Atmosfera şi calitatea aerului

CURS VIIIMetode de analiză şi monitorizare a aerului şi

calită ii acestuiaț

Analiza calităţii aerului – noţiuni introductive

Evaluarea calităţii aerului și stabilirea nivelului de poluare se bazează pe o serie de metode de analiză cantitative ce au ca scop identificarea şi stabilirea concentrației diverselor gaze ce apar în atmosferă. Metodele aplicate trebuie să rezolve 2 obstacole majore legate de analiza gazelor atmosferice:

1. gama largă de variație a concentrație gazelor atmosferice – N2 -78%, O

3 ppm =>

concentrațiile se găsesc într-o plajă de 1014

2. dimensiunile, dinamica și stratificarea atmosferei – prelevarea de eșantioane și relevanţa acestor eşantioane pentre formularea unor concluzii.

Metodele de determinarea a concentrației constituenților atmosferice se pot clasifica în:

- metode in situ - în care o probă de aer este prelevată și introdusă într-un aparat de măsură

- metode le distanţă – în care un fascicul de energie (radiație electromagnetică, lumină) generată de pe un avion, satelit sau de pe sol traversează porțiunea atmosferei ce este studiată. Funcţie de comportamentul fascicului, se trag concluzii privind componentele chimie ale porţiunii traversate.

Metode in situ de monitorizare a calitaţii aerului

Metodele spectroscopice – au la bază observaţia că diverșii compuşi chimici au capacitatea de a absorbi radiație electromagnetică la lungimie de undă specifice. Atunci când un compus absoarbe radiație electromagnetică, energia s-a creşte şi energia fasciculului de radiație scade.

Orice dispozitiv de măsurare spectroscopic este alcătuit din:

Sursă de lumină

Monocromator(selecţia lungimii

de undă λ)Proba

Detector de lumină

Io

I

1. Sursă de radiaţie electromagnetică, cel mai frecvent un bec (pentru VIS) sau o lampă cu deuteriu (pentru UV) 2. Monocromator – o prismă sau un filtru ce selectează o anumită lungime de undă funcţie de substanţa de analizat. Din monocromator lumina are o singură culoare (lumină monocromatică) şi intensitatea I

o.

3. Cuva cu substanţa de analizat de lungime l. Prin traversarea cuvei lumina este absorbită, va avea o intensitatea I mai mică.5. Detectorul de lumină ce măsoară intensitatea I

o și I și calculează A = absorbanŧa probei.

Lungimea = lI

Metode in situ de monitorizare a calitaţii aerului

A= -log(Io/I);

de asemenea A = ε x l x c; unde A- absorbanţal- lungimea cuvei în care este plasată probac - concentratia probei ε – coeficientul de absorbţiei al substanţei de analizat

deci c= A/ε x l

Determinarea in situ a concentratiei de ozon - cu ajutorul unor spectrometre UV montate pe avioane capabile să atingă altitudinile de interes;- se măsoară la o lungime de undă de 254 nm, sursa de lumină fiind o lampă de Hg;- concentrațiile ce trebuie măsurate sunt mici, de ordinul ppm, de aceea lungimea cuvei este foarte mare – 50 cm. - deoarece celelalte gaze atmosferice nu absorb la această lungime de undă, nu este necesară eliminarea lor;

Metode in situ de monitorizare a calitaţii aerului

Determinarea in situ a concentratiei de CO2

- cu ajutorul unor spectrometre infraroşu (IR). Cel mai cunoscut este cel montat la Mauna Loa Observatory, Hawaii ce funcţioneză din 1958. Datele provenite de aici alcătuiesc cea mai lungă înregistrare a concentratiei de CO

2 disponibilă la ora actuală și sunt considerate

ca fiind de referinţă pentru studiul evoluţiei concentraţiei de CO2 la nivel global.

- deoarece moleculele absorb slab în IR, spectrometrele IR necesită lungimi extrem de mari ale celulelor de măsurare – 10 – 100 metri. Acest lucru face utilizarea lor pentru măsurări în situ mai puțin practică.

Metode la distanţă de monitorizare a calitaţii aerului

Ele se bazează tot pe metode metode spectroscopice, în care se analizează lumina emisă de Soare ce interacționează cu Pământul şi atmosfera. Funcție de poziția observatorului, Pământului și Soarelui se poate discrimina: - lumina ce provine de la Soare și traversează doar stratosfera (limb path) – observatorul este în spaţiu- lumina ce provine de la Soare şi traversează toată atmosfera – observatorul este pe sol- lumina emisă de atomsferă a urmare a fenomenelor de refracţie – observatorul este în spaţiu- lumina împrăștiata de atmosferă

Metodele la distantă se folosesc pentru evaluarea atmosferei Pământului din spaţiu.

Cele mai cunoscute instrumente utilizate pentru evaluarea stării atmosferei şi calităţii aerului sunt:1. ATMOS – atmosferic trace molecular spectroscopy

- utilizat pentru prima dată în 1985 şi folosit până în 1992 - un telescop cuplat cu un spectrometru IR capabil să analizeze radiaţia solară şi să

detecteze simultan gazele la altitudini de 10-150 km2. LIMS – limb infrared monitor of the stratosphere – un telescop cuplat cu un spectroscop

IR capabil să măsoare simultan concentraţiile CO2, O

3, H

2O, HNO

3 şi NO

2;

- amplasat pe satelitul Nimbus 7.3. TOMS – total ozone mapping spectrometer – spectrometru UV ce măsoară simultan la 6

lungimi de undă între 213 și 380 nm;4. LIDAR – light detection and ranging

- un detector amplasat în general pe sol ce proiecteză o rază laser de pe sol şi măsoară cantitatea de lumină împrăştiată/reflectată înapoi.

Monitorizarea emisiilor produse de vehicule

1. Măsurarea emisiilor de HC produse de vehiculele cu motor

- o metodă eficientă ce este senibilă la toţii compuşii ce conțin legături C-H este ionizarea în flacară. Principiul detecției este:

1. amestecul de analizat (continând HC) este ars într-o flacără H2/aer în care au loc reacțiile:

CH. + O. -> CHO+ + e-CHO+ + H

2O -> H

3O+ + CO

2. Ionii H3O+ formaţi sunt suficient de

stabili și ajung pe placă colectoare ce se va încărca pozitiv. Acest lucru duce la apariţia unei diferenţe de potenţial şi deci a unui curent electric ce este detectat.

Intensitatea curentului electric generat este direct proportţional cu cantitatea de HC din probă. Metoda poate detecta hidrocarburi saturate, nesaturate sau aromatice, însă nu este senibilă pentru alcooli.

Monitorizarea emisiilor produse de vehicule

2. Măsurarea emisiilor de NOx produse de vehiculele cu motor

- metoda utilizată se bazeză pe fenomenul de chemiluminescentă – NOx reacţioneză cu O

3

şi în urma reacţiei se degajă lumină. Aparatul utilizat se numește analizor de chemiluminescentă (CLA).

Modul de funcţionare al CLA:

1. NO2 este converit în NO prin intermediul unui

catalizator bazat pe C, unde are loc reacția:NO

2 + C -> NO + CO

2. Se generează O3 prin iradierea aerului

atmosferic cu UV3. Are loc reacţia dintre NO și O

3 cu generarea

de lumină după reacţiile:

NO + O3 -> NO2* + O

2

NO2* --> NO

2 + lumină

3. Lumina emisă este detectată. Intensitatea ei este dependentă de concentraţia de NO din probă.

Se poate măsura separat concentraţia de NO și NO

2?

Monitorizarea emisiilor produse de vehicule

3. Măsurarea emisiilor de CO produse de vehiculele cu motor

- metoda utilizată folosește un spectrometru IR specific numit analizor infraroșu nedispersiv – NDIR. Acesta este alcătuit din:

1. sursă de lumină IR – cel mai frecvent o lampă de tungsten2. două camere pline cu gaz: A. camera de referință plină cu N

2

B. camera cu proba de analizat3. un detector ce conţine la rândul său 2 celule pline cu acelaşi gaz separate printr-o membrană flexibilă.

Dacă proba de analizat nu conține CO, radiaţia IR este absorbită uniform de cele 2 camere. Aceeaşi cantitate de radiaţie IR ajunge la detector, și membrana nu se mișcă.

Dacă proba conţine CO, acesta absoarbe IR, ceea ce face ca mai multă radiaţie să ajungă pe celula detectorului corespunzătoare camerei de referintă. Gazul din celulă se încălzeşte mai puternic, membrana se deplasează iar deplasarea este sesizată de detector.