Эталометр - Aethalometer

Внешний вид эталометра

An эталометр прибор для измерения концентрации оптически поглощающих («черных») взвешенные частицы в газ коллоид транслировать; обычно визуализируется как курить или же туман, часто встречается в окружающем воздухе в загрязненных условиях. Слово эталометр происходит от классического греческого глагола «эталон», означающего «почернеть от копоти».

Принцип действия

Газовый поток (часто окружающий воздух) проходит через фильтрующий материал который улавливает взвешенные частицы, создавая отложения увеличивающейся плотности. Луч света, проецируемый через месторождение ослабленный теми частицами, которые поглощающий («Черный»), а не рассеяние ('белый'). Измерения производятся через последовательные регулярные интервалы времени. Увеличение затухания от одного измерения к другому пропорционально увеличению плотности оптически поглощающего материала на фильтре: что, в свою очередь, пропорционально концентрации материала в отбираемом воздушном потоке. Образец собирается в виде пятна на рулоне лента фильтра. Когда плотность пятна отложения достигает заданного предела, лента продвигается к новому месту, и измерения продолжаются. Измерение скорости потока газа пробы и знание оптических и механических характеристик прибора позволяют рассчитать среднюю концентрацию поглощающих частиц в потоке газа за период отбора пробы. Эталометры могут работать на временная база периоды до 1 секунды, обеспечивая данные в квазиреальном времени. Сравнение данных эталометра с другими физическими и химическими анализами позволяет выразить результат в виде концентрации черный углерод.

История

Принцип эталометра основан на пробоотборнике непрерывного действия с ленточным фильтром, разработанном в 1950-х годах для измерения коэффициент матовости. Этот прибор пропускал пробу воздуха через пятно фильтрующей ленты в течение фиксированного времени (обычно 1 или 2 часа). Лента была продвинута, и ее серый цвет был измерен 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 проведения ретроспективных исследований.[1][2] связал «блок COH» с количественным анализом микрокомпонентов в атмосфере.

Крупным планом панель управления эталометром

Работа в 1970-е гг. На Тихомир Новаков лаборатория в Национальная лаборатория Лоуренса Беркли установили количественную зависимость между оптическим затуханием отложений частиц на волокнистом фильтре и содержанием углерода в этом отложении.[3] Усовершенствования в оптических и электронных технологиях позволили измерить очень небольшое увеличение затухания, которое может происходить при прохождении обычного окружающего воздуха через фильтр с 5- или 10-минутной шкалой времени. Развитие персональные компьютеры и аналого-цифровые интерфейсы позволял рассчитывать данные в реальном времени и математически преобразовывать сигналы в концентрацию черного углерода, выраженную в единицах нанограммы или микрограммы черного углерода на кубический метр воздуха.

Первый в мире эталометр был разработан в Национальная лаборатория Лоуренса Беркли Энтони Д. А. Хансен (который позже основал Magee Scientific), Хэл Розен и Тихомир Новаков, и использовался в исследовании видимости EPA[4] в Хьюстоне в сентябре 1980 г.,[5] с первой диаграммой данных о концентрации черного углерода в окружающем воздухе в реальном времени, опубликованной в 1981 году.[6] Впервые прибор подняли на борт Исследовательский самолет NOAA в Арктике в 1984 г. и вместе с предыдущими наземными работами показали, что Арктическая дымка содержит сильный компонент сажа.[7]

Эталометр был коммерциализирован в 1986 году, а его улучшенная версия была запатентована в 1988 году.[8] Его первые применения были в геофизических исследованиях в отдаленных местах, с использованием черного углерода в качестве индикатора дальний транспорт загрязнения воздуха от промышленных источников до удаленных рецепторных регионов. В 1990-х годах растущее беспокойство по поводу воздействия на здоровье дизельные выхлопные частицы[9] привело к увеличению потребности в измерениях с использованием черноты содержания углерода в качестве индикатора. В 2000-х годах возрастающий интерес к роли оптически поглощающих частиц в изменение климата привело к расширению программ измерения как в развитых, так и в развивающихся странах. Считается, что действие этих частиц способствует ускоренному таяние Арктики[10] и таяние ледников в Гималаях.

Исчерпывающий отчет о сажи (включая обзор данных эталометров) был представлен в Конгресс США посредством Агентство по охране окружающей среды США в 2012.[11]

Эталометр был разработан в в стойке инструменты для использования в стационарных качество воздуха установки для мониторинга; переносные инструменты, которые часто используются вне сети, работают от батарей или фотоэлектрических панелей для проведения измерений в удаленных местах; и переносные портативные версии для измерения индивидуального воздействия выбросов горения.

Техническая база и использование эталометра

Интерьер эталометра

Эталометр использует

Основное применение эталометров связано с измерения качества воздуха, при этом данные используются для изучения воздействия загрязнения воздуха на здравоохранение;[12] изменение климата; и видимость. Другие применения включают измерения выбросов черного углерода из источников горения, таких как автомобили; производственные процессы; и сжигание биомассы как при лесных пожарах, так и в бытовых и промышленных условиях.

Техническая проверка

Эталометр модели АЕ-31 прошел испытания Программа проверки экологических технологий администрируется Агентством по охране окружающей среды США, а отчет о проверке был выпущен в 2001 году.[13] Модель Aethalometer AE-33 была испытана в рамках той же программы в 2013 году, отчет еще не готов.

Анализ на нескольких длинах оптических волн: показатель Ангстрема

Виды загрязнителя черный углерод выглядит серым или черным из-за поглощения электромагнитной энергии частично подвижными электронами в графитовая микроструктура частиц черного углерода. Это поглощение является чисто «резистивным» и не показывает резонансных полос: следовательно, материал выглядит серым, а не окрашенным. Ослабление света, проходящего через осадки этих частиц, увеличивается линейно с частотой электромагнитного излучения, т. Е. Обратно пропорционально частоте длина волны. Измерения эталометром оптического ослабления на отложениях фильтра будут увеличиваться на более коротких длинах волн как λ(-α) где параметр α (величина Показатель Ангстрема ) имеет значение α = 1 для «серых» или «черных» материалов. Однако другие частицы могут смешиваться с частицами сажи. Ароматические органические соединения связана с табачный дым и биомасса дым от дров как известно, имеют повышенное оптическое поглощение на более коротких длинах волн в желтой, синей и ближней ультрафиолетовой частях спектра.

В настоящее время эталометры сконструированы для одновременного проведения оптического анализа на нескольких длинах волн, обычно в диапазоне от 370 нм (ближний ультрафиолетовый) до 950 нм (ближний инфракрасный). В отсутствие ароматических компонентов данные эталометра для концентрации черного углерода идентичны на всех длинах волн после факторизации стандарта λ−1 ответ для «резистивных» серых материалов. Показатель ангстрема затухания для этих материалов равен 1. Если присутствуют ароматические компоненты, они будут способствовать увеличению поглощения на более коротких длинах волн. Данные эталометра будут увеличиваться на более коротких длинах волн, а кажущийся показатель Ангстрема будет увеличиваться. Измерения дыма чистой биомассы могут показывать данные, представленные показателем Ангстрема, равным 2. Из-за различных артефактов показатель Ангстрема, измеренный эталометрами, может быть смещен, но сравнение с другими методами показало, что модель эталометра AE-31 обеспечивает удовлетворительное поглощение ангстрема результаты экспоненты.[14] Многие районы мира подвержены воздействию выбросов как от высокотемпературных ископаемое топливо горение, такое как выхлоп дизеля, который имеет серый или черный цвет и характеризуется показателем Ангстрема, равным 1; вместе с выбросами от сжигания биомассы, такой как древесный дым, который характеризуется большим значением показателя Ангстрема. Эти два источника загрязнения могут иметь разное географическое происхождение и временные закономерности, но могут быть объединены в точке измерения. Утверждается, что измерения эталометра в реальном времени на нескольких длинах волн разделяют эти различные составляющие и могут распределять общее воздействие на разные категории источников. Этот анализ является важным вкладом в разработку эффективных и приемлемых государственная политика и регулирование.

Точность и даже способность эфалометра различать источники дыма оспариваются.[15]

Измерения эфалометром в разных местах

Принцип измерения эталометра 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. Его единственным расходным материалом является фильтр, который в портативных моделях необходимо заменять каждые один или два дня, но более крупные устройства имеют рулон фильтровальной ленты, срок службы которой обычно составляет от месяцев до лет. Следовательно, прибор является прочным, миниатюрным и может использоваться в исследовательских проектах в удаленных местах или на объектах с минимальной местной поддержкой. Примеры включают:

  • измерения на Южнополярная станция,[16] место, в котором самый чистый воздух был измерен эталометром, показав концентрации черного углерода порядка 30 пикограммов на кубический метр зимой;
  • измерения в городах Китая[17] и Бангладеш,[18] при которой концентрация черного углерода часто может превышать 100 микрограммов на кубический метр;
  • измерения в сельских районах Африки с установками, работающими от солнечных фотоэлектрических панелей и регистрирующими высокие концентрации черного углерода в результате сжигания в сельскохозяйственных целях;
  • измерения на высотных установках в Гималаях Индии[19] и Тибет[20] на высоте более 5000 метров, работающие от солнечных фотоэлектрических панелей и регистрирующие влияние выбросов горения из прилегающих густонаселенных низинных территорий;
  • измерения на борту коммерческих самолетов с использованием портативного эталометра, в котором присутствие черного углерода в салоне определяется по внешним концентрациям в стратосфере: таким образом можно нанести на карту дисперсию черного углерода на глобальном уровне. масштаб на 10 км. высота без необходимости в чрезвычайно дорогих специализированных исследовательских самолетах;
  • измерения, сделанные с автомобилей, поездов, легкий летательный аппарат[21] и привязные воздушные шары,[22] из которого данные в реальном времени могут быть преобразованы в горизонтальное и вертикальное отображение;
  • измерения на станции посреди Пустыня Таклимакан Средней Азии,[23] место почти такое же удаленное и негостеприимное, как Южный полюс.
  • измерения, сделанные с помощью микроэталометра во время езды на велосипеде Бангалор, Индия.[24]
  • измерения в сочетании с частота сердцебиения и минутная вентиляция датчики для изучения ингаляционное воздействие.[25]

Некоторые измерения доступны как Открытые данные:

  • измерения индивидуального облучения с помощью микроэталометров от Бельгия [26]

Рекомендации

  1. ^ Аллен, Г. (1999). «Полевая проверка полунепрерывного метода определения содержания черного углерода в аэрозолях (эталометр) и временных диаграмм летних почасовых измерений черного углерода на юго-западе Пенсильвании». Атмосферная среда. 33 (5): 817–823. Bibcode:1999AtmEn..33..817A. Дои:10.1016 / S1352-2310 (98) 00142-3.
  2. ^ Kirchstetter, Thomas W .; Агиар, Джеффри; Тонсе, Шахин; Фэрли, Дэвид; Новаков, Т. (2008). «Концентрации черного углерода и коэффициенты выбросов дизельных транспортных средств, полученные на основе измерений коэффициента дымки в Калифорнии: 1967–2003 годы». Атмосферная среда. 42 (3): 480. Bibcode:2008Atmen..42..480K. Дои:10.1016 / j.atmosenv.2007.09.063. Архивировано из оригинал на 2016-12-20. Получено 2016-12-16.
  3. ^ Gundel, L.A .; Dod, R.L .; Rosen, H .; Новаков, Т. (1984). «Взаимосвязь между оптическим затуханием и концентрацией черного углерода для окружающих и исходных частиц». Наука об окружающей среде в целом. 36: 197–202. Bibcode:1984ScTEn..36..197G. Дои:10.1016/0048-9697(84)90266-3.
  4. ^ Дзубай, Томас Г .; Стивенс, Роберт К .; Льюис, Чарльз В .; Hern, Don H .; 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. Bibcode:1982EnST ... 16..514D. Дои:10.1021 / es00102a017.
  5. ^ "Magee Scientific Corporation". www.mageesci.com. Архивировано из оригинал на 2016-06-26. Получено 2016-07-22.
  6. ^ Hansen, A.D .; Rosen, H; Новаков, Т (1982). «Измерение в реальном времени коэффициента поглощения аэрозольных частиц». Прикладная оптика. 21 (17): 3060–2. Bibcode:1982ApOpt..21.3060H. Дои:10.1364 / AO.21.003060. PMID  20396176. S2CID  42437260.
  7. ^ Rosen, H .; Новаков, Т .; Бодхайн, Б.А. (1981). «Сажа в Арктике». Атмосферная среда. 15 (8): 1371. Bibcode:1981AtmEn..15.1371R. Дои:10.1016/0004-6981(81)90343-7. OSTI  1082154.
  8. ^ Хансен, Энтони Д. (1990) "Эталометр" Патент США 4,893,934
  9. ^ Соломон, Г. М. и др. (2001) В проходах нет дыхания - выхлоп дизельного двигателя в школьных автобусах, NRDC.
  10. ^ Куинн, П. К. и др. (2011) Влияние черного углерода на климат Арктики, Программа арктического мониторинга и оценки
  11. ^ Отчет Конгрессу по сажи, USEPAEPA-R450 / R-12-001 (2012)
  12. ^ Dons, E; Теммерман, П; Ван Поппель, М; Беллеманс, Т; Мокрый, G; Инт Панис, Л. (январь 2013 г.). «Характеристики улиц и факторы дорожного движения, определяющие подверженность участников дорожного движения воздействию черного углерода». Наука об окружающей среде в целом. 447 (C): 72–79. Bibcode:2013ScTEn.447 ... 72D. Дои:10.1016 / j.scitotenv.2012.12.076. PMID  23376518.
  13. ^ Отчет о проверке экологических технологий, монитор твердых частиц эталометра, Battelle Laboratories, август 2001 г.
  14. ^ Сатурно, Хорхе; и другие. (2017). «Сравнение различных схем коррекции эфалометров и эталонного метода многоволнового поглощения для данных об атмосферных аэрозолях». Атмос. Измер. Технология. 10 (8): 2837–2850. Bibcode:2017AMT .... 10.2837S. Дои:10.5194 / amt-10-2837-2017.
  15. ^ Харрисон и другие, Рой М. (26 августа 2013 г.). «Оценка некоторых вопросов, касающихся использования эталометров для измерения концентрации древесного дыма». Атмосферная среда. 80: 540–548. Bibcode:2013Atmen..80..540H. Дои:10.1016 / j.atmosenv.2013.08.026.
  16. ^ Бодхейн, Барри А. (1995). «Измерения поглощения аэрозолей в Барроу, Мауна-Лоа и на южном полюсе». Журнал геофизических исследований. 100 (D5): 8967. Bibcode:1995JGR ... 100.8967B. Дои:10.1029 / 95JD00513.
  17. ^ Zhang, X. Y .; Wang, Y. Q .; Zhang, X.C .; Guo, W .; Niu, T .; Gong, S.L .; Инь, Й .; Zhao, P .; Jin, J. L .; Ю. М. (2008). «Мониторинг аэрозолей в нескольких местах в Китае: вклад ЭК и пыли в поглощение света аэрозолями». Теллус Б. 60 (4): 647. Bibcode:2008TellB..60..647Z. Дои:10.1111 / j.1600-0889.2008.00359.x.
  18. ^ Бегум, Билкис А. (2012). «Органический и черный углерод в PM2,5 на городском объекте в Дакке, Бангладеш» (PDF). Исследование аэрозолей и качества воздуха. 12 (6): 1062–1072. Дои:10.4209 / aaqr.2012.05.0138. Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-08-26. Получено 2016-12-16.
  19. ^ Чаубей, Джай Пракаш; Бабу, С Суреш; Gogoi, Mukunda M; Компалли, Собхан Кумар; Sreekanth, V; Мурти, Кришна; Прабху, Тушар П. (2012). «Аэрозоль черного углерода над высокогорной (~ 4,52 км) станцией в Западных Индийских Гималаях». Журнал инженерного института. 8 (3): 42–51. Дои:10.3126 / jie.v8i3.5930.
  20. ^ Мин, Дж. (2010). «Углеродистые частицы в атмосфере и осадки в районе Нам Ко, центральный Тибет». J. Environ. Наука. 22 (11): 1748–1756. Дои:10.1016 / с1001-0742 (09) 60315-6. PMID  21235163.
  21. ^ "Отбор проб углерода взлетает". Наука. 335 (6074): 1286. 2012. Дои:10.1126 / science.335.6074.1285-b.
  22. ^ Ферреро, Л. (2011). «Вертикальные профили коэффициента поглощения аэрозоля по данным микроэталометра и расчету Ми над Миланом». Sci. Total Environ. 409 (14): 2824–2837. Bibcode:2011ScTEn.409.2824F. Дои:10.1016 / j.scitotenv.2011.04.022. PMID  21546060.
  23. ^ Лу, Хуэй; Вэй, Веншоу; Лю, Минчжэ; Гао, Вэйдун; Хань, Си (2012). «Оптическое поглощение аэрозолей пылью и сажистым углеродом в пустыне Таклимакан в беспыльных и пыльных условиях». Партикуология. 10 (4): 509. Дои:10.1016 / j.partic.2011.12.002.
  24. ^ Деконинк, L; Botteldooren, D; Инт Панис, L; Хэнки, S; Джайн, G; Картик, S; Маршалл, Дж (2015). «Применимость модели на основе шума для оценки воздействия черного углерода в транспортном потоке и числовых концентраций частиц в различных культурах». Environment International. 74: 89–98. Дои:10.1016 / j.envint.2014.10.002. HDL:1854 / LU-5915838. PMID  25454224.
  25. ^ Донс, Э (2017). «Носимые датчики для персонального мониторинга и оценки загрязнения воздуха, связанного с вдыханием транспорта: оценка методов». Экологические науки и технологии. 51 (3): 1859–1867. Bibcode:2017EnST ... 51.1859D. Дои:10.1021 / acs.est.6b05782. HDL:10044/1/45509. PMID  28080048.
  26. ^ Панис, Люк Инт; Louwies, Tijs; Бовер, Патрик Де; Наврот, Тим С. (2019). «Персональные измерения черного углерода Бельгия». Дои:10.6084 / m9.figshare.7770626.v1. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)