngắn — đúng thứ cần để đo khoảng cách bằng thời gian. Năm 1962–1963, Louis Smullin và Giorgio Fiocco ở Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) dùng laser ruby bắn lên Mặt Trăng và cũng ghi được tín hiệu tán xạ từ lớp khí quyển trên cao. Từ đó lidar khí quyển phát triển thành nhiều loại.
Các loại lidar khí quyển
Lidar tán xạ ngược (backscatter)
Loại đơn giản nhất: bắn một hoặc hai bước sóng, đo cường độ dội về theo thời gian. Cho thấy độ cao chân mây, các lớp bụi, khói, tro núi lửa, và độ cao của lớp khí quyển sát đất bị xáo trộn hằng ngày (lớp biên), nơi ô nhiễm tích tụ. Thêm bộ lọc phân cực, lidar còn phân biệt được giọt nước tròn với tinh thể băng hay hạt bụi méo mó.
Máy đo trần mây (ceilometer) ở các sân bay chính là một lidar nhỏ chiếu thẳng lên để đo độ cao chân mây liên tục.
Lidar hấp thụ vi sai (DIAL)
Bắn hai bước sóng rất gần nhau: một bước sóng bị khí cần đo hấp thụ mạnh, một bước sóng gần như không. Chênh lệch tín hiệu cho biết nồng độ khí theo từng độ cao. DIAL được dùng để đo ozone, hơi nước, và cả mê-tan, CO₂ trong các thử nghiệm.
Lidar Raman
Khi ánh sáng laser va vào phân tử khí, một phần rất nhỏ bị tán xạ với bước sóng hơi lệch đi, độ lệch đặc trưng cho từng phân tử (hiệu ứng Raman). Đo ánh sáng lệch bước sóng của nitơ và hơi nước, lidar Raman tính được độ ẩm và nhiệt độ theo độ cao.
Lidar Doppler đo gió
Hạt bụi trôi theo gió làm ánh sáng dội về lệch tần số một chút (hiệu ứng Doppler). Đo độ lệch đó cho ra tốc độ gió dọc theo chùm tia. Lidar Doppler được dùng ở sân bay để phát hiện gió cắt và xoáy khí sau máy bay lớn, và ở các trang trại điện gió để đo gió ở độ cao cánh quạt.
Lidar huỳnh quang cộng hưởng
Ở độ cao khoảng 80–105 km có một lớp mỏng nguyên tử natri, sắt, kali — "bụi" kim loại để lại khi sao băng bốc cháy trong tầng trung lưu. Laser chỉnh đúng bước sóng 589 nm làm nguyên tử natri phát sáng trở lại. Đo ánh sáng này cho ra nhiệt độ và gió ở tầng trung lưu và chân nhiệt quyển, vùng quá cao cho khí cầu và quá thấp cho vệ tinh. Chính lớp natri này cũng được các đài thiên văn lớn dùng để tạo "ngôi sao nhân tạo" bằng laser, giúp hiệu chỉnh hình ảnh bị khí quyển làm rung.
Lidar trên vệ tinh
Đặt lidar trên quỹ đạo khó hơn nhiều: laser phải mạnh và bền nhiều năm trong chân không, tín hiệu dội về từ vài trăm km rất yếu. Nhưng phần thưởng là lát cắt khí quyển dọc theo đường bay trên khắp hành tinh.
| Sứ mệnh | Thời gian | Đóng góp |
|---|---|---|
| LITE (trên tàu con thoi) | 9/1994 | Thử nghiệm lidar khí quyển đầu tiên từ quỹ đạo, khoảng 11 ngày |
| CALIPSO (NASA – CNES) | 2006–2023 | Gần 17 năm lát cắt mây và sol khí toàn cầu; thấy rõ bụi Sahara bay qua Đại Tây Dương, khói cháy rừng lên tầng bình lưu |
| Aeolus (ESA) | 2018–2023 | Lidar Doppler đo gió đầu tiên trên quỹ đạo; dữ liệu được đưa vào dự báo thời tiết và cải thiện dự báo, nhất là ở vùng nhiệt đới và đại dương |
| EarthCARE (ESA – JAXA) | Phóng 5/2024 | Kết hợp lidar ATLID với ra-đa mây để nghiên cứu mây, sol khí và cân bằng bức xạ |
Năm 2023, Aeolus được điều khiển rơi vào khí quyển có hướng dẫn — một trong những lần đầu ESA chủ động đưa một vệ tinh cũ về theo đường đã chọn để giảm rủi ro mảnh vỡ.
Lidar đã thấy gì
- Tro núi lửa Pinatubo (1991): các trạm lidar trên khắp thế giới theo dõi lớp sol khí sunfat lan dần trong tầng bình lưu và mỏng đi qua nhiều năm. Lớp này góp phần làm nhiệt độ toàn cầu giảm khoảng 0,5 °C trong 1–2 năm.
- Mây tầng bình lưu ở vùng cực: lidar xác nhận các loại mây băng mỏng ở độ cao 15–25 km trên Nam Cực, nơi xảy ra phản ứng hoá học phá huỷ ozone.
- Khói cháy rừng bay lên tầng bình lưu: các đám cháy rất lớn như ở Úc mùa hè 2019–2020 tạo mây dông lửa đẩy khói lên trên 15 km, lidar mặt đất và vệ tinh theo được lớp khói đi vòng quanh Nam bán cầu.
- Lớp ô nhiễm đô thị: lidar đặt ở thành phố cho thấy lớp biên thấp và mỏng vào sáng sớm mùa đông, giữ bụi mịn sát mặt đất, rồi dày lên khi mặt trời làm nóng mặt đất.
Góc nhìn hôm nay
Lidar ngày nay không còn là thiết bị hiếm. Các mạng lưới như MPLNET của NASA hay EARLINET của châu Âu nối hàng chục trạm lidar để theo dõi sol khí liên tục, và dữ liệu được công bố cho cộng đồng nghiên cứu. Ceilometer rẻ tiền ở sân bay cũng được tận dụng như một mạng lidar dày đặc theo dõi độ cao lớp biên và tro núi lửa.
Chữ "lidar" còn quen thuộc ở chỗ khác: máy quét địa hình từ máy bay, cảm biến trên xe tự hành, cảm biến trên một số điện thoại. Tất cả cùng nguyên lý đo thời gian ánh sáng đi và về, chỉ khác mục tiêu là bề mặt vật thể thay vì không khí. Người muốn xem lát cắt khí quyển thật có thể tìm ảnh "CALIPSO curtain" trong kho dữ liệu của NASA: một dải dài như tấm rèm, trên đó hiện rõ mây, bụi và khói theo từng độ cao dọc đường bay vệ tinh.
Câu hỏi thường gặp
Lidar là gì?
Lidar là thiết bị đo khoảng cách và tính chất của vật bằng xung laser: phát ánh sáng, bắt ánh sáng dội về và đo thời gian. Trong khí quyển, lidar cho biết bụi, mây, khói và một số khí nằm ở độ cao nào, với độ phân giải vài mét. Tên gọi viết tắt từ light detection and ranging.
Lidar khác ra-đa thời tiết thế nào?
Ra-đa dùng sóng vi ba dài vài cm, thấy rõ giọt mưa và xuyên được mây dày. Lidar dùng ánh sáng bước sóng chưa tới vài micromet, thấy được bụi mịn, sol khí và giọt mây nhỏ nhưng bị mây dày chặn. Hai thiết bị thường được dùng kết hợp.
Lidar có đo được gió không?
Có. Lidar Doppler đo độ lệch tần số của ánh sáng dội từ các hạt bụi trôi theo gió để tính tốc độ gió. Vệ tinh Aeolus của ESA (2018–2023) là lidar đo gió đầu tiên trên quỹ đạo, và ở mặt đất loại này dùng tại sân bay và trang trại điện gió.
Vệ tinh CALIPSO là gì?
CALIPSO là vệ tinh hợp tác giữa NASA và cơ quan vũ trụ Pháp CNES, mang lidar quan sát mây và sol khí từ năm 2006 đến 2023. Dữ liệu của nó cho thấy lát cắt thẳng đứng của khí quyển dọc đường bay, giúp theo dõi bụi sa mạc, khói cháy rừng và tro núi lửa trên toàn cầu.
Vì sao lidar đo được tầng trung lưu?
Ở độ cao khoảng 80–105 km có lớp nguyên tử natri và các kim loại khác do sao băng để lại. Laser bước sóng 589 nm làm natri phát sáng trở lại, đo ánh sáng này cho ra nhiệt độ và gió. Đây là vùng mà khí cầu không tới được và vệ tinh bay quá cao để đo trực tiếp.
