L' ozono ambientale, denominato O 3 e chiamato anche ozono troposferico o troposferico, ha un impatto su tutti gli esseri umani sulla terra, indipendentemente dal paese, come mostrato nell'immagine a destra [1] .
(Attribution: WMO GAW research on reactive gases )
A differenza del particolato (PM 2,5 ), l'ozono troposferico non viene emesso direttamente. Viene invece prodotto attraverso una serie di reazioni chimiche che avvengono in presenza di ossidi di azoto, composti organici volatili, luce solare e alte temperature, come mostrato nella seguente grafica:
La quantificazione dell’impatto dell’ozono troposferico sulla salute viene effettuata tramite lo standard dell’indice di qualità dell’aria definito da ciascun paese. Ciò che è interessante è che metà del mondo utilizza uno standard basato sulla misurazione in milligrammi, mentre il resto utilizza una misurazione basata su ppb. Ma questo è davvero un problema? Questo è ciò che vedremo in questo articolo.
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Lo standard EPA statunitense per l'ozono si basa sui ppm, mentre quello europeo sui milligrammi.
Quindi, abbiamo naturalmente rivolto la nostra domanda a Environnement SA , uno dei principali produttori europei di apparecchiature ambientali, che sviluppa il proprio analizzatore di ozono O342M (vedi immagine a destra).
L'O342M è sia certificato dall'EPA statunitense che dall'UE (vedi scheda tecnica ), quindi in grado di fornire misurazioni sia in ppm che in milligrammi. La nostra domanda a Environnement SA era: " In che modo il vostro analizzatore di ozono supporta l'output sia in ppm che in milligrammi?" C'è qualche differenza hardware per la misurazione? In caso negativo, esiste uno standard per la conversione? '.
Principi di misurazione dell'ozono
La misurazione dell'ozono si basa sul principio universalmente noto dell'assorbimento UV [2] , che consiste nel misurare l'assorbimento UV delle molecole di ozono. La concentrazione di ozono è determinata dalla differenza tra l'assorbimento UV del campione di gas e del campione senza ozono dopo la filtrazione eseguita da un convertitore catalitico.
In questo sistema, la concentrazione di ozono viene misurata come quantità di energia luminosa per volume d'aria, da cui viene dedotta la concentrazione in ppbv. Il limite inferiore rilevabile per questo sistema è 0,4 ppb (corrispondente a un AQI di 0,3, basato sullo standard sull'ozono di 8 ore dell'EPA statunitense). Questo sistema non misura la massa in quanto tale, ma esiste un modo standard per effettuare la conversione da ppmv a mg/m 3 .
Conversione delle concentrazioni di inquinanti atmosferici: da ppmv a mg/m 3
Innanzitutto, ppm (parti per milione [3] ) e ppb (parti per miliardo) sono definiti come "1 ppm = 1/10 6 = 10 -6 " e "1 ppb = 1/10 9 = 10 -9 ". Quindi "1 ppm = 1000 ppb or 1 ppb = 10 -3 ppm".
Il fattore di conversione dipende dalla temperatura alla quale si desidera effettuare la conversione (di solito 25 gradi centigradi negli Stati Uniti), nonché dalla pressione ambientale. Ad una pressione ambiente di 1 atmosfera, l'equazione generale è:
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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]
Ad esempio, per l'inquinante gassoso O 3 (ozono), per convertire 20 ppmv di ozono in `mg/m3 at 25 °C` e 1 atmosphere , viene utilizzata la seguente formula:
48.00 = `MW(O3)` = molecular weight of Ozone O3. Standard di conversione europei e statunitensi
I presupposti sulla temperatura ambiente e sulla pressione atmosferica sono in realtà standardizzati e riassunti nella tabella seguente per Stati Uniti, Europa o condizioni normali. Per i nostri analizzatori di ozono O342M , questo coefficiente è programmabile dall'operatore dello strumento.
| 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 |
Nota: per chi è interessato a sapere perché 20°C viene utilizzata come temperatura di riferimento standard, è possibile consultare l'articolo di Ted Doiron su "20 °C—Una breve storia della temperatura di riferimento standard per misurazioni dimensionali industriali".
Mille grazie a Serge di Environnement SA per la risposta rapida e precisa sui monitor dell'ozono. Si tenga presente che lo stesso concetto vale anche per altri gas come il Biossido di Azoto (utilizzando ad esempio l'analizzatore AS32M ).
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Per spingere ulteriormente l’indagine, la domanda successiva è: quale sarebbe l’impatto sull’indice di qualità dell’aria calcolato se venissero utilizzate la temperatura e la pressione effettive invece di quelle di riferimento?
Impatto dalla temperatura ambiente
L’ultima domanda è esaminare l’impatto di una variazione di temperatura sull’indice di qualità dell’aria.
Ad esempio, supponiamo che uno strumento stia misurando una media di "120 mg/m3" di ozono in 1 ora, che corrisponde a un AQI di 50 (medio) secondo l'indice comune europeo di qualità dell'aria ( CAQI ).
A 20°C e 1 atm, "120 mg/m^3" si converte in 120/2,00, ovvero 60.0 ppmv . Supponiamo quindi che questa sia la misurazione effettiva dal sensore di ozono. La domanda quindi è: cosa accadrebbe se la temperatura ambiente raggiungesse il picco di 42°C, come a volte accade durante le ondate di caldo estivo, quale sarebbe la massa corretta? La formula di conversione è:
$$c = { ppmv \times 12.187 \times MW \over 273.15 + t } = 111.37 $$
Ciò si traduce in una differenza di "8,6 mg/m^3" di ozono misurato. Quando si applica lo standard CAQI, il corrispondente AQI è 46.4 (invece di 50 utilizzando la condizione standard di 20°C). Questa è in realtà una differenza accettabile.
La formula di regolazione generalizzata in funzione della temperatura ambiente è riassunta nel grafico a destra. L'asse x è la temperatura ambiente, mentre sull'asse y verrà utilizzata l'AQI calcolato che corrisponde alla temperatura effettiva invece di quella di riferimento (20°C).
Impatto della pressione atmosferica
Per quanto riguarda la pressione atmosferica, la variazione è definita dalla Legge dei Gas Ideali (` PV = nRT `).
Il valore 12.187 è in realtà l'inverso della costante R della Legge Universale dei Gas. Quindi, per comprendere l'impatto della pressione atmosferica, è possibile utilizzare la seguente formula:
In altre parole, basta dividere il fattore di conversione per l’atmosfera attuale. Supponendo che la pressione p sia espressa in millibar ( 1 atm = 1013.25 mb ), la formula di conversione generalizzata diventa:
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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.
Conclusioni
Le spiegazioni di cui sopra confermano la nostra ipotesi iniziale che anche se le letture dell'ozono possono essere fornite con unità diverse ( ppm e "mg/m^3"), questo in realtà non è un problema poiché esiste un modo standard per convertire le letture da "mg/m ^3 to ppm` e viceversa. Inoltre, l'impatto dell'utilizzo dell'STP (Standard Temperature & Pressure) di riferimento invece della temperatura e della pressione ambiente effettive è minimo, ovvero solo unità di indice di differenza per l'ozono.
Credits: Ozone visual recreated using Icon pack by Icons8 and taken from American Chemical Society.
