Het omringende ozon , ook wel O 3 genoemd en ook wel ozon op grondniveau of troposferische ozon genoemd, heeft invloed op iedereen op aarde, ongeacht het land, zoals weergegeven in de afbeelding rechts [1] .
(Attribution: WMO GAW research on reactive gases )
In tegenstelling tot fijnstof (PM 2,5 ) wordt ozon op leefniveau niet rechtstreeks uitgestoten. Het wordt in plaats daarvan geproduceerd via een reeks chemische reacties die plaatsvinden in aanwezigheid van stikstofoxiden, vluchtige organische stoffen, zonlicht en hoge temperaturen, zoals te zien is op de volgende afbeelding:
Het kwantificeren van de impact van dit ozon op leefniveau op de gezondheid gebeurt via de Air Quality Index-standaard die elk land definieert. Wat interessant is, is dat de helft van de wereld een standaard gebruikt die gebaseerd is op milligrammetingen, terwijl de rest gebruik maakt van op ppb gebaseerde metingen. Maar is dit echt een probleem? Dit is waar we in dit artikel naar zullen kijken.
--
De Amerikaanse EPA-norm voor ozon is gebaseerd op ppm, terwijl de Europese gebaseerd is op milligrammen.
Daarom richtten we onze vraag uiteraard op Environnement SA , een van de toonaangevende Europese fabrikanten van milieuapparatuur, die zijn eigen O342M Ozonanalysator ontwikkelt (zie afbeelding rechts).
De O342M is zowel gecertificeerd door de Amerikaanse EPA als door de EU (zie specificatieblad ), waardoor metingen in zowel ppm als milligram mogelijk zijn. Onze vraag aan Environnement SA was: ' Hoe ondersteunt uw ozonanalysator zowel de ppm- als de milligramproductie? Is er een hardwareverschil voor de meting? Zo niet, bestaat er dan een norm voor de ombouw? '.
Principes van ozonmeting
De ozonmeting is gebaseerd op het universeel bekende UV-absorptieprincipe [2] , dat bestaat uit het meten van de UV-absorptie van ozonmoleculen. De ozonconcentratie wordt bepaald door het verschil tussen de UV-absorptie van het gasmonster en het monster zonder ozon na filtratie uitgevoerd door een katalysator.
In dit systeem wordt de ozonconcentratie gemeten als een hoeveelheid lichtenergie per volume lucht, waarvan de concentratie in ppbv wordt afgetrokken. De onderste detecteerbare limiet voor dit systeem is 0,4 ppb (overeenkomend met een AQI van 0,3, gebaseerd op de Amerikaanse EPA 8-uurs ozonnorm). Dit systeem meet niet de massa als zodanig, maar er is een standaard manier om de omrekening van ppmv naar mg/m 3 uit te voeren.
Concentraties van atmosferische verontreinigende stoffen omrekenen: van ppmv naar mg/m 3
Ten eerste worden ppm (parts per million [3] ) en ppb (parts per million) gedefinieerd als `1 ppm = 1/10 6 = 10 -6 ` en `1 ppb = 1/10 9 = 10 -9 `. Dus `1 ppm = 1000 ppb or 1 ppb = 10 -3 ppm`.
De conversiefactor is afhankelijk van de temperatuur waarbij u de conversie wilt (meestal 25 graden Celsius in de VS) en van de omgevingsdruk. Bij een omgevingsdruk van 1 atmosfeer is de algemene vergelijking:
-
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]
Om bijvoorbeeld voor de gasvormige verontreinigende stof O 3 (ozon) 20 ppmv ozon om te zetten in 'mg/m3 at 25 °C' en 1 atmosphere , wordt de volgende formule gebruikt:
48.00 = `MW(O3)` = molecular weight of Ozone O3. Europese en Amerikaanse conversienormen
De aanname over de omgevingstemperatuur en atmosferische druk is feitelijk gestandaardiseerd en samengevat in de volgende tabel voor de VS, Europa of normale omstandigheden. Voor onze O342M ozonanalysatoren kan deze coëfficiënt door de gebruiker van het instrument worden geprogrammeerd.
| 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 |
Opmerking: voor degenen die willen weten waarom 20°C als de standaard referentietemperatuur wordt gebruikt, kunt u het artikel van Ted Doiron lezen over "20 °C – Een korte geschiedenis van de standaard referentietemperatuur voor industriële dimensionale metingen".
Hartelijk dank aan Serge van Environnement SA voor het snelle en nauwkeurige antwoord op de ozonmonitors. Merk op dat hetzelfde concept ook van toepassing is op andere gassen zoals stikstofdioxide (bijvoorbeeld met behulp van de AS32M- analysator).
--
Om het onderzoek nog een stap verder te brengen: de volgende vraag is: wat zou de impact zijn op de berekende luchtkwaliteitsindex als de werkelijke temperatuur en druk zouden worden gebruikt in plaats van de referentiewaarde?
Impact van omgevingstemperatuur
De laatste vraag is om te kijken naar de impact van een temperatuurvariatie op de luchtkwaliteitsindex.
Laten we bijvoorbeeld aannemen dat een instrument gemiddeld '120 mg/m3' ozon over een uur meet, wat overeenkomt met een AQI van 50 (gemiddeld) volgens de European Common Air Quality Index ( CAQI ).
Bij 20°C en 1 atm wordt `120 mg/m^3` omgezet in 120/2,00, dwz 60.0 ppmv . Laten we dus aannemen dat dit de daadwerkelijke meting van de ozonsensor is. De vraag is dan: wat zou de juiste massa zijn als de omgevingstemperatuur een piek zou bereiken van 42°C, zoals soms gebeurt tijdens hittegolven in de zomer? De conversieformule is:
$$c = { ppmv \times 12.187 \times MW \over 273.15 + t } = 111.37 $$
Dit resulteert in een verschil van `8,6 mg/m^3` gemeten ozon. Bij toepassing van de CAQI-standaard is de overeenkomstige AQI 46.4 (in plaats van 50 bij gebruik van de standaard 20°C-voorwaarde). Dit is eigenlijk een acceptabel verschil.
De algemene aanpassingsformule afhankelijk van de omgevingstemperatuur wordt samengevat in de grafiek aan de rechterkant. Op de x-as staat de omgevingstemperatuur, en op de y-as is de berekende AQI de werkelijke temperatuur die zou worden gebruikt in plaats van de referentietemperatuur (20°C).
Impact van atmosferische druk
Wat de atmosferische druk betreft, wordt de variatie gedefinieerd door de Ideale Gaswet (` PV = nRT `).
De waarde 12.187 is feitelijk het omgekeerde van de constante R van de Universele Gaswet. Om de impact van atmosferische druk te begrijpen, kan de volgende formule worden gebruikt:
Met andere woorden, je hoeft alleen maar de conversiefactor te delen door de huidige atmosfeer. Ervan uitgaande dat de druk p wordt uitgedrukt in millibar ( 1 atm = 1013.25 mb ), wordt de algemene conversieformule:
-
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.
Conclusies
De bovenstaande uitleg bevestigt onze aanvankelijke hypothese dat, ook al kunnen ozonmetingen in verschillende eenheden worden weergegeven ( ppm en `mg/m^3`), dit feitelijk geen probleem is, omdat er een standaardmanier is om metingen om te zetten van `mg/m²'. ^3 to ppm` en omgekeerd. Bovendien is de impact van het gebruik van de referentie STP (Standaard Temperatuur & Druk) in plaats van de werkelijke omgevingstemperatuur en -druk minimaal, dwz slechts indexeenheden in verschil voor de ozon.
Credits: Ozone visual recreated using Icon pack by Icons8 and taken from American Chemical Society.
