Das Umgebungsozon , das als O 3 bezeichnet wird und auch als bodennahes oder troposphärisches Ozon bezeichnet wird, wirkt sich auf jeden Menschen auf der Erde aus, unabhängig vom Land, wie im Bild rechts dargestellt [1] .
(Attribution: WMO GAW research on reactive gases )
Im Gegensatz zu Feinstaub (PM 2,5 ) wird bodennahes Ozon nicht direkt emittiert. Stattdessen entsteht es durch eine Reihe chemischer Reaktionen, die in Gegenwart von Stickoxiden, flüchtigen organischen Verbindungen, Sonnenlicht und hohen Temperaturen ablaufen, wie in der folgenden Abbildung dargestellt:
Die Quantifizierung der Auswirkungen dieses bodennahen Ozons auf die Gesundheit erfolgt über den Luftqualitätsindex-Standard, den jedes Land definiert. Interessant ist, dass die Hälfte der Welt einen Standard verwendet, der auf der Milligramm-Messung basiert, während der Rest eine ppb-basierte Messung verwendet. Aber ist das wirklich ein Problem? Darauf werden wir uns in diesem Artikel konzentrieren.
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Der US-amerikanische EPA-Standard für Ozon basiert auf ppm, während der europäische auf Milligramm basiert.
Deshalb haben wir unsere Frage natürlich an Environnement SA gerichtet, einen der führenden europäischen Hersteller von Umweltausrüstung, der seinen eigenen Ozonanalysator O342M entwickelt (siehe Bild rechts).
Der O342M ist sowohl von der US-EPA als auch von der EU zertifiziert (siehe Datenblatt ) und kann daher Messungen sowohl in ppm als auch in Milligramm liefern. Unsere Frage an Environnement SA lautete: „ Wie unterstützt Ihr Ozonanalysator sowohl die ppm- als auch die Milligramm-Ausgabe?“ Gibt es Hardware-Unterschiede bei der Messung? Wenn nicht, gibt es einen Standard für die Konvertierung? '.
Prinzipien der Ozonmessung
Die Ozonmessung basiert auf dem allgemein bekannten UV-Absorptionsprinzip [2] , das darin besteht, die UV-Absorption von Ozonmolekülen zu messen. Die Ozonkonzentration wird durch die Differenz zwischen der UV-Absorption der Gasprobe und der Probe ohne Ozon nach der Filterung durch einen Katalysator bestimmt.
In diesem System wird die Ozonkonzentration als Lichtenergiemenge pro Luftvolumen gemessen, von der die Konzentration in ppbv abgezogen wird. Der untere Nachweisgrenzwert für dieses System liegt bei 0,4 ppb (entspricht einem AQI von 0,3, basierend auf dem 8-Stunden-Ozonstandard der US-amerikanischen EPA). Dieses System misst nicht die Masse als solche, es gibt jedoch eine Standardmethode für die Umrechnung von ppmv in mg/m 3 .
Umrechnung atmosphärischer Schadstoffkonzentrationen: von ppmv in mg/m 3
Erstens werden ppm (parts per million [3] ) und ppb (parts per billion) als „1 ppm = 1/10 6 = 10 -6 “ und „1 ppb = 1/10 9 = 10 -9 “ definiert. Also „1 ppm = 1000 ppb or 1 ppb = 10 -3 ppm“.
Der Umrechnungsfaktor hängt von der Temperatur ab, bei der die Umrechnung erfolgen soll (normalerweise 25 Grad Celsius in den USA), sowie vom Umgebungsdruck. Bei einem Umgebungsdruck von 1 Atmosphäre lautet die allgemeine Gleichung:
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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]
Um beispielsweise für den gasförmigen Schadstoff O 3 (Ozon) 20 ppmv Ozon in „mg/m3 at 25 °C“ und 1 atmosphere umzurechnen, wird die folgende Formel verwendet:
48.00 = `MW(O3)` = molecular weight of Ozone O3. Europäische und US-amerikanische Konvertierungsstandards
Die Annahme der Umgebungstemperatur und des atmosphärischen Drucks ist tatsächlich standardisiert und in der folgenden Tabelle für die USA, Europa oder normale Bedingungen zusammengefasst. Bei unseren Ozonanalysatoren O342M kann dieser Koeffizient vom Bediener des Geräts programmiert werden.
| 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 |
Hinweis: Wer wissen möchte, warum 20 °C als Standard-Referenztemperatur verwendet wird, kann den Artikel von Ted Doiron zum Thema „20 °C – Eine kurze Geschichte der Standard-Referenztemperatur für industrielle Dimensionsmessungen“ lesen.
Vielen Dank an Serge von Environnement SA für die schnelle und präzise Antwort zu den Ozone-Monitoren. Beachten Sie, dass das gleiche Konzept auch für andere Gase wie Stickstoffdioxid gilt (z. B. mit dem AS32M- Analysegerät).
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Um die Untersuchung noch etwas weiter voranzutreiben, lautet die nächste Frage: Welche Auswirkungen hätte es auf den berechneten Luftqualitätsindex, wenn die tatsächliche Temperatur und der tatsächliche Druck anstelle der Referenzwerte verwendet würden?
Einfluss durch Umgebungstemperatur
Die letzte Frage besteht darin, die Auswirkungen einer Temperaturschwankung auf den Luftqualitätsindex zu untersuchen.
Nehmen wir zum Beispiel an, dass ein Instrument über eine Stunde hinweg durchschnittlich „120 mg/m3“ Ozon misst, was einem AQI von 50 (Mittel) gemäß dem European Common Air Quality Index ( CAQI ) entspricht.
Bei 20 °C und 1 atm werden „120 mg/m^3“ in 120/2,00 umgerechnet, also 60.0 ppmv . Nehmen wir also an, dass dies die tatsächliche Messung des Ozonsensors ist. Die Frage ist dann: Was wäre dann die richtige Masse, wenn die Umgebungstemperatur einen Höchstwert von 42 °C erreichen würde, wie es bei sommerlichen Hitzewellen manchmal der Fall ist? Die Umrechnungsformel lautet:
$$c = { ppmv \times 12.187 \times MW \over 273.15 + t } = 111.37 $$
Daraus ergibt sich ein Unterschied von „8,6 mg/m^3“ des gemessenen Ozons. Bei Anwendung des CAQI-Standards beträgt der entsprechende AQI 46.4 (anstelle von 50 unter der Standardbedingung von 20 °C). Das ist tatsächlich ein akzeptabler Unterschied.
Die verallgemeinerte Anpassungsformel in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur ist in der Grafik rechts zusammengefasst. Die x-Achse ist die Umgebungstemperatur und die y-Achse ist der berechnete AQI, die tatsächliche Temperatur, die anstelle der Referenztemperatur (20 °C) verwendet werden würde.
Einwirkung durch atmosphärischen Druck
Was den atmosphärischen Druck betrifft, wird die Variation durch das ideale Gasgesetz („ PV = nRT “) definiert.
Der Wert 12.187 ist eigentlich die Umkehrung der Konstante R des universellen Gasgesetzes. Um den Einfluss des atmosphärischen Drucks zu verstehen, kann die folgende Formel verwendet werden:
Mit anderen Worten: Man muss lediglich den Umrechnungsfaktor durch die aktuelle Atmosphäre dividieren. Unter der Annahme, dass der Druck p in Millibar ( 1 atm = 1013.25 mb ) ausgedrückt wird, lautet die verallgemeinerte Umrechnungsformel:
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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.
Schlussfolgerungen
Die obigen Erläuterungen bestätigen unsere ursprüngliche Hypothese, dass die Ozonwerte zwar in unterschiedlichen Einheiten angegeben werden können ( ppm und „mg/m^3“), dies aber eigentlich kein Problem darstellt, da es eine Standardmethode zur Umrechnung der Messwerte von „mg/m“ gibt ^3 to ppm` und umgekehrt. Darüber hinaus ist die Auswirkung der Verwendung des Referenz-STP (Standardtemperatur und -druck) anstelle der tatsächlichen Umgebungstemperatur und des tatsächlichen Umgebungsdrucks minimal, dh es handelt sich lediglich um Indexeinheiten als Differenz für das Ozon.
Credits: Ozone visual recreated using Icon pack by Icons8 and taken from American Chemical Society.
