Ozon otaczający, określany jako O 3 i nazywany także ozonem przyziemnym lub troposferycznym , wpływa na wszystkich ludzi na Ziemi, niezależnie od kraju, jak pokazano na obrazku po prawej stronie [1] .
(Attribution: WMO GAW research on reactive gases )
W przeciwieństwie do cząstek stałych (PM 2,5 ), ozon przyziemny nie jest emitowany bezpośrednio. Zamiast tego jest wytwarzany w wyniku szeregu reakcji chemicznych zachodzących w obecności tlenków azotu, lotnych związków organicznych, światła słonecznego i wysokich temperatur, jak pokazano na poniższej grafice:
Ilościowego wpływu ozonu przyziemnego na zdrowie dokonuje się za pomocą standardu wskaźnika jakości powietrza, który określa każdy kraj. Co ciekawe, połowa świata stosuje standard oparty na pomiarze w miligramach, a reszta na pomiarze w ppb. Ale czy to naprawdę jest problem? Właśnie temu przyjrzymy się w tym artykule.
--
Norma amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska (EPA) dotycząca ozonu opiera się na ppm, a europejska na miligramach.
Zatem naturalnie skierowaliśmy nasze pytanie do Environnement SA , jednego z wiodących europejskich producentów sprzętu ochrony środowiska, który opracowuje własny analizator ozonu O342M (patrz zdjęcie po prawej).
O342M posiada certyfikaty amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska (EPA) i UE (patrz arkusz danych technicznych ), dzięki czemu może dokonywać pomiarów zarówno w ppm, jak i miligramach. Nasze pytanie do Environnement SA brzmiało: W jaki sposób Państwa analizator ozonu obsługuje zarówno pomiary w ppm, jak i w miligramach? Czy jest jakaś różnica sprzętowa do pomiaru? Jeśli nie, czy istnieje jakiś standard konwersji? '.
Zasady pomiaru ozonu
Pomiar ozonu opiera się na powszechnie znanej zasadzie absorpcji UV [2] , która polega na pomiarze absorpcji UV przez cząsteczki ozonu. Stężenie ozonu określa się na podstawie różnicy pomiędzy absorpcją UV próbki gazu i próbki bez ozonu po filtracji przeprowadzonej przez katalizator.
W tym systemie stężenie ozonu mierzy się jako ilość energii świetlnej na objętość powietrza, od której odejmuje się stężenie w ppbv. Dolna wykrywalna granica dla tego systemu wynosi 0,4 ppb (co odpowiada AQI wynoszącemu 0,3 w oparciu o standard amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska (EPA) dotyczący 8-godzinnego ozonu. System ten nie mierzy masy jako takiej, ale istnieje standardowy sposób przeliczania ppmv na mg/m 3 .
Przeliczanie stężeń substancji zanieczyszczających atmosferę: z ppmv na mg/m 3
Po pierwsze, ppm (części na milion [3] ) i ppb (części na miliard) definiuje się jako „1 ppm = 1/10 6 = 10 -6 ” i „1 ppb = 1/10 9 = 10 -9 ”. Zatem `1 ppm = 1000 ppb or 1 ppb = 10 -3 ppm`.
Współczynnik konwersji zależy od temperatury, w której chcesz przeprowadzić konwersję (zwykle 25 stopni Celsjusza w USA), a także od ciśnienia otoczenia. Przy ciśnieniu otoczenia wynoszącym 1 atmosferę ogólne równanie wygląda następująco:
-
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]
Na przykład w przypadku gazowej substancji zanieczyszczającej O 3 (ozon) w celu przeliczenia 20 ppmv ozonu na „mg/m3 at 25 °C” i 1 atmosphere stosuje się następujący wzór:
48.00 = `MW(O3)` = molecular weight of Ozone O3. Europejskie i amerykańskie standardy konwersji
Założenia dotyczące temperatury otoczenia i ciśnienia atmosferycznego są w rzeczywistości ustandaryzowane i podsumowane w poniższej tabeli dla warunków amerykańskich, europejskich i normalnych. W przypadku naszych analizatorów ozonu O342M współczynnik ten może być programowany przez operatora urządzenia.
| 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 |
Uwaga: dla tych, którzy chcą wiedzieć, dlaczego 20°C jest używaną jako standardowa temperatura odniesienia, można zapoznać się z artykułem Teda Doirona pt. „20°C — krótka historia standardowej temperatury odniesienia w przemysłowych pomiarach wymiarowych”.
Wielkie dzięki dla Serge'a z Environnement SA za szybką i precyzyjną odpowiedź w sprawie monitorów ozonu. Należy zauważyć, że tę samą koncepcję stosuje się również do innych gazów, takich jak dwutlenek azotu (na przykład przy użyciu analizatora AS32M ).
--
Aby posunąć badanie nieco dalej, następne pytanie brzmi: jaki byłby wpływ na obliczony wskaźnik jakości powietrza, gdyby zamiast wartości odniesienia zastosowano rzeczywistą temperaturę i ciśnienie?
Wpływ temperatury otoczenia
Ostatnie pytanie dotyczy wpływu zmian temperatury na wskaźnik jakości powietrza.
Załóżmy na przykład, że przyrząd mierzy średnio „120 mg/m3” ozonu w ciągu 1 godziny, co odpowiada AQI wynoszącemu 50 (średni) zgodnie ze wspólnym europejskim wskaźnikiem jakości powietrza ( CAQI ).
W temperaturze 20°C i pod ciśnieniem 1 atmosfery „120 mg/m^3” przekształca się w 120/2,00, tj. 60.0 ppmv . Załóżmy więc, że jest to rzeczywisty pomiar z czujnika ozonu. Pytanie brzmi: co by było, gdyby temperatura otoczenia osiągnęła szczyt 42°C, jak to czasem się zdarza podczas letnich fal upałów, to jaka byłaby prawidłowa masa? Formuła konwersji to:
$$c = { ppmv \times 12.187 \times MW \over 273.15 + t } = 111.37 $$
Daje to różnicę `8,6 mg/m^3` mierzonego ozonu. Przy zastosowaniu standardu CAQI odpowiedni wskaźnik AQI wynosi 46.4 (zamiast 50 przy standardowych warunkach 20°C). To właściwie akceptowalna różnica.
Uogólniony wzór regulacji w zależności od temperatury otoczenia podsumowano wykresem po prawej stronie. Oś x to temperatura otoczenia, a oś y obliczonego AQI to rzeczywista temperatura, która zostanie zastosowana zamiast temperatury odniesienia (20°C).
Wpływ ciśnienia atmosferycznego
Jeśli chodzi o ciśnienie atmosferyczne, zmienność jest określona przez prawo gazu doskonałego („ PV = nRT ”).
Wartość 12.187 jest w rzeczywistości odwrotnością stałej uniwersalnego prawa gazu R . Aby więc zrozumieć wpływ ciśnienia atmosferycznego, można zastosować następujący wzór:
Innymi słowy, wystarczy podzielić współczynnik przeliczeniowy przez obecną atmosferę. Zakładając, że ciśnienie p jest wyrażone w milibarach ( 1 atm = 1013.25 mb ), uogólniony wzór przeliczeniowy wygląda następująco:
-
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.
Wnioski
Powyższe wyjaśnienia potwierdzają naszą początkową hipotezę, że chociaż odczyty ozonu mogą być podawane w różnych jednostkach ( ppm i `mg/m^3`), w rzeczywistości nie stanowi to problemu, ponieważ istnieje standardowy sposób przeliczania odczytów z `mg/m ^3 to ppm` i odwrotnie. Co więcej, wpływ stosowania referencyjnego STP (standardowa temperatura i ciśnienie) zamiast rzeczywistej temperatury i ciśnienia otoczenia jest minimalny, tj. wynosi zaledwie kilka jednostek indeksu różnicy dla ozonu.
Credits: Ozone visual recreated using Icon pack by Icons8 and taken from American Chemical Society.
