The ambient Ozone, refered as O3 and also called called ground-level or tropospheric Ozone impacts everyone on earth regardless of the country, as shown on the image on the right [1].
(Attribution: WMO GAW research on reactive gases )
입자상 물질(PM 2.5 )과 달리 지표면 오존은 직접 방출되지 않습니다. 대신 다음 그림과 같이 질소산화물, 휘발성 유기 화합물, 햇빛 및 고온에서 발생하는 일련의 화학 반응을 통해 생성됩니다.
이 지상 오존이 건강에 미치는 영향을 정량화하는 것은 각 국가에서 정의하는 대기 질 지수 표준을 통해 수행됩니다. 흥미로운 점은 세계의 절반이 밀리그램 측정 기반 표준을 사용하고 나머지는 ppb 기반 측정을 사용하고 있다는 것입니다. 하지만 이것이 정말 문제일까요? 이것이 바로 이 글에서 우리가 살펴볼 내용입니다.
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오존에 대한 미국 EPA 표준은 ppm을 기반으로 하는 반면, 유럽 표준은 밀리그램을 기반으로 합니다.
그래서 우리는 자연스럽게 자체 O342M 오존 분석기를 개발하는 유럽의 선도적인 환경 장비 제조업체 중 하나인 Environnement SA 에 질문을 던졌습니다(오른쪽 그림 참조).
The O342M is both both certified by the US EPA and the EU (see specsheet), therefore able to provide measurement in both ppm and milligrams. Our question to Environnement S.A was 'How does your ozone analyser support both ppm and milligrams output? Is there any hardware difference for measurement? If not, is there any standard for the convertion?'.
오존 측정 원리
오존 측정은 오존 분자의 UV 흡수를 측정하는 것으로 구성된 보편적으로 알려진 UV 흡수 원리 [2] 를 기반으로 합니다. 오존 농도는 촉매 변환기에 의해 여과된 가스 샘플과 오존이 없는 샘플의 UV 흡수 차이에 의해 결정됩니다.
이 시스템에서 오존 농도는 공기 부피당 빛 에너지의 양으로 측정되며, 여기에서 ppbv 단위의 농도가 공제됩니다. 이 시스템의 검출 가능한 하한은 0.4ppb입니다(US EPA 8시간 오존 표준을 기준으로 AQI 0.3에 해당). 이 시스템은 질량을 측정하지는 않지만, ppmv에서 mg/m 3 로 변환하는 표준 방법이 있습니다.
대기 오염 물질 농도 변환:ppmv에서 mg/ m3 으로
먼저,ppm(백만분율 [3] )과 ppb(십억분율)는 `1ppm = 1/10 6 = 10 -6` , `1 ppb = 1/10 9 = 10 -9 `로 정의됩니다. 따라서 '1ppm = 1000ppb or 1ppb = 10-3ppm '입니다.
변환 계수는 변환하려는 온도(미국의 경우 일반적으로 섭씨 25도)와 주변 압력에 따라 달라집니다. 1기압의 주변 압력에서 일반 방정식은 다음과 같습니다.
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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]
예를 들어, 기체 오염물질 O 3 (오존)의 경우 오존 20 ppmv 를 '25°C 및 1 atmosphere at mg/m3'로 변환하려면 다음 공식을 사용합니다.
48.00 = `MW(O3)` = molecular weight of Ozone O3. 유럽 및 미국 변환 표준
주변 온도와 대기압에 대한 가정은 실제로 미국, 유럽 또는 일반 조건에 대해 표준화되어 다음 표에 요약되어 있습니다. O342M 오존 분석기의 경우 이 계수는 기기 운영자가 사용자가 프로그래밍할 수 있습니다.
| 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 |
참고: 20°C가 표준 기준 온도로 사용되는 이유에 관심이 있는 경우 Ted Doiron의 "20°C - 산업용 치수 측정을 위한 표준 기준 온도의 간략한 역사" 기사를 참조하세요.
오존 모니터에 대해 빠르고 정확한 답변을 주신 Environnement SA 의 Serge에게 많은 감사를 드립니다. 동일한 개념이 이산화질소(예: AS32M 분석기 사용)와 같은 다른 가스에도 적용됩니다.
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조사를 좀 더 진행하기 위해 다음 질문은 기준 온도와 압력 대신 실제 온도와 압력을 사용하는 경우 계산된 공기질 지수에 어떤 영향을 미칠 것인가입니다.
주변 온도의 영향
마지막 질문은 기온 변화가 대기 질 지수에 미치는 영향을 살펴보는 것입니다.
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).
20°C 및 1atm에서 '120mg/m^3'은 120/2.00, 즉 60.0 ppmv 로 변환됩니다. 따라서 이것이 오존 센서의 실제 측정값이라고 가정해 보겠습니다. 그렇다면 문제는 여름 폭염 중에 가끔 발생하는 것처럼 주변 온도가 42°C까지 최고조에 달했다면 정확한 질량은 얼마나 될까요? 변환 공식은 다음과 같습니다.
$$c = { ppmv \times 12.187 \times MW \over 273.15 + t } = 111.37 $$
이로 인해 측정된 오존의 '8.6 mg/m^3' 차이가 발생합니다. CAQI 표준을 적용할 때 해당 AQI는 46.4 입니다(표준 20°C 조건을 사용하는 50 대신). 이는 실제로 받아들일 수 있는 차이입니다.
주변 온도에 따른 일반화된 조정 공식은 오른쪽 그래프에 요약되어 있습니다. x축은 주변 온도이고, y축은 계산된 AQI가 기준 온도(20°C) 대신 실제 온도입니다.
대기압의 영향
대기압과 관련하여 변동은 이상기체 법칙 (` PV = nRT` )에 의해 정의됩니다.
값 12.187 실제로 Universal Gas Law 상수 R 의 역수입니다. 따라서 대기압의 영향을 이해하기 위해 다음 공식을 사용할 수 있습니다.
즉, 변환 계수를 현재 대기로 나누기만 하면 됩니다. 압력 p 밀리바( 1 atm = 1013.25 mb )로 표현된다고 가정하면 일반화된 변환 공식은 다음과 같습니다.
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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.
결론
위의 설명은 오존 판독값이 다른 단위( ppm 및 `mg/m^3`)로 제공될 수 있지만 `mg/m'에서 판독값을 변환하는 표준 방법이 있기 때문에 실제로 문제가 되지 않는다는 초기 가설을 확인시켜 줍니다. ^3 to ppm`으로, 그 반대도 마찬가지입니다. 더욱이, 실제 주변 온도 및 압력 대신 참조 STP(표준 온도 및 압력)를 사용하는 경우의 영향은 최소화됩니다. 즉, 오존에 대한 차이 지수 단위에 불과합니다.
Credits: Ozone visual recreated using Icon pack by Icons8 and taken from American Chemical Society.
