Aethalometr - Aethalometer
Aethalometer je přístroj pro měření koncentrace opticky absorbující ( ‚černé‘) suspendovaných částic se v plynu koloidní proudu; běžně se vizualizuje jako kouř nebo opar , který se ve znečištěném prostředí často vyskytuje v okolním vzduchu. Slovo aethalometr je odvozeno od klasického řeckého slovesa „aethaloun“, což znamená „zčernat sazemi“.
Princip činnosti
Proud plynu (často okolní vzduch) prochází filtračním materiálem, který zachycuje suspendované částice a vytváří nános s rostoucí hustotou. Světelný paprsek promítnutý přes nános je tlumen částicemi, které pohlcují („černé“) spíše než rozptylují („bílé“). Měření se provádí v po sobě jdoucích pravidelných časových intervalech. Zvýšení útlumu z jednoho měření na další je úměrné zvýšení hustoty opticky absorbujícího materiálu na filtru: což je zase úměrné koncentraci materiálu ve vzorku proudu vzduchu. Vzorek se sbírá jako skvrna na roli filtrační pásky . Když hustota ložiskového bodu dosáhne přednastaveného limitu, páska se posune na nové místo a měření pokračují. Měření průtoku vzorkovacího plynu a znalost optických a mechanických charakteristik přístroje umožňují výpočet průměrné koncentrace absorbujících částic v proudu plynu během doby odběru vzorků. Aethalometers mohou pracovat na časové základny období tak rychlý, jak 1 sekundu, které poskytují údaje o kvazi-real-time. Porovnání údajů aethalometru s jinými fyzikálními a chemickými analýzami umožňuje vyjádřit výstup jako koncentraci černého uhlíku .
Dějiny
Princip aethalometru je založen na kontinuálním vzorkovači filtrační pásky vyvinutém v padesátých letech minulého století pro měření koeficientu zákalu . Tento přístroj natahoval proud vzduchu vzorku přes místo pásku filtru po pevně stanovenou dobu (obvykle 1 nebo 2 hodiny). Páska byla pokročilá a její šedé zabarvení opticky měřeno buď propustností nebo odrazem. Datové jednotky však byly libovolné a nebyly interpretovány z hlediska hmotnostní koncentrace definovaného materiálu v proudu vzduchu, dokud retrospektivní studie nepřipojily „jednotku COH“ ke kvantitativním analýzám stopových složek v atmosféře.
Práce v 70. letech v laboratoři Tihomira Novakova v Národní laboratoři Lawrencea Berkeleye stanovila kvantitativní vztah mezi optickým útlumem nánosu částic na vláknitém filtru a obsahem uhlíku v tomto nánosu. Zdokonalení optické a elektronické technologie umožňovalo měření velmi malého nárůstu útlumu, ke kterému by mohlo dojít při průchodu typického okolního vzduchu filtrem na 5- nebo 10minutové časové základně. Vývoj osobních počítačů a analogově-digitálních rozhraní umožňoval výpočet dat v reálném čase a matematický převod signálů na koncentraci černého uhlíku vyjádřenou v jednotkách nanogramů nebo mikrogramech černého uhlíku na metr krychlový vzduchu.
Vůbec první aethalometr byl vyvinut v Národní laboratoři Lawrencea Berkeleye Anthony DA Hansen (který by později založil Magee Scientific), Hal Rosen a Tihomir Novakov a byl použit ve studii viditelnosti EPA v Houstonu v září 1980, s prvním skutečným datový graf koncentrací černého uhlíku v okolním vzduchu publikovaný v roce 1981. Přístroj byl poprvé vzlétnut na palubu výzkumného letadla NOAA v Arktidě v roce 1984 a spolu s předchozími pozemními pracemi ukázal, že arktický opar obsahuje silnou složku saze .
Aethalometr byl uveden na trh v roce 1986 a vylepšená verze patentována v roce 1988. Jeho první použití byla v geofyzikálním výzkumu na odlehlých místech, kde se černý uhlík používal jako indikátor dálkového přenosu znečištění ovzduší z průmyslových zdrojů do oblastí vzdálených receptorů. V 90. letech vedly rostoucí obavy ze zdravotních účinků částic výfukových plynů z nafty k rostoucí potřebě měření využívajících jako indikátor temnotu obsahu uhlíku. V roce 2000 vedl rostoucí zájem o roli, kterou při změně klimatu hrají opticky absorbující částice, k rozvinutým měřicím programům v rozvinutých i rozvojových zemích. Předpokládá se, že účinek těchto částic přispívá k urychlenému tání Arktidy a rozmrazování ledovců v Himalájích.
Komplexní shrnutí z černého uhlí (včetně přehledu aethalometer dat) byla předložena Kongresu USA podle US Environmental Protection Agency v roce 2012.
Aethalometr byl vyvinut do stojanových přístrojů pro použití ve stacionárních monitorovacích zařízeních kvality ovzduší ; přenosné nástroje, které se často používají v místech mimo síť, provozovaných z baterií nebo fotovoltaických panelů za účelem měření na vzdálených místech; a ruční přenosné verze pro měření expozice osob emisím ze spalování.
Technické zázemí a použití aethalometru
Aethalometr používá
Hlavní použití aethalometrů se týká měření kvality ovzduší , přičemž údaje se používají pro studie dopadu znečištění ovzduší na veřejné zdraví ; změna klimatu ; a viditelnost . Jiná použití zahrnují měření emisí černého uhlíku ze zdrojů spalování, jako jsou vozidla; průmyslové procesy; a spalování biomasy, a to jak u divokých požárů, tak v domácích a průmyslových podmínkách.
Technické ověření
Model aethalometru AE-31 byl testován programem pro ověřování environmentálních technologií spravovaným Agenturou pro ochranu životního prostředí v USA a zpráva o ověření byla vydána v roce 2001. Aethalometr Model AE-33 byl testován v rámci stejného programu v roce 2013, zpráva čeká na vyřízení.
Analýza na více optických vlnových délkách: exponent angstromu
Znečišťující druh černý uhlík se jeví šedý nebo černý kvůli absorpci elektromagnetické energie částečně mobilními elektrony v grafitické mikrostruktuře částic černého uhlíku. Tato absorpce je čistě „odporová“ a nevykazuje žádné rezonanční pásy: materiál tedy vypadá spíše šedě než barevně. Útlum světla přenášeného usazeninou těchto částic se lineárně zvyšuje s frekvencí elektromagnetického záření, tj. Nepřímo vzhledem k vlnové délce . Aethalometrická měření optického útlumu na filtračním ložisku se zvýší při kratších vlnových délkách jako λ (-α), kde parametr α ( exponent Angstromu ) má hodnotu α = 1 pro „šedé“ nebo „černé“ materiály. S částicemi černého uhlíku však mohou být smíchány i jiné druhy. Je známo, že aromatické organické sloučeniny spojené s tabákovým kouřem a kouřem z biomasy ze spalování dřeva mají zvýšenou optickou absorpci při kratších vlnových délkách ve žluté, modré a téměř ultrafialové části spektra.
Aethalometry jsou nyní konstruovány tak, aby prováděly optické analýzy současně na různých vlnových délkách, obvykle v rozsahu od 370 nm (téměř ultrafialové) do 950 nm (téměř infračervené). Při absenci aromatických složek jsou údaje aethalometru pro koncentraci černého uhlí identické na všech vlnových délkách, po zohlednění standardní odezvy λ −1 pro „odporové“ šedé materiály. Angstromový exponent útlumu pro tyto materiály je 1. Jsou-li přítomny aromatické složky, přispějí ke zvýšené absorpci při kratších vlnových délkách. Data aethalometru se budou zvyšovat při kratších vlnových délkách a exponent angstromu vzroste. Měření kouře čisté biomasy mohou ukazovat data představovaná exponentem angstromu až 2. Kvůli různým artefaktům může být exponent angstromu měřený aethalometry zkreslený, ale srovnání s jinými technikami zjistilo, že model aethalometru AE-31 poskytuje spravedlivý absorpční angstrom exponentové výsledky. Mnoho oblastí světa je ovlivněno emisemi z vysokoteplotního spalování fosilních paliv , jako je výfuk z nafty , který má šedou nebo černou barvu a vyznačuje se exponentem angstromu 1; společně s emisemi ze spalování biomasy, jako je kouř ze dřeva, který se vyznačuje vyšší hodnotou exponentu angstromu. Tyto dva zdroje znečištění mohou mít různý geografický původ a časové vzorce, ale možná se v místě měření mísí. Tvrdí se, že měření aethalometru v reálném čase na různých vlnových délkách oddělují tyto různé příspěvky a mohou rozdělit celkový dopad na různé kategorie zdrojů. Tato analýza je základním vstupem do návrhu účinné a přijatelné veřejné politiky a regulace .
Přesnost a dokonce i schopnost Aethalometru rozlišovat zdroje kouře je sporná
Aethalometrická měření na různých místech
Princip měření aethalometru je založen na filtraci vzduchu, optice a elektronice. Nevyžaduje žádnou fyzickou nebo chemickou podpůrnou infrastrukturu, jako je vysoké vakuum, vysoká teplota nebo speciální činidla nebo plyny. Jediným spotřebním materiálem je filtr, který je u přenosných modelů třeba vyměnit každý jeden nebo dva dny, ale větší jednotky mají roli filtrační pásky, která obvykle vydrží měsíce až roky. V důsledku toho je přístroj robustní, miniaturizovatelný a může být použit ve výzkumných projektech na vzdálených místech nebo na místech s minimální místní podporou. Mezi příklady patří:
- měření na stanici jižního pólu , místo, kde byl měřen nejčistší vzduch pomocí aethalometru, ukazující koncentrace černého uhlíku v zimě řádově 30 pikogramů na metr krychlový;
- měření v městských lokalitách v Číně a Bangladéši, při kterých mohou koncentrace černého uhlíku často překročit 100 mikrogramů na metr krychlový;
- měření na venkovských místech v Africe se zařízeními provozovanými ze solárních fotovoltaických panelů a zaznamenávajícími vysoké koncentrace černého uhlíku v důsledku spalování v zemědělství;
- měření ve výškových zařízeních v indických Himalájích a Tibetu ve výškách přesahujících 5 000 metrů, prováděná ze solárních fotovoltaických panelů a zaznamenávající dopad emisí spalování z přilehlých hustě osídlených nížinných oblastí;
- měření na palubách letů komerčních letadel pomocí ručního aethalometru, ve kterém je přítomnost černého uhlíku v kabině odvozena od vnějších koncentrací ve stratosféře: jakým způsobem je možné mapovat rozptyl černého uhlíku na globální měřítko na 10 km. nadmořská výška bez nutnosti použití extrémně nákladných vyhrazených výzkumných letadel;
- měření z automobilů, vlaků, lehkých letadel a připoutaných balónů, ze kterých lze data v reálném čase převádět na horizontální a vertikální mapování;
- měření na stanici uprostřed pouště Taklimakan ve střední Asii, což je místo téměř stejně vzdálené a nehostinné jako jižní pól.
- měření provedená mikroaethalometrem při jízdě na kole v provozu Bangalore , Indie .
- měření kombinovaná se senzory srdeční frekvence a minutové ventilace ke studiu expozice inhalaci .
Některá měření jsou k dispozici jako otevřená data :
- osobní měření expozice pomocí mikroaethalometrů z Belgie