โอโซน โดยรอบ หรือที่เรียกว่า O 3 หรือที่เรียกว่าโอโซนระดับพื้นดินหรือ โทรโพสเฟียร์ ส่งผลกระทบต่อทุกคนบนโลกโดยไม่คำนึงถึงประเทศ ดังที่แสดงในภาพด้านขวา [1]
(Attribution: WMO GAW research on reactive gases )
ต่างจากฝุ่นละออง (PM 2.5 ) ตรงที่โอโซนระดับพื้นดินไม่ได้ถูกปล่อยออกมาโดยตรง แต่กลับถูกผลิตขึ้นผ่านปฏิกิริยาเคมีชุดหนึ่งที่เกิดขึ้นต่อหน้าไนโตรเจนออกไซด์ สารประกอบอินทรีย์ระเหยง่าย แสงแดด และอุณหภูมิสูง ดังที่แสดงในภาพต่อไปนี้:
การวัดผลกระทบของโอโซนต่อสุขภาพในระดับพื้นดินนั้นดำเนินการผ่านมาตรฐานดัชนีคุณภาพอากาศที่แต่ละประเทศกำหนด สิ่งที่น่าสนใจคือครึ่งหนึ่งของโลกใช้มาตรฐานที่วัดจากหน่วยมิลลิกรัม ในขณะที่ส่วนที่เหลือใช้การวัดจาก ppb แต่นี่เป็นปัญหาจริงๆเหรอ? นี่คือสิ่งที่เราจะดูในบทความนี้
--
มาตรฐาน EPA ของสหรัฐอเมริกาสำหรับโอโซนจะขึ้นอยู่กับ ppm ในขณะที่มาตรฐานของยุโรปจะขึ้นอยู่กับมิลลิกรัม
ดังนั้นเราจึงตั้งคำถามของเราไปที่ Environnement SA ซึ่งเป็นหนึ่งในผู้ผลิตอุปกรณ์ด้านสิ่งแวดล้อมชั้นนำของยุโรป ซึ่งเป็นผู้พัฒนา เครื่องวิเคราะห์โอโซน O342M ของตัวเอง (ดูภาพด้านขวา)
O342M ได้รับการรับรองทั้งจาก US EPA และ EU (ดู เอกสารข้อมูลจำเพาะ ) จึงสามารถตรวจวัดได้ทั้ง ppm และมิลลิกรัม คำถามของเราต่อ Environnement SA คือ ' เครื่องวิเคราะห์โอโซนของคุณรองรับเอาต์พุตทั้ง ppm และมิลลิกรัมได้อย่างไร มีความแตกต่างด้านฮาร์ดแวร์สำหรับการวัดหรือไม่? ถ้าไม่ มีมาตรฐานในการแปลงหรือไม่? '.
หลักการตรวจวัดโอโซน
การตรวจวัดโอโซนขึ้นอยู่กับหลักการดูดกลืนรังสียูวีที่เป็นที่รู้จักในระดับสากล [2] ซึ่งประกอบด้วยการวัดการดูดกลืนรังสียูวีของโมเลกุลโอโซน ความเข้มข้นของโอโซนถูกกำหนดโดยความแตกต่างระหว่างการดูดซับรังสียูวีของตัวอย่างก๊าซและตัวอย่างที่ไม่มีโอโซน หลังจากการกรองที่ดำเนินการโดยเครื่องฟอกไอเสียแบบเร่งปฏิกิริยา
ในระบบนี้ ความเข้มข้นของโอโซนจะวัดเป็นปริมาณพลังงานแสงต่อปริมาตรอากาศ ซึ่งความเข้มข้นในหน่วย ppbv จะถูกหักออกไป ขีดจำกัดต่ำสุดที่ตรวจพบได้สำหรับระบบนี้คือ 0.4 ppb (สอดคล้องกับ AQI ที่ 0.3 ตามมาตรฐานโอโซน 8 ชั่วโมงของ EPA ของสหรัฐอเมริกา) ระบบนี้ไม่ได้วัดมวลเช่นนี้ แต่มีวิธีมาตรฐานในการแปลงจาก ppmv เป็น mg/ m3
การแปลงความเข้มข้นของสารมลพิษในบรรยากาศ: จาก ppmv เป็น mg/ m3
อันดับแรก ppm (ส่วนในล้านส่วน [3] ) และ ppb (ส่วนในพันล้านส่วน) ถูกกำหนดเป็น `1 ppm = 1/10 6 = 10 -6 ` และ `1 ppb = 1/10 9 = 10 -9 ` ดังนั้น `1 ppm = 1,000 ppb or 1 ppb = 10 -3 ppm`
ปัจจัยการแปลงจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่คุณต้องการแปลง (โดยปกติในสหรัฐอเมริกาคือ 25 องศาเซนติเกรด) รวมถึงความดันบรรยากาศด้วย ที่ความดันบรรยากาศ 1 บรรยากาศ สมการทั่วไปคือ:
-
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]
ตัวอย่างเช่น สำหรับมลพิษที่เป็นก๊าซ O 3 (โอโซน) ในการแปลงโอโซน 20 ppmv เป็น `มก./ลบ.ม. at 25 °C` และ 1 atmosphere จะใช้สูตรต่อไปนี้:
48.00 = `MW(O3)` = molecular weight of Ozone O3. มาตรฐานการแปลงของยุโรปและสหรัฐอเมริกา
สมมติฐานเกี่ยวกับอุณหภูมิโดยรอบและความดันบรรยากาศเป็นจริงและสรุปไว้ในตารางต่อไปนี้สำหรับสหรัฐอเมริกา ยุโรป หรือสภาวะปกติ สำหรับเครื่องวิเคราะห์ โอโซน O342M ของเรา ค่าสัมประสิทธิ์นี้สามารถตั้งโปรแกรมโดยผู้ใช้โดยผู้ปฏิบัติงานของเครื่องมือ
| 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 |
หมายเหตุ: สำหรับผู้ที่สนใจทราบว่าเหตุใดจึงใช้ 20°C เป็นอุณหภูมิอ้างอิงมาตรฐาน คุณสามารถดู บทความ ของ Ted Doiron ในหัวข้อ "20 °C—ประวัติโดยย่อของอุณหภูมิอ้างอิงมาตรฐานสำหรับการวัดขนาดทางอุตสาหกรรม"
ขอขอบคุณ Serge จาก Environnement SA สำหรับคำตอบที่รวดเร็วและแม่นยำเกี่ยวกับเครื่องตรวจวัดโอโซน โปรดทราบว่าแนวคิดเดียวกันนี้ยังใช้กับก๊าซอื่นๆ เช่น ไนโตรเจนไดออกไซด์ (เช่น การใช้เครื่องวิเคราะห์ AS32M )
--
เพื่อผลักดันการตรวจสอบเพิ่มเติมอีกเล็กน้อย คำถามถัดไปคืออะไรจะส่งผลกระทบต่อดัชนีคุณภาพอากาศที่คำนวณไว้ หากจะใช้อุณหภูมิและความดันจริงแทนค่าอ้างอิง
ผลกระทบจากอุณหภูมิโดยรอบ
คำถามสุดท้ายคือการดูผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่มีต่อดัชนีคุณภาพอากาศ
ตัวอย่างเช่น สมมติว่าเครื่องมือวัดโอโซนเฉลี่ย `120 มก./ลบ.ม. ในเวลา 1 ชั่วโมง ซึ่งสอดคล้องกับ AQI ที่ 50 (ปานกลาง) ตามดัชนีคุณภาพอากาศทั่วไปของยุโรป ( CAQI )
ที่อุณหภูมิ 20°C และ 1 atm `120 mg/m^3` จะแปลงเป็น 120/2.00 เช่น 60.0 ppmv สมมติว่านี่คือการวัดจริงจากเซ็นเซอร์โอโซน คำถามก็คือ จะเกิดอะไรขึ้นหากอุณหภูมิโดยรอบสูงถึง 42°C ซึ่งบางครั้งเกิดขึ้นในช่วงคลื่นความร้อนในฤดูร้อน แล้วมวลที่ถูกต้องจะเป็นเท่าใด สูตรการแปลงคือ:
$$c = { ppmv \times 12.187 \times MW \over 273.15 + t } = 111.37 $$
ซึ่งส่งผลให้เกิดความแตกต่าง `8.6 มก./ม.^3` ของโอโซนที่วัดได้ เมื่อใช้มาตรฐาน CAQI ค่า AQI ที่สอดคล้องกันคือ 46.4 (แทนที่จะเป็น 50 โดยใช้เงื่อนไขมาตรฐาน 20°C) นี่เป็นความแตกต่างที่ยอมรับได้จริงๆ
สูตรการปรับทั่วไปซึ่งขึ้นอยู่กับอุณหภูมิโดยรอบจะถูกสรุปด้วยกราฟทางด้านขวา แกน x คืออุณหภูมิแวดล้อม และแกน y ที่เป็น AQI ที่คำนวณได้คืออุณหภูมิจริงที่จะถูกนำมาใช้แทนอุณหภูมิอ้างอิง (20°C)
ผลกระทบจากความกดอากาศ
ในส่วนของความดันบรรยากาศ ความแปรผันถูกกำหนดโดย กฎก๊าซในอุดมคติ (` PV = nRT `)
จริงๆ แล้วค่า 12.187 คือค่าผกผันของค่าคงที่กฎแก๊สสากล R ดังนั้น เพื่อให้เข้าใจถึงผลกระทบของความดันบรรยากาศ จึงสามารถใช้สูตรต่อไปนี้ได้
กล่าวอีกนัยหนึ่ง คุณเพียงแค่ต้องหารปัจจัยการแปลงด้วยบรรยากาศปัจจุบัน สมมติว่าความดัน p แสดงเป็นมิลลิบาร์ ( 1 atm = 1013.25 mb ) สูตรการแปลงทั่วไปจะกลายเป็น:
-
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.
ข้อสรุป
คำอธิบายข้างต้นยืนยันสมมติฐานเบื้องต้นของเราว่า แม้ว่าการอ่านค่าโอโซนจะมีหน่วยต่างกัน ( ppm และ `mg/m^3`) แต่ก็ไม่เป็นปัญหาแต่อย่างใด เนื่องจากมีวิธีมาตรฐานในการแปลงค่าที่อ่านได้จาก `mg/m2 ^3 to ppm` และในทางกลับกัน นอกจากนี้ ผลกระทบของการใช้ STP อ้างอิง (อุณหภูมิและความดันมาตรฐาน) แทนอุณหภูมิและความดันโดยรอบที่เกิดขึ้นจริงนั้นมีน้อยมาก กล่าวคือ มีเพียงหน่วยดัชนีที่ต่างกันสำหรับโอโซน
Credits: Ozone visual recreated using Icon pack by Icons8 and taken from American Chemical Society.
