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Mesurer l'ozone troposphérique

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Measuring Tropospheric Ozone

1.3: Using GIS to Investigate Urban Forestry

1.15: Analysis of Earthworm Populations in Soil

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07:49 min

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April 30, 2023

Overview

Source : Laboratoires de Margaret Workman et Kimberly Frye – Depaul University

L’ozone est une forme d’oxygène élémentaire (O₃), une molécule de trois atomes d’oxygène liés dans une structure qui est très réactive comme oxydant. L’ozone est présent dans la stratosphère tant les niveaux de la troposphère de l’atmosphère. Lorsque dans la stratosphère (située à environ 10-50 km de la surface de la terre), les molécules d’ozone forment la couche d’ozone et aider à prévenir les rayons UV nocifs d’atteindre la surface de la terre. À des altitudes plus basses de la troposphère (surface – environ 17 km), l’ozone est nocif pour la santé humaine et est considéré comme un polluants atmosphériques contribuant au smog photochimique (Figure 1). Les molécules d’ozone peuvent causer des dégâts directement par nuire aux tissus respiratoires lorsqu’elle est inhalée ou indirectement par endommager les tissus végétaux (Figure 2) et des matériaux plus souples, y compris les pneus d’automobiles.

Plein air ozone troposphérique se forme au niveau du sol lorsque les oxydes d’azote (NO_x) et de composés organiques volatils (COV) des émissions automobiles sont exposés aux rayons du soleil. Par conséquent, les problèmes de santé sur les concentrations d’ozone dégénèrent dans des conditions ensoleillées ou quand et où l’utilisation de l’automobile est augmentée.

Réaction : NO₂ + COV + soleil → O₃ (+ autres produits)

Indoor ozone troposphérique se forme lorsque des décharges électriques d’équipement utilisant des tensions élevées (p. ex. les purificateurs d’air ionique, imprimantes laser, photocopieurs) briser les liaisons chimiques de l’oxygène atmosphérique (O₂) dans l’air entourant l’équipement :

O₂ → 2 O

Les radicaux libres d’oxygène dans et autour de la décharge électrique se recombinent pour créer l’ozone (O₃).

2 O + 2 O₂→ 2 O₃

Figure 1 : Golden Gate Bridge Panorame

Coloration caractéristique de smog en Californie dans le banc de nuages beige derrière le Golden Gate Bridge. La coloration brune est due à la NOx dans le smog photochimique.

Figure 2 : les plantes endommagées par l’ozone. Rangée du haut est normale, rangée du bas a été exposée à l’ozone.

Principles

L’ozone troposphérique peut être surveillé en utilisant un mélange de fécule, iodure de potassium et d’eau répartis sur un papier filtre. Une fois sec, le papier, appelé document de Schönbein, change de couleur lorsque l’ozone est présent.

La méthode repose sur la capacité d’oxydation de l’ozone. L’ozone dans l’air va s’oxyder l’iodure de potassium sur le papier de test pour produire l’iode :

2 kl + O₃ + H₂O → 2 KOH + O₂ + I₂

L’iode réagit alors avec l’amidon, souillant le papier une nuance de violet. L’intensité de la couleur dépend de la quantité d’ozone présente dans l’air. La couleur foncée, plus la couche d’ozone est présent :

J’ai₃^–+ amidon → violet couleur

Concentration d’ozone est échantillonnée à différents sites de risque plus élevé, y compris les parkings, garages, promenades et des coins de rues très fréquentés. Sites Indoor comprennent salle et espaces avec équipements impliquant impression d’encre, comme les copieurs.

Procedure

1. Schönbein papier préparation

Place 100 mL d’eau distillée dans un bécher de 250 mL.
Ajouter 1¼ c. à thé de fécule de maïs.
Placer une barre de remuer dans le bécher et placer le bécher sur une plaque chaude/remuer. Chauffer à une température moyenne à élevée et remuez le mélange lentement jusqu’à ce qu’elle gélifie près environ 90 ° C. Le mélange est gélifié lorsqu’elle s’épaissit et devienne un peu translucide.
Retirer le bécher du feu, ajouter ¼ cuillère à café d’iodure de potassium et bien mélanger.
Refroidir la solution avant d’appliquer sur le papier filtre.
Poser un morceau de papier filtre sur une plaque de verre ou le maintenir en l’air et à l’aide d’un petit pinceau, Brossez soigneusement la pâte sur le papier filtre. Retournez le papier filtre et faire la même chose de l’autre côté. Essayez d’appliquer la pâte aussi uniformément que possible.
Placez le papier sur toute la nuit et à la lumière, ou placer dans une basse température (20 ° C), Étuve chauffante réglée à sécher.
Une fois le papier sec, utiliser des ciseaux pour couper le papier filtre en bandes de 1 po de largeur. Si vous entreposez le papier pour un usage ultérieur, placer les bandes dans un scellable sac ou verre pot plastique, abri du soleil.

2. mesure de l’ozone

Pulvérisation des bandes de papier de test avec de l’eau distillée et accrocher un minimum de trois bandes sur chaque site de collecte de données hors du soleil direct. Accrocher solidement attachant du ruban adhésif ou clouant une extrémité de la bande à une structure (par ex. mur, blocs de stationnement, poteaux d’éclairage). Bandes peuvent également être accrochés à l’aide de fil avec une extrémité enfoncés dans le sol et l’autre extrémité fixée sur la bande. S’assurer que les bandes accrochent dégagée.
Exposer le papier pendant environ 8 h Note où chaque bande était accroché et utiliser les données météorologiques pour enregistrer l’emplacement d’humidité relative pendant l’exposition de papier. Par ailleurs, un psychromètre peut servir à mesurer l’humidité relative de chaque site.
Si les résultats ne seront pas inscrits immédiatement, la bande dans un récipient hermétique de joint après l’exposition.
Pour observer et enregistrer les résultats des tests, vaporiser le papier avec de l’eau distillée.
Observer la couleur en le comparant à l’échelle de couleur fournie et en enregistrant le nombre correspondant de Schönbein. Calculer le nombre moyen de Schönbein pour chaque site.
Utiliser les données d’humidité relative pour chaque site et de l’humidité Relative Schönbein nombre graphique (Figure 3) pour convertir le site Schönbein est en moyenne de la concentration d’ozone (ppb).

La figure 3. Humidité relative Schönbein nombre graphique

L’ozone est une forme d’oxygène élémentaire qui se produit dans l’atmosphère et est considéré comme un polluant atmosphérique dangereux pour la santé humaine. En utilisant la technique de Schönbein, les niveaux d’ozone dans les endroits d’intérêt peuvent être quantifiés. Molécules d’ozone sont composés de trois atomes d’oxygène liés dans une structure qui est très réactive comme oxydant, et ceux-ci sont présents dans la stratosphère et la troposphère couches de l’atmosphère.

Les molécules d’ozone dans la stratosphère forment la couche d’ozone, permet d’éviter les rayons UV nocifs d’atteindre la surface terrestre. À des altitudes plus basses de la troposphère, l’ozone est nocif pour la santé humaine et comme un polluant contribue au smog photochimique. L’ozone peut directement endommager les tissus respiratoires humains s’il est inhalé, ou endommager les tissus végétaux et des matériaux plus souples, y compris les pneus sur les véhicules.

Présence de l’ozone dans la troposphère peut être quantifiée à l’aide de papier de Schönbein, un mélange de fécule, iodure de potassium et d’eau répartis sur un papier filtre. Une fois sec, le papier change de couleur en présence d’ozone.

Cette vidéo illustre le processus de fabrication du papier Schönbein, plaçant et les bandelettes de test de lecture et quantification des niveaux d’ozone à l’aide de l’échelle de couleurs Schönbein.

Une façon que l’ozone troposphérique en plein air est formé au niveau du sol est lorsque les oxydes d’azote et de composés organiques volatils provenant des émissions automobiles sont exposés aux rayons du soleil. Par conséquent, les conditions pour la formation d’ozone et santé escaladée préoccupation augmenter dans un environnement ensoleillé, ou à des moments ou des endroits d’automobile lourd utiliser.

À l’intérieur, l’ozone troposphérique peut se former lorsque électrique décharger de l’équipement à haute tension, comme ionique purificateurs d’air, imprimantes laser et photocopieurs, briser les liaisons chimiques de l’oxygène atmosphérique dans l’air ambiant. Les radicaux libres d’oxygène se combinent ensuite avec une molécule d’oxygène dans l’air pour créer de l’ozone.

À l’aide de Schönbein, papier filtre imprégné d’un amidon et la solution d’iodure de potassium, l’ozone troposphérique peut être quantifié. L’ozone dans l’air va s’oxyder l’iodure de potassium sur le papier, la production d’iode. L’iode réagit avec de l’iodure de produire triiodure, qui réagit alors avec l’amidon présent aussi sur le papier, il coloration un violet profond. Intensité de la couleur dépendra de la quantité d’ozone présente dans l’air, avec des couleurs plus foncées indiquant des montants plus élevés d’ozone troposphérique.

Détermination de la concentration de l’ozone à l’aide de cette méthode peut être effectuée à n’importe quel site, intérieur ou à l’extérieur. Maintenant que nous sommes familiers avec les principes qui sous-tendent la mesure Schönbein, laissez-nous jeter un oeil à la façon de réaliser l’expérience.

Pour commencer la procédure, mettre 100 mL d’eau distillée dans un bécher de 250 mL. Pour cela, ajouter 6 g de fécule de maïs. Placer le bécher sur une plaque chauffée remuer. Baisser le feu à un réglage moyen-élevé et remuez le mélange jusqu’à ce qu’il atteigne environ 90 ° C et forme un gel. Ensuite, retirer le bécher du feu et ajouter 1 g ou ¼ de cuillère à café, d’iodure de potassium et mélanger jusqu’à ce que l’iodure de potassium est dissoute. Laisser la solution refroidir pendant 5 min sur la paillasse.

Poser un morceau de papier filtre sur une plaque de verre, et avec un petit pinceau, Brossez soigneusement la pâte sur le papier filtre. Tournez le papier filtre plus et répéter de l’autre côté, en appliquant la pâte aussi uniformément que possible. Placez le papier sur toute la nuit loin de la lumière du soleil pour sécher. Sinon, placer dans une étuve de séchage à 20 ° C jusqu’au sec. Une fois sec, couper le papier en bandes de 1 po de largeur. Si vous entreposez le papier pour un usage ultérieur, placer les bandes dans un bocal de verre ou sac en plastique scellable abri du soleil.

Pour détecter l’ozone, tout d’abord vaporiser les bandelettes de test papier légèrement avec de l’eau distillée. Accrocher un minimum de trois bandes sur chaque site de collection de données hors du soleil direct, solidement attaché par une extrémité à une structure, ou accroché par fil. S’assurer que les bandes ne sont pas obstrués. Laissez les bandelettes de test pour accrocher pendant 8 h.

Notez où chaque bande était accroché et à l’aide d’un psychromètre, mesure d’humidité relative à chaque site. Vous pouvez également accéder à des données météorologiques, record d’humidité relative à chaque emplacement pendant l’exposition de papier. Si les résultats ne seront pas lu immédiatement, bandes peuvent être scellés dans une boîte hermétique après l’exposition.

Pour observer et enregistrer les résultats des tests, vaporiser le papier avec de l’eau distillée. Observez la couleur en la comparant à l’échelle de couleurs Schönbein et le numéro correspondant. Calculer le nombre moyen de Schönbein pour chaque site.

Utiliser les données d’humidité relative pour chaque site et de l’humidité Relative Schönbein nombre graphique pour convertir les moyennes site Schönbein en concentration d’ozone, ou parties par milliard.

La capacité de mesurer et enregistrer les niveaux d’ozone troposphérique a beaucoup d’applications diverses, et les résultats de ces tests peuvent avoir des implications importantes pour les populations humaines.

Dans les centres urbains densément peuplées, la convergence de fort trafic automobile et de la densité de la population humaine peut être un sujet de préoccupation pour l’ozone des problèmes de santé connexes. Cours US seuils pour l’ozone par l’Occupational Safety and Health Administration courent de 0,1 ppm. Risques pour la santé de l’exposition au-dessus de ce niveau, y compris les maux de tête ; yeux, du nez et irritation de la gorge ; dommages aux poumons et une hémorragie, parmi d’autres. En milieu urbain Chicagoland, bandelettes placées pendant 8 h un jour de juillet à Evanston, Cicéron et Northbrook enregistrement des niveaux d’ozone de ppb 71, 60 ppb, 71 ppb, respectivement.

À l’intérieur, seuils en toute sécurité pour les niveaux d’ozone sont les mêmes que l’extérieur et portent les mêmes risques de santé potentiels. Afin d’assurer la sécurité des travailleurs ou résidents de l’immeuble, des locaux d’importantes quantités de matériel à haute tension doivent être testés pour les niveaux d’ozone. Bandes, placés dans la salle de machine de copie pendant 8 h a enregistré un niveau d’ozone couverte de 5 ppb, qui est bien en dessous les lignes directrices des États-Unis Bureau de la sécurité.

En raison de l’action des rayons du soleil, transformant l’ozone, protoxyde d’azote et de composés organiques volatils, vagues de chaleur ou exceptionnellement percées de soleil peuvent être préoccupantes pour les citadins. Surveillance des niveaux d’ozone au fil du temps peut s’accumuler une photo des risques potentiels et permettre aux autorités d’émettre des avertissements ou poser des résidents à réduire la consommation automobile parfois d’ozone élevée.

Vous avez juste regardé introduction de JoVE pour mesurer l’ozone troposphérique. Vous devez maintenant comprendre comment se forme l’ozone troposphérique et pourquoi c’est une préoccupation, comment faire Schönbein papier de test pour l’ozone et comment interpréter les résultats des tests. Merci de regarder !

Results

Utilisez l’échelle numéro Schönbein (Figure 4) pour l’analyse quantitative de l’ozone. Le graphique est utilisé pour comparer avec les papiers de l’échantillon après 8 h d’exposition à des points d’échantillonnage. Utilisez le tableau de nombre de Schönbein hygrométrie pour convertir les scores Schönbein à la concentration d’ozone (ppb) (Figure 5).

Le score augmente avec l’intensité des couleurs, avec le violet plus foncé sur le côté droit de l’échelle. Résultats devraient varier en fonction de l’emplacement du site collection (Figure 5).

La figure 4. Nombre de Schönbein échelle

La figure 5. Graphe des concentrations d’ozone échantillon.
Concentrations d’ozone troposphérique Outdoor et indoor montrées par site et score Schönbein.

Applications and Summary

Exposition à l’ozone troposphérique est nocive pour la santé humaine ; connue pour causer une douleur thoracique, toux, irritation de la gorge et la congestion. L’ozone a aussi interfère avec la fonction pulmonaire, aggravant les symptômes de la bronchite, emphysème et l’asthme et peut endommager irréparablement le tissu pulmonaire.

Emplacements extérieurs de quantités accrues de lumière du soleil et des zones urbaines l’expérience des niveaux plus élevés d’ozone troposphérique en raison de l’augmentation de la quantité et la densité des émissions de nitrate. Des emplacements intérieurs où sont utilisés des photocopieurs et imprimantes d’encre sont également des zones à haut risque d’exposition à l’ozone. Seuils de courant US pour l’ozone, fixé par le Bureau de la sécurité et la santé, est de 0,1 ppm avec les risques pour la santé y compris les maux de tête, une irritation des yeux, nez et gorge, cerveau et au système nerveux, des lésions pulmonaires, maladies respiratoires chroniques, congestion pulmonaire, œdème et hémorragie.

Transcript

Ozone is a form of elemental oxygen that occurs in the atmosphere, and is classed as an air pollutant harmful to human health. Using the Schönbein technique, levels of ozone at sites of interest can be quantified. Ozone molecules are comprised of three oxygen atoms bonded in a structure that is highly reactive as an oxidizing agent, and they occur in both the stratosphere and troposphere levels of the atmosphere.

Ozone molecules in the stratosphere form the ozone layer, which helps prevent harmful UV rays from reaching the Earth’s surface. In lower altitudes of the troposphere, ozone is harmful to human health, and as a pollutant contributes to photochemical smog. Ozone can directly damage human respiratory tissue if inhaled, or harm plant tissues and softer materials, including tires on vehicles.

Ozone presence in the troposphere can be quantified using Schönbein paper, a mixture of starch, potassium iodide, and water spread on filter paper. Once dry, the paper changes color in the presence of ozone.

This video will illustrate the process of making Schönbein paper, placing and reading test strips, and quantifying ozone levels using the Schönbein color scale.

One way that outdoor tropospheric ozone is formed at ground level is when nitrous oxides and volatile organic compounds from automobile emissions are exposed to sunlight. Consequently, conditions for ozone formation and escalated health concern increase in sunny environments, or at times or locations of heavy automobile use.

Indoors, tropospheric ozone can be formed when electrical discharge from high voltage equipment, like ionic air purifiers, laser printers, or photocopiers, break down the chemical bonds of atmospheric oxygen in the surrounding air. The free radicals of oxygen then combine with an oxygen molecule in the air to create ozone.

Using Schönbein paper, filter paper impregnated with a starch and potassium iodide solution, tropospheric ozone can be quantified. Ozone in the air will oxidize the potassium iodide on the paper, producing iodine. The iodine reacts with iodide to produce triiodide, which then reacts with the starch also present on the paper, staining it a deep violet. Intensity of this color will depend on the amount of ozone present in the air, with darker colors indicating higher amounts of tropospheric ozone.

Determining the ozone concentration using this method can be performed at almost any site, indoor or outdoors. Now that we are familiar with the principles behind the Schönbein measurement, let us take a look at how to perform the experiment.

To begin the procedure, place 100 mL of distilled water into a 250-mL beaker. To this, add 6 g of cornstarch. Place the beaker onto a heated stir plate. Turn the heat to a medium-high setting, and stir the mixture until it reaches approximately 90 °C and forms a gel. Next, remove the beaker from the heat source and add 1 g, or ¼ teaspoon, of potassium iodide and stir thoroughly until the potassium iodide is dissolved. Allow the solution to cool for 5 min on the bench top.

Lay a piece of filter paper on a glass plate, and using a small paintbrush, carefully brush the paste onto the filter paper. Turn the filter paper over and repeat on the other side, applying the paste as uniformly as possible. Set the paper out overnight away from sunlight to dry. Alternatively, place in a drying oven at 20 °C until dry. Once dry, cut the paper into 1-inch wide strips. If storing the paper for later use, place the strips in a sealable plastic bag or glass jar out of direct sunlight.

To detect ozone, first spray the strips of test paper lightly with distilled water. Hang a minimum of three strips at each data collection site out of direct sunlight, securely fastened by one end to a structure, or hung by wire. Ensure the strips are unobstructed. Leave the test strips to hang for 8 h.

Note where each strip was hung, and using a psychrometer, measure relative humidity at each site. Alternatively, accessing weather data, record relative humidity at each location during paper exposure. If results will not be read immediately, strips can be sealed in an airtight container after exposure.

To observe and record test results, spray the paper with distilled water. Observe the color by comparing it to the Schönbein color scale and record the corresponding number. Calculate the average Schönbein number for each site.

Use the relative humidity data for each site and the Relative Humidity Schönbein Number Chart to convert Schönbein site averages to ozone concentration, or parts per billion.

The ability to measure and record tropospheric ozone levels has many diverse applications, and the results of such tests can have significant implications for human populations.

In heavily populated urban centers, the convergence of high automobile traffic and dense human population can be a concern for ozone related health problems. Current US thresholds for ozone set by the Occupational Safety and Health Administration are at 0.1 ppm. Health risks of exposure above this level including headaches; eye, nose, and throat irritation; lung damage and hemorrhage, amongst others. In urban Chicagoland, test strips placed for 8 h on a July day in Evanston, Cicero, and Northbrook recorded ozone levels of 71 ppb, 60 ppb, 71 ppb, respectively.

Indoors, safe thresholds for ozone levels are the same as outdoors, and carry the same potential health risks. To ensure the safety of workers or building residents, any premises with large amounts of high-voltage equipment should be tested for ozone levels. Strips placed in the copy machine room for 8 h recorded an indoor ozone level of 5 ppb, which is well below the United States Office of Safety guidelines.

Because of the action of sunlight transforming nitrous oxide and volatile organic compounds into ozone, heatwaves or exceptionally sunny periods can be of concern for urban residents. Monitoring ozone levels over time can build up a picture of potential risk, and allow authorities to issue warnings or ask residents to reduce automobile use at times of high ozone.

You’ve just watched JoVE’s introduction to measuring tropospheric ozone. You should now understand how tropospheric ozone is formed and why it is a concern, how to make Schönbein paper to test for ozone, and how to interpret test results. Thanks for watching!

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