يؤثر الأوزون المحيط، والمشار إليه بـ O 3 ويسمى أيضًا الأوزون الأرضي أو التروبوسفيري ، على كل شخص على وجه الأرض بغض النظر عن البلد، كما هو موضح في الصورة على اليمين [1] .
(Attribution: WMO GAW research on reactive gases )
على عكس الجسيمات (PM 2.5 )، لا ينبعث الأوزون الموجود على مستوى الأرض مباشرة. بل يتم إنتاجه من خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية التي تحدث بوجود أكاسيد النيتروجين والمركبات العضوية المتطايرة وأشعة الشمس ودرجات الحرارة المرتفعة، كما هو موضح في الصورة التالية:
يتم قياس تأثير هذا المستوى الأرضي من الأوزون على الصحة من خلال معيار مؤشر جودة الهواء الذي تحدده كل دولة. المثير للاهتمام هو أن نصف العالم يستخدم معيارًا يعتمد على قياس الملليجرامات، بينما يستخدم الباقي قياسًا يعتمد على جزء في البليون. ولكن هل هذه مشكلة حقًا؟ وهذا ما سننظر إليه في هذا المقال.
--
يعتمد معيار وكالة حماية البيئة الأمريكية للأوزون على جزء في المليون، بينما يعتمد المعيار الأوروبي على الملليجرام.
لذلك، وجهنا سؤالنا بطبيعة الحال إلى شركة Environnement SA ، إحدى الشركات الأوروبية الرائدة في مجال تصنيع المعدات البيئية، والتي تطور محلل الأوزون O342M الخاص بها (انظر الصورة على اليمين).
تم اعتماد O342M من قبل وكالة حماية البيئة الأمريكية والاتحاد الأوروبي (انظر جدول المواصفات )، وبالتالي فهو قادر على توفير القياس بكل من جزء في المليون والمليجرام. كان سؤالنا لشركة Environnement SA هو " كيف يدعم محلل الأوزون لديك كلاً من جزء في المليون ومليجرام من الإخراج؟" هل هناك أي فرق في الأجهزة للقياس؟ إذا لم يكن الأمر كذلك، فهل هناك أي معيار للتحويل؟ '.
مبادئ قياس الأوزون
يعتمد قياس الأوزون على مبدأ امتصاص الأشعة فوق البنفسجية المعروف عالميًا [2] ، والذي يتمثل في قياس امتصاص الأشعة فوق البنفسجية لجزيئات الأوزون. يتم تحديد تركيز الأوزون عن طريق الفرق بين امتصاص الأشعة فوق البنفسجية لعينة الغاز والعينة بدون الأوزون بعد الترشيح الذي يتم إجراؤه بواسطة المحول الحفاز.
في هذا النظام، يتم قياس تركيز الأوزون على أنه مقدار الطاقة الضوئية لكل حجم من الهواء، والتي يتم خصم التركيز منها بـ ppbv. الحد الأدنى القابل للاكتشاف لهذا النظام هو 0.4 جزء في البليون (المقابلة لمؤشر جودة الهواء البالغ 0.3، استنادًا إلى معيار الأوزون لمدة 8 ساعات لوكالة حماية البيئة الأمريكية). لا يقيس هذا النظام الكتلة في حد ذاتها، ولكن هناك طريقة قياسية لإجراء التحويل من جزء في المليون إلى ملجم/م 3 .
تحويل تركيزات الملوثات الجوية: من جزء في المليون إلى ملجم/م 3
أولاً، يتم تعريف جزء في المليون (جزء في المليون [3] ) وجزء في المليون (جزء في المليار) على أنهما `1 جزء في المليون = 1/10 6 = 10 -6` و`1 جزء في المليون = 1/10 9 = 10 -9` . إذن 1 جزء في المليون = 1000 جزء في المليون or 1 جزء في المليون = 10 -3 جزء في المليون.
يعتمد عامل التحويل على درجة الحرارة التي تريد التحويل عندها (عادةً 25 درجة مئوية في الولايات المتحدة)، بالإضافة إلى الضغط المحيط. عند ضغط جوي واحد، المعادلة العامة هي:
-
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]
على سبيل المثال، بالنسبة للملوثات الغازية O 3 (الأوزون)، لتحويل 20 ppmv من الأوزون إلى "ملجم/م3 at 25 درجة مئوية" و 1 atmosphere ، يتم استخدام الصيغة التالية:
48.00 = `MW(O3)` = molecular weight of Ozone O3. معايير التحويل الأوروبية والأمريكية
إن الافتراض الخاص بدرجة الحرارة المحيطة والضغط الجوي تم توحيده فعليًا وتلخيصه في الجدول التالي بالنسبة للولايات المتحدة أو أوروبا أو الظروف العادية. بالنسبة لمحللات الأوزون O342M الخاصة بنا، فإن هذا المعامل قابل للبرمجة بواسطة مستخدم الجهاز.
| 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 |
ملحوظة: بالنسبة للمهتمين بمعرفة سبب استخدام 20 درجة مئوية كدرجة حرارة مرجعية قياسية، يمكنك مراجعة مقالة تيد دويرون حول "20 درجة مئوية - تاريخ قصير لدرجة الحرارة المرجعية القياسية لقياسات الأبعاد الصناعية".
شكرًا جزيلاً لسيرج من شركة Environnement SA على الإجابة السريعة والدقيقة بشأن أجهزة مراقبة الأوزون. لاحظ أن نفس المفهوم ينطبق أيضًا على الغازات الأخرى مثل ثاني أكسيد النيتروجين (على سبيل المثال باستخدام محلل AS32M ).
--
ولدفع التحقيق إلى أبعد من ذلك، فإن السؤال التالي هو ما هو التأثير على مؤشر جودة الهواء المحسوب إذا تم استخدام درجة الحرارة والضغط الفعليين بدلاً من المؤشر المرجعي؟
التأثير من درجة الحرارة المحيطة
السؤال الأخير هو النظر في تأثير تغير درجات الحرارة على مؤشر جودة الهواء.
على سبيل المثال، لنفترض أن أحد الأجهزة يقوم بقياس متوسط "120 ملجم/م3" من الأوزون خلال ساعة واحدة، وهو ما يتوافق مع مؤشر جودة الهواء AQI البالغ 50 (متوسط) وفقًا للمؤشر الأوروبي المشترك لجودة الهواء ( CAQI ).
عند 20 درجة مئوية و1 ضغط جوي، يتحول `120 مجم/م^3` إلى 120/2.00، أي 60.0 ppmv . فلنفترض أن هذا هو القياس الفعلي من مستشعر الأوزون. والسؤال إذن هو، ماذا لو بلغت درجة الحرارة المحيطة ذروتها إلى 42 درجة مئوية، كما يحدث أحيانًا أثناء موجات الحر في الصيف، فما هي الكتلة الصحيحة؟ صيغة التحويل هي:
$$c = { ppmv \times 12.187 \times MW \over 273.15 + t } = 111.37 $$
وينتج عن ذلك اختلاف قدره `8.6 ملجم/م^3` من الأوزون المقاس. عند تطبيق معيار CAQI، يكون مؤشر جودة الهواء المقابل 46.4 (بدلاً من 50 باستخدام الشرط القياسي 20 درجة مئوية). وهذا في الواقع فرق مقبول.
يتم تلخيص صيغة التعديل المعممة اعتمادًا على درجة الحرارة المحيطة بالرسم البياني الموجود على اليمين. المحور السيني هو درجة الحرارة المحيطة، والمحور الصادي الذي يشير إليه مؤشر جودة الهواء (AQI) المحسوب هو درجة الحرارة الفعلية التي سيتم استخدامها بدلاً من درجة الحرارة المرجعية (20 درجة مئوية).
التأثير من الضغط الجوي
فيما يتعلق بالضغط الجوي، يتم تحديد التباين بواسطة قانون الغاز المثالي (` PV = nRT` ).
القيمة 12.187 هي في الواقع معكوس ثابت قانون الغاز العالمي R . لذا، لفهم تأثير الضغط الجوي، يمكن استخدام الصيغة التالية:
وبعبارة أخرى، يحتاج المرء فقط إلى تقسيم عامل التحويل على الغلاف الجوي الحالي. بافتراض أن الضغط p يتم التعبير عنه بالميليبار ( 1 atm = 1013.25 mb )، تصبح صيغة التحويل المعممة:
-
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.
الاستنتاجات
تؤكد التفسيرات المذكورة أعلاه فرضيتنا الأولية القائلة بأنه على الرغم من إمكانية توفير قراءات الأوزون بوحدات مختلفة ( ppm و"ملجم/م^3")، فإن هذا لا يمثل مشكلة في الواقع نظرًا لوجود طريقة قياسية لتحويل القراءات من "ملجم/م3" ^3 to جزء في المليون والعكس بالعكس. علاوة على ذلك، فإن تأثير استخدام المرجع STP (درجة الحرارة والضغط القياسي) بدلاً من درجة الحرارة والضغط المحيطين الفعليين يكون ضئيلًا، أي مجرد وحدات من المؤشر في الفرق بالنسبة للأوزون.
Credits: Ozone visual recreated using Icon pack by Icons8 and taken from American Chemical Society.
