Atalometre - Aethalometer

Bir atetalometrenin dışı

Bir ateşölçer optik olarak absorbe etme ('siyah') konsantrasyonunu ölçmek için bir araçtır askıya alınmış partiküller içinde gaz kolloid Akış; yaygın olarak görselleştirilir Sigara içmek veya pus, genellikle kirli koşullar altında ortam havasında görülür. Aethalometer kelimesi, 'is ile karalamak' anlamına gelen Klasik Yunanca 'aethaloun' fiilinden türemiştir.

Çalışma prensibi

Gaz akışı (sıklıkla ortam havası) bir filtre malzemesi askıdaki partikülleri hapsederek artan yoğunlukta bir tortu yaratır. Yatağın içinden yansıtılan bir ışık huzmesi zayıflatılmış bu parçacıklar tarafından Sürükleyici ("Siyah") yerine saçılma ('beyaz'). Ölçümler, ardışık düzenli zaman aralıklarında yapılır. Bir ölçümden diğerine zayıflamadaki artış, filtre üzerindeki optik olarak emici malzemenin yoğunluğundaki artışla orantılıdır: bu da, örneklenen hava akımındaki malzemenin konsantrasyonu ile orantılıdır. Numune, bir rulo üzerinde bir nokta olarak toplanır. filtre bandı. Bırakılan noktanın yoğunluğu önceden belirlenmiş bir limite ulaştığında, bant yeni bir noktaya ilerler ve ölçümler devam eder. Örnek gaz akış hızının ölçülmesi ve aletin optik ve mekanik özelliklerinin bilgisi, örnekleme periyodu sırasında gaz akışındaki emici parçacıkların ortalama konsantrasyonunun hesaplanmasına izin verir. Atalometreler, zaman tabanı 1 saniye kadar hızlı dönemler, neredeyse gerçek zamanlı veriler sağlar. Aetalometre verilerinin diğer fiziksel ve kimyasal analizlerle karşılaştırılması, çıktının bir konsantrasyon olarak ifade edilmesini sağlar. siyah karbon.

Tarih

Aethalometer prensibi, 1950'lerde ölçüm için geliştirilen sürekli filtre bandı örnekleyicisine dayanmaktadır. pus katsayısı. Bu cihaz, numune hava akımını sabit bir süre boyunca (genellikle 1 veya 2 saat) bir filtre bandı noktasından çekmiştir. Bant ilerletildi ve gri rengi geçirgenlik veya yansıtma ile optik olarak ölçüldü. Bununla birlikte, veri birimleri gelişigüzeldi ve geriye dönük çalışmalara kadar hava akışındaki tanımlanmış bir malzemenin kütle konsantrasyonu olarak yorumlanmadı.[1][2] 'COH birimini' atmosferik eser bileşenlerin kantitatif analizlerine bağladı.

Bir atetalometre kontrol panelinin yakından görünümü

1970'lerde çalışın Tihomir Novakov 'nin laboratuarı Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı lifli bir filtre üzerindeki parçacık birikiminin optik zayıflaması ile bu birikimin karbon içeriği arasındaki niceliksel ilişkiyi kurdu.[3] Optik ve elektronik teknolojideki gelişmeler, tipik ortam havasının bir filtreden 5 veya 10 dakikalık bir zaman tabanında geçişi sırasında meydana gelebilecek gibi, zayıflamadaki çok küçük artışların ölçülmesine izin verdi. Geliştirilmesi kişisel bilgisayarlar ve analog-dijital arayüzler gerçek zamanlı veri hesaplamasına ve sinyallerin, birim cinsinden ifade edilen siyah karbon konsantrasyonuna matematiksel dönüşümüne izin verdi. nanogram veya mikrogram Metreküp hava başına Siyah Karbon.

İlk Aethalometer, Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı Anthony D.A. Hansen (daha sonra Magee Scientific'i kuracaktı), Hal Rosen ve Tihomir Novakov ve bir EPA görünürlük çalışmasında kullanıldı[4] Eylül 1980'de Houston'da,[5] 1981'de yayınlanan ortam havasındaki siyah karbon konsantrasyonlarının ilk gerçek zamanlı veri tablosu ile.[6] Enstrüman ilk olarak bir gemide uçuruldu NOAA araştırma uçağı 1984'te Kuzey Kutbu'nda ve önceki yer seviyesindeki çalışmalarla birleştiğinde, Arktik pus güçlü bir bileşen içerir is.[7]

Aethalometer 1986'da piyasaya sürüldü ve 1988'de patentli geliştirilmiş bir versiyonu.[8] İlk kullanımları, uzak yerlerde jeofizik araştırmada, siyah karbonu bir izleyici olarak kullanıyordu. uzun menzilli taşıma sanayileşmiş kaynak alanlarından uzak alıcı bölgelere hava kirliliği. 1990'larda, sağlık üzerindeki etkileri konusunda artan endişeler dizel egzoz partikülleri[9] bir gösterge olarak karbon içeriğinin siyahlığını kullanan ölçüm ihtiyacının artmasına neden oldu. 2000'lerde, optik olarak emici partiküllerin oynadığı role artan ilgi iklim değişikliği hem gelişmiş hem de gelişmekte olan ülkelerde genişletilmiş ölçüm programlarına yol açtı. Bu parçacıkların etkisinin, hızlandırılmış Kuzey Kutbu'nun erimesi[10] ve Himalayalar'daki buzulların erimesi.

Siyah karbonun kapsamlı bir özeti (aetalometre verilerinin bir incelemesi dahil), ABD Kongresi tarafından ABD Çevre Koruma Ajansı 2012 yılında.[11]

Aethalometer, aşağıdakiler için geliştirilmiştir: rafa monte sabit kullanım için aletler hava kalitesi kurulumları izleme; uzak yerlerde ölçüm yapmak için genellikle şebeke dışı yerlerde kullanılan, pillerden veya fotovoltaik panellerden çalışan taşınabilir aletler; ve kişisel yanma emisyonlarına maruz kalma ölçümleri için elde taşınan portatif versiyonlar.

Teknik arka plan ve aethalometer kullanımı

Bir atetalometrenin içi

Aethalometer kullanır

Aetalometrelerin temel kullanımları aşağıdakilerle ilgilidir: hava kalitesi ölçümleri hava kirliliğinin üzerindeki etkisinin araştırılmasında kullanılan verilerle Halk Sağlığı;[12] iklim değişikliği; ve görünürlük. Diğer kullanımlar, araçlar gibi yanma kaynaklarından siyah karbon emisyonunun ölçümlerini; endüstriyel işlemler; ve hem doğal yangınlarda hem de evsel ve endüstriyel ortamlarda biyokütle yakma.

Teknik doğrulama

Aetalometre modeli AE-31, Çevresel Teknoloji Doğrulama Programı ABD Çevre Koruma Ajansı tarafından yönetildi ve 2001 yılında bir doğrulama raporu yayınlandı.[13] Aethalometer Model AE-33 2013 yılında aynı program altında test edilmiştir, rapor beklemede.

Birden çok optik dalga boyunda analiz: angstrom üssü

Kirletici türler siyah karbon elektromanyetik enerjinin kısmen hareketli elektronlar tarafından soğurulması nedeniyle gri veya siyah görünür. grafitik mikro yapı siyah karbon parçacıkları. Bu soğurma tamamen 'dirençlidir' ve hiçbir rezonans bandı göstermez: sonuç olarak malzeme renkli değil gri görünür. Bu parçacıkların birikiminden geçen ışığın zayıflaması, elektromanyetik radyasyonun frekansı ile doğrusal olarak artar, yani. dalga boyu. Bir filtre birikintisi üzerindeki optik zayıflamanın atalometre ölçümleri, daha kısa dalga boylarında λ olarak artacaktır.(-α) α parametresinin ( Angstrom üssü ) "gri" veya "siyah" malzemeler için α = 1 değerine sahiptir. Bununla birlikte, diğer türler siyah karbon parçacıklarıyla karıştırılabilir. Aromatik organik bileşikler ile ilişkili tütün dumanı ve biyokütle odun yanan duman tayfın sarı, mavi ve ultraviyole yakın kısımlarında daha kısa dalga boylarında artmış optik absorpsiyona sahip olduğu bilinmektedir.

Atalometreler artık optik analizlerini aynı anda birden fazla dalga boyunda gerçekleştirmek için inşa edildi, tipik olarak 370 nm (ultraviyole yakın) ila 950 nm (yakın kızılötesi) aralığı kapsıyor. Aromatik bileşenlerin yokluğunda, siyah karbon konsantrasyonu için aetalometre verileri, standart λ faktörlendirildikten sonra tüm dalga boylarında aynıdır.−1 "dirençli" gri malzemeler için yanıt. Bu malzemeler için zayıflamanın angstrom üssü 1'dir. Aromatik bileşenler mevcutsa, daha kısa dalga boylarında artan emmeye katkıda bulunacaklardır. Aetalometre verileri daha kısa dalga boylarında artacak ve görünen angstrom üssü artacaktır. Saf biyokütle dumanının ölçümleri, 2'ye kadar büyük bir angstrom üssü ile temsil edilen verileri gösterebilir. Farklı artefaktlar nedeniyle, aetalometreler tarafından ölçülen angstrom üssü önyargılı olabilir, ancak diğer tekniklerle yapılan karşılaştırma, aethalometer modeli AE-31'in makul absorpsiyon angstromu sağladığını bulmuştur üslü sonuçlar.[14] Dünyanın birçok bölgesi, hem yüksek sıcaklıktan kaynaklanan emisyonlardan etkilenir. fosil yakıt yanma gibi dizel egzoz gri veya siyah bir renge sahip olan ve 1'lik bir angstrom üssü ile karakterize edilen; daha büyük bir angstrom üs değeri ile karakterize edilen odun dumanı gibi biyokütle yanmasından kaynaklanan emisyonlarla birlikte. Bu iki kirlilik kaynağı farklı coğrafi kökenlere ve zamansal modellere sahip olabilir, ancak ölçüm noktasında iç içe olabilir. Birden fazla dalga boyunda gerçek zamanlı aetalometre ölçümlerinin bu farklı katkıları ayırdığı ve toplam etkiyi farklı kaynak kategorilerine paylaştırabileceği iddia edilmektedir. Bu analiz, etkili ve kabul edilebilir tasarım için gerekli bir girdidir. kamu politikası ve düzenleme.

Aethalometer'ın duman kaynaklarını ayırt etme doğruluğu ve hatta yeteneği tartışmalıdır.[15]

Farklı yerlerde atalometre ölçümleri

Aethalometer ölçüm prensibi hava filtrelemesine, optiklere ve elektroniklere dayanmaktadır. Yüksek vakum, yüksek sıcaklık veya özel reaktifler veya gazlar gibi herhangi bir fiziksel veya kimyasal destek altyapısı gerektirmez. Tek sarf malzemesi, taşınabilir modellerde her bir veya iki günde bir değiştirilmesi gereken bir filtredir, ancak daha büyük ünitelerde genellikle aylardan yıllarca süren bir rulo filtrasyon bandı bulunur. Sonuç olarak, cihaz sağlamdır, minyatürleştirilebilir ve araştırma projelerinde uzak yerlerde veya minimum yerel desteğe sahip yerlerde kullanılabilir. Örnekler şunları içerir:

  • ölçümler Güney Kutbu İstasyonu,[16] en temiz havanın, kışın metreküp başına 30 pikogram düzeyinde siyah karbon konsantrasyonlarını gösteren bir aetalometre ile ölçüldüğü yer;
  • Çin'deki kentsel yerlerde ölçümler[17] ve Bangladeş,[18] siyah karbon konsantrasyonlarının genellikle metreküp başına 100 mikrogramı aşabildiği;
  • güneş fotovoltaik panellerinden çalışan ve tarımsal yanma nedeniyle yüksek konsantrasyonlarda siyah karbon kaydeden tesislerle Afrika'nın kırsal bölgelerinde ölçümler;
  • her iki Hindistan Himalayasında yüksek irtifa kurulumlarında ölçümler[19] ve Tibet[20] 5000 metreyi aşan yüksekliklerde, fotovoltaik güneş panellerinden çalışan ve bitişik yoğun nüfuslu ova alanlarından kaynaklanan yanma emisyonlarının etkisini kaydeden;
  • Ticari uçak uçuşlarında, kabin içi siyah karbon varlığının stratosferdeki harici konsantrasyonlardan türetildiği, elde tutulan bir aetalometre kullanılarak yapılan ölçümler: bu şekilde, siyah karbon dağılımını küresel bir 10 km'de ölçek. son derece pahalı özel araştırma uçağına ihtiyaç duymadan irtifa;
  • otomobillerden, trenlerden alınan ölçümler, hafif uçuş aracı[21] ve bağlı balonlar,[22] gerçek zamanlı verilerin yatay ve dikey haritalamaya dönüştürülebileceği;
  • ortasında bir istasyonda ölçümler Taklimakan Çölü Orta Asya'nın[23] neredeyse Güney Kutbu kadar uzak ve misafirperver olmayan bir yer.
  • trafikte bisiklet sürerken mikro aethalometre ile alınan ölçümler Bangalore, Hindistan.[24]
  • ile birleştirilmiş ölçümler kalp atış hızı ve dakika havalandırma çalışmak için sensörler soluma maruziyeti.[25]

Bazı ölçümler şu şekilde mevcuttur: Açık veri:

  • mikroaetalometrelerle kişisel maruziyet ölçümleri Belçika [26]

Referanslar

  1. ^ Allen, G (1999). "Aerosol siyah karbon (aethalometer) için yarı sürekli bir yöntemin alan doğrulaması ve güneybatı PA'da yaz aylarında saatlik siyah karbon ölçümlerinin zamansal kalıpları". Atmosferik Ortam. 33 (5): 817–823. Bibcode:1999AtmEn..33..817A. doi:10.1016 / S1352-2310 (98) 00142-3.
  2. ^ Kirchstetter, Thomas W .; Aguiar, Jeffery; Tonse, Shaheen; Fairley, David; Novakov, T. (2008). "Kaliforniya'daki pus ölçümlerinin katsayısından türetilen siyah karbon konsantrasyonları ve dizel araç emisyon faktörleri: 1967–2003". Atmosferik Ortam. 42 (3): 480. Bibcode:2008AtmEn..42..480K. doi:10.1016 / j.atmosenv.2007.09.063. Arşivlenen orijinal 2016-12-20 tarihinde. Alındı 2016-12-16.
  3. ^ Gundel, L.A .; Dod, R.L .; Rosen, H .; Novakov, T. (1984). "Ortam ve kaynak parçacıklar için optik zayıflama ile siyah karbon konsantrasyonu arasındaki ilişki". Toplam Çevre Bilimi. 36: 197–202. Bibcode:1984ScTn..36..197G. doi:10.1016/0048-9697(84)90266-3.
  4. ^ Dzubay, Thomas G .; Stevens, Robert K .; Lewis, Charles W .; Hern, Don H .; Courtney, William J .; Tesch, John W .; Mason, Mark A. (Ağustos 1982). "Houston, Teksas'ta görünürlük ve aerosol bileşimi". Çevre Bilimi ve Teknolojisi. 16 (8): 514–525. Bibcode:1982EnST ... 16..514D. doi:10.1021 / es00102a017.
  5. ^ "Magee Scientific Corporation". www.mageesci.com. Arşivlenen orijinal 2016-06-26 tarihinde. Alındı 2016-07-22.
  6. ^ Hansen, A. D .; Rosen, H; Novakov, T (1982). "Aerosol partiküllerinin absorpsiyon katsayısının gerçek zamanlı ölçümü". Uygulamalı Optik. 21 (17): 3060–2. Bibcode:1982ApOpt..21.3060H. doi:10.1364 / AO.21.003060. PMID  20396176. S2CID  42437260.
  7. ^ Rosen, H .; Novakov, T .; Bodhaine, B.A. (1981). "Kuzey Kutbu'nda Kurum". Atmosferik Ortam. 15 (8): 1371. Bibcode:1981AtmEn. 15.1371R. doi:10.1016/0004-6981(81)90343-7. OSTI  1082154.
  8. ^ Hansen, Anthony D. (1990) "Atalometre" ABD Patenti 4,893,934
  9. ^ Solomon, G. M. vd. (2001) Koridorlarda Solunum Yok - Okul Otobüslerinde Dizel Egzoz, NRDC.
  10. ^ Quinn, P. K. vd. (2011) Siyah Karbonun Arktik İklim Üzerindeki Etkisi, Arktik İzleme ve Değerlendirme Programı
  11. ^ Siyah Karbon Kongresine Rapor, USEPAEPA-R450 / R-12-001 (2012)
  12. ^ Dons, E; Temmerman, P; Van Poppel, M; Bellemans, T; Wets, G; Int Panis, L (Ocak 2013). "Yol kullanıcılarının siyah karbona maruziyetini belirleyen sokak özellikleri ve trafik faktörleri". Toplam Çevre Bilimi. 447 (C): 72–79. Bibcode:2013ScTEn.447 ... 72D. doi:10.1016 / j.scitotenv.2012.12.076. PMID  23376518.
  13. ^ Çevresel Teknoloji Doğrulama Raporu, Aethalometer Partikül Karbon Monitörü, Battelle Laboratories, Ağustos 2001.
  14. ^ Saturno, Jorge; et al. (2017). "Farklı Aethalometer düzeltme şemalarının karşılaştırılması ve ortam aerosol verileri için bir referans çoklu dalga boyu absorpsiyon tekniği". Atmos. Meas. Teknoloji. 10 (8): 2837–2850. Bibcode:2017AMT .... 10.2837S. doi:10.5194 / amt-10-2837-2017.
  15. ^ Harrison ve diğerleri, Roy M (26 Ağustos 2013). "Odun dumanı konsantrasyonlarını ölçmek için aetalometrelerin kullanımına ilişkin bazı konuların bir değerlendirmesi". Atmosferik Ortam. 80: 540–548. Bibcode:2013AtmEn..80..540H. doi:10.1016 / j.atmosenv.2013.08.026.
  16. ^ Bodhaine, Barry A. (1995). "Barrow, Mauna Loa ve güney kutbunda aerosol absorpsiyon ölçümleri". Jeofizik Araştırmalar Dergisi. 100 (D5): 8967. Bibcode:1995 JGR ... 100.8967B. doi:10.1029 / 95JD00513.
  17. ^ Zhang, X. Y .; Wang, Y. Q .; Zhang, X. C .; Guo, W .; Niu, T .; Gong, S. L .; Yin, Y .; Zhao, P .; Jin, J. L .; Yu, M. (2008). "Çin'de birden fazla yerde aerosol izleme: EC ve tozun aerosol ışık emilimine katkıları". Tellus B. 60 (4): 647. Bibcode:2008TellB..60..647Z. doi:10.1111 / j.1600-0889.2008.00359.x.
  18. ^ Begüm, Bilkis A. (2012). "Bangladeş, Dakka'daki Kentsel Sitede PM2.5'te Organik ve Siyah Karbon" (PDF). Aerosol ve Hava Kalitesi Araştırmaları. 12 (6): 1062–1072. doi:10.4209 / aaqr.2012.05.0138. Arşivlenen orijinal (PDF) 2016-08-26 tarihinde. Alındı 2016-12-16.
  19. ^ Chaubey, Jai Prakash; Babu, S Suresh; Gogoi, Mukunda M; Kompalli, Sobhan Kumar; Sreekanth, V; Moorthy, K Krishna; Prabhu, Tushar P (2012). "Batı Hindistan Himalayalarındaki Yüksek İrtifa (~ 4,52 km) İstasyonu Üzerinde Siyah Karbon Aerosol". Mühendislik Enstitüsü Dergisi. 8 (3): 42–51. doi:10.3126 / jie.v8i3.5930.
  20. ^ Ming, J. (2010). "Atmosferdeki karbonlu parçacıklar ve Tibet'in merkezindeki Nam Co bölgesinin yağışları". J. Environ. Sci. 22 (11): 1748–1756. doi:10.1016 / s1001-0742 (09) 60315-6. PMID  21235163.
  21. ^ "Karbon Örneklemesi Uçuşa Geçiyor". Bilim. 335 (6074): 1286. 2012. doi:10.1126 / science.335.6074.1285-b.
  22. ^ Ferrero, L. (2011). "Mikro Atalometre verilerinden aerosol absorpsiyon katsayısının dikey profilleri ve Milan üzerinden Mie hesaplaması". Sci. Toplam Çevre. 409 (14): 2824–2837. Bibcode:2011ScTEn.409.2824F. doi:10.1016 / j.scitotenv.2011.04.022. PMID  21546060.
  23. ^ Lu, Hui; Wei, Wenshou; Liu, Mingzhe; Gao, Weidong; Han Xi (2012). "Taklimakan Çölü'nde tozsuz ve toz fırtınalı koşullarda toz ve siyah karbon tarafından aerosol optik absorpsiyonu". Partiküoloji. 10 (4): 509. doi:10.1016 / j.partic.2011.12.002.
  24. ^ Dekoninck, L; Botteldooren, D; Int Panis, L; Hankey, S; Jain, G; Karthik, S; Marshall, J (2015). "Farklı kültürlerdeki siyah karbon ve partikül sayısı konsantrasyonlarına trafik içi maruziyeti tahmin etmek için gürültüye dayalı bir modelin uygulanabilirliği". Çevre Uluslararası. 74: 89–98. doi:10.1016 / j.envint.2014.10.002. hdl:1854 / LU-5915838. PMID  25454224.
  25. ^ Dons, E (2017). "Solunan trafikle ilgili hava kirliliğinin kişisel izlenmesi ve tahmini için giyilebilir sensörler: yöntemlerin değerlendirilmesi". Çevre Bilimi ve Teknolojisi. 51 (3): 1859–1867. Bibcode:2017EnST ... 51.1859D. doi:10.1021 / acs.est.6b05782. hdl:10044/1/45509. PMID  28080048.
  26. ^ Panis, Luc Int; Louwies, Tijs; Boever, Patrick De; Nawrot, Tim S. (2019). "Kişisel Siyah Karbon ölçümleri Belçika". doi:10.6084 / m9.figshare.7770626.v1. Alıntı dergisi gerektirir | günlük = (Yardım)