Το ατμοσφαιρικό όζον , που αναφέρεται ως O 3 και ονομάζεται επίσης όζον σε επίπεδο εδάφους ή τροποσφαιρικό όζον επηρεάζει όλους στη γη ανεξάρτητα από τη χώρα, όπως φαίνεται στην εικόνα στα δεξιά [1] .
(Attribution: WMO GAW research on reactive gases )
Σε αντίθεση με τα σωματίδια (PM 2,5 ), το όζον στο επίπεδο του εδάφους δεν εκπέμπεται απευθείας. Αντίθετα, παράγεται μέσω μιας σειράς χημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν παρουσία οξειδίων του αζώτου, πτητικών οργανικών ενώσεων, ηλιακού φωτός και υψηλών θερμοκρασιών, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα:
Η ποσοτικοποίηση του αντίκτυπου αυτού του όζοντος στο επίπεδο του εδάφους στην υγεία γίνεται μέσω του προτύπου Air Quality Index που ορίζει κάθε χώρα. Αυτό που είναι ενδιαφέρον είναι ότι ο μισός κόσμος χρησιμοποιεί ένα πρότυπο που βασίζεται στη μέτρηση χιλιοστόγραμμα, ενώ ο υπόλοιπος χρησιμοποιεί μέτρηση με βάση το ppb. Είναι όμως αυτό πραγματικά πρόβλημα; Αυτό θα εξετάσουμε σε αυτό το άρθρο.
--
Το πρότυπο EPA των ΗΠΑ για το όζον βασίζεται σε ppm, ενώ το ευρωπαϊκό βασίζεται σε χιλιοστόγραμμα.
Έτσι, φυσικά στοχεύσαμε την ερώτησή μας στην Environnement SA , έναν από τους κορυφαίους ευρωπαίους κατασκευαστές περιβαλλοντικού εξοπλισμού, που αναπτύσσει τον δικό της αναλυτή όζοντος O342M (βλ. εικόνα στα δεξιά).
Το O342M είναι τόσο πιστοποιημένο από την EPA των ΗΠΑ όσο και από την ΕΕ (βλ. φύλλο προδιαγραφών ), επομένως μπορεί να παρέχει μέτρηση τόσο σε ppm όσο και σε χιλιοστόγραμμα. Η ερώτησή μας προς την Environnement SA ήταν « Πώς ο αναλυτής όζοντος υποστηρίζει την έξοδο ppm και χιλιοστόγραμμα; Υπάρχει διαφορά υλικού για μέτρηση; Εάν όχι, υπάρχει κάποιο πρότυπο για τη μετατροπή; '.
Αρχές μέτρησης του όζοντος
Η μέτρηση του όζοντος βασίζεται στην παγκοσμίως γνωστή αρχή της απορρόφησης UV [2] , η οποία συνίσταται στη μέτρηση της απορρόφησης UV των μορίων του όζοντος. Η συγκέντρωση του όζοντος προσδιορίζεται από τη διαφορά μεταξύ της απορρόφησης υπεριώδους ακτινοβολίας του δείγματος αερίου και του δείγματος χωρίς όζον μετά από διήθηση που εκτελείται από καταλυτικό μετατροπέα.
Σε αυτό το σύστημα, η συγκέντρωση του όζοντος μετράται ως ποσότητα φωτεινής ενέργειας ανά όγκο αέρα, από την οποία αφαιρείται η συγκέντρωση σε ppbv. Το κατώτερο ανιχνεύσιμο όριο για αυτό το σύστημα είναι 0,4 ppb (που αντιστοιχεί σε AQI 0,3, βάσει του προτύπου όζοντος 8 ωρών EPA των ΗΠΑ). Αυτό το σύστημα δεν μετρά τη μάζα αυτή καθαυτή, αλλά υπάρχει ένας τυπικός τρόπος για να γίνει η μετατροπή από ppmv σε mg/m 3 .
Μετατροπή των συγκεντρώσεων ατμοσφαιρικών ρύπων: από ppmv σε mg/m 3
Πρώτον, τα ppm (μέρη ανά εκατομμύριο [3] ) και τα ppb (μέρη ανά δισεκατομμύριο) ορίζονται ως `1 ppm = 1/10 6 = 10 -6 ` και `1 ppb = 1/10 9 = 10 -9` . Άρα `1 ppm = 1000 ppb or 1 ppb = 10 -3 ppm`.
Ο συντελεστής μετατροπής εξαρτάται από τη θερμοκρασία στην οποία θέλετε να γίνει η μετατροπή (συνήθως 25 βαθμοί Κελσίου στις ΗΠΑ), καθώς και από την πίεση περιβάλλοντος. Σε πίεση περιβάλλοντος 1 ατμόσφαιρας, η γενική εξίσωση είναι:
-
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]
Για παράδειγμα, για τον αέριο ρύπο O 3 (όζον), για τη μετατροπή 20 ppmv όζοντος σε «mg/m3 at 25 °C» και 1 atmosphere , χρησιμοποιείται ο ακόλουθος τύπος:
48.00 = `MW(O3)` = molecular weight of Ozone O3. Ευρωπαϊκά και Αμερικανικά Πρότυπα Μετατροπής
Η υπόθεση για τη θερμοκρασία περιβάλλοντος και την ατμοσφαιρική πίεση είναι στην πραγματικότητα τυποποιημένη και συνοψίζεται στον ακόλουθο πίνακα για τις ΗΠΑ, την Ευρώπη ή τις κανονικές συνθήκες. Για τους αναλυτές όζοντος O342M , αυτός ο συντελεστής μπορεί να προγραμματιστεί από τον χρήστη από τον χειριστή του οργάνου.
| 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 |
Σημείωση: Για όσους ενδιαφέρονται να μάθουν γιατί χρησιμοποιούνται οι 20°C ως η τυπική θερμοκρασία αναφοράς, μπορείτε να ελέγξετε το άρθρο του Ted Doiron σχετικά με το "20 °C—Μια σύντομη ιστορία της τυπικής θερμοκρασίας αναφοράς για βιομηχανικές μετρήσεις διαστάσεων".
Ευχαριστώ πολύ τον Serge από την Environnement SA για τη γρήγορη και ακριβή απάντηση στις οθόνες Ozone. Σημειώστε ότι η ίδια ιδέα ισχύει και για άλλα αέρια όπως το διοξείδιο του αζώτου (για παράδειγμα χρησιμοποιώντας τον αναλυτή AS32M ).
--
Για να ωθήσουμε την έρευνα λίγο παραπέρα, το επόμενο ερώτημα είναι ποιος θα ήταν ο αντίκτυπος στον υπολογιζόμενο Δείκτη Ποιότητας Αέρα, εάν η πραγματική θερμοκρασία και η πίεση χρησιμοποιούνταν αντί της αναφοράς;
Επιρροή από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος
Η τελευταία ερώτηση είναι να εξετάσουμε τον αντίκτυπο μιας διακύμανσης της θερμοκρασίας στον Δείκτη Ποιότητας Αέρα.
Για παράδειγμα, ας υποθέσουμε ότι ένα όργανο μετράει κατά μέσο όρο «120 mg/m3» όζοντος σε διάστημα 1 ώρας, το οποίο αντιστοιχεί σε AQI 50 (Μεσαίο) σύμφωνα με τον Ευρωπαϊκό Κοινό Δείκτη Ποιότητας Αέρα ( CAQI ).
Στους 20°C και 1 atm, το «120 mg/m^3» μετατρέπεται σε 120/2,00, δηλαδή 60.0 ppmv . Ας υποθέσουμε λοιπόν ότι αυτή είναι η πραγματική μέτρηση από τον αισθητήρα όζοντος. Το ερώτημα είναι λοιπόν, τι θα γινόταν αν η θερμοκρασία περιβάλλοντος κορυφώθηκε στους 42°C, όπως συμβαίνει μερικές φορές κατά τους καλοκαιρινούς καύσωνες, τότε ποια θα ήταν η σωστή μάζα; Ο τύπος μετατροπής είναι:
$$c = { ppmv \times 12.187 \times MW \over 273.15 + t } = 111.37 $$
Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια διαφορά «8,6 mg/m^3» του μετρημένου όζοντος. Κατά την εφαρμογή του προτύπου CAQI, το αντίστοιχο AQI είναι 46.4 (αντί για 50 χρησιμοποιώντας την τυπική συνθήκη 20°C). Αυτή είναι στην πραγματικότητα μια αποδεκτή διαφορά.
Ο γενικευμένος τύπος προσαρμογής ανάλογα με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος συνοψίζεται με το γράφημα στα δεξιά. Ο άξονας x είναι η θερμοκρασία περιβάλλοντος και ο άξονας y που υπολογίζεται AQI είναι η πραγματική θερμοκρασία θα χρησιμοποιηθεί αντί της αναφοράς (20°C).
Επιπτώσεις από την ατμοσφαιρική πίεση
Όσον αφορά την ατμοσφαιρική πίεση, η διακύμανση ορίζεται από τον νόμο του ιδανικού αερίου (` PV = nRT` ).
Η τιμή 12.187 είναι στην πραγματικότητα το αντίστροφο της σταθεράς του καθολικού νόμου των αερίων R . Έτσι, για να κατανοήσουμε την επίδραση της ατμοσφαιρικής πίεσης, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ο ακόλουθος τύπος:
Με άλλα λόγια, χρειάζεται απλώς να διαιρεθεί ο συντελεστής μετατροπής με την τρέχουσα ατμόσφαιρα. Υποθέτοντας ότι η πίεση p εκφράζεται σε millibar ( 1 atm = 1013.25 mb ), ο γενικευμένος τύπος μετατροπής γίνεται:
-
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.
συμπεράσματα
Οι παραπάνω εξηγήσεις επιβεβαιώνουν την αρχική μας υπόθεση ότι παρόλο που οι μετρήσεις του όζοντος μπορούν να παρέχονται με διαφορετικές μονάδες ( ppm και `mg/m^3`), αυτό στην πραγματικότητα δεν αποτελεί πρόβλημα, καθώς υπάρχει ένας τυπικός τρόπος μετατροπής μετρήσεων από `mg/m ^3 to ppm» και αντίστροφα. Επιπλέον, ο αντίκτυπος από τη χρήση του STP αναφοράς (Τυπική θερμοκρασία & πίεση) αντί της πραγματικής θερμοκρασίας και πίεσης περιβάλλοντος είναι ελάχιστος, δηλαδή μόνο μονάδες του Δείκτη στη διαφορά για το Όζον.
Credits: Ozone visual recreated using Icon pack by Icons8 and taken from American Chemical Society.
