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 )
Parçacıklı maddenin (PM 2,5 ) aksine, yer seviyesindeki Ozon doğrudan yayılmaz. Bunun yerine, aşağıdaki görselde gösterildiği gibi nitrojen oksitler, uçucu organik bileşikler, güneş ışığı ve yüksek sıcaklıklarda meydana gelen bir dizi kimyasal reaksiyonla üretilir:
Bu yer seviyesindeki Ozonun Sağlık üzerindeki etkisinin ölçülmesi, her ülkenin tanımladığı Hava Kalitesi Endeksi standardı aracılığıyla yapılır. İlginç olan dünyanın yarısı miligram ölçümüne dayalı bir standart kullanırken geri kalanı ppb tabanlı ölçüm kullanıyor. Ama bu gerçekten bir sorun mu? Bu makalede ele alacağımız şey budur.
--
Ozon için ABD EPA standardı ppm'yi, Avrupa standardı ise miligramı temel alır.
Bu nedenle sorumuzu doğal olarak Avrupa'nın önde gelen çevre ekipmanı üreticilerinden biri olan ve kendi O342M Ozon analizörünü geliştiren Environnement SA'ya yönelttik (sağdaki resme bakın).
O342M, hem ABD EPA hem de AB tarafından onaylanmıştır (bkz. teknik özellik sayfası ), dolayısıyla hem ppm hem de miligram cinsinden ölçüm sağlayabilir. Environnement SA'ya sorumuz şuydu: ' Ozon analizörünüz hem ppm hem de miligram çıktısını nasıl destekliyor? Ölçüm için herhangi bir donanım farkı var mı? Değilse, dönüşüm için herhangi bir standart var mı? '.
Ozon Ölçüm Prensipleri
Ozon ölçümü, ozon moleküllerinin UV absorpsiyonunun ölçülmesini içeren, evrensel olarak bilinen UV absorpsiyon prensibine [2] dayanmaktadır. Ozon konsantrasyonu, bir katalitik konvertör tarafından gerçekleştirilen filtreleme sonrasında gaz numunesinin UV absorpsiyonu ile ozonsuz numune arasındaki farkla belirlenir.
Bu sistemde Ozon konsantrasyonu, hava hacmi başına ışık enerjisi miktarı olarak ölçülür ve bundan ppbv cinsinden konsantrasyon çıkarılır. Bu sistem için tespit edilebilir alt sınır 0,4 ppb'dir (ABD EPA 8 saatlik Ozon standardına göre 0,3'lük AQI'ye karşılık gelir). Bu sistem kütleyi bu şekilde ölçmez ancak ppmv'den mg/ m3'e dönüştürme yapmanın standart bir yolu vardır.
Atmosferdeki Kirletici Konsantrasyonlarının Dönüştürülmesi: ppmv'den mg/ m3'e
Öncelikle ppm (milyonda parça [3] ) ve ppb (milyarda parça) '1 ppm = 1/10 6 = 10 -6 ' ve '1 ppb = 1/10 9 = 10 -9 ' olarak tanımlanır. Yani '1 ppm = 1000 ppb or 1 ppb = 10-3 ppm'.
Dönüşüm faktörü, dönüşümü istediğiniz sıcaklığa (ABD'de genellikle 25 santigrat derece) ve ortam basıncına bağlıdır. 1 atmosfer ortam basıncında genel denklem şu şekildedir:
-
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]
Örnek olarak, gaz halindeki kirletici O3 (ozon) için, 20 ppmv Ozonu 25 ° at ve 1 atmosphere "mg/m3"e dönüştürmek için aşağıdaki formül kullanılır:
48.00 = `MW(O3)` = molecular weight of Ozone O3. Avrupa ve ABD Dönüşüm Standartları
Ortam sıcaklığı ve atmosfer basıncına ilişkin varsayımlar aslında ABD, Avrupa veya normal koşullar için aşağıdaki tabloda standartlaştırılmış ve özetlenmiştir. O342M Ozon analizörlerimiz için bu katsayı, cihazın operatörü tarafından kullanıcı tarafından programlanabilir.
| 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 |
Not: Neden standart referans sıcaklığı olarak 20°C'nin kullanıldığını bilmek isteyenler için Ted Doiron'un "20°C—Endüstriyel boyut ölçümleri için standart referans sıcaklığının kısa geçmişi" başlıklı makalesine göz atabilirsiniz.
Ozon monitörleriyle ilgili hızlı ve kesin yanıt için Environnement SA'dan Serge'e çok teşekkürler. Aynı konseptin Azot Dioksit gibi diğer gazlar için de geçerli olduğunu unutmayın (örneğin AS32M analizörünü kullanarak).
--
Araştırmayı biraz daha ileri taşımak için bir sonraki soru, referans sıcaklık ve basınç yerine gerçek sıcaklık ve basınç kullanılırsa hesaplanan Hava Kalitesi Endeksi üzerindeki etkisi ne olur?
Ortam sıcaklığından kaynaklanan etki
Son soru, sıcaklık değişiminin Hava Kalitesi Endeksi üzerindeki etkisine bakmaktır.
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'de ve 1 atm'de "120 mg/m^3" 120/2,00'a, yani 60.0 ppmv dönüşür. Bunun Ozon sensöründen alınan gerçek ölçüm olduğunu varsayalım. O zaman soru şu: Bazen yazın sıcak hava dalgalarında olduğu gibi ortam sıcaklığı 42°C'ye kadar çıkıyorsa doğru kütle ne olurdu? Dönüşüm formülü şöyledir:
$$c = { ppmv \times 12.187 \times MW \over 273.15 + t } = 111.37 $$
Bu, ölçülen Ozonda "8,6 mg/m^3" tutarında bir farkla sonuçlanır. CAQI standardını uygularken karşılık gelen AQI 46.4 (standart 20°C koşulu kullanıldığında 50 yerine). Bu aslında kabul edilebilir bir fark.
Ortam sıcaklığına bağlı genelleştirilmiş ayar formülü sağdaki grafikte özetlenmiştir. X ekseni ortam sıcaklığıdır ve hesaplanan AQI olan y ekseni, referans sıcaklık (20°C) yerine gerçek sıcaklık kullanılır.
Atmosfer basıncından kaynaklanan etki
Atmosfer basıncıyla ilgili olarak, değişim İdeal Gaz Yasası (' PV = nRT ') ile tanımlanır.
12.187 değeri aslında Evrensel Gaz Yasası sabiti R tersidir. Dolayısıyla atmosferik basıncın etkisini anlamak için aşağıdaki formül kullanılabilir:
Başka bir deyişle, dönüşüm faktörünü mevcut atmosfere bölmek yeterlidir. Basınç p milibar ( 1 atm = 1013.25 mb ) cinsinden ifade edildiğini varsayarsak, genelleştirilmiş dönüşüm formülü şöyle olur:
-
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.
Sonuçlar
Yukarıdaki açıklamalar, Ozon okumalarının farklı birimlerle ( ppm ve 'mg/m^3') sağlanabileceği yönündeki ilk hipotezimizi doğrulamaktadır, bu aslında bir sorun değildir çünkü okumaları 'mg/m'den dönüştürmenin standart bir yolu vardır. ^3 to ppm` ve tam tersi. Ayrıca, gerçek ortam sıcaklığı ve basıncı yerine referans STP'yi (Standart Sıcaklık ve Basınç) kullanmanın etkisi minimum düzeydedir, yani Ozon için sadece İndeks birimleri farklıdır.
Credits: Ozone visual recreated using Icon pack by Icons8 and taken from American Chemical Society.
