Vệ tinh đo thành phần khí quyển bằng cách phân tích ánh sáng: mỗi loại khí như ozone, NO₂, CO₂, mê-tan hấp thụ những bước sóng riêng, để lại "vân tay" trong ánh nắng phản xạ từ Trái Đất hoặc trong bức xạ hồng ngoại mà khí quyển phát ra. Máy quang phổ trên vệ tinh đo độ sâu của các vân tay đó rồi tính ngược ra lượng khí. Từ máy TOMS trên vệ tinh Nimbus-7 (1978) tới TROPOMI trên Sentinel-5P (2017), cách đo này đã cho ta bản đồ toàn cầu của lỗ thủng ozone, khói ô nhiễm và khí nhà kính, cập nhật hằng ngày.
Nguyên lý: đọc vân tay của khí trong ánh sáng
Ánh sáng Mặt Trời gồm nhiều bước sóng. Khi đi qua khí quyển, phân tử khí hấp thụ ánh sáng ở những bước sóng nhất định tùy cấu trúc của chúng: ozone hấp thụ mạnh tia cực tím, NO₂ có các vạch trong vùng ánh sáng xanh tím, CO₂ và mê-tan có dải hấp thụ ở vùng hồng ngoại gần và hồng ngoại sóng ngắn. Càng nhiều khí trên đường đi, vạch hấp thụ càng sâu.
Máy quang phổ trên vệ tinh tách ánh sáng nhận được thành hàng trăm tới hàng nghìn kênh bước sóng hẹp. Bằng cách so độ sáng ở bên trong và bên ngoài vạch hấp thụ, rồi dùng mô hình truyền bức xạ tính tới mây, bụi, độ phản xạ mặt đất, các nhà khoa học suy ra tổng lượng khí trong cột khí phía dưới vệ tinh.
Ba kiểu nhìn
- Nhìn thẳng xuống (nadir): đo ánh nắng phản xạ hoặc hồng ngoại phát ra từ ngay bên dưới. Cho bản đồ phủ rộng, độ phân giải ngang tốt, nhưng khó tách theo độ cao.
- Nhìn nghiêng qua viền khí quyển (limb): vệ tinh nhìn tiếp tuyến qua mép Trái Đất, ánh sáng đi qua một quãng khí dài ở đúng một độ cao. Cho phân bố theo chiều đứng rất tốt ở tầng bình lưu và trên cao.
- Nhìn Mặt Trời hoặc ngôi sao lặn mọc (occultation): đo ánh sáng xuyên qua khí quyển lúc nguồn sáng đang lặn sau đường chân trời. Chính xác, ít phụ thuộc mô hình, nhưng mỗi quỹ đạo chỉ có vài lần đo.
TOMS và câu chuyện lỗ thủng ozone
Máy đo tổng lượng ozone TOMS bay trên vệ tinh Nimbus-7 của NASA từ tháng 10/1978. Nó đo tia cực tím phản xạ ở vài bước sóng để tính tổng lượng ozone trong cột khí, đơn vị Dobson (DU).
Năm 1985, Joseph Farman, Brian Gardiner và Jonathan Shanklin thuộc Cơ quan Khảo sát Nam Cực của Anh công bố trên tạp chí Nature rằng ozone mùa xuân trên trạm Halley giảm mạnh, dựa trên máy đo đặt ở mặt đất. Ngay sau đó, các nhà khoa học NASA xem lại dữ liệu TOMS và vẽ được toàn cảnh: vùng ozone thấp phủ gần cả lục địa Nam Cực, lặp lại mỗi mùa xuân phương nam. Những bản đồ màu ấy đã giúp thế giới nhìn thấy vấn đề, góp phần vào việc ký Nghị định thư Montreal năm 1987.
Một bài học về đo đạc rút ra từ đây: số đo mặt đất ở một điểm và số đo vệ tinh toàn cầu bổ sung cho nhau. Máy mặt đất cho độ chính xác và chuỗi dài; vệ tinh cho bức tranh toàn cầu. "Lỗ thủng" thực ra là vùng có tổng ozone dưới 220 DU, không phải một lỗ trống thật.
Các vệ tinh đo khí quyển đáng nhớ
| Vệ tinh / thiết bị | Phóng | Cơ quan | Đo gì |
|---|---|---|---|
| Nimbus-7 / TOMS | 1978 | NASA | Tổng lượng ozone toàn cầu |
| UARS | 1991 | NASA | Hoá học tầng bình lưu, xác nhận vai trò của clo từ CFC |
| Terra / MOPITT | 1999 | NASA, Canada | Carbon monoxide (CO) từ cháy rừng và đốt nhiên liệu |
| Envisat / SCIAMACHY | 2002 | ESA | Nhiều khí vết, gồm mê-tan và NO₂ |
| Aura / OMI, MLS | 2004 | NASA, Hà Lan, Phần Lan | Ozone, NO₂, SO₂, hoá học tầng bình lưu |
| GOSAT ("Ibuki") | 2009 | Nhật Bản | Vệ tinh đầu tiên chuyên đo CO₂ và mê-tan |
| OCO-2 | 2014 | NASA | CO₂ với độ chính xác cao |
| Sentinel-5P / TROPOMI | 10/2017 | ESA, Hà Lan | NO₂, ozone, SO₂, CO, mê-tan, formaldehyde, sol khí |
Vệ tinh OCO đầu tiên của NASA mất ngay khi phóng năm 2009 do tên lửa trục trặc; OCO-2 là bản làm lại. Riêng việc đo CO₂ từ vũ trụ rất khó: nồng độ nền khoảng 420 ppm, còn chênh lệch giữa nguồn thải và vùng xung quanh chỉ vài ppm, nên máy phải đo chính xác tới khoảng một phần nghìn.
TROPOMI: thấy khói từng thành phố
TROPOMI trên vệ tinh Sentinel-5P của chương trình Copernicus (Liên minh châu Âu) là máy quang phổ có độ phân giải cao nhất trong loại của nó khi phóng, với ô đo cỡ vài km. Nó chụp toàn bộ Trái Đất mỗi ngày. Với độ chi tiết đó, các nhà khoa học thấy rõ:
- Vệt NO₂ trên các đô thị lớn, nhà máy nhiệt điện, tuyến đường biển đông tàu. NO₂ sống ngắn nên bản đồ NO₂ gần như là bản đồ nơi đốt nhiên liệu.
- Đám mê-tan lớn rò rỉ từ mỏ dầu khí, bãi rác, mỏ than — một số được phát hiện lần đầu nhờ vệ tinh.
- SO₂ từ núi lửa, giúp cảnh báo hàng không về tro bụi.
- CO từ cháy rừng lan qua nhiều quốc gia.
Đầu năm 2020, khi nhiều nước hạn chế đi lại vì đại dịch, bản đồ TROPOMI cho thấy NO₂ trên nhiều thành phố lớn giảm rõ so với cùng kỳ — một thí nghiệm ngoài ý muốn về việc con người ảnh hưởng tới không khí nhanh đến mức nào. Cần lưu ý thời tiết cũng làm NO₂ thay đổi, nên các nghiên cứu nghiêm túc phải tách hai ảnh hưởng này.
Đo từ vũ trụ có gì khó
Vệ tinh không phải chiếc máy ảnh chụp thẳng ra con số. Mỗi giá trị trên bản đồ là kết quả của một chuỗi giả định:
- Mây che phần khí bên dưới. Các sản phẩm dữ liệu thường loại bỏ điểm có nhiều mây, nên vùng nhiệt đới mùa mưa có ít số liệu hơn.
- Cột khí, không phải mặt đất: vệ tinh đo tổng lượng khí trong cả cột, không phải nồng độ ở độ cao mũi ta. Muốn biết không khí ta thở cần kết hợp với trạm mặt đất và mô hình.
- Đường bay cố định: phần lớn vệ tinh loại này bay quỹ đạo đồng bộ Mặt Trời, đi qua mỗi nơi vào cùng một giờ địa phương (TROPOMI khoảng 13 giờ 30), nên không thấy biến đổi trong ngày.
- Hiệu chỉnh: máy đo trôi dần theo năm tháng, phải so liên tục với mạng lưới đo mặt đất như mạng Pandora hay các trạm của NOAA.
Để thấy biến đổi theo giờ, các vệ tinh địa tĩnh chuyên đo khí quyển đã ra đời: GEMS của Hàn Quốc (2020) nhìn khu vực châu Á, TEMPO của NASA (2023) nhìn Bắc Mỹ, Sentinel-4 của châu Âu. Ba thiết bị này tạo thành một chòm theo dõi ô nhiễm theo giờ cho Bắc bán cầu. GEMS phủ cả Đông Nam Á, gồm Việt Nam.
Góc nhìn hôm nay: dữ liệu mở cho mọi người
Phần lớn dữ liệu vệ tinh khí quyển của NASA và chương trình Copernicus được công bố miễn phí. Ai cũng có thể xem bản đồ NO₂, CO, sol khí hằng ngày trên các công cụ như NASA Worldview hay Copernicus Browser, hoặc dữ liệu tổng hợp của Dịch vụ Giám sát Khí quyển Copernicus (CAMS). Sinh viên có thể tải dữ liệu để làm đề tài về ô nhiễm ở chính thành phố mình.
Khi đọc những bản đồ này, nên nhớ ba điều: đơn vị thường là lượng khí trong cả cột chứ không phải nồng độ nơi ta đứng; ô trống có thể là do mây chứ không phải do sạch; và một ngày riêng lẻ ít nói lên điều gì, trung bình nhiều ngày mới đáng tin. Câu hỏi về sức khoẻ khi ô nhiễm cao thì nên theo khuyến cáo của cơ quan môi trường và Bộ Y tế, không nên tự suy từ bản đồ vệ tinh.
Câu hỏi thường gặp
Vệ tinh đo khí trong khí quyển bằng cách nào?
Vệ tinh dùng máy quang phổ đo ánh sáng phản xạ hoặc bức xạ hồng ngoại từ Trái Đất. Mỗi loại khí hấp thụ những bước sóng riêng, nên độ sâu của các vạch hấp thụ cho biết lượng khí đó trong cột khí bên dưới. Kết quả được tính bằng mô hình có tính tới mây, bụi và bề mặt.
Sentinel-5P là gì?
Sentinel-5P là vệ tinh của chương trình Copernicus (châu Âu), phóng tháng 10/2017, mang máy quang phổ TROPOMI. Nó đo NO₂, ozone, SO₂, CO, mê-tan và sol khí trên toàn cầu mỗi ngày với ô đo cỡ vài km. Dữ liệu được công bố miễn phí.
Vệ tinh nào phát hiện lỗ thủng tầng ozone?
Lỗ thủng ozone được công bố đầu tiên năm 1985 dựa trên máy đo mặt đất ở trạm Halley (Nam Cực) của Farman, Gardiner và Shanklin. Dữ liệu của máy TOMS trên vệ tinh Nimbus-7 sau đó cho thấy toàn cảnh vùng ozone thấp phủ cả lục địa Nam Cực. Hai nguồn bổ sung cho nhau.
Vệ tinh có đo được bụi mịn PM2.5 không?
Vệ tinh không đo trực tiếp PM2.5 ở mặt đất mà đo độ dày quang học của sol khí trong cả cột khí. Các nhà khoa học kết hợp số đo này với trạm mặt đất và mô hình để ước tính PM2.5. Vì vậy số ước tính từ vệ tinh kém chính xác hơn trạm quan trắc tại chỗ.
Vệ tinh đo CO₂ đầu tiên là gì?
GOSAT của Nhật Bản, phóng năm 2009, là vệ tinh đầu tiên chuyên đo CO₂ và mê-tan. NASA phóng OCO cùng năm nhưng thất bại do tên lửa, rồi phóng OCO-2 năm 2014.
