Ozone xung quanh, được gọi là O 3 và còn được gọi là Ozone tầng đối lưu hoặc tầng đối lưu , tác động đến mọi người trên trái đất bất kể quốc gia nào, như thể hiện trên hình ảnh bên phải [1] .
(Attribution: WMO GAW research on reactive gases )
Không giống như vật chất dạng hạt (PM 2.5 ), Ozone trên mặt đất không được phát ra trực tiếp. Thay vào đó, nó được tạo ra thông qua một loạt các phản ứng hóa học xảy ra với sự có mặt của oxit nitơ, các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, ánh sáng mặt trời và nhiệt độ cao, như thể hiện trong hình ảnh sau:
Việc định lượng tác động của Ozone trên mặt đất đối với sức khỏe được thực hiện thông qua tiêu chuẩn Chỉ số chất lượng không khí mà mỗi quốc gia xác định. Điều thú vị là một nửa thế giới đang sử dụng tiêu chuẩn dựa trên phép đo miligam, trong khi phần còn lại sử dụng phép đo dựa trên ppb. Nhưng đây có thực sự là một vấn đề? Đây là những gì chúng ta sẽ xem xét trong bài viết này.
--
Tiêu chuẩn EPA của Hoa Kỳ cho Ozone dựa trên ppm, trong khi tiêu chuẩn của Châu Âu dựa trên miligam.
Vì vậy, chúng tôi đương nhiên nhắm mục tiêu câu hỏi của mình đến Environnement SA , một trong những nhà sản xuất thiết bị môi trường hàng đầu Châu Âu, người đã phát triển máy phân tích Ozone O342M của riêng mình (xem hình bên phải).
O342M đều được chứng nhận bởi EPA Hoa Kỳ và EU (xem bảng thông số kỹ thuật ), do đó có thể cung cấp phép đo ở cả đơn vị ppm và miligam. Câu hỏi của chúng tôi dành cho Environnement SA là ' Làm thế nào để máy phân tích ozone của bạn hỗ trợ cả đầu ra ppm và miligam? Có sự khác biệt nào về phần cứng khi đo không? Nếu không thì có tiêu chuẩn nào cho việc chuyển đổi không? '.
Nguyên tắc đo Ozone
Phép đo ôzôn dựa trên nguyên lý hấp thụ tia cực tím được biết đến rộng rãi [2] , bao gồm việc đo độ hấp thụ tia cực tím của các phân tử ôzôn. Nồng độ ozone được xác định bằng sự chênh lệch giữa độ hấp thụ tia cực tím của mẫu khí và mẫu không có ozone sau khi lọc được thực hiện bằng bộ chuyển đổi xúc tác.
Trong hệ thống này, nồng độ Ozone được đo bằng lượng năng lượng ánh sáng trên một thể tích không khí, từ đó nồng độ tính bằng ppbv được khấu trừ. Giới hạn thấp hơn có thể phát hiện được đối với hệ thống này là 0,4 ppb (tương ứng với AQI là 0,3, dựa trên tiêu chuẩn Ozone 8 giờ của EPA Hoa Kỳ). Hệ thống này không đo khối lượng như vậy, nhưng có một cách tiêu chuẩn để thực hiện phép đổi từ ppmv sang mg/m 3 .
Chuyển đổi nồng độ chất ô nhiễm trong khí quyển: từ ppmv sang mg/m 3
Đầu tiên, ppm (phần triệu [3] ) và ppb (phần tỷ) được định nghĩa là `1 ppm = 1/10 6 = 10 -6 ` và `1 ppb = 1/10 9 = 10 -9 `. Vậy `1 ppm = 1000 ppb or 1 ppb = 10 -3 ppm`.
Hệ số chuyển đổi phụ thuộc vào nhiệt độ mà bạn muốn chuyển đổi (thường là 25 độ C ở Mỹ), cũng như áp suất xung quanh. Ở áp suất xung quanh là 1 atm, phương trình tổng quát là:
-
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]
Ví dụ, đối với chất gây ô nhiễm dạng khí O 3 (ozone), để chuyển đổi 20 ppmv của Ozone thành `mg/m3 at 25 °C` và 1 atmosphere , công thức sau được sử dụng:
48.00 = `MW(O3)` = molecular weight of Ozone O3. Tiêu chuẩn chuyển đổi Châu Âu và Hoa Kỳ
Giả định về nhiệt độ môi trường xung quanh và áp suất khí quyển thực sự được chuẩn hóa và tóm tắt trong bảng sau đối với các điều kiện ở Mỹ, Châu Âu hoặc bình thường. Đối với máy phân tích Ozone O342M của chúng tôi, hệ số này do người vận hành thiết bị lập trình.
| 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 |
Lưu ý: Đối với những người muốn biết lý do tại sao 20°C được sử dụng làm nhiệt độ tham chiếu tiêu chuẩn, bạn có thể xem bài viết của Ted Doiron về "20°C—Lịch sử ngắn gọn về nhiệt độ tham chiếu tiêu chuẩn cho các phép đo kích thước công nghiệp".
Rất cám ơn Serge từ Environnement SA vì câu trả lời nhanh chóng và chính xác trên màn hình Ozone. Lưu ý rằng khái niệm tương tự cũng áp dụng cho các loại khí khác như Nitrogen Dioxide (ví dụ: sử dụng máy phân tích AS32M ).
--
Để đẩy cuộc điều tra đi xa hơn một chút, câu hỏi tiếp theo là tác động gì đến Chỉ số chất lượng không khí được tính toán nếu nhiệt độ và áp suất thực tế được sử dụng thay vì tham chiếu?
Tác động từ nhiệt độ môi trường
Câu hỏi cuối cùng là xem xét tác động của sự thay đổi nhiệt độ đến Chỉ số Chất lượng Không khí.
Ví dụ: giả sử rằng một thiết bị đang đo trung bình `120 mg/m3` Ozone trong 1 giờ, tương ứng với AQI là 50 (Trung bình) theo Chỉ số chất lượng không khí chung của Châu Âu ( CAQI ).
Ở 20°C và 1 atm, `120 mg/m^3` chuyển đổi thành 120/2,00, tức là 60.0 ppmv . Vì vậy, chúng ta hãy giả sử rằng đây là phép đo thực tế từ cảm biến Ozone. Câu hỏi đặt ra là nếu nhiệt độ môi trường xung quanh lên tới 42°C, như đôi khi xảy ra trong các đợt nắng nóng mùa hè, thì khối lượng chính xác sẽ là bao nhiêu? Công thức chuyển đổi là:
$$c = { ppmv \times 12.187 \times MW \over 273.15 + t } = 111.37 $$
Điều này dẫn đến sự khác biệt `8,6 mg/m^3` của Ozone đo được. Khi áp dụng tiêu chuẩn CAQI, AQI tương ứng là 46.4 (thay vì 50 khi sử dụng điều kiện tiêu chuẩn 20°C). Đây thực sự là một sự khác biệt có thể chấp nhận được.
Công thức điều chỉnh tổng quát tùy thuộc vào nhiệt độ môi trường được tóm tắt bằng biểu đồ bên phải. Trục x là nhiệt độ môi trường và trục y AQI được tính toán là nhiệt độ thực tế sẽ được sử dụng thay vì nhiệt độ tham chiếu (20°C).
Tác động từ áp suất khí quyển
Liên quan đến áp suất khí quyển, sự biến thiên được xác định theo Định luật Khí lý tưởng (` PV = nRT `).
Giá trị 12.187 thực sự là nghịch đảo của hằng số Định luật khí phổ quát R Vì vậy, để hiểu tác động của áp suất khí quyển, có thể sử dụng công thức sau:
Nói cách khác, người ta chỉ cần chia hệ số chuyển đổi cho bầu không khí hiện tại. Giả sử rằng áp suất p được biểu thị bằng milibar ( 1 atm = 1013.25 mb ), công thức quy đổi tổng quát trở thành:
-
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.
Kết luận
Những giải thích ở trên xác nhận giả thuyết ban đầu của chúng tôi rằng mặc dù các chỉ số Ozone có thể được cung cấp với các đơn vị khác nhau ( ppm và `mg/m^3`), đây thực sự không phải là vấn đề vì có một cách tiêu chuẩn để chuyển đổi các chỉ số từ `mg/m ^3 to ppm` và ngược lại. Hơn nữa, tác động của việc sử dụng STP tham chiếu (Nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn) thay vì nhiệt độ và áp suất môi trường thực tế là rất nhỏ, tức là chỉ chênh lệch đơn vị Chỉ số đối với Ozone.
Credits: Ozone visual recreated using Icon pack by Icons8 and taken from American Chemical Society.
