Озонът в околната среда, наричан O 3 и наричан още приземен или тропосферен озон, въздейства върху всеки на земята, независимо от страната, както е показано на изображението вдясно [1] .
(Attribution: WMO GAW research on reactive gases )
За разлика от праховите частици (PM 2,5 ), приземният озон не се излъчва директно. Вместо това се произвежда чрез поредица от химични реакции, които протичат в присъствието на азотни оксиди, летливи органични съединения, слънчева светлина и високи температури, както е показано на следното изображение:
Количественото определяне на въздействието на този приземен озон върху здравето се извършва чрез стандарта за индекс на качеството на въздуха, който всяка държава определя. Интересното е, че половината свят използва стандарт, базиран на измерване в милиграми, докато останалата част използва измерване, базирано на ppb. Но това наистина ли е проблем? Това е, което ще разгледаме в тази статия.
--
Стандартът на EPA на САЩ за озон се основава на ppm, докато европейският се базира на милиграми.
И така, ние естествено насочихме въпроса си към Environnement SA , един от водещите европейски производители на екологично оборудване, който разработва свой собствен анализатор за озон O342M (вижте снимката вдясно).
O342M е сертифициран както от EPA на САЩ, така и от ЕС (вижте спецификациите ), следователно може да осигури измерване както в ppm, така и в милиграми. Нашият въпрос към Environnement SA беше „ Как вашият озонов анализатор поддържа както ppm, така и милиграми? Има ли разлика в хардуера за измерване? Ако не, има ли стандарт за преобразуването? '.
Принципи за измерване на озон
Измерването на озона се основава на универсално известния принцип на UV абсорбция [2] , който се състои в измерване на UV абсорбцията на озонови молекули. Концентрацията на озон се определя от разликата между UV абсорбцията на газовата проба и пробата без озон след филтриране, извършено от каталитичен конвертор.
В тази система концентрацията на озон се измерва като количество светлинна енергия за обем въздух, от което се изважда концентрацията в ppbv. Долната откриваема граница за тази система е 0,4 ppb (съответстващо на AQI от 0,3, въз основа на стандарта за 8-часов озон на EPA на САЩ). Тази система не измерва масата като такава, но има стандартен начин за извършване на преобразуването от ppmv в mg/m 3 .
Преобразуване на концентрациите на атмосферни замърсители: от ppmv в mg/m 3
Първо, ppm (части на милион [3] ) и ppb (части на милиард) се определят като `1 ppm = 1/10 6 = 10 -6 ` и `1 ppb = 1/10 9 = 10 -9 `. Така че „1 ppm = 1000 ppb or 1 ppb = 10 -3 ppm“.
Коефициентът на преобразуване зависи от температурата, при която искате преобразуването (обикновено 25 градуса по Целзий в САЩ), както и от налягането на околната среда. При околно налягане от 1 атмосфера, общото уравнение е:
-
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]
Като пример, за газообразен замърсител O 3 (озон), за преобразуване на 20 ppmv озон в „mg/m3 at 25 °C“ и 1 atmosphere , се използва следната формула:
48.00 = `MW(O3)` = molecular weight of Ozone O3. Европейски и американски стандарти за преобразуване
Предположението за температурата на околната среда и атмосферното налягане всъщност е стандартизирано и обобщено в следващата таблица за САЩ, Европа или нормални условия. За нашите анализатори на озон O342M този коефициент се програмира от потребителя от оператора на инструмента.
| 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 |
Забележка: За тези, които се интересуват да разберат защо 20°C се използва като стандартна референтна температура, можете да проверите статията на Тед Дойрон за „20°C—Кратка история на стандартната референтна температура за промишлени измервания на размерите“.
Много благодаря на Serge от Environnement SA за бързия и точен отговор относно мониторите Ozone. Обърнете внимание, че същата концепция се прилага и за други газове като азотен диоксид (например при използване на анализатор AS32M ).
--
За да продължим разследването, следващият въпрос е какво би било въздействието върху изчисления индекс на качеството на въздуха, ако действителната температура и налягане се използват вместо референтните?
Въздействие от температурата на околната среда
Последният въпрос е да разгледаме влиянието на температурните промени върху индекса за качество на въздуха.
Например, нека приемем, че инструментът измерва средно „120 mg/m3“ озон за 1 час, което съответства на AQI от 50 (среден) според Общия европейски индекс за качество на въздуха ( CAQI ).
При 20°C и 1 atm, „120 mg/m^3“ се превръща в 120/2,00, т.е. 60.0 ppmv . Така че нека приемем, че това е действителното измерване от сензора за озон. Тогава въпросът е, какво ще стане, ако температурата на околната среда достигне 42°C, както понякога се случва по време на летни горещи вълни, тогава каква би била правилната маса? Формулата за преобразуване е:
$$c = { ppmv \times 12.187 \times MW \over 273.15 + t } = 111.37 $$
Това води до разлика от „8,6 mg/m^3“ измерен озон. Когато се прилага стандартът CAQI, съответният AQI е 46.4 (вместо 50 при стандартно условие от 20°C). Това всъщност е приемлива разлика.
Обобщената формула за настройка в зависимост от температурата на околната среда е обобщена с графиката вдясно. По оста x е температурата на околната среда, а по оста y изчисленият AQI е действителната температура, която ще се използва вместо референтната (20°C).
Въздействие от атмосферното налягане
Що се отнася до атмосферното налягане, промяната се определя от закона за идеалния газ („ PV = nRT “).
Стойността 12.187 всъщност е обратната на константата R на Закона за универсалния газ. Така че, за да се разбере влиянието на атмосферното налягане, може да се използва следната формула:
С други думи, просто трябва да разделите коефициента на преобразуване на текущата атмосфера. Ако приемем, че налягането p е изразено в милибари ( 1 atm = 1013.25 mb ), обобщената формула за преобразуване става:
-
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.
Изводи
Горните обяснения потвърждават първоначалната ни хипотеза, че въпреки че показанията за озон могат да бъдат предоставени с различни единици ( ppm и „mg/m^3“), това всъщност не е проблем, тъй като има стандартен начин за преобразуване на показанията от „mg/m ^3 to ppm` и обратно. Освен това въздействието от използването на референтната STP (стандартна температура и налягане) вместо действителната околна температура и налягане е минимално, т.е. само единици индекс в разликата за озона.
Credits: Ozone visual recreated using Icon pack by Icons8 and taken from American Chemical Society.
