Trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu đang diễn ra với những tác động ngày càng rõ nét, nhu cầu quan trắc chính xác các dòng trao đổi khí nhà kính giữa lớp bề mặt Trái Đất và khí quyển trở nên hết sức quan trọng. Phương pháp Eddy Covariance (Hiệp phương sai rối) hiện được công nhận là tiêu chuẩn vàng trong việc đo lường trực tiếp dòng trao đổi khí nhà kính ở quy mô hệ sinh thái. Khác biệt căn bản so với các phương pháp gián tiếp như mô hình toán học, viễn thám hay sử dụng hệ số phát thải, phương pháp này cho phép đo lường liên tục, tự động và trực tiếp Net Ecosystem Exchange (NEE) — trao đổi ròng của khí nhà kính giữa hệ sinh thái và khí quyển — với chu kỳ lấy mẫu phổ biến là 30 phút. Nhờ vậy, phương pháp cung cấp dữ liệu chi tiết về sự hấp thụ cũng như phát thải khí nhà kính của hệ sinh thái một cách chính xác và đáng tin cậy.

Nhiều báo cáo khoa học và tổ chức quốc tế hàng đầu như IPCC, WMO đã ghi nhận Eddy Covariance là phương pháp tiên tiến, hoàn thiện và đáng tin cậy trong việc đo đạc dòng khí nhà kính giữa hệ sinh thái và khí quyển một cách liên tục và chính xác. Mạng lưới các trạm đo áp dụng phương pháp này đã mở rộng nhanh chóng trên toàn cầu. Chỉ riêng tại Mỹ, mạng AmeriFlux đã vận hành hơn 600 trạm đo flux khí nhà kính trên các hệ sinh thái đa dạng. Trên phạm vi toàn cầu, hàng trăm tháp đo thuộc các mạng lưới như FLUXNET, ICOS, AsiaFlux, OzFlux, NEON… phối hợp đồng bộ để thống nhất quy trình đo đạc và xử lý dữ liệu, cung cấp một nguồn dữ liệu quan trắc carbon chưa từng có. Những dữ liệu này không chỉ giúp nâng cao hiểu biết về trao đổi carbon trên các hệ sinh thái mà còn hỗ trợ hiệu chỉnh các mô hình khí hậu và kiểm chứng các báo cáo cân bằng carbon quốc gia.

Nguyên lý Eddy Covariance

Eddy Covariance dựa trên lý thuyết về nhiễu động không khí trong lớp biên khí quyển. Không khí ở khu vực này thường ở trạng thái chuyển động rối, tồn tại dưới dạng các dòng xoáy nhỏ (được gọi là eddy) với kích thước và vận tốc khác nhau. Mỗi dòng xoáy này mang theo một lượng không khí với các đặc tính riêng biệt như nồng độ khí nhà kính, nhiệt độ và độ ẩm, chuyển động theo phương thẳng đứng lên hoặc xuống. Ví dụ, nếu một khối không khí chứa nồng độ CO₂ cao di chuyển từ dưới lên, đồng thời một khối không khí khác có nồng độ CO₂ thấp hơn di chuyển xuống, sự chênh lệch đó biểu thị hệ sinh thái đang phát thải CO₂ vào khí quyển. Ngược lại, nếu khối không khí chứa nồng độ CO₂ cao di chuyển xuống nhiều hơn dòng CO₂ đi lên, hệ sinh thái đang hấp thụ CO₂ từ khí quyển.

Dựa trên nguyên lý đó, phương pháp Eddy Covariance sử dụng các cảm biến đo vận tốc gió ba chiều và máy phân tích khí có tần suất cao (10–20 Hz) để đo đồng thời nồng độ tức thời của khí nhà kính trong không khí. Dữ liệu thu thập được phân tích để tách giá trị trung bình và dao động, từ đó tính toán hiệp phương sai (covariance) giữa dao động vận tốc gió và dao động nồng độ khí, biểu thị dòng trao đổi khí nhà kính. Nếu trong khoảng thời gian đo, các luồng không khí hướng lên chứa nồng độ CO₂ cao hơn giá trị trung bình, hệ sinh thái phát thải CO₂ (flux dương). Ngược lại, flux âm biểu thị sự hấp thụ CO₂ của hệ sinh thái. Phương pháp cũng cho phép đo đồng thời các dòng hơi nước (H₂O), nhiệt (nhiệt tiềm ẩn và nhiệt cảm), cùng một số khí khác như CH₄, N₂O, NH₃,…

Ứng dụng của phương pháp Eddy Covariance

Phương pháp Eddy Covariance được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu khoa học môi trường, đánh giá các dự án carbon cũng như trong quan trắc phục vụ quản lý. Dưới đây là các lĩnh vực tiêu biểu có ứng dụng EC:

• Nghiên cứu hệ sinh thái tự nhiên: Eddy Covariance là công cụ nền tảng trong sinh thái học để lượng hóa dòng trao đổi khí nhà kính giữa các hệ sinh thái như rừng, đồng cỏ, đất ngập nước… Qua đó, phương pháp này giúp đánh giá được năng suất sinh học và khả năng hấp thụ carbon của các hệ sinh thái (carbon sink) theo mùa và năm, hỗ trợ quản lý rừng bền vững cũng như phân tích vai trò của rừng trong chu trình carbon toàn cầu. Tương tự, tại các đầm lầy và vùng đất ngập nước, phương pháp EC giúp đo đồng thời dòng CO₂ và CH₄, làm sáng tỏ đóng góp của các hệ sinh thái này vào ngân sách khí nhà kính.

• Nông nghiệp và quản lý nước: Trong lĩnh vực nông nghiệp, các trạm Eddy Covariance được lắp đặt trên đồng ruộng hoặc vùng trồng nông nghiệp (ví dụ cánh đồng lúa, ngô, lúa mì, cây công nghiệp) để theo dõi dòng CO₂ trao đổi giữa cây trồng và khí quyển, từ đó đánh giá năng suất và hấp thu carbon của cây trồng. Đồng thời, dòng H₂O đo được cho biết lượng evapotranspiration (lượng bốc hơi và thoát hơi nước), hỗ trợ quản lý tưới tiêu chính xác. Ưu điểm của EC trong nông nghiệp là cung cấp số liệu hiện trường ở quy mô đồng ruộng, liên tục theo giờ, giúp nông dân và nhà quản lý xác định thời điểm và lượng nước tưới tối ưu, tránh lãng phí nước. Ví dụ, dữ liệu EC về evapotranspiration (ET) được sử dụng làm cơ sở điều khiển hệ thống tưới theo nhu cầu thực tế của cây trồng thay vì dựa trên ước tính truyền thống hoặc thông qua các phương pháp gián tiếp, giúp tăng hiệu quả sử dụng nước và năng suất cây trồng. Ngoài ra, EC còn được ứng dụng để đo phát thải N₂O, NH₃ từ đất nông nghiệp sau bón phân, phục vụ nghiên cứu về hiệu suất phân bón và tác động môi trường của canh tác.

• Lâm nghiệp và quản lý tài nguyên rừng: Trong các dự án lâm nghiệp, đặc biệt là dự án trồng rừng và tái tạo rừng hướng đến tín chỉ carbon, Eddy Covariance được sử dụng để giám sát lượng carbon thực tế hấp thụ của dự án. Tháp đo lắp đặt trong rừng sẽ đo trực tiếp lượng CO₂ mà rừng hấp thụ hoặc phát thải, cung cấp bằng chứng khoa học khách quan và minh bạch cho việc lượng hóa tín chỉ carbon, đồng thời giúp kiểm chứng mô hình sinh trưởng rừng và phương pháp kiểm kê theo sinh khối. Ở cấp độ quốc gia, dữ liệu từ các trạm EC còn được sử dụng để góp phần nâng cao độ chính xác của báo cáo kiểm kê khí nhà kính trong lĩnh vực sử dụng đất và chuyển đổi mục đích sử dụng đất. Thông qua mạng lưới ICOS ở châu Âu và AmeriFlux ở Mỹ, dữ liệu flux của rừng được tổng hợp để phục vụ xây dựng chiến lược hấp thụ carbon và thích ứng với biến đổi khí hậu trong dài hạn.

• Thị trường tín chỉ carbon và dự án carbon: Ngày càng có nhiều dự án tín chỉ carbon (thuộc cơ chế tự nguyện hoặc tuân thủ) áp dụng phương pháp Eddy Covariance để đo đạc trực tiếp lượng giảm phát thải hoặc tăng hấp thụ khí nhà kính. Khác với cách tính gián tiếp qua mô hình hoặc hệ số, phương pháp này cung cấp minh chứng tại chỗ một cách khoa học và minh bạch về hiệu quả của dự án (ví dụ dự án bảo tồn rừng, phục hồi rừng ngập mặn, nông nghiệp carbon thấp,…). Các tổ chức quốc tế đã bắt đầu công nhận phương pháp đo đạc này: năm 2025, một module phương pháp đã được ban hành cho phép sử dụng Eddy Covariance để định lượng liên tục lượng CO₂ tương đương (t CO₂e) cho các dự án carbon theo khuyến nghị của UNFCCC, IPCC và WMO. Đây là bước tiến quan trọng trong giám sát và thẩm định các dự án tín chỉ carbon, đặc biệt khi cần đo lường hiệu quả giảm phát thải methane từ bãi chôn lấp rác, trang trại chăn nuôi, hoặc hiệu quả tăng hấp thụ CO₂ của các dự án trồng rừng.

• Giám sát môi trường công nghiệp và đô thị: Eddy Covariance cũng được triển khai trong các nghiên cứu và giám sát phát thải tại khu vực đô thị, công nghiệp. Các tháp EC lắp đặt trên nóc tòa nhà ở thành phố giúp đo dòng CO₂ đô thị, phản ánh mức phát thải thực tế từ giao thông, hoạt động năng lượng và sự hấp thụ CO₂ của cây xanh đô thị. Kỹ thuật này còn được dùng để giám sát phát thải khí nhà kính tại các bãi thải, mỏ dầu khí, khu công nghiệp – những nơi có nguồn phát thải phân tán khó đo bằng phương pháp khác. Ví dụ, EC có thể đo nhanh dòng CH₄ thoát ra từ các bãi chôn lấp hoặc ao chứa nước thải, giúp đánh giá hiệu quả của các biện pháp thu hồi khí. Nhờ khả năng đo trao đổi dòng khí nhà kính trực tiếp không cần lấy mẫu, Eddy Covariance ngày càng được ứng dụng trong các nghiên cứu về ô nhiễm không khí đô thị và đánh giá hiệu quả chính sách giảm phát thải khí nhà kính ở quy mô thành phố.

Ưu điểm của phương pháp Eddy Covariance

• Trực tiếp và liên tục: Cho phép đo trực tiếp dòng trao đổi thực tế của khí nhà kính và năng lượng mà không cần thông qua trung gian suy luận. Hệ thống hoạt động liên tục 24/7 với tần suất lấy mẫu cao, ghi lại đầy đủ biến động theo chu kỳ ngày/đêm và mùa vụ của hệ sinh thái. Điều này đặc biệt hữu ích để theo dõi các quá trình sinh học diễn ra nhanh (ví dụ quang hợp tức thời khi mây kéo qua, hay phát thải CO₂ sau mưa).

• Không xâm lấn: Phương pháp EC không cần buồng kín hay can thiệp trực tiếp vào hệ sinh thái khi đo, do đó không làm thay đổi môi trường hoặc cản trở quá trình sinh lý tự nhiên của hệ sinh thái. Trạm đo chỉ đơn thuần “lắng nghe” tín hiệu khí từ môi trường nên có thể vận hành lâu dài mà không gây tổn hại tới thảm thực vật hay đất đai. Đây là ưu điểm vượt trội so với phương pháp dùng buồng đo kín (có thể gây hiệu ứng nhà kính cục bộ trong buồng) hoặc phương pháp lấy mẫu thủ công gián đoạn.

• Độ chính xác cao: Với thiết bị hiện đại và quy trình chuẩn hóa, Eddy Covariance có độ chính xác cao, kết quả đo được đánh giá đáng tin cậy và có cơ sở khoa học vững chắc. Dữ liệu thu được thường trải qua các bước lọc và hiệu chỉnh chất lượng bởi cộng đồng nghiên cứu (ví dụ quy trình của FLUXNET), đảm bảo độ tin cậy trước khi sử dụng.

• Phạm vi quan trắc rộng: Một tháp EC có footprint (phạm vi đo lường) lên tới hàng chục hecta diện tích xung quanh trạm, tùy độ cao tháp và điều kiện gió. Nhờ đó, số liệu thu được mang tính đại diện cho toàn hệ sinh thái (ví dụ cả khu rừng hoặc cả cánh đồng), hơn hẳn so với phương pháp tại đo điểm. Kết quả flux từ EC là tổng hợp tích phân của cả bề mặt khu vực, rất phù hợp để so sánh với kết quả mô phỏng từ mô hình hoặc ảnh viễn thám pixel lớn. Ưu điểm này khiến EC trở thành “cầu nối” quan trọng giữa đo đạc tại hiện trường và ước tính quy mô vùng, cho phép đối chiếu và hiệu chỉnh mô hình cũng như sản phẩm viễn thám một cách hiệu quả.

Ngoài các ưu điểm chính trên, phương pháp Eddy Covariance còn có lợi thế là đo đồng thời nhiều yếu tố (CO₂, H₂O, CH₄, N₂O, năng lượng…) với cùng một hệ thống, giúp hiểu sâu sắc mối quan hệ giữa chu trình carbon và nước, năng lượng trong hệ sinh thái. Dữ liệu EC cũng cung cấp thông tin đầy đủ về đặc tính nhiễu động của tầng không khí lớp bề mặt, hỗ trợ các nghiên cứu vi khí tượng nâng cao.

Kết luận

Eddy Covariance đã và đang khẳng định vai trò then chốt trong nghiên cứu khí nhà kính và quản lý carbon toàn cầu. Phương pháp này cung cấp minh chứng tại chỗ, độ tin cậy cao và tính minh bạch về trao đổi khí nhà kính, H₂O, năng lượng của các hệ sinh thái, giúp lấp đầy khoảng trống giữa mô hình dự báo và thực tiễn đo đạc. Trong bối cảnh thế giới hướng đến các mục tiêu giảm phát thải và trung hòa carbon, dữ liệu từ mạng lưới Eddy Covariance được kỳ vọng sẽ ngày càng có giá trị. Các mô hình khí hậu và hệ thống dự báo carbon tương lai sẽ tiếp tục được hiệu chỉnh nhờ dữ liệu EC, cho phép dự báo chính xác hơn nồng độ khí nhà kính trong khí quyển cũng như đánh giá hiệu quả các biện pháp giảm nhẹ.

Triển vọng phát triển của Eddy Covariance gắn liền với sự tiến bộ của công nghệ cảm biến và dữ liệu. Trong tương lai gần, việc kết hợp dữ liệu EC với viễn thám sẽ trở nên chặt chẽ hơn – ví dụ sử dụng số liệu từ các tháp EC để hiệu chỉnh thuật toán trên vệ tinh quan trắc CO₂, hoặc ngược lại dùng ảnh viễn thám để mở rộng không gian áp dụng của dữ liệu EC. Thực tế, kỹ thuật này đã được dùng để đối chứng cho ước tính từ vệ tinh trong nhiều nghiên cứu, và xu hướng đó sẽ càng mạnh mẽ trong tương lai gần.

Trong dài hạn, phương pháp Eddy Covariance sẽ tiếp tục là trụ cột của khoa học khí hậu và sinh thái, đồng thời mở rộng sang các ứng dụng thương mại và quản lý. Việc chuẩn hóa dữ liệu và chia sẻ qua các mạng lưới quốc tế như FLUXNET, ICOS sẽ giúp cộng đồng có được nguồn dữ liệu phong phú để phân tích xu thế carbon toàn cầu. Tóm lại, Eddy Covariance là công cụ quan trắc vô cùng quý giá hiện tại và tương lai, giúp chúng ta đưa ra các quyết sách khoa học nhằm ứng phó hiệu quả với biến đổi khí hậu.

CÔNG TY CỔ PHẦN VẬT TƯ KHOA HỌC KỸ THUẬT LASI 

• Trụ sở: LASI Building, 345 Kim Mã, Ngọc Khánh, Ba Đình, Hà Nội
• Văn phòng: 62 Nguyễn Khang, Yên Hòa, Cầu Giấy, Hà Nội
• Hotline: 0979 195 515 – 024 3771 2880
• Email: lasi@lasi.com.vn