Эталометр - Aethalometer
Aethalometer является инструментом для измерения концентрации оптический поглощающим ( «черных») взвешенных частиц в газовой коллоидной потоке; обычно визуализируется как дым или дымка , часто наблюдается в окружающем воздухе в загрязненных условиях. Слово aethalometer происходит от классического греческого глагола «aethaloun», 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 осадок, ослабляется теми частицами, которые поглощают («черные»), а не рассеивают («белые»). 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 фильтровальной ленты . 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 с периодами временной развертки до 1 секунды, обеспечивая данные в квазиреальном времени. Сравнение данных эталометра с другими физическими и химическими анализами позволяет выразить результат в виде концентрации черного углерода .
История
Принцип Aethalometer основан на пробоотборнике с непрерывной лентой с фильтром, разработанном в 1950-х годах для измерения коэффициента матовости . Этот прибор пропускал пробу воздуха через пятно фильтровальной 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 тех пор, пока ретроспективные исследования не связали «единицу COH» с количественным анализом составляющих атмосферных следов.
Работа 1970-х годов в лаборатории Тихомира Новакова в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли установила количественную зависимость между оптическим ослаблением отложения частиц на волокнистом фильтре и содержанием углерода в этом отложения. Усовершенствования в оптических и электронных технологиях позволили измерить очень небольшое увеличение затухания, такое как могло бы происходить при прохождении обычного окружающего воздуха через фильтр с 5- или 10-минутной временной разверткой. Развитие персональных компьютеров и аналого-цифровых интерфейсов позволило производить расчет данных в реальном времени и математическое преобразование сигналов в концентрацию черного углерода, выраженную в единицах нанограммы или микрограммы черного углерода на кубический метр воздуха.
Первый в истории эталометр был разработан в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли Энтони Д.А. Хансеном (который позже основал Magee Scientific), Хэлом Розеном и Тихомиром Новаковым и был использован в исследовании видимости Агентства по охране окружающей среды в Хьюстоне в сентябре 1980 года. Временная диаграмма концентраций черного углерода в окружающем воздухе, опубликованная в 1981 году. Этот прибор впервые был запущен на борту исследовательского самолета NOAA в Арктике в 1984 году и в сочетании с предыдущими наземными исследованиями показал, что арктическая дымка содержит сильный компонент сажа .
Эталометр был коммерциализирован в 1986 году, а его улучшенная версия была запатентована в 1988 году. Первые его применения были в геофизических исследованиях в отдаленных местах, с использованием черного углерода в качестве индикатора переноса загрязнения воздуха на большие расстояния из промышленных зон источников в отдаленные регионы рецепторов. В 1990-е годы растущее беспокойство по поводу воздействия на здоровье твердых частиц выхлопных газов дизельных двигателей 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 действие этих частиц способствует ускоренному таянию Арктики и таянию ледников в Гималаях.
Всеобъемлющее резюме черного углерода (включая обзор данных aethalometer) было представлено на рассмотрение Конгресса США по охране окружающей среды США в 2012 году.
Аэталометр был разработан в стоечных приборах для использования в стационарных установках контроля качества воздуха ; 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
Эталометр использует
Основное применение эталометров связано с измерениями качества воздуха , а данные используются для изучения воздействия загрязнения воздуха на здоровье населения ; изменение климата ; и видимость . Другие виды использования 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
Модель эталометра AE-31 была протестирована Программой проверки экологических технологий, проводимой Агентством по охране окружающей среды США, и в 2001 году был выпущен отчет о валидации. Модель AE-33 эталометра была испытана в рамках той же программы в 2013 году, отчет ожидает рассмотрения.
Анализ на нескольких длинах оптических волн: показатель Ангстрема
Загрязняющие виды сажи появляется серым или черным за счетом поглощения электромагнитной энергии частично подвижными электронами в графитовых микроструктурах черных частиц 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, то есть обратно пропорционально длине волны . Измерения эталометром оптического затухания на отложениях фильтра будут увеличиваться на более коротких длинах волн как λ (-α), где параметр α (показатель Ангстрема ) имеет значение α = 1 для «серых» или «черных» материалов. Однако другие частицы могут смешиваться с частицами сажи. Известно, что ароматические органические соединения, связанные с табачным дымом и дымом биомассы от сжигания древесины , 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 учета стандартного отклика λ -1 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 кажущаяся экспонента 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 удовлетворительный ангстрем поглощения результаты экспоненты. Многие районы мира подвержены воздействию выбросов как от высокотемпературного сжигания ископаемого топлива , так и от выхлопных газов дизельных двигателей , которые имеют серый или черный цвет и характеризуются 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 эффективной и приемлемой государственной политики и регулирования .
Точность и даже способность эфалометра различать источники дыма оспариваются.
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 фильтрующей 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 Южнополярной станции , в месте , в котором чистый воздух был измерен с aethalometer, показывая черные концентрации углерода на порядка 30 пикограмм на кубический метр в зимний период ;
- измерения в городских районах Китая и Бангладеш, при которых 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 как в Индийских Гималаях, так и в Тибете на высоте более 5000 метров, работающие от солнечных фотоэлектрических панелей и регистрирующие влияние выбросов горения из прилегающих густонаселенных низменных районов;
- измерения на борту коммерческих самолетов с использованием портативного эталометра, в которых присутствие черного углерода в салоне определяется из внешних концентраций 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, легких самолетов и привязных аэростатов, из которых данные в реальном времени могут быть преобразованы в горизонтальное и вертикальное картирование;
- измерения на станции посреди пустыни Таклимакан в Центральной Азии, месте почти столь же удаленном и негостеприимном, как Южный полюс.
- измерения, сделанные с помощью микроэталометра во время езды на велосипеде в Бангалоре , Индия .
- измерения в сочетании с датчиками сердечного ритма и минутной вентиляции для изучения ингаляционного воздействия .
Некоторые измерения доступны как открытые данные :
- измерения индивидуального облучения с помощью микроэталометров из Бельгии