Эталометр — это прибор для измерения концентрации оптически поглощающих («черных») взвешенных частиц в потоке газового коллоида ; обычно визуализируется как дым или дымка , часто наблюдаемые в окружающем воздухе в загрязненных условиях. Слово эталометр происходит от классического греческого глагола aethaloun , что означает «чернеть от сажи». Эталометр, прибор, используемый для измерения черного углерода в атмосферных аэрозолях, был первоначально развернут в 1980 году и впервые был коммерциализирован компанией Magee Scientific.
Газовый поток (часто окружающий воздух) проходит через фильтрующий материал , который улавливает взвешенные частицы, создавая осадок увеличивающейся плотности. Световой луч, проецируемый через осадок, ослабляется теми частицами, которые поглощают («черные»), а не рассеивают («белые»). Измерения производятся через последовательные регулярные интервалы времени. Увеличение ослабления от одного измерения к другому пропорционально увеличению плотности оптически поглощающего материала на фильтре: которая, в свою очередь, пропорциональна концентрации материала в отобранном потоке воздуха. Образец собирается в виде пятна на рулоне фильтровальной ленты . Когда плотность пятна осадка достигает заданного предела, лента продвигается к новому пятну, и измерения продолжаются. Измерение расхода потока газа образца и знание оптических и механических характеристик прибора позволяют рассчитать среднюю концентрацию поглощающих частиц в потоке газа за период отбора проб. Эталометры могут работать с периодами временной развертки, такими быстрыми, как 1 секунда, предоставляя данные в квазиреальном времени. Сравнение данных эталометра с другими физическими и химическими анализами позволяет выразить результат в виде концентрации черного углерода .
Принцип работы аэталометра основан на непрерывном пробоотборнике с фильтрующей лентой, разработанном в 1950-х годах для измерения коэффициента дымки . Этот прибор пропускал поток воздуха через пятно фильтрующей ленты в течение фиксированного периода времени (обычно 1 или 2 часа). Лента продвигалась вперед, и ее серая окраска измерялась оптически либо с помощью пропускания, либо с помощью отражения. Однако единицы измерения были произвольными и не интерпретировались в терминах массовой концентрации определенного материала в потоке воздуха, пока ретроспективные исследования [1] [2] не связали «единицу COH» с количественным анализом следовых компонентов атмосферы.
Работа в 1970-х годах в лаборатории Тихомира Новакова в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли установила количественную связь между оптическим затуханием отложения частиц на волокнистом фильтре и содержанием углерода в этом отложении. [3] Усовершенствования в оптической и электронной технологии позволили измерять очень небольшие увеличения затухания, такие, которые могли бы возникнуть при прохождении типичного окружающего воздуха через фильтр на 5- или 10-минутной временной шкале. 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 нанограммов или микрограммов черного углерода на кубический метр воздуха.
Первый в истории аэталометр был разработан в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли Энтони ДА Хансеном (который позже основал Magee Scientific), Хэлом Розеном и Тихомиром Новаковым и использовался в исследовании видимости Агентства по охране окружающей среды [4] в Хьюстоне в сентябре 1980 года, [5] а первая диаграмма данных в реальном времени о концентрации черного углерода в окружающем воздухе была опубликована в 1981 году. [6] Впервые прибор 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 сажи . [7]
Эталометр был коммерциализирован в 1986 году, а его улучшенная версия была запатентована в 1988 году. [8] Его самые ранние применения были в геофизических исследованиях в отдаленных местах, где черный углерод использовался в качестве трассера дальнего переноса загрязнения воздуха от промышленных источников до отдаленных регионов-рецепторов. В 1990-х годах растущая обеспокоенность по поводу воздействия на здоровье частиц выхлопных газов дизельных двигателей [9] привела 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 воздействие этих частиц способствует ускоренному таянию Арктики [10] и таянию ледников в Гималаях.
Подробный отчет о черном углероде (включая обзор данных эталометра) был представлен в Конгресс США Агентством по охране окружающей среды США в 2012 году. [11]
Эталометр был разработан в виде стоечных приборов для использования в стационарных установках мониторинга качества воздуха ; переносных приборов, которые часто используются в местах, не подключенных к электросети, и работают от батарей или фотоэлектрических панелей для проведения измерений в удаленных местах; а также ручных переносных версий для измерения индивидуального воздействия выбросов продуктов сгорания.
Основные области применения аэталометров связаны с измерениями качества воздуха , при этом данные используются для изучения влияния загрязнения воздуха на здоровье населения ; [12] изменение климата ; и видимость . Другие области применения включают измерения выбросов черного углерода из источников сгорания, таких как транспортные средства; промышленные процессы; и сжигание биомассы, как при лесных пожарах, так и в бытовых и промышленных условиях.
Эталометр модели AE-31 был протестирован в рамках Программы проверки экологических технологий, проводимой Агентством по охране окружающей среды США, и отчет о проверке был выпущен в 2001 году. [13] Эталометр модели AE-33 был протестирован в рамках той же программы в 2013 году, отчет ожидается.
Вид загрязняющего вещества 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. Затухание света, прошедшего через отложение этих частиц, увеличивается линейно с частотой электромагнитного излучения, т. е. обратно пропорционально длине волны . Измерения оптического затухания на отложении фильтра с помощью эталометра 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 виды могут смешиваться с частицами черного углерода. 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 выполнения оптических анализов одновременно на нескольких длинах волн, обычно охватывающих диапазон от 370 нм (ближний ультрафиолет) до 950 нм (ближний инфракрасный). При отсутствии ароматических компонентов данные эталометра по концентрации черного углерода идентичны на всех длинах волн после учета стандартного отклика λ −1 для «резистивных» серых материалов. Ангстремный показатель затухания для этих материалов равен 1. Если присутствуют ароматические компоненты, они будут способствовать увеличению поглощения на более коротких длинах волн. Данные эталометра увеличатся на более коротких длинах волн, и кажущийся ангстремный показатель увеличится. Измерения чистого дыма биомассы могут показывать данные, представленные показателем ангстрема, достигающим 2. Из-за различных артефактов показатель ангстрема, измеренный эталометрами, может быть смещенным, но сравнение с другими методами показало, что модель эталометра AE-31 обеспечивает справедливые результаты поглощения показателя ангстрема. [14] Многие регионы мира подвержены влиянию выбросов как от высокотемпературного сжигания ископаемого топлива , такого как дизельный выхлоп , который имеет серый или черный цвет и характеризуется показателем ангстрема, равным 1; так и выбросов от сжигания биомассы, такого как древесный дым, который характеризуется большим значением показателя ангстрема. Эти два источника загрязнения могут иметь разное географическое происхождение и временные закономерности, но могут смешиваться в точке измерения. Утверждается, что измерения эталометром в реальном времени на нескольких длинах волн разделяют эти различные вклады и могут распределить общее воздействие по разным категориям источников. Этот анализ является важным вкладом в разработку эффективной и приемлемой государственной политики и регулирования .
Точность и даже способность аэталометра различать источники дыма являются предметом споров. [15]
Принцип измерения аэталометра основан на фильтрации воздуха, оптике и электронике. Он не требует никакой физической или химической инфраструктуры поддержки, такой как высокий вакуум, высокая температура или специализированные реагенты или газы. Его единственным расходным материалом является фильтр, который необходимо заменять каждые один или два дня в портативных моделях, но более крупные устройства имеют рулон фильтрующей ленты, который обычно служит от нескольких месяцев до нескольких лет. Следовательно, прибор является прочным, миниатюризируемым и может быть развернут в исследовательских проектах в удаленных местах или на объектах с минимальной местной поддержкой. Вот некоторые примеры:
Некоторые измерения доступны в виде открытых данных :
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )