El Ozono ambiental, denominado O 3 y también llamado Ozono troposférico o a nivel del suelo, impacta a todos los habitantes de la Tierra independientemente del país, como se muestra en la imagen de la derecha [1] .
(Attribution: WMO GAW research on reactive gases )
A diferencia de las partículas (PM 2,5 ), el ozono troposférico no se emite directamente. En cambio, se produce a través de una serie de reacciones químicas que ocurren en presencia de óxidos de nitrógeno, compuestos orgánicos volátiles, luz solar y altas temperaturas, como se muestra en la siguiente imagen:
La cuantificación del impacto de este Ozono troposférico en la Salud se realiza a través del estándar del Índice de Calidad del Aire que define cada país. Lo interesante es que la mitad del mundo utiliza un estándar basado en la medición de miligramos, mientras que el resto utiliza una medición basada en ppb. ¿Pero es esto realmente un problema? Esto es lo que veremos en este artículo.
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El estándar de ozono de la EPA de EE. UU. se basa en ppm, mientras que el europeo se basa en miligramos.
Así que, naturalmente, dirigimos nuestra pregunta a Environnement SA , uno de los principales fabricantes europeos de equipos medioambientales, que desarrolla su propio analizador de ozono O342M (ver imagen a la derecha).
El O342M está certificado tanto por la EPA de EE. UU. como por la UE (consulte la hoja de especificaciones ), por lo que puede proporcionar mediciones tanto en ppm como en miligramos. Nuestra pregunta a Environnement SA fue: " ¿Cómo soporta su analizador de ozono la producción de ppm y miligramos?" ¿Hay alguna diferencia de hardware para la medición? Si no, ¿existe algún estándar para la conversión? '.
Principios de medición del ozono
La medición del ozono se basa en el principio universalmente conocido de absorción UV [2] , que consiste en medir la absorción UV de las moléculas de ozono. La concentración de ozono se determina por la diferencia entre la absorción de rayos UV de la muestra de gas y la muestra sin ozono después de la filtración realizada por un convertidor catalítico.
En este sistema, la concentración de Ozono se mide como una cantidad de energía luminosa por volumen de aire, de la que se deduce la concentración en ppbv. El límite detectable inferior para este sistema es 0,4 ppb (correspondiente a un AQI de 0,3, según el estándar de ozono de 8 horas de la EPA de EE. UU.). Este sistema no mide la masa como tal, pero existe una forma estándar de hacer la conversión de ppmv a mg/m 3 .
Conversión de concentraciones de contaminantes atmosféricos: de ppmv a mg/m 3
Primero, ppm (partes por millón [3] ) y ppb (partes por mil millones) se definen como `1 ppm = 1/10 6 = 10 -6 ` y `1 ppb = 1/10 9 = 10 -9 `. Entonces "1 ppm = 1000 ppb or 1 ppb = 10 -3 ppm".
El factor de conversión depende de la temperatura a la que desea realizar la conversión (generalmente 25 grados centígrados en los EE. UU.), así como de la presión ambiental. A una presión ambiente de 1 atmósfera, la ecuación general es:
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c= concentration in mg/m3(i.e., milligrams of gaseous pollutant per cubic meter of ambient air) -
MW= molecular weight of the gaseous pollutant -
ppmv= parts per million by volume (i.e., volume of gaseous pollutant per million volumes of ambient air) -
t= ambient temperature in degrees centigrade. -
12.187= inverse of the Universal Gas Law constant[4]
A modo de ejemplo, para el contaminante gaseoso O 3 (ozono), para convertir 20 ppmv de Ozono a `mg/m3 at 25 °C` y 1 atmosphere , se utiliza la siguiente fórmula:
48.00 = `MW(O3)` = molecular weight of Ozone O3. Estándares de conversión europeos y estadounidenses
La suposición sobre la temperatura ambiente y la presión atmosférica en realidad está estandarizada y resumida en la siguiente tabla para EE. UU., Europa o condiciones normales. Para nuestros analizadores de ozono O342M , este coeficiente es programable por el operador del instrumento.
| Gas | Standard Conditions for Temperature and Pressure ( STP) | ||
| "STP US" Conditions at 25°C (US EPA standard) [5] 1013 mbar and 298K | "STP European Union" Conditions at 20°C (EU standard) [6] 1013 mbar and 293K | "Normal" Conditions at 0°C 1013 mbar and 273K | |
| O3 - Ozone | 1 ppb = `1,97` µg/m3 | 1 ppb = `2,00` µg/m3 | 1 ppb = `2,15` µg/m3 |
| NO2 - Nitrogen Dioxyde | 1 ppb = `1,88` µg/m3 | 1 ppb = `1,91` µg/m3 | 1 ppb = `2,05` µg/m3 |
Nota: Para aquellos interesados en saber por qué se utiliza 20 °C como temperatura de referencia estándar, pueden consultar el artículo de Ted Doiron sobre "20 °C: breve historia de la temperatura de referencia estándar para mediciones dimensionales industriales".
Muchas gracias a Serge de Environnement SA por la respuesta rápida y precisa sobre los monitores de ozono. Tenga en cuenta que el mismo concepto también se aplica a otros gases como el dióxido de nitrógeno (por ejemplo, utilizando el analizador AS32M ).
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Para llevar la investigación un poco más allá, la siguiente pregunta es ¿cuál sería el impacto en el índice de calidad del aire calculado si se utilizaran la temperatura y presión reales en lugar de las de referencia?
Impacto de la temperatura ambiente.
La última pregunta es observar el impacto de una variación de temperatura en el índice de calidad del aire.
Por ejemplo, supongamos que un instrumento mide un promedio de "120 mg/m3" de ozono durante 1 hora, lo que corresponde a un AQI de 50 (Medio) según el Índice Común Europeo de Calidad del Aire ( CAQI ).
A 20°C y 1 atm, "120 mg/m^3" se convierte en 120/2,00, es decir, 60.0 ppmv . Entonces supongamos que esta es la medición real del sensor de ozono. La pregunta entonces es: ¿qué pasaría si la temperatura ambiente alcanzara un máximo de 42 °C, como ocurre a veces durante las olas de calor del verano, entonces cuál sería la masa correcta? La fórmula de conversión es:
$$c = { ppmv \times 12.187 \times MW \over 273.15 + t } = 111.37 $$
Esto da como resultado una diferencia de "8,6 mg/m^3" de ozono medido. Al aplicar el estándar CAQI, el AQI correspondiente es 46.4 (en lugar de 50 usando la condición estándar de 20°C). En realidad, esta es una diferencia aceptable.
La fórmula de ajuste generalizada en función de la temperatura ambiente se resume en el gráfico de la derecha. El eje x es la temperatura ambiente y en el eje y se usaría el AQI calculado que es la temperatura real en lugar de la de referencia (20 °C).
Impacto de la presión atmosférica.
En cuanto a la presión atmosférica, la variación está definida por la Ley de los gases ideales (` PV = nRT` ).
El valor 12.187 es en realidad la inversa de la constante R de la Ley Universal de los Gases. Entonces, para comprender el impacto de la presión atmosférica, se puede utilizar la siguiente fórmula:
En otras palabras, basta con dividir el factor de conversión por la atmósfera actual. Suponiendo que la presión p se expresa en milibares ( 1 atm = 1013.25 mb ), la fórmula de conversión generalizada queda:
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c= concentration in mg/m3(i.e., milligrams of gaseous pollutant per cubic meter of ambient air) -
MW= molecular weight of the gaseous pollutant -
ppmv= parts per million by volume (i.e., volume of gaseous pollutant per million volumes of ambient air) -
t= ambient temperature in degrees centigrade. -
p= ambient atmospheric pressure in millibars.
Conclusiones
Las explicaciones anteriores confirman nuestra hipótesis inicial de que, aunque las lecturas de ozono se pueden proporcionar en diferentes unidades ( ppm y `mg/m^3`), esto en realidad no es un problema ya que existe una forma estándar de convertir las lecturas de `mg/m^3`. ^3 to ppm` y viceversa. Además, el impacto de utilizar la STP (temperatura y presión estándar) de referencia en lugar de la temperatura y presión ambiente reales es mínimo, es decir, solo unidades de índice de diferencia para el ozono.
Credits: Ozone visual recreated using Icon pack by Icons8 and taken from American Chemical Society.
