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 )
粒子状物質 (PM 2.5 ) とは異なり、地上のオゾンは直接放出されません。代わりに、次の図に示すように、窒素酸化物、揮発性有機化合物、太陽光、高温の存在下で起こる一連の化学反応を通じて生成されます。
この地上オゾンが健康に与える影響の定量化は、各国が定義する大気質指数基準によって行われます。興味深いのは、世界の半分がミリグラム測定に基づく標準を使用し、残りが ppb ベースの測定を使用していることです。しかし、これは本当に問題なのでしょうか?これがこの記事で見ていきます。
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米国 EPA のオゾン基準は ppm に基づいていますが、ヨーロッパの基準はミリグラムに基づいています。
そこで、私たちは当然のことながら、独自のO342M オゾン分析装置を開発しているヨーロッパの大手環境機器メーカーの 1 つであるEnvironnement SAに質問を絞りました (右の写真を参照)。
The O342M is both both certified by the US EPA and the EU (see specsheet), therefore able to provide measurement in both ppm and milligrams. Our question to Environnement S.A was 'How does your ozone analyser support both ppm and milligrams output? Is there any hardware difference for measurement? If not, is there any standard for the convertion?'.
オゾン測定原理
オゾン測定は、オゾン分子の UV 吸収を測定することからなる、広く知られている UV 吸収原理[2]に基づいています。オゾン濃度は、触媒コンバーターによる濾過後のガスサンプルとオゾンを含まないサンプルの UV 吸収の差によって決定されます。
このシステムでは、オゾン濃度は空気の体積あたりの光エネルギー量として測定され、そこから ppbv 単位の濃度が差し引かれます。このシステムの検出下限は 0.4 ppb (米国 EPA の 8 時間オゾン基準に基づく AQI 0.3 に相当) です。このシステムは質量そのものを測定しませんが、ppmv から mg/m 3に変換する標準的な方法があります。
大気汚染物質濃度の変換: ppmv から mg/m 3へ
まず、ppm（100万分の1 [3] ）とppb（10億分の1）は、「1 ppm = 1/10 6 = 10 -6 」および「1 ppb = 1/10 9 = 10 -9 」として定義されます。したがって、「1 ppm = 1000 ppb or 1 ppb = 10 -3 ppm」となります。
変換係数は、変換を行う温度 (米国では通常 25 ℃) と周囲の圧力によって異なります。周囲圧力が 1 気圧の場合、一般式は次のようになります。
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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]
例として、ガス状汚染物質 O 3 (オゾン) の場合、 20 ppmvのオゾンを「25 °C、 1 atmosphere at mg/m3」に変換するには、次の式が使用されます。
48.00 = `MW(O3)` = molecular weight of Ozone O3. ヨーロッパと米国の変換基準
周囲温度と大気圧の仮定は実際に標準化されており、米国、ヨーロッパ、または通常の条件について次の表にまとめられています。当社のO342M オゾン分析装置の場合、この係数は装置のオペレーターがユーザープログラム可能です。
| 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 |
注: 標準基準温度として 20°C が使用される理由を知りたい場合は、Ted Doiron の記事「20 °C—工業寸法測定の標準基準温度の短い歴史」を参照してください。
Ozone モニターに関して迅速かつ正確な回答をくださったEnvironnement SAの Serge に感謝します。同じ概念が二酸化窒素などの他のガスにも適用されることに注意してください (たとえばAS32M分析装置を使用する場合)。
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調査をもう少し進めるために、次の質問は、基準値の代わりに実際の温度と圧力が使用された場合、計算された大気質指数にどのような影響があるかということです。
周囲温度による影響
最後の質問は、気温変動が大気質指数に及ぼす影響を調べることです。
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、1 atm では、「120 mg/m^3」は 120/2.00、つまり60.0 ppmvに変換されます。したがって、これがオゾンセンサーによる実際の測定値であると仮定します。そこで問題は、夏の熱波で時々起こるように、周囲温度が最高 42°C に達した場合はどうなるのか、そのとき正しい質量はいくらになるでしょうか?変換式は次のとおりです。
$$c = { ppmv \times 12.187 \times MW \over 273.15 + t } = 111.37 $$
これにより、オゾン測定値は「8.6 mg/m^3」の差が生じます。 CAQI 標準を適用すると、対応する AQI は46.4になります (標準の 20°C 条件を使用した場合は50ですが)。実際、これは許容できる違いです。
周囲温度に応じた一般的な調整式を右のグラフにまとめます。 X 軸は周囲温度、Y 軸は基準温度 (20℃) の代わりに使用される実際の温度の計算された AQI です。
大気圧による影響
大気圧に関しては、変動は理想気体の法則(` PV = nRT `) によって定義されます。
値12.187は、実際には普遍気体法定数Rの逆数です。したがって、大気圧の影響を理解するには、次の式を使用できます。
言い換えれば、換算係数を現在の大気で割るだけで済みます。圧力pミリバール ( 1 atm = 1013.25 mb ) で表されると仮定すると、一般化された変換式は次のようになります。
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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.
結論
上記の説明は、オゾン測定値が異なる単位 ( ppmと `mg/m^3`) で提供される場合でも、測定値を `mg/m^3` から変換する標準的な方法があるため、実際には問題にはならないという最初の仮説を裏付けています。 ^3 to ppm`、またはその逆。さらに、実際の周囲温度と圧力の代わりに基準 STP (標準温度と圧力) を使用することによる影響は最小限であり、オゾンの差異は指数の単位だけです。
Credits: Ozone visual recreated using Icon pack by Icons8 and taken from American Chemical Society.
