Mô phỏng hệ thống cảm biến kỹ thuật nâng cao khả năng dự báo ô nhiễm toàn cầu

Hiểu được cơ chế hình thành tầng bình lưu hay tầng ôzôn gần mặt đất, phân bố và di chuyển từ thành phố này sang thành phố khác, từ vùng này sang vùng khác và từ đại dương này sang đại dương khác là bước quan trọng để cải tiến các mô hình tính toán phức tạp bằng máy tính được sử dụng để dự báo ô nhiễm không khí giống như chúng ta dự báo thời tiết. Có thể dùng các mô hình này để báo trước cho những người nhạy cảm với các chất ô nhiễm để họ có thể thay đổi kế hoạch cho các hoạt động ngoài trời nhằm giảm tối thiểu việc tiếp xúc của họ.

Tầng bình lưu là nơi chúng ta sống, làm việc, vui chơi và hít thở! Đó cũng là vùng khí quyển có diễn biến thời tiết và trải dài từ bề mặt Trái đất cho tới độ cao mà máy bay chở khách được phép bay, khoảng 40000 fít (1fít = 0,3048 m). Trong một số trường hợp, các chất gây ô nhiễm không khí có nguồn gốc tự nhiên như những đám cháy tự nhiên do chớp gây ra có thể phát thải vào tầng bình lưu khối lượng lớn các hạt. Ngoài ra, đốt nhiên liệu hoá thạch ở các khu công nghiệp và xe cộ đi lại trong các khu đô thị cũng là những nguồn gây ô nhiễm chủ yếu. Các tương tác hoá học phức tạp và các quá trình trong khí quyển có thể vận chuyển những chất ô nhiễm đi xa hàng nghìn dặm.  

Để nâng cao khả năng theo dõi sự di chuyển của các chất ô nhiễm từ nhiều nguồn khác nhau tới những thành phố, thị trấn trên toàn cầu, các kỹ sư công nghệ của NASA đang khám phá ra công nghệ mới còn gọi là “Hệ thống cảm biến”. Hệ thống cảm biến liên kết cảm biến này kết hợp các quan sát từ tàu vũ trụ, thiết bị trên không và các trạm thu thập dữ liệu trên mặt đất. Thay vì hoạt động độc lập, các hệ thống cảm biến thu thập dữ liệu để tạo thành nhóm dữ liệu chung, chia sẻ thông tin về một sự kiện sẽ được hệ thống cảm biến mở ra theo thời gian.  

Hệ thống cảm biến có thể phản ứng bằng cách đưa ra các số liệu đo đạc mới, theo mục tiêu đặt ra như sự di chuyển của luồng tro núi lửa trong không khí hoặc thời điểm mà khói của những đám cháy tự nhiên bay lên cao, rồi sau đó lan toả trên các khu đô thị rộng lớn. Hệ thống cảm biến có khả năng giảm thời gian cung cấp thông tin của các hệ thống quan trắc bằng cách định hình lại các cảm biến của nó để phản ứng với các sự kiện hay thay đổi hoặc diễn ra trong khoảng thời gian ngắn rồi sau đó truyền thông tin đó tới các nhà hoạch định chính sách. Như vậy, sẽ đưa ra các dự báo chính xác ở các khu vực bị ảnh hưởng. Để kiểm tra giá trị và lợi ích của việc sử dụng các kỹ thuật đo đạc bằng Hệ thống cảm biến động và các chiến lược quan trắc thích hợp, các kỹ sư công nghệ của NASA đã tiến hành các thử nghiệm với 2 vệ tinh quan sát Trái đất của. Đó là vệ tinh Aqua và mới đây là Aura, cùng với các mô hình hoá học khí quyển tinh vi có thể dự báo sự phân bổ nồng độ của chất gây ô nhiễm trên toàn cầu và đặc biệt là cacbon monoxit (CO).     

Stephen Talabac, kỹ sư công nghệ thuộc Bộ phận hệ thống dữ liệu khoa học thuộc Trung tâm vũ trụ Goddard của NASA ở Greenbelt, Mdcho biết “Hệ thống cảm biến ‘ứng xử’ như một đội tìm kiếm và cứu hộ. Mỗi một cảm biến thu thập dữ liệu như một bộ phận của nhóm cảm biến kết hợp, có thể đáp ứng các yêu cầu của các cảm biến trong nhóm. Các cảm biến trên một vệ tinh tác động với các dữ liệu và thông tin gửi tới từ các cảm biến đặt trên các vệ tinh khác có sự khác biệt, nhưng đây là những  dữ liệu bổ sung. Sau đó, các cảm biến thay đổi các “chiến lược” quan trắc cho phù hợp với mục tiêu và thu thập dữ liệu về sự kiện cụ thể”. Talabac đã chỉ ra điểm giống nhau so với đội tìm kiếm và cứu hộ, bởi chúng đều hội tụ các kỹ năng đặc thù của người lính cứu hoả, cảnh sát và người trợ giúp công việc y tế cùng nhau xây dựng và thực hiện kế hoạch tìm kiếm và cứu hộ người cần được giúp đỡ.

Ngoài ra, các mô hình dự báo bằng máy tính có thể xác định vị trí đặt các cảm biến quan trắc. Nếu có một mô hình dự báo nồng độ CO cao, thì các công cụ của hệ thống cảm biến sẽ được bố trí quan trắc tập trung tại các vị trí đó. Sau đó, các số liệu đo đạc thực tế của hệ thống cảm biến được chuyển vào mô hình máy tính để nâng cao độ chính xác của dự báo. Nhóm của Talabac hy vọng sẽ chứng minh phương pháp hệ thống cảm biến bằng mô hình điều khiển được sử dụng để nâng cao các kỹ thuật đo đạc hiện nay và cho ra đời nhiều thiết bị bổ sung để ứng phó với các điều kiện môi trường đang biến đổi nhanh chóng. 

Các mô hình này sử dụng để đánh giá tính khả thi của kế hoạch đối với các hệ thống quan trắc thế hệ mới, cho phép tiến hành các phép đo thật sự đầy đủ bằng hệ thống cảm biến. Phương pháp nghiên cứu này còn được gọi là “kỹ thuật thu thập dữ liệu thông minh có mục tiêu” sẽ làm cho việc sử dụng các vệ tinh quan trắc Trái đất và các cảm biến hiệu quả hơn.

Tháng 9/2005, nhóm nghiên cứu của Talabac sẽ sử dụng mô hình máy tính hoá học khí quyển để dự báo sự phân bố của CO trên toàn cầu. Ngoài ra, nhóm cũng sẽ tiến hành đo đạc bằng quang phổ kế phát tán ở tầng bình lưu (TES) của vệ tinh Aura tại những địa điểm quan trọng nhằm nâng cao khả năng dự báo của mô hình. Trong tương lai, nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ có thể sử dụng phần mềm đầu tiên để yêu cầu công cụ TES quan trắc và đưa ra các số liệu đo đạc thực tế tại những điểm dự báo.

Talabac cho biết: “Mục tiêu của chúng tôi là nâng cao khả năng quan trắc và đánh giá môi trường Trái đất. Nhờ có hệ thống cảm biến, các nhà hoạch định chính sách và nhà ra quyết định sẽ tiếp cận được thông tin hữu ích và kịp thời nhất để duy trí chất lượng cuộc sống ở mức cao và có khả năng cứu sống con người”.

Nguồn: Sciencedaily, 2005