Окружающий озон , обозначаемый как O 3 и также называемый приземным или тропосферным озоном, воздействует на всех жителей Земли, независимо от страны, как показано на изображении справа [1] .
(Attribution: WMO GAW research on reactive gases )
В отличие от твердых частиц (PM 2,5 ), приземный озон не выбрасывается напрямую. Вместо этого он производится в результате серии химических реакций, которые происходят в присутствии оксидов азота, летучих органических соединений, солнечного света и высоких температур, как показано на следующем рисунке:
Количественная оценка воздействия приземного озона на здоровье осуществляется с помощью стандарта индекса качества воздуха, который определяет каждая страна. Что интересно, половина мира использует стандарт, основанный на измерении в миллиграммах, а остальная часть использует измерение на основе частей на миллиард. Но действительно ли это проблема? Именно это мы и рассмотрим в этой статье.
--
Стандарт Агентства по охране окружающей среды США для озона основан на ppm, а европейский — на миллиграммах.
Поэтому мы, естественно, адресовали наш вопрос Environnement SA , одному из ведущих европейских производителей экологического оборудования, который разрабатывает собственный анализатор озона O342M (см. рисунок справа).
O342M сертифицирован Агентством по охране окружающей среды США и ЕС (см. технические характеристики ), поэтому может обеспечивать измерения как в частях на миллион, так и в миллиграммах. Наш вопрос к Environnement SA был следующим: « Как ваш анализатор озона поддерживает выход как в ppm, так и в миллиграммах?» Есть ли какая-либо аппаратная разница для измерения? Если нет, существует ли какой-либо стандарт для преобразования? '.
Принципы измерения озона
Измерение озона основано на общеизвестном принципе поглощения УФ-излучения [2] , который заключается в измерении поглощения УФ-излучения молекулами озона. Концентрацию озона определяют по разнице между УФ-поглощением образца газа и образца без озона после фильтрации, выполняемой каталитическим нейтрализатором.
В этой системе концентрация озона измеряется как количество световой энергии на объем воздуха, из которого вычитается концентрация в ppbv. Нижний обнаруживаемый предел для этой системы составляет 0,4 частей на миллиард (что соответствует AQI 0,3 на основе стандарта 8-часового озона Агентства по охране окружающей среды США). Эта система не измеряет массу как таковую, но существует стандартный способ преобразования ppmv в мг/м 3 .
Конвертация концентрации загрязняющих веществ в атмосфере: из ppmv в мг/м 3
Во-первых, ppm (части на миллион [3] ) и ppb (части на миллиард) определяются как `1 ppm = 1/10 6 = 10 -6` и `1 ppb = 1/10 9 = 10 -9 `. Итак, «1 часть на миллион = 1000 частей на миллиард or 1 часть на миллиард = 10 -3 частей на миллион».
Коэффициент преобразования зависит от температуры, при которой вы хотите выполнить преобразование (обычно 25 градусов по Цельсию в США), а также от давления окружающей среды. При атмосферном давлении в 1 атмосферу общее уравнение имеет вид:
-
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]
Например, для газообразного загрязняющего вещества O 3 (озона) для преобразования 20 ppmv озона в мг/м3 at 25 °C и 1 atmosphere используется следующая формула:
48.00 = `MW(O3)` = molecular weight of Ozone O3. Европейские и американские стандарты преобразования
Предположения о температуре окружающей среды и атмосферном давлении фактически стандартизированы и суммированы в следующей таблице для США, Европы или нормальных условий. Для наших анализаторов озона O342M этот коэффициент программируется пользователем, оператором прибора.
| 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 |
Примечание. Для тех, кто хочет узнать, почему 20 °C используется в качестве стандартной эталонной температуры, вы можете ознакомиться со статьей Теда Дуарона «20 °C — краткая история стандартной эталонной температуры для промышленных измерений размеров».
Большое спасибо Сержу из Environnement SA за быстрый и точный ответ по мониторам озона. Обратите внимание, что та же концепция применима и к другим газам, таким как диоксид азота (например, при использовании анализатора AS32M ).
--
Чтобы продвинуть исследование немного дальше, следующий вопрос: как повлияет на рассчитанный индекс качества воздуха, если вместо эталонных будут использоваться фактические температура и давление?
Влияние температуры окружающей среды
Последний вопрос – рассмотреть влияние изменения температуры на индекс качества воздуха.
Например, предположим, что прибор измеряет в среднем «120 мг/м3» озона в течение 1 часа, что соответствует AQI 50 (средний) в соответствии с Европейским общим индексом качества воздуха ( CAQI ).
При 20°C и давлении 1 атм `120 мг/м^3` преобразуется в 120/2,00, т.е. 60.0 ppmv . Итак, давайте предположим, что это фактическое измерение датчика озона. Тогда возникает вопрос: что, если бы температура окружающей среды достигала 42°C, как это иногда случается во время летней жары, то какова была бы правильная масса? Формула преобразования:
$$c = { ppmv \times 12.187 \times MW \over 273.15 + t } = 111.37 $$
Это приводит к разнице измеренного озона в 8,6 мг/м^3. При применении стандарта CAQI соответствующий AQI составляет 46.4 (вместо 50 при стандартных условиях 20°C). На самом деле это приемлемая разница.
Обобщенная формула регулировки в зависимости от температуры окружающей среды суммирована графиком справа. По оси X отложена температура окружающей среды, а по оси Y — рассчитанный AQI — фактическая температура, которая будет использоваться вместо эталонной (20°C).
Воздействие атмосферного давления
Что касается атмосферного давления, его изменение определяется законом идеального газа (« PV = nRT »).
Значение 12.187 на самом деле является обратной константой универсального газового закона R Итак, чтобы понять влияние атмосферного давления, можно использовать следующую формулу:
Другими словами, нужно просто разделить коэффициент пересчета на текущую атмосферу. Предполагая, что давление p выражено в миллибарах ( 1 atm = 1013.25 mb ), обобщенная формула перевода принимает вид:
-
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.
Выводы
Приведенные выше объяснения подтверждают нашу первоначальную гипотезу о том, что, хотя показания озона могут быть представлены в разных единицах измерения ( ppm и «мг/м^3»), на самом деле это не проблема, поскольку существует стандартный способ преобразования показаний из «мг/м3». ^3 to ppm` и наоборот. Более того, влияние использования эталонного STP (стандартной температуры и давления) вместо фактической температуры и давления окружающей среды минимально, т.е. разница составляет всего лишь единицы индекса для озона.
Credits: Ozone visual recreated using Icon pack by Icons8 and taken from American Chemical Society.
