Эталометр
Аэталометр — прибор для измерения концентрации оптически поглощающих («черных») взвешенных частиц в газа потоке коллоидного ; обычно визуализируется как дым или мгла , часто наблюдается в окружающем воздухе в загрязненных условиях. Слово аэталометр происходит от классического греческого глагола aethaloun , означающего «чернеть от сажи». Аэталометр, устройство, используемое для измерения черного углерода в атмосферных аэрозолях, было впервые использовано в 1980 году и впервые коммерциализировано компанией Magee Scientific.
Принцип работы
[ редактировать ]Поток газа (часто окружающий воздух) проходит через фильтрующий материал , который улавливает взвешенные частицы, создавая осадок увеличивающейся плотности. Луч света, проходящий через осадок, ослабляется теми частицами, которые поглощают («черные»), а не рассеивают («белые»). Измерения производятся через последовательные регулярные промежутки времени. Увеличение затухания от одного измерения к другому пропорционально увеличению плотности оптически поглощающего материала на фильтре, что, в свою очередь, пропорционально концентрации материала в потоке отобранного воздуха. Проба собирается в виде пятна на рулоне фильтровальной ленты . Когда плотность пятна нанесения достигает заданного предела, лента перемещается на новое место и измерения продолжаются. Измерение скорости потока измеряемого газа и знание оптических и механических характеристик прибора позволяют рассчитать среднюю концентрацию поглощающих частиц в потоке газа в течение периода отбора проб. Аэталометры могут работать на периоды развертки с частотой до 1 секунды, что обеспечивает данные в квазиреальном времени. Сравнение данных аэталометра с другими физическими и химическими анализами позволяет выразить результат в виде концентрации черного углерода .
История
[ редактировать ]Принцип аэталометра основан на непрерывном пробоотборнике с фильтрующей лентой, разработанном в 1950-х годах для измерения коэффициента мутности . Этот прибор пропускал поток пробы воздуха через фильтрующую ленту в течение фиксированного периода времени (обычно 1 или 2 часа). Лента была усовершенствована, и ее серый цвет измерялся оптически по коэффициенту пропускания или отражения. Однако единицы данных были произвольными и не интерпретировались с точки зрения массовой концентрации определенного материала в воздушном потоке до ретроспективных исследований. [1] [2] связал «блок COH» с количественным анализом микроэлементов атмосферы.
Работа в 1970-х годах в лаборатории Тихомира Новакова в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли установила количественную связь между оптическим ослаблением отложения частиц на волокнистом фильтре и содержанием углерода в этом отложении. [3] Усовершенствования в оптических и электронных технологиях позволили измерить очень небольшое увеличение затухания, например, которое происходит при прохождении обычного окружающего воздуха через фильтр с интервалом 5 или 10 минут. Развитие персональных компьютеров и аналого-цифровых интерфейсов позволило производить расчет данных в режиме реального времени и математическое преобразование сигналов в концентрацию черного углерода, выраженную в единицах нанограммов или микрограммов черного углерода на кубический метр воздуха.
Первый в мире аэталометр был разработан в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли Энтони Д.А. Хансеном (который позже основал Magee Scientific), Хэлом Розеном и Тихомиром Новаковым и использовался в исследовании видимости Агентства по охране окружающей среды (EPA). [4] в Хьюстоне в сентябре 1980 г. [5] с первой диаграммой данных в реальном времени о концентрации черного углерода в окружающем воздухе, опубликованной в 1981 году. [6] Впервые прибор был поднят на борту исследовательского самолета NOAA в Арктике в 1984 году и в сочетании с предыдущими наземными работами показал, что арктическая дымка содержит сильный компонент сажи . [7]
Аэталометр поступил в продажу в 1986 году, а улучшенная версия была запатентована в 1988 году. [8] Его самое раннее применение было в геофизических исследованиях в отдаленных местах с использованием черного углерода в качестве индикатора на большие расстояния переноса загрязнения воздуха от промышленных зон-источников к удаленным регионам-рецепторам. В 1990-е годы возросла обеспокоенность по поводу воздействия на здоровье твердых частиц выхлопных газов дизельных двигателей. [9] привело к увеличению потребности в измерениях с использованием черноты содержания углерода в качестве индикатора. В 2000-х годах растущий интерес к роли, которую оптически поглощающие частицы играют в изменении климата, привел к расширению программ измерений как в развитых, так и в развивающихся странах. Считается, что воздействие этих частиц способствует ускоренному таянию Арктики. [10] и таяние ледников в Гималаях.
Полное резюме содержания черного углерода (включая обзор данных аэталометра) было представлено Конгрессу США Агентством по охране окружающей среды США в 2012 году. [11]
Аэталометр был разработан как монтируемый в стойку прибор для использования в стационарных качества воздуха установках мониторинга ; переносные приборы, которые часто используются в автономных местах и работают от батарей или фотоэлектрических панелей для проведения измерений в удаленных местах; и портативные версии для измерения личного воздействия выбросов при горении.
Техническая информация и использование аэталометра
[ редактировать ]
Использование аэталометра
[ редактировать ]Основное применение аэталометров связано с измерением качества воздуха , при этом данные используются для изучения воздействия загрязнения воздуха на здоровье населения ; [12] изменение климата ; и видимость . Другие виды использования включают измерения выбросов черного углерода из источников сгорания, таких как транспортные средства; промышленные процессы; и сжигание биомассы как при лесных пожарах, так и в бытовых и промышленных условиях.
Техническая проверка
[ редактировать ]Аэталометр модели AE-31 был протестирован в рамках Программы проверки экологических технологий, проводимой Агентством по охране окружающей среды США, и отчет о проверке был выпущен в 2001 году. [13] Модель аэталометра AE-33 была испытана в рамках той же программы в 2013 году, отчет ожидается.
Анализ на нескольких оптических длинах волн: показатель ангстрема
[ редактировать ]Загрязняющий вид черного углерода выглядит серым или черным из-за поглощения электромагнитной энергии частично подвижными электронами в графитовой микроструктуре частиц черного углерода. Это поглощение является чисто «резистивным» и не имеет резонансных полос: следовательно, материал кажется серым, а не цветным. Ослабление света, прошедшего через осадок этих частиц, возрастает линейно с частотой электромагнитного излучения, т. е. обратно пропорционально длине волны . Измерения оптического затухания на отложениях фильтра на эталометре будут увеличиваться на более коротких длинах волн по мере λ (-а) где параметр α ( показатель Ангстрема ) имеет значение α = 1 для «серых» или «черных» материалов. Однако другие виды могут смешиваться с частицами черного углерода. Известно, что ароматические органические соединения, связанные с табачным дымом и дымом биомассы от сжигания древесины, обладают повышенным оптическим поглощением в более коротких длинах волн в желтой, синей и ближней ультрафиолетовой частях спектра.
В настоящее время создаются аэталометры для одновременного выполнения оптического анализа на нескольких длинах волн, обычно охватывающих диапазон от 370 нм (ближний ультрафиолет) до 950 нм (ближний инфракрасный диапазон). В отсутствие ароматических компонентов данные аэталометра по концентрации черного углерода идентичны на всех длинах волн после учета стандартного λ. −1 ответ на «резистивные» серые материалы. Показатель ангстрема затухания для этих материалов равен 1. Если присутствуют ароматические компоненты, они будут способствовать увеличению поглощения на более коротких волнах. Данные аэталометра будут увеличиваться на более коротких длинах волн, а кажущийся показатель ангстрема будет увеличиваться. Измерения чистого дыма биомассы могут показывать данные, представленные показателем ангстрема, равным 2. Из-за различных артефактов показатель ангстрема, измеренный аэталометрами, может быть необъективным, но сравнение с другими методами показало, что модель аэталометра AE-31 обеспечивает удовлетворительный ангстрем поглощения. результаты экспоненты. [14] На многие регионы мира влияют выбросы как от высокотемпературного сгорания ископаемого топлива , например, выхлопные газы дизельных двигателей , которые имеют серый или черный цвет и характеризуются показателем ангстрема, равным 1; вместе с выбросами от сжигания биомассы, такими как древесный дым, который характеризуется большим значением показателя ангстрема. Эти два источника загрязнения могут иметь различное географическое происхождение и временные характеристики, но могут смешиваться в точке измерения. Утверждается, что измерения аэталометра в реальном времени на нескольких длинах волн позволяют разделить эти различные вклады и могут распределить общее воздействие на различные категории источников. Этот анализ является важным вкладом в разработку эффективной и приемлемой государственной политики и регулирования .
Точность и даже способность этолометра различать источники дыма оспариваются. [15]
Измерения аэталометра в разных местах
[ редактировать ]Принцип измерения аэталометра основан на фильтрации воздуха, оптике и электронике. Он не требует какой-либо физической или химической вспомогательной инфраструктуры, такой как высокий вакуум, высокая температура или специальные реагенты или газы. Единственным расходным материалом является фильтр, который в портативных моделях необходимо заменять каждые один или два дня, но в более крупных моделях имеется рулон фильтрующей ленты, срок службы которого обычно составляет от месяцев до лет. Следовательно, прибор является прочным, миниатюрным и может быть использован в исследовательских проектах в отдаленных местах или на объектах с минимальной местной поддержкой. Примеры включают в себя:
- измерения на Южнополярной станции , [16] место, где самый чистый воздух был измерен с помощью аэталометра, показавшего концентрацию черного углерода порядка 30 пикограмм на кубический метр зимой;
- измерения в городах Китая [17] и Бангладеш, [18] при котором концентрации черного углерода часто могут превышать 100 микрограмм на кубический метр;
- измерения в сельских районах Африки с использованием установок, работающих от солнечных фотоэлектрических панелей и регистрирующих высокие концентрации черного углерода в результате сжигания в сельском хозяйстве;
- измерения на высотных установках в обоих Индийских Гималаях [19] и Тибет [20] на высоте более 5000 метров (3,1 мили), работая от солнечных фотоэлектрических панелей и регистрируя воздействие выбросов горения из прилегающих густонаселенных низменных территорий;
- измерения на борту коммерческих самолетов с использованием ручного эталометра, в котором наличие черного углерода в салоне определяется на основе внешних концентраций в стратосфере: таким образом можно составить карту рассеяния черного углерода в глобальном масштабе. масштабирование на высоте 10 км (6,2 мили) без необходимости использования чрезвычайно дорогого специального исследовательского самолета;
- измерения, снятые с автомобилей, поездов, легких самолетов [21] и привязанные воздушные шары, [22] из которого данные реального времени могут быть преобразованы в горизонтальное и вертикальное картографирование;
- измерения на станции посреди пустыни Такла-Макан в Центральной Азии, [23] место почти такое же отдаленное и негостеприимное, как Южный полюс.
- измерения, проведенные с помощью микроаэталометра во время езды на велосипеде в пробке в Бангалоре , Индия. [24]
- измерения в сочетании с датчиками частоты сердечных сокращений и минутной вентиляции для изучения воздействия при вдыхании . [25]
Некоторые измерения доступны в виде открытых данных :
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Аллен, Дж. (1999). «Полевая проверка полунепрерывного метода определения аэрозольного черного углерода (эталометр) и временных закономерностей почасовых измерений черного углерода в летнее время на юго-западе штата Пенсильвания». Атмосферная среда . 33 (5): 817–823. Бибкод : 1999AtmEn..33..817A . дои : 10.1016/S1352-2310(98)00142-3 .
- ^ Кирхштеттер, Томас В.; Агиар, Джеффри; Тонсе, Шахин; Фэрли, Дэвид; Новаков Т. (2008). «Концентрация черного углерода и коэффициенты выбросов дизельных транспортных средств, полученные на основе измерений коэффициента дымки в Калифорнии: 1967–2003 гг.» . Атмосферная среда . 42 (3): 480. Бибкод : 2008AtmEn..42..480K . дои : 10.1016/j.atmosenv.2007.09.063 . S2CID 16227379 . Архивировано из оригинала 20 декабря 2016 г. Проверено 16 декабря 2016 г.
- ^ Гундел, Луизиана; Дод, РЛ; Розен, Х.; Новаков Т. (1984). «Взаимосвязь между оптическим ослаблением и концентрацией черного углерода для частиц окружающей среды и источника» . Наука об общей окружающей среде . 36 : 197–202. Бибкод : 1984ScTEn..36..197G . дои : 10.1016/0048-9697(84)90266-3 . S2CID 96012558 .
- ^ Дзубай, Томас Г.; Стивенс, Роберт К.; Льюис, Чарльз В.; Херн, Дон Х.; Кортни, Уильям Дж.; Теш, Джон В.; Мейсон, Марк А. (август 1982 г.). «Видимость и состав аэрозоля в Хьюстоне, штат Техас». Экологические науки и технологии . 16 (8): 514–525. Бибкод : 1982EnST...16..514D . дои : 10.1021/es00102a017 .
- ^ «Маги Научная Корпорация» . www.mageesci.com . Архивировано из оригинала 26 июня 2016 г. Проверено 22 июля 2016 г.
- ^ Хансен, AD; Розен, Х; Новаков, Т (1982). «Измерение коэффициента поглощения аэрозольных частиц в реальном времени». Прикладная оптика . 21 (17): 3060–2. Бибкод : 1982ApOpt..21.3060H . дои : 10.1364/AO.21.003060 . ПМИД 20396176 . S2CID 42437260 .
- ^ Розен, Х.; Новаков Т.; Бодхейн, бакалавр (1981). «Сажа в Арктике» . Атмосферная среда . 15 (8): 1371. Бибкод : 1981AtmEn..15.1371R . дои : 10.1016/0004-6981(81)90343-7 . ОСТИ 1082154 .
- ^ Хансен, Энтони Д. (1990) Патент США «Эталометр» 4 893 934.
- ^ Соломон, GM и др. (2001) Не дышать в проходах – дизельные выхлопы внутри школьных автобусов , NRDC.
- ^ Куинн, ПК и др. (2011) Влияние черного углерода на арктический климат , Программа арктического мониторинга и оценки.
- ^ Отчет Конгрессу по черному углероду, USEPAEPA-R450/R-12-001 (2012).
- ^ Донс, Э; Теммерман, П; Ван Поппель, М; Беллеманс, Т; Уэтс, Дж; Инт Панис, Л. (январь 2013 г.). «Характеристики улиц и факторы дорожного движения, определяющие воздействие на участников дорожного движения выбросов черного углерода» . Наука об общей окружающей среде . 447 (С): 72–79. Бибкод : 2013ScTEn.447...72D . doi : 10.1016/j.scitotenv.2012.12.076 . ПМИД 23376518 .
- ^ Отчет о проверке экологических технологий, Монитор выбросов углерода с помощью аэталометра , Battelle Laboratories, август 2001 г.
- ^ Сатурно, Хорхе; и др. (2017). «Сравнение различных схем коррекции аэталометра и эталонного метода многоволнового поглощения для данных об окружающем аэрозоле» . Атмосфера. Измер. Тех . 10 (8): 2837–2850. Бибкод : 2017AMT....10.2837S . дои : 10.5194/amt-10-2837-2017 . hdl : 21.11116/0000-0000-73A5-4 .
- ^ Харрисон и другие, Рой М. (26 августа 2013 г.). «Оценка некоторых проблем, связанных с использованием аэталометров для измерения концентрации древесного дыма» (PDF) . Атмосферная среда . 80 : 540–548. Бибкод : 2013AtmEn..80..540H . дои : 10.1016/j.atmosenv.2013.08.026 .
- ^ Бодхейн, Барри А. (1995). «Измерения поглощения аэрозоля в Барроу, Мауна-Лоа и на южном полюсе» . Журнал геофизических исследований . 100 (D5): 8967. Бибкод : 1995JGR...100.8967B . дои : 10.1029/95JD00513 .
- ^ Чжан, XY; Ван, YQ; Чжан, XC; Го, В.; Ню, Т.; Гонг, СЛ; Инь, Ю.; Чжао, П.; Джин, Дж.Л.; Ю, М. (2008). «Мониторинг аэрозолей в нескольких местах в Китае: вклад ЕС и пыли в поглощение света аэрозолями» . Теллус Б. 60 (4): 647. Бибкод : 2008TellB..60..647Z . дои : 10.1111/j.1600-0889.2008.00359.x . S2CID 55036691 .
- ^ Бегум, Билкис А. (2012). «Органический и черный углерод в PM2,5 на городской территории в Дакке, Бангладеш» (PDF) . Исследование аэрозолей и качества воздуха . 12 (6): 1062–1072. дои : 10.4209/aaqr.2012.05.0138 . Архивировано из оригинала (PDF) 26 августа 2016 г. Проверено 16 декабря 2016 г.
- ^ Чаубей, Джай Пракаш; Бабу, С. Суреш; Гогои, Мукунда М; Компалли, Собхан Кумар; Шрикант, В.; Мурти, К. Кришна; Прабху, Тушар П. (2012). «Аэрозоль черного углерода над высотной (~ 4,52 км) станцией в Западных Индийских Гималаях» . Журнал Инженерного института . 8 (3): 42–51. дои : 10.3126/jie.v8i3.5930 .
- ^ Мин, Дж. (2010). «Углеродистые частицы в атмосфере и осадках региона Нам Ко, центральный Тибет». Дж. Энвайрон. Наука . 22 (11): 1748–1756. дои : 10.1016/s1001-0742(09)60315-6 . ПМИД 21235163 .
- ^ «Отбор проб углерода набирает обороты». Наука . 335 (6074): 1286. 2012. doi : 10.1126/science.335.6074.1285-b .
- ^ Ферреро, Л. (2011). «Вертикальные профили коэффициента поглощения аэрозоля по данным микроаэталометра и расчетам Ми над Миланом». наук. Тотальная среда . 409 (14): 2824–2837. Бибкод : 2011ScTEn.409.2824F . doi : 10.1016/j.scitotenv.2011.04.022 . ПМИД 21546060 .
- ^ Лу, Хуэй; Вэй, Вэньшоу; Лю, Минчжэ; Гао, Вэйдун; Хан, Си (2012). «Аэрозольное оптическое поглощение пылью и черным углеродом в пустыне Таклимакан в условиях отсутствия пыли и пыльных бурь». Партикуология . 10 (4): 509. doi : 10.1016/j.partic.2011.12.002 .
- ^ Деконинк, Л; Боттельдорен, Д; Инт Панис, Л; Хэнки, С; Джайн, Дж; Картик, С; Маршалл, Дж (2015). «Применимость модели, основанной на шуме, для оценки воздействия сажи и концентрации частиц в условиях дорожного движения в различных культурах» . Интернационал окружающей среды . 74 : 89–98. дои : 10.1016/j.envint.2014.10.002 . hdl : 1854/LU-5915838 . ПМИД 25454224 . S2CID 34315586 .
- ^ Донс, Э (2017). «Носимые датчики для индивидуального мониторинга и оценки вдыхаемого загрязнения воздуха транспортными средствами: оценка методов» . Экологические науки и технологии . 51 (3): 1859–1867. Бибкод : 2017EnST...51.1859D . doi : 10.1021/acs.est.6b05782 . hdl : 10044/1/45509 . ПМИД 28080048 . S2CID 206564587 .
- ^ Панис, Люк Инт; Лоувис, Тиджс; Бовер, Патрик Де; Наврот, Тим С. (2019). «Личные измерения черного углерода, Бельгия». Фиговая доля. doi : 10.6084/m9.figshare.7770626.v1 .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь )