همانطور که در تصویر سمت راست نشان داده شده است، ازن محیطی که به عنوان O 3 نامیده می شود و ازن سطح زمین یا تروپوسفر نیز نامیده می شود، بر همه افراد روی زمین بدون در نظر گرفتن کشور تأثیر می گذارد [1] .
(Attribution: WMO GAW research on reactive gases )
بر خلاف ذرات معلق (PM 2.5 )، ازن سطح زمین مستقیما ساطع نمی شود. در عوض از طریق یک سری واکنش های شیمیایی که در حضور اکسیدهای نیتروژن، ترکیبات آلی فرار، نور خورشید و دمای بالا رخ می دهد، تولید می شود، همانطور که در تصویر زیر نشان داده شده است:
کمی سازی تأثیر این ازن سطح زمین بر سلامت از طریق استاندارد شاخص کیفیت هوا که هر کشور تعریف می کند انجام می شود. نکته جالب این است که نیمی از جهان از یک استاندارد مبتنی بر اندازه گیری میلی گرم استفاده می کنند، در حالی که بقیه از اندازه گیری مبتنی بر ppb استفاده می کنند. اما آیا این واقعا یک مشکل است؟ این همان چیزی است که در این مقاله به آن خواهیم پرداخت.
--
استاندارد EPA ایالات متحده برای ازن بر اساس ppm است، در حالی که استاندارد اروپایی بر اساس میلی گرم است.
بنابراین، ما طبیعتاً سؤال خود را به Environnement SA ، یکی از پیشروترین تولیدکنندگان تجهیزات زیست محیطی اروپایی، که تحلیلگر اوزون O342M خود را توسعه می دهد، هدف قرار دادیم (تصویر سمت راست را ببینید).
O342M هر دو توسط EPA ایالات متحده و اتحادیه اروپا تایید شده است (به برگه مشخصات مراجعه کنید)، بنابراین می تواند اندازه گیری را در ppm و میلی گرم ارائه دهد. سوال ما از Environnement SA این بود که چگونه آنالایزر ازن شما خروجی ppm و میلی گرم را پشتیبانی می کند؟ آیا تفاوت سخت افزاری برای اندازه گیری وجود دارد؟ اگر نه، آیا استانداردی برای تبدیل وجود دارد؟ '.
اصول اندازه گیری ازن
اندازه گیری ازن بر اساس اصل جذب UV شناخته شده جهانی است [2] ، که شامل اندازه گیری جذب UV مولکول های ازن است. غلظت ازن با تفاوت بین جذب UV نمونه گاز و نمونه بدون ازن پس از فیلتراسیون انجام شده توسط مبدل کاتالیزوری تعیین می شود.
در این سیستم، غلظت ازن به عنوان مقدار انرژی نور در هر حجم هوا اندازه گیری می شود که غلظت بر حسب ppbv از آن کسر می شود. حد پایین قابل تشخیص برای این سیستم 0.4 ppb است (مطابق با AQI 0.3، بر اساس استاندارد ازن 8 ساعته EPA ایالات متحده). این سیستم جرم را به این صورت اندازه گیری نمی کند، اما یک روش استاندارد برای انجام تبدیل از ppmv به mg/ m3 وجود دارد.
تبدیل غلظت آلاینده اتمسفر: از ppmv به mg/ m3
ابتدا ppm (قسمت در میلیون [3] ) و ppb (قسمت در میلیارد) به صورت «1 ppm = 1/10 6 = 10 -6 » و «1 ppb = 1/10 9 = 10 -9 » تعریف می‌شوند. بنابراین «1 ppm = 1000ppb or 1ppb = 10 -3 ppm».
ضریب تبدیل به دمایی که در آن می خواهید تبدیل (معمولاً 25 درجه سانتیگراد در ایالات متحده) و همچنین فشار محیط بستگی دارد. در فشار محیطی 1 اتمسفر، معادله کلی به صورت زیر است:
-
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]
به عنوان مثال، برای آلاینده گازی O 3 (ازن)، برای تبدیل 20 ppmv ازن به mg/m3 at 25 درجه سانتی گراد و 1 atmosphere ، از فرمول زیر استفاده می شود:
48.00 = `MW(O3)` = molecular weight of Ozone O3. استانداردهای تبدیل اروپا و ایالات متحده
فرض دمای محیط و فشار اتمسفر در واقع استاندارد شده و در جدول زیر برای ایالات متحده، اروپا یا شرایط عادی خلاصه شده است. برای تحلیلگرهای ازن O342M ما، این ضریب توسط اپراتور دستگاه قابل برنامه ریزی توسط کاربر است.
| 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 |
توجه: برای کسانی که علاقه مند به دانستن اینکه چرا 20 درجه سانتیگراد به عنوان دمای مرجع استاندارد استفاده می شود، می توانند مقاله Ted Doiron در مورد "20 درجه سانتیگراد— تاریخچه کوتاهی از دمای مرجع استاندارد برای اندازه گیری ابعاد صنعتی" را بررسی کنند.
با تشکر فراوان از سرژ از Environnement SA برای پاسخ سریع و دقیق در مانیتورهای اوزون. توجه داشته باشید که همین مفهوم در مورد گازهای دیگر مانند دی اکسید نیتروژن (به عنوان مثال با استفاده از تحلیلگر AS32M ) نیز صدق می کند.
--
برای پیشبرد تحقیقات کمی بیشتر، سوال بعدی این است که اگر به جای دمای مرجع از دما و فشار واقعی استفاده شود، چه تاثیری بر شاخص کیفیت هوا محاسبه شده خواهد داشت؟
تاثیر دمای محیط
آخرین سوال این است که به تأثیر تغییر دما بر شاخص کیفیت هوا نگاه کنیم.
For instance, let assume that an instrument is measuring an average of `120 mg/m3` of Ozone over 1 hour, which corresponds to an AQI of 50 (Medium) according to the European Common Air Quality Index (CAQI).
در دمای 20 درجه سانتی گراد و 1 اتمسفر، «120 mg/m^3» به 120/2.00، یعنی 60.0 ppmv تبدیل می‌شود. بنابراین اجازه دهید فرض کنیم که این اندازه گیری واقعی از سنسور اوزون است. سوال این است که اگر دمای محیط به اوج خود به 42 درجه سانتیگراد می رسید، همانطور که گاهی اوقات در طول موج گرمای تابستان اتفاق می افتد، پس جرم صحیح چقدر خواهد بود؟ فرمول تبدیل به صورت زیر است:
$$c = { ppmv \times 12.187 \times MW \over 273.15 + t } = 111.37 $$
این منجر به تفاوت «8.6 mg/m^3» ازن اندازه گیری شده می شود. هنگام استفاده از استاندارد CAQI، AQI مربوطه 46.4 است (به جای 50 با استفاده از شرایط استاندارد 20 درجه سانتیگراد). این در واقع یک تفاوت قابل قبول است.
فرمول تنظیم تعمیم یافته بسته به دمای محیط با نمودار سمت راست خلاصه می شود. محور x دمای محیط است و محور y که AQI محاسبه شده دمای واقعی است به جای مرجع (20&درجه سانتیگراد) استفاده می شود.
تاثیر فشار اتمسفر
در مورد فشار اتمسفر، تغییرات توسط قانون گاز ایده آل ( PV = nRT ) تعریف می شود.
مقدار 12.187 در واقع معکوس ثابت قانون جهانی گاز R است. بنابراین، برای درک تأثیر فشار اتمسفر، می توان از فرمول زیر استفاده کرد:
به عبارت دیگر، فقط باید ضریب تبدیل را بر جو فعلی تقسیم کرد. با فرض اینکه فشار p بر حسب میلی بار بیان می شود ( 1 atm = 1013.25 mb )، فرمول تبدیل تعمیم یافته به صورت زیر می شود:
-
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.
نتیجه گیری
توضیحات بالا فرضیه اولیه ما را تأیید می کند که حتی اگر خوانش های ازن را می توان با واحدهای مختلفی ارائه کرد ( ppm و "mg/m^3")، این در واقع مشکلی نیست زیرا یک روش استاندارد برای تبدیل قرائت ها از "mg/m" وجود دارد. ^3 to ppm` و بالعکس. علاوه بر این، تأثیر استفاده از STP مرجع (دما و فشار استاندارد) به جای دما و فشار واقعی محیط حداقل است، یعنی فقط واحدهای شاخص در تفاوت برای ازن.
Credits: Ozone visual recreated using Icon pack by Icons8 and taken from American Chemical Society.
