O ozônio ambiental, referido como O 3 e também chamado de ozônio troposférico ou troposférico, impacta todas as pessoas na Terra, independentemente do país, conforme mostrado na imagem à direita [1] .
(Attribution: WMO GAW research on reactive gases )
Ao contrário das partículas (PM 2,5 ), o ozônio troposférico não é emitido diretamente. Em vez disso, é produzido através de uma série de reações químicas que ocorrem na presença de óxidos de nitrogênio, compostos orgânicos voláteis, luz solar e altas temperaturas, conforme mostrado no seguinte visual:
A quantificação do impacto deste ozono troposférico na saúde é feita através do padrão do Índice de Qualidade do Ar que cada país define. O que é interessante é que metade do mundo utiliza um padrão baseado na medição em miligramas, enquanto o resto utiliza a medição baseada em ppb. Mas isso é realmente um problema? É isso que veremos neste artigo.
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O padrão da EPA dos EUA para ozônio é baseado em ppm, enquanto o padrão europeu é baseado em miligramas.
Assim, naturalmente direccionámos a nossa pergunta para a Environnement SA , um dos principais fabricantes europeus de equipamentos ambientais, que desenvolve o seu próprio analisador de ozono O342M (ver imagem à direita).
O O342M é certificado pela EPA dos EUA e pela UE (consulte a folha de especificações ), portanto, é capaz de fornecer medições em ppm e miligramas. Nossa pergunta para a Environnement SA foi ' Como o seu analisador de ozônio suporta saída de ppm e miligramas? Existe alguma diferença de hardware para medição? Caso contrário, existe algum padrão para a conversão? '.
Princípios de Medição de Ozônio
A medição do ozônio é baseada no princípio de absorção UV universalmente conhecido [2] , que consiste em medir a absorção UV das moléculas de ozônio. A concentração de ozônio é determinada pela diferença entre a absorção UV da amostra de gás e a amostra sem ozônio após filtração realizada por um conversor catalítico.
Neste sistema, a concentração de ozônio é medida como uma quantidade de energia luminosa por volume de ar, da qual é deduzida a concentração em ppbv. O limite inferior detectável para este sistema é de 0,4 ppb (correspondendo a um AQI de 0,3, com base no padrão de ozônio de 8 horas da EPA dos EUA). Este sistema não mede a massa como tal, mas existe uma forma padrão de fazer a conversão de ppmv para mg/m 3 .
Conversão de concentrações de poluentes atmosféricos: de ppmv para mg/m 3
Primeiro, ppm (partes por milhão [3] ) e ppb (partes por bilhão) são definidos como `1 ppm = 1/10 6 = 10 -6 ` e `1 ppb = 1/10 9 = 10 -9 `. Portanto, `1 ppm = 1000 ppb or 1 ppb = 10 -3 ppm`.
O fator de conversão depende da temperatura na qual você deseja a conversão (geralmente 25 graus centígrados nos EUA), bem como da pressão ambiente. A uma pressão ambiente de 1 atmosfera, a equação geral é:
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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]
Como exemplo, para o poluente gasoso O 3 (ozônio), para converter 20 ppmv de Ozônio em `mg/m3 at 25 °C` e 1 atmosphere , utiliza-se a seguinte fórmula:
48.00 = `MW(O3)` = molecular weight of Ozone O3. Padrões de conversão europeus e norte-americanos
A suposição sobre a temperatura ambiente e a pressão atmosférica é padronizada e resumida na tabela a seguir para os EUA, Europa ou condições normais. Para nossos analisadores de ozônio O342M , esse coeficiente é programável pelo usuário pelo operador do instrumento.
| 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 |
Nota: Para aqueles interessados em saber por que 20°C é usado como temperatura de referência padrão, você pode conferir o artigo de Ted Doiron sobre "20 °C—Uma breve história da temperatura de referência padrão para medições dimensionais industriais".
Muito obrigado a Serge da Environnement SA pela resposta rápida e precisa sobre os monitores de ozônio. Note-se que o mesmo conceito também se aplica a outros gases, como o dióxido de azoto (por exemplo, utilizando o analisador AS32M ).
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Para levar a investigação um pouco mais longe, a próxima questão é: qual seria o impacto no Índice de Qualidade do Ar calculado se a temperatura e a pressão reais fossem utilizadas em vez da referência?
Impacto da temperatura ambiente
A última questão é analisar o impacto de uma variação de temperatura no Índice de Qualidade do Ar.
Por exemplo, suponhamos que um instrumento mede uma média de `120 mg/m3` de ozônio durante 1 hora, o que corresponde a um AQI de 50 (Médio) de acordo com o Índice Comum Europeu de Qualidade do Ar ( CAQI ).
A 20°C e 1 atm, `120 mg/m^3` converte-se em 120/2,00, ou seja, 60.0 ppmv . Então, vamos supor que esta seja a medição real do sensor de ozônio. A questão é então: e se a temperatura ambiente estivesse atingindo o pico de 42°C, como às vezes acontece durante as ondas de calor do verão, então qual seria a massa correta? A fórmula de conversão é:
$$c = { ppmv \times 12.187 \times MW \over 273.15 + t } = 111.37 $$
Isso resulta em uma diferença de `8,6 mg/m^3` de ozônio medido. Ao aplicar o padrão CAQI, o AQI correspondente é 46.4 (em vez de 50 usando a condição padrão de 20°C). Na verdade, esta é uma diferença aceitável.
A fórmula generalizada de ajuste em função da temperatura ambiente é resumida no gráfico à direita. O eixo x é a temperatura ambiente, e o eixo y o AQI calculado é a temperatura real que seria usada em vez da temperatura de referência (20°C).
Impacto da pressão atmosférica
No que diz respeito à pressão atmosférica, a variação é definida pela Lei dos Gases Ideais (` PV = nRT `).
O valor 12.187 é na verdade o inverso da constante R da Lei Universal dos Gases. Assim, para compreender o impacto da pressão atmosférica, pode-se usar a seguinte fórmula:
Em outras palavras, basta dividir o fator de conversão pela atmosfera atual. Assumindo que a pressão p é expressa em milibares ( 1 atm = 1013.25 mb ), a fórmula de conversão generalizada torna-se:
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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.
Conclusões
As explicações acima confirmam nossa hipótese inicial de que, embora as leituras de ozônio possam ser fornecidas com unidades diferentes ( ppm e `mg/m^3`), isso na verdade não é um problema, pois existe uma maneira padrão de converter leituras de `mg/m^3` ^3 to ppm` e vice-versa. Além disso, o impacto da utilização da referência STP (Temperatura e Pressão Padrão) em vez da temperatura e pressão ambiente reais é mínimo, ou seja, apenas unidades de Índice de diferença para o Ozono.
Credits: Ozone visual recreated using Icon pack by Icons8 and taken from American Chemical Society.
