Войти
Внешний вид эталометра эталометр - это прибор для измерения концентрации оптически поглощающих (' черный ') взвешенные твердые частицы в потоке газа коллоида ; обычно визуализируется как дым или дымка, часто наблюдается в окружающем воздухе в загрязненных условиях. Слово эталометр происходит от классического греческого глагола «эталон», означающего «почернеть от копоти».
Поток газа (часто окружающий воздух) проходит через фильтрующий материал, который задерживает взвешенные частицы, создание осадка возрастающей плотности. Луч света, проецируемый через отложение, 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 с частотой 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.
Принцип эталометра основан на непрерывном ленточном пробоотборнике, разработанном в 1950-е годы 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 с помощью коэффициента 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 атмосферных следов составляющих.
Крупный план панели управления эталометра Работа в 1970-х годах в лаборатории Тихомира Новакова в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли установила количественную зависимость между оптическим затуханием осадок частиц на волокнистом фильтре и содержание углерода в этом осадке. 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 разверткой. Разработка персональных компьютеров и аналогово-цифровых интерфейсов позволила 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 мире эталометр был разработан в Национальной лаборатории Лоуренса 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 в Хьюстоне в сентябре 1980 г., когда в 1981 г. была опубликована первая диаграмма данных о концентрации черного углерода в окружающем воздухе в реальном времени. Впервые прибор был запущен на борту исследовательского самолета NOAA в Арктике в 1984 году и в сочетании с предыдущими наземными исследованиями показали, что арктическая дымка содержит сильный компонент сажи.
. Эталометр был коммерциализирован в 1986 году, а его улучшенная версия была запатентована в 1988 году. Самым ранним его применением были геофизические исследования в удаленных местах, с использованием черного углерода в качестве индикатора переноса загрязнения воздуха на большие расстояния из промышленных районов источника в удаленные рецепторные регионы. В 1990-е годы растущие опасения по поводу воздействия на здоровье твердых частиц выхлопных газов дизельного топлива привели к увеличению потребности в измерениях с использованием черноты содержания углерода в качестве индикатора. В 2000-х годах рост интереса к роли оптически поглощающих частиц 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.
Исчерпывающий обзор черного углерода (включая обзор данных эталометров) был отправлен в США. Конгресс от США Агентство по охране окружающей среды в 2012 году.
Эталометр был разработан в стоечных приборах для использования в стационарных установках мониторинга качества воздуха ; переносные приборы, 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.
Внутренняя часть эталометра Основное применение эталометров связано с измерениями качества воздуха с данными используется для изучения воздействия загрязнения воздуха на здоровье населения ; 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.
Модель эталометра AE-31 была протестирована в рамках Программы проверки экологических технологий, проводимой Агентством по охране окружающей среды США, и в 2001 году был выпущен отчет о валидации. Модель Aethalometer AE-33 была испытана в рамках той же программы в 2013 году, отчет ожидается.
Черный углерод 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 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, где параметр α (показатель Ангстрема ) имеет значение α = 1 для «серых» или «черных» материалов. Однако другие частицы могут смешиваться с частицами сажи. Ароматические органические соединения, связанные с табачным дымом и биомассой дымом от сжигания древесины, как известно, обладают повышенным оптическим поглощением на более коротких длинах волн в желтая, синяя и ближняя ультрафиолетовая части спектра.
Эталометры в настоящее время сконструированы для одновременного выполнения оптических анализов на нескольких длинах волн, обычно в диапазоне от 370 нм (ближний ультрафиолет) 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 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. Многие регионы 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 разные составляющие и могут распределять общее воздействие на разные категории источников. Этот анализ является важным вкладом в разработку эффективных и приемлемых государственной политики и нормативных актов.
Точность и даже способность эталометра различать источники дыма оспариваются
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:
Некоторые измерения доступны как Открытые данные :
