Ambijentalni ozon , koji se naziva O 3 i naziva se i prizemni ili troposferski ozon, utiče na sve na Zemlji bez obzira na državu, kao što je prikazano na slici desno [1] .
(Attribution: WMO GAW research on reactive gases )
Za razliku od čestica (PM 2.5 ), prizemni ozon se ne emituje direktno. Umjesto toga, proizvodi se nizom kemijskih reakcija koje se javljaju u prisustvu dušikovih oksida, hlapljivih organskih spojeva, sunčeve svjetlosti i visokih temperatura, kao što je prikazano na sljedećem vizualnom prikazu:
Kvantifikacija uticaja ovog prizemnog ozona na zdravlje vrši se putem standarda Indeksa kvaliteta vazduha koji svaka zemlja definiše. Ono što je zanimljivo je da polovina svijeta koristi standard zasnovan na mjerenju u miligramima, dok ostatak koristi mjerenje zasnovano na ppb. Ali da li je to zaista problem? To je ono što ćemo pogledati u ovom članku.
--
Američki EPA standard za ozon baziran je na ppm, dok je evropski standard zasnovan na miligramima.
Dakle, prirodno smo svoje pitanje usmerili na Environnement SA , jednog od vodećih evropskih proizvođača opreme za zaštitu životne sredine, koji razvija sopstveni O342M analizator ozona (vidi sliku desno).
O342M je oboje certificiran od strane US EPA i EU (pogledajte specifikaciju ), stoga je u mogućnosti da pruži mjerenje u ppm i miligramima. Naše pitanje za Environnement SA je bilo ' Kako vaš analizator ozona podržava i ppm i miligrame? Postoji li razlika u hardveru za mjerenje? Ako ne, postoji li neki standard za konverziju? '.
Principi mjerenja ozona
Mjerenje ozona se zasniva na univerzalno poznatom principu UV apsorpcije [2] , koji se sastoji u mjerenju UV apsorpcije molekula ozona. Koncentracija ozona se određuje razlikom između UV apsorpcije uzorka plina i uzorka bez ozona nakon filtracije izvršene katalitičkim konvertorom.
U ovom sistemu, koncentracija ozona se mjeri kao količina svjetlosne energije po zapremini zraka, od koje se oduzima koncentracija u ppbv. Donja granica koja se može detektovati za ovaj sistem je 0,4 ppb (što odgovara AQI od 0,3, na osnovu US EPA 8-satnog standarda za ozon). Ovaj sistem ne mjeri masu kao takvu, ali postoji standardni način pretvaranja iz ppmv u mg/m 3 .
Pretvaranje koncentracija atmosferskih zagađivača: iz ppmv u mg/m 3
Prvo, ppm (dijelovi na milion [3] ) i ppb (dijelovi na milijardu) su definirani kao `1 ppm = 1/10 6 = 10 -6 ` i `1 ppb = 1/10 9 = 10 -9 `. Dakle, "1 ppm = 1000 ppb or 1 ppb = 10 -3 ppm".
Faktor konverzije zavisi od temperature na kojoj želite konverziju (obično 25 stepeni Celzijusa u SAD), kao i od pritiska okoline. Pri pritisku okoline od 1 atmosfere, opšta jednačina je:
-
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]
Kao primjer, za plinoviti zagađivač O 3 (ozon), za pretvaranje 20 ppmv ozona u `mg/m3 at 25 °C` i 1 atmosphere , koristi se sljedeća formula:
48.00 = `MW(O3)` = molecular weight of Ozone O3. Evropski i američki standardi konverzije
Pretpostavka o temperaturi okoline i atmosferskom pritisku je zapravo standardizirana i sažeta u sljedećoj tabeli za SAD, Evropu ili normalne uvjete. Za naše O342M analizatore ozona , ovaj koeficijent može programirati korisnik instrumenta.
| 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 |
Napomena: Za one koji žele da znaju zašto se 20°C koristi kao standardna referentna temperatura, možete pogledati članak Teda Doirona o "20 °C—kratka istorija standardne referentne temperature za industrijska merenja dimenzija".
Veliko hvala Seržu iz Environnement SA na brzom i preciznom odgovoru o Ozone monitorima. Imajte na umu da se isti koncept primjenjuje i na druge plinove kao što je dušikov dioksid (na primjer korištenjem AS32M analizatora).
--
Da se istraga malo produži, sljedeće pitanje je kakav bi bio utjecaj na izračunati indeks kvalitete zraka ako bi se umjesto referentnih koristila stvarna temperatura i tlak?
Uticaj temperature okoline
Posljednje pitanje je pogledati utjecaj varijacije temperature na indeks kvalitete zraka.
Na primjer, pretpostavimo da instrument mjeri u prosjeku `120 mg/m3` ozona tokom 1 sata, što odgovara AQI od 50 (srednji) prema Evropskom zajedničkom indeksu kvalitete zraka ( CAQI ).
Na 20°C i 1 atm, `120 mg/m^3` se pretvara u 120/2.00, tj. 60.0 ppmv . Pretpostavimo da je ovo stvarno mjerenje sa senzora za ozon. Pitanje je onda, šta ako je temperatura okoline dostigla maksimum od 42°C, kao što se ponekad dešava tokom letnjih toplotnih talasa, koja bi onda bila ispravna masa? Formula konverzije je:
$$c = { ppmv \times 12.187 \times MW \over 273.15 + t } = 111.37 $$
Ovo rezultira razlikom od `8,6 mg/m^3` izmjerenog ozona. Kada se primjenjuje CAQI standard, odgovarajući AQI je 46.4 (umjesto 50 kada se koristi standardni uvjet od 20°C). Ovo je zapravo prihvatljiva razlika.
Generalizirana formula za podešavanje ovisno o temperaturi okoline sažeta je na grafikonu s desne strane. X-osa je temperatura okoline, a y-osa izračunati AQI je stvarna temperatura bi se koristila umjesto referentne (20°C).
Uticaj atmosferskog pritiska
Što se tiče atmosferskog pritiska, varijacija je definisana Zakonom o idealnom gasu (` PV = nRT` ).
Vrijednost 12.187 je zapravo inverzna konstanta Univerzalnog zakona o plinu R Dakle, da bismo razumjeli utjecaj atmosferskog tlaka, može se koristiti sljedeća formula:
Drugim riječima, potrebno je samo podijeliti faktor konverzije sa trenutnom atmosferom. Pod pretpostavkom da je pritisak p izražen u milibarima ( 1 atm = 1013.25 mb ), generalizovana formula pretvaranja postaje:
-
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.
Zaključci
Gornja objašnjenja potvrđuju našu početnu hipotezu da iako se očitavanja ozona mogu dostaviti s različitim jedinicama ( ppm i `mg/m^3`), to zapravo nije problem jer postoji standardni način pretvaranja očitanja iz `mg/m ^3 to ppm` i obrnuto. Štaviše, uticaj korišćenja referentne temperature i pritiska (Standard Temperature & Pressure) umesto stvarne ambijentalne temperature i pritiska je minimalan, tj. samo jedinice indeksa razlike za ozon.
Credits: Ozone visual recreated using Icon pack by Icons8 and taken from American Chemical Society.
