Ambijentalni ozon , koji se naziva O 3 , a naziva se i prizemni ili troposferski ozon, utječe na svakoga na zemlji bez obzira na zemlju, kao što je prikazano na slici desno [1] .
(Attribution: WMO GAW research on reactive gases )
Za razliku od čestica (PM 2,5 ), prizemni ozon ne emitira se izravno. Umjesto toga, proizvodi se nizom kemijskih reakcija koje se događaju u prisutnosti dušikovih oksida, hlapljivih organskih spojeva, sunčeve svjetlosti i visokih temperatura, kao što je prikazano na sljedećoj slici:
Kvantificiranje utjecaja ovog prizemnog ozona na zdravlje vrši se putem standarda indeksa kvalitete zraka koji definira svaka zemlja. Ono što je zanimljivo je da pola svijeta koristi standard koji se temelji na mjerenju miligrama, dok ostatak koristi mjerenje na temelju ppb. Ali je li to doista problem? To je ono što ćemo promatrati u ovom članku.
--
Američki EPA standard za ozon temelji se na ppm, dok se europski temelji na miligramima.
Stoga smo svoje pitanje prirodno usmjerili na Environnement SA , jednog od vodećih europskih proizvođača opreme za zaštitu okoliša, koji razvija vlastiti O342M analizator ozona (vidi sliku desno).
O342M je certificiran i od strane EPA-e SAD-a i EU-a (pogledajte specifikacijsku tablicu ), stoga može pružiti mjerenje i u ppm i u miligramima. Naše pitanje Environnement SA bilo je ' Kako vaš analizator ozona podržava i ppm i miligrame? Postoji li razlika u hardveru za mjerenje? Ako ne, postoji li standard za pretvorbu? '.
Načela mjerenja ozona
Mjerenje ozona temelji se na općepoznatom principu UV apsorpcije [2] , koji se sastoji u mjerenju UV apsorpcije molekula ozona. Koncentracija ozona određena je razlikom između UV apsorpcije uzorka plina i uzorka bez ozona nakon filtracije provedene katalizatorom.
U ovom sustavu, koncentracija ozona se mjeri kao količina svjetlosne energije po volumenu zraka, od koje se oduzima koncentracija u ppbv. Donja granica koja se može otkriti za ovaj sustav je 0,4 ppb (što odgovara AQI od 0,3, na temelju US EPA standarda za 8-satni ozon). Ovaj sustav ne mjeri masu kao takvu, ali postoji standardni način pretvorbe iz ppmv u mg/m 3 .
Pretvaranje koncentracija onečišćujućih tvari u atmosferi: iz ppmv u mg/m 3
Prvo, ppm (dijelovi na milijun [3] ) i ppb (dijelovi na milijardu) definirani su 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 pretvorbe ovisi o temperaturi na kojoj želite pretvorbu (obično 25 stupnjeva Celzija u SAD-u), kao io tlaku okoline. Pri tlaku okoline od 1 atmosfere, opća jednadžba 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 onečišćivač O 3 (ozon), za pretvorbu 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. Europski i američki standardi pretvorbe
Pretpostavka o temperaturi okoline i atmosferskom tlaku zapravo je standardizirana i sažeta u sljedećoj tablici za SAD, Europu 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 znati zašto se 20°C koristi kao standardna referentna temperatura, možete provjeriti članak Teda Doirona o "20 °C—kratka povijest standardne referentne temperature za industrijska mjerenja dimenzija".
Veliko hvala Sergeu iz Environnement SA na brzom i preciznom odgovoru o monitorima ozona. Imajte na umu da se isti koncept odnosi i na druge plinove kao što je dušikov dioksid (na primjer korištenjem analizatora AS32M ).
--
Da malo poguramo istragu, sljedeće pitanje je kakav bi bio utjecaj na izračunati Indeks kvalitete zraka ako bi se koristila stvarna temperatura i tlak umjesto referentnih?
Utjecaj temperature okoline
Posljednje pitanje odnosi se na utjecaj varijacije temperature na indeks kvalitete zraka.
Na primjer, pretpostavimo da instrument mjeri prosječno `120 mg/m3` ozona tijekom 1 sata, što odgovara AQI od 50 (srednji) prema Europskom zajedničkom indeksu kvalitete zraka ( CAQI ).
Na 20°C i 1 atm, `120 mg/m^3` pretvara se u 120/2,00, tj. 60.0 ppmv . Dakle, pretpostavimo da je ovo stvarno mjerenje senzora ozona. Pitanje je, dakle, što ako je temperatura okoline dosegla vrhunac od 42°C, kao što se ponekad događa tijekom ljetnih vrućina, koja bi onda bila ispravna masa? Formula pretvorbe je:
$$c = { ppmv \times 12.187 \times MW \over 273.15 + t } = 111.37 $$
To rezultira razlikom od `8,6 mg/m^3` izmjerenog ozona. Pri primjeni CAQI standarda, odgovarajući AQI je 46.4 (umjesto 50 pri standardnim uvjetima od 20°C). Ovo je zapravo prihvatljiva razlika.
Generalizirana formula za prilagodbu ovisno o temperaturi okoline prikazana je u grafikonu s desne strane. Na x-osi je temperatura okoline, a na y-osi izračunati AQI je stvarna temperatura koja bi se koristila umjesto referentne (20°C).
Utjecaj atmosferskog tlaka
Što se tiče atmosferskog tlaka, varijacija je definirana Zakonom o idealnom plinu (` PV = nRT` ).
Vrijednost 12.187 zapravo je inverzna konstanta univerzalnog plinskog zakona R . Dakle, za razumijevanje utjecaja atmosferskog tlaka može se koristiti sljedeća formula:
Drugim riječima, treba samo podijeliti faktor pretvorbe s trenutnom atmosferom. Uz pretpostavku da je tlak p izražen u milibarima ( 1 atm = 1013.25 mb ), generalizirana formula za pretvorbu 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 očitanja ozona mogu dati s različitim jedinicama ( ppm i `mg/m^3`), to zapravo nije problem budući da postoji standardni način pretvaranja očitanja iz `mg/m ^3 to ppm` i obrnuto. Štoviše, utjecaj korištenja referentne STP (Standardne temperature i tlaka) umjesto stvarne temperature i tlaka okoline je minimalan, tj. samo jedinice indeksa razlike za ozon.
Credits: Ozone visual recreated using Icon pack by Icons8 and taken from American Chemical Society.
