L' ozone ambiant, appelé O 3 et également appelé ozone troposphérique ou troposphérique, a un impact sur toute la planète, quel que soit le pays, comme le montre l'image de droite [1] .
(Attribution: WMO GAW research on reactive gases )
Contrairement aux particules (PM 2,5 ), l'ozone troposphérique n'est pas émis directement. Il est plutôt produit par une série de réactions chimiques qui se produisent en présence d'oxydes d'azote, de composés organiques volatils, de la lumière du soleil et de températures élevées, comme le montre le visuel suivant :
La quantification de l'impact de cet ozone troposphérique sur la santé se fait via la norme d'indice de qualité de l'air que définit chaque pays. Ce qui est intéressant, c’est que la moitié du monde utilise une norme basée sur la mesure en milligrammes, tandis que le reste utilise une mesure basée sur le ppb. Mais est-ce vraiment un problème ? C’est ce que nous allons examiner dans cet article.
--
La norme américaine EPA pour l'ozone est basée sur les ppm, tandis que la norme européenne est basée sur les milligrammes.
Nous avons donc naturellement adressé notre question à Environnement SA , l'un des principaux fabricants européens d'équipements environnementaux, qui développe son propre analyseur d'ozone O342M (voir photo de droite).
L'O342M est à la fois certifié par l'EPA des États-Unis et par l'UE (voir fiche technique ), et est donc capable de fournir des mesures en ppm et en milligrammes. Notre question à Environnement SA était : « Comment votre analyseur d'ozone prend-il en charge les sorties en ppm et en milligrammes ? Y a-t-il une différence matérielle pour la mesure ? Si non, existe-t-il une norme pour la conversion ? '.
Principes de mesure de l'ozone
La mesure de l'ozone est basée sur le principe universellement connu de l'absorption UV [2] , qui consiste à mesurer l'absorption UV des molécules d'ozone. La concentration d'ozone est déterminée par la différence entre l'absorption UV de l'échantillon de gaz et l'échantillon sans ozone après filtration effectuée par un convertisseur catalytique.
Dans ce système, la concentration d'ozone est mesurée comme une quantité d'énergie lumineuse par volume d'air, de laquelle est déduite la concentration en ppbv. La limite inférieure détectable pour ce système est de 0,4 ppb (correspondant à un AQI de 0,3, basé sur la norme d'ozone de 8 heures de l'EPA des États-Unis). Ce système ne mesure pas la masse en tant que telle, mais il existe une méthode standard pour effectuer la conversion de ppmv en mg/m 3 .
Conversion des concentrations de polluants atmosphériques : de ppmv à mg/m 3
Premièrement, les ppm (parties par million [3] ) et les ppb (parties par milliard) sont définis comme « 1 ppm = 1/10 6 = 10 -6 » et « 1 ppb = 1/10 9 = 10 -9 ». Donc « 1 ppm = 1 000 ppb or 1 ppb = 10 -3 ppm ».
Le facteur de conversion dépend de la température à laquelle vous souhaitez la conversion (généralement 25 degrés Celsius aux États-Unis), ainsi que de la pression ambiante. À une pression ambiante de 1 atmosphère, l’équation générale est :
-
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]
À titre d'exemple, pour le polluant gazeux O 3 (ozone), pour convertir 20 ppmv d'ozone en « mg/m3 at 25 °C » et 1 atmosphere , la formule suivante est utilisée :
48.00 = `MW(O3)` = molecular weight of Ozone O3. Normes de conversion européennes et américaines
L'hypothèse sur la température ambiante et la pression atmosphérique est en fait standardisée et résumée dans le tableau suivant pour les États-Unis, l'Europe ou des conditions normales. Pour nos analyseurs d'ozone O342M , ce coefficient est programmable par l'utilisateur de l'instrument.
| 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 |
Remarque : Pour ceux qui souhaitent savoir pourquoi 20 °C est utilisée comme température de référence standard, vous pouvez consulter l'article de Ted Doiron sur « 20 °C — Un bref historique de la température de référence standard pour les mesures dimensionnelles industrielles ».
Un grand merci à Serge d' Environnement SA pour la réponse rapide et précise sur les moniteurs d'Ozone. A noter que le même concept s'applique également à d'autres gaz comme le dioxyde d'azote (par exemple en utilisant l'analyseur AS32M ).
--
Pour pousser l'enquête un peu plus loin, la question suivante est de savoir quel serait l'impact sur l'indice de qualité de l'air calculé si la température et la pression réelles étaient utilisées au lieu de celles de référence ?
Impact de la température ambiante
La dernière question est de regarder l’impact d’une variation de température sur l’indice de qualité de l’air.
Par exemple, supposons qu'un instrument mesure une moyenne de « 120 mg/m3 » d'ozone sur 1 heure, ce qui correspond à un AQI de 50 (moyen) selon l'indice européen commun de qualité de l'air ( CAQI ).
À 20°C et 1 atm, « 120 mg/m^3 » se transforme en 120/2,00, soit 60.0 ppmv . Supposons donc qu'il s'agisse de la mesure réelle du capteur d'ozone. La question est alors : et si la température ambiante culminait à 42°C, comme cela arrive parfois lors des canicules estivales, quelle serait alors la masse correcte ? La formule de conversion est :
$$c = { ppmv \times 12.187 \times MW \over 273.15 + t } = 111.37 $$
Cela se traduit par une différence de « 8,6 mg/m^3 » d’ozone mesuré. En appliquant la norme CAQI, l’AQI correspondant est 46.4 (au lieu de 50 en utilisant la condition standard de 20°C). C'est en fait une différence acceptable.
La formule d'ajustement généralisée en fonction de la température ambiante est résumée avec le graphique de droite. L'axe des x est la température ambiante, et sur l'axe des y, l'AQI calculé est la température réelle qui serait utilisée à la place de celle de référence (20 °C).
Impact de la pression atmosphérique
En ce qui concerne la pression atmosphérique, la varation est définie par la loi des gaz parfaits (` PV = nRT `).
La valeur 12.187 est en fait l'inverse de la constante de la loi universelle des gaz R . Ainsi, pour comprendre l’impact de la pression atmosphérique, la formule suivante peut être utilisée :
En d’autres termes, il suffit de diviser le facteur de conversion par l’atmosphère actuelle. En supposant que la pression p est exprimée en millibars ( 1 atm = 1013.25 mb ), la formule de conversion généralisée devient :
-
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.
Conclusions
Les explications ci-dessus confirment notre hypothèse initiale selon laquelle même si les lectures d'ozone peuvent être fournies avec différentes unités ( ppm et `mg/m^3`), ce n'est en fait pas un problème puisqu'il existe un moyen standard de convertir les lectures de `mg/m ^3 to ppm` et vice versa. De plus, l'impact de l'utilisation de la référence STP (Standard Temperature & Pressure) au lieu de la température et de la pression ambiantes réelles est minime, c'est-à-dire juste des unités d'indice de différence pour l'ozone.
Credits: Ozone visual recreated using Icon pack by Icons8 and taken from American Chemical Society.
