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Misurazione dell'ozono troposferico

Measuring Tropospheric Ozone

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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

Fonte: Laboratori di Margaret Workman e Kimberly Frye – Depaul University

L’ozono è una forma di ossigeno elementare (O_3),una molecola di tre atomi di ossigeno legati in una struttura altamente reattiva come agente ossidante. L’ozono si trova sia nella stratosfera che nei livelli della troposfera dell’atmosfera. Quando si trova nella stratosfera (situata a circa 10-50 km dalla superficie terrestre), le molecole di ozono si formano nello strato di ozono e aiutano a prevenire che i raggi UV dannosi raggiungano la superficie terrestre. Nelle altitudini più basse della troposfera (superficie – circa 17 km), l’ozono è dannoso per la salute umana ed è considerato un inquinante atmosferico che contribuisce allo smog fotochimico (Figura 1). Le molecole di ozono possono causare danni direttamente danneggiando il tessuto respiratorio quando inalate o indirettamente danneggiando i tessuti vegetali (Figura 2) e materiali più morbidi, compresi i pneumatici sulle automobili.

L’ozono troposferico esterno si forma a livello del suolo quando gli ossidi di azoto (NO_x) e i composti organici volatili (COV) derivanti dalle emissioni delle automobili sono esposti alla luce solare. Di conseguenza, le preoccupazioni per la salute relative alle concentrazioni di ozono aumentano in condizioni di sole o quando e dove l’uso dell’automobile è aumentato.

Reazione: NO₂ + VOC + luce solare → O₃ (+ altri prodotti)

L’ozono troposferico interno si forma quando le scariche elettriche provenienti da apparecchiature che utilizzano alte tensioni(ad esempio purificatori d’aria ionici, stampanti laser, fotocopiatrici) rompono i legami chimici dell’ossigeno atmosferico (O₂₎nell’aria che circonda l’apparecchiatura:

O₂ → 2 O

I radicali liberi dell’ossigeno all’dentro e intorno alle scariche elettriche si ricombinano per creare ozono (O₃).

2 O + 2 O₂→ 2 O₃

Figura 1: Panorama del Golden Gate Bridge

Colorazione caratteristica per lo smog in California nel banco di nuvole beige dietro il Golden Gate Bridge. La colorazione marrone è dovuta all’NOx nello smog fotochimico.

Figura 2: Piante danneggiate dall’ozono. La fila superiore è normale, la fila inferiore è stata esposta all’ozono.

Principles

L’ozono troposferico può essere monitorato utilizzando una miscela di amido, ioduro di potassio e acqua spalmata su carta da filtro. Una volta essiccata, la carta, chiamata carta Schönbein, cambia colore quando è presente l’ozono.

Il metodo si basa sulla capacità di ossidazione dell’ozono. L’ozono nell’aria ossiderà lo ioduro di potassio sulla carta di prova per produrre iodio:

2 Kl + O₃ + H₂O → 2 KOH + O₂ + I₂

Lo iodio reagisce quindi con l’amido, macchiando la carta di una sfumatura di viola. L’intensità del colore dipende dalla quantità di ozono presente nell’aria. Più scuro è il colore, più ozono è presente:

I₃^–+ amido → colore viola

La concentrazione di ozono viene campionata in diversi siti a più alto rischio, tra cui parcheggi, garage, parchi e angoli di strade molto trafficate. I siti interni includono stanze e spazi con attrezzature che comportano la stampa a inchiostro, come le fotocopiatrici.

Procedure

1. Preparazione della carta Schönbein

Mettere 100 ml di acqua distillata in un becher da 250 ml.
Aggiungere 1 cucchiaino e 1/4 di amido di mais.
Mettere una barra di agitazione nel becher e posizionare il becher su un piatto caldo / mescolare. Riscaldare a temperatura medio-alta e mescolare lentamente la miscela fino a quando non si gelifica vicino a circa 90 °C. La miscela viene gelificata quando si addensa e diventa un po ‘traslucida.
Rimuovere il becher dalla fonte di calore, aggiungere 1/4 di cucchiaino di ioduro di potassio e mescolare bene.
Raffreddare la soluzione prima di applicare sulla carta da filtro.
Adaggiare un pezzo di carta da filtro su una lastra di vetro o tenerlo in aria, e usando un piccolo pennello, spazzolare con cura la pasta sulla carta da filtro. Capovolgere la carta da filtro e fare lo stesso dall’altra parte. Cerca di applicare la pasta nel modo più uniforme possibile.
Mettere la carta fuori durante la notte e lontano dalla luce solare, oppure metterla in un forno di essiccazione a bassa temperatura (20 °C) per asciugare.
Una volta che la carta è asciutta, utilizzare le forbici per tagliare la carta da filtro in strisce larghe 1 pollice. Se si conserva la carta per un uso successivo, posizionare le strisce in un sacchetto di plastica sigillabile o in un barattolo di vetro, al di fuori della luce solare diretta.

2. Misurazione dell’ozono

Spruzzare strisce di carta reattiva con acqua distillata e appendere un minimo di tre strisce in ogni sito di raccolta dati alla luce solare diretta. Appendere fissando saldamente o attaccando un’estremità della striscia a una struttura(ad esempio muro, blocchi di parcheggio, pali della luce). Le strisce possono anche essere appese usando un filo con un’estremità spinta nel terreno e l’altra estremità fissata alla striscia. Assicurarsi che le strisce pendano senza ostacoli.
Esporre la carta per circa 8 ore. Annotare dove è stata appesa ogni striscia e utilizzare i dati meteorologici per registrare la posizione dell’umidità relativa durante l’esposizione della carta. In alternativa, uno psicrometro può essere utilizzato per misurare l’umidità relativa di ciascun sito.
Se i risultati non vengono registrati immediatamente, sigillare la striscia in un contenitore ermetico dopo l’esposizione.
Per osservare e registrare i risultati dei test, spruzzare la carta con acqua distillata.
Osserva il colore confrontandolo con la scala di colori fornita e registrando il numero di Schönbein corrispondente. Calcola il numero medio di Schönbein per ogni sito.
Utilizzare i dati sull’umidità relativa per ciascun sito e il grafico dei numeri di Schönbein per l’umidità relativa (Figura 3) per convertire le medie del sito di Schönbein in concentrazione di ozono (ppb).

Figura 3. Umidità relativa Schönbein Grafico dei numeri

L’ozono è una forma di ossigeno elementare che si trova nell’atmosfera ed è classificato come inquinante atmosferico dannoso per la salute umana. Utilizzando la tecnica Schönbein, è possibile quantificare i livelli di ozono nei siti di interesse. Le molecole di ozono sono composte da tre atomi di ossigeno legati in una struttura altamente reattiva come agente ossidante e si verificano sia nella stratosfera che nei livelli della troposfera dell’atmosfera.

Le molecole di ozono nella stratosfera formano lo strato di ozono, che aiuta a prevenire che i raggi UV dannosi raggiungano la superficie terrestre. Nelle altitudini più basse della troposfera, l’ozono è dannoso per la salute umana e come inquinante contribuisce allo smog fotochimico. L’ozono può danneggiare direttamente il tessuto respiratorio umano se inalato o danneggiare i tessuti vegetali e i materiali più morbidi, compresi i pneumatici sui veicoli.

La presenza di ozono nella troposfera può essere quantificata utilizzando la carta Schönbein, una miscela di amido, ioduro di potassio e acqua spalmata su carta da filtro. Una volta asciutta, la carta cambia colore in presenza di ozono.

Questo video illustrerà il processo di produzione della carta Schönbein, il posizionamento e la lettura delle strisce reattive e la quantificazione dei livelli di ozono utilizzando la scala dei colori Schönbein.

Un modo in cui l’ozono troposferico esterno si forma a livello del suolo è quando gli ossidi di azoto e i composti organici volatili delle emissioni delle automobili sono esposti alla luce solare. Di conseguenza, le condizioni per la formazione di ozono e l’escalation delle preoccupazioni per la salute aumentano in ambienti soleggiati o in momenti o luoghi di uso pesante dell’automobile.

All’interno, l’ozono troposferico può formarsi quando le scariche elettriche da apparecchiature ad alta tensione, come purificatori d’aria ionici, stampanti laser o fotocopiatrici, rompono i legami chimici dell’ossigeno atmosferico nell’aria circostante. I radicali liberi dell’ossigeno si combinano quindi con una molecola di ossigeno nell’aria per creare ozono.

Utilizzando carta Schönbein, carta da filtro impregnata di una soluzione di amido e ioduro di potassio, è possibile quantificare l’ozono troposferico. L’ozono nell’aria ossiderà lo ioduro di potassio sulla carta, producendo iodio. Lo iodio reagisce con lo ioduro per produrre triioduro, che poi reagisce con l’amido presente anche sulla carta, macchiandola di un viola intenso. L’intensità di questo colore dipenderà dalla quantità di ozono presente nell’aria, con colori più scuri che indicano quantità più elevate di ozono troposferico.

La determinazione della concentrazione di ozono con questo metodo può essere eseguita in quasi tutti i siti, all’interno o all’esterno. Ora che abbiamo familiarità con i principi alla base della misurazione di Schönbein, diamo un’occhiata a come eseguire l’esperimento.

Per iniziare la procedura, posizionare 100 ml di acqua distillata in un becher da 250 ml. A questo, aggiungere 6 g di amido di mais. Posizionare il becher su una piastra riscaldata. Portare il fuoco ad un’impostazione medio-alta e mescolare la miscela fino a raggiungere circa 90 °C e formare un gel. Quindi, rimuovere il becher dalla fonte di calore e aggiungere 1 g, o 1/4 di cucchiaino, di ioduro di potassio e mescolare accuratamente fino a quando lo ioduro di potassio non si scioglie. Lasciare raffreddare la soluzione per 5 minuti sul piano di lavoro.

Adacci un pezzo di carta da filtro su una lastra di vetro e, usando un piccolo pennello, spazzola con cura la pasta sulla carta da filtro. Capovolgere la carta da filtro e ripetere sull’altro lato, applicando la pasta nel modo più uniforme possibile. Mettere la carta fuori durante la notte lontano dalla luce solare per asciugare. In alternativa, mettere in forno di essiccazione a 20 °C fino a quando non si asciuga. Una volta asciutto, tagliare la carta in strisce larghe 1 pollice. Se si conserva la carta per un uso successivo, posizionare le strisce in un sacchetto di plastica sigillabile o in un barattolo di vetro al di fuori della luce solare diretta.

Per rilevare l’ozono, prima spruzzare leggermente le strisce di carta reattiva con acqua distillata. Appendere un minimo di tre strisce in ogni sito di raccolta dati alla luce solare diretta, fissate saldamente da un’estremità a una struttura o appese a filo. Assicurarsi che le strisce non siano ostruite. Lasciare appendere le strisce reattive per 8 ore.

Nota dove ogni striscia è stata appesa e, usando uno psicrometro, misura l’umidità relativa in ogni sito. In alternativa, accedendo ai dati meteorologici, registrare l’umidità relativa in ogni posizione durante l’esposizione della carta. Se i risultati non vengono letti immediatamente, le strisce possono essere sigillate in un contenitore ermetico dopo l’esposizione.

Per osservare e registrare i risultati dei test, spruzzare la carta con acqua distillata. Osserva il colore confrontandolo con la scala dei colori di Schönbein e registra il numero corrispondente. Calcola il numero medio di Schönbein per ogni sito.

Utilizzare i dati sull’umidità relativa per ciascun sito e il grafico dei numeri di Schönbein relative humidity per convertire le medie del sito di Schönbein in concentrazione di ozono o parti per miliardo.

La capacità di misurare e registrare i livelli di ozono troposferico ha molte applicazioni diverse e i risultati di tali test possono avere implicazioni significative per le popolazioni umane.

Nei centri urbani densamente popolati, la convergenza di un elevato traffico automobilistico e di una densa popolazione umana può essere una preoccupazione per i problemi di salute legati all’ozono. Le attuali soglie statunitensi per l’ozono fissate dall’Amministrazione per la sicurezza e la salute sul lavoro sono di 0,1 ppm. Rischi per la salute di esposizione al di sopra di questo livello, compresi i mal di testa; irritazione agli occhi, al naso e alla gola; danni polmonari ed emorragie, tra gli altri. Nella Chicagoland urbana, le strisce reattive posizionate per 8 ore in un giorno di luglio a Evanston, Cicero e Northbrook hanno registrato livelli di ozono rispettivamente di 71 ppb, 60 ppb, 71 ppb.

All’interno, le soglie di sicurezza per i livelli di ozono sono le stesse dell’esterno e comportano gli stessi potenziali rischi per la salute. Per garantire la sicurezza dei lavoratori o dei residenti dell’edificio, tutti i locali con grandi quantità di apparecchiature ad alta tensione dovrebbero essere testati per i livelli di ozono. Le strisce collocate nella sala fotocopiatrici per 8 ore hanno registrato un livello di ozono interno di 5 ppb, che è ben al di sotto delle linee guida dell’Ufficio per la sicurezza degli Stati Uniti.

A causa dell’azione della luce solare che trasforma il protossido di azoto e i composti organici volatili in ozono, le ondate di calore o i periodi eccezionalmente soleggiati possono essere di preoccupazione per i residenti urbani. Il monitoraggio dei livelli di ozono nel tempo può creare un quadro del rischio potenziale e consentire alle autorità di emettere avvisi o chiedere ai residenti di ridurre l’uso dell’automobile nei momenti di ozono elevato.

Hai appena visto l’introduzione di JoVE alla misurazione dell’ozono troposferico. Ora dovresti capire come si forma l’ozono troposferico e perché è una preoccupazione, come fare la carta di Schönbein per testare l’ozono e come interpretare i risultati dei test. Grazie per l’attenzione!

Results

Utilizzare la scala numerica di Schönbein (Figura 4) per l’analisi quantitativa dell’ozono. Il grafico viene utilizzato per confrontare con i documenti campione dopo 8 ore di esposizione in posizioni campione. Utilizzare il grafico dei numeri di Schönbein per convertire i punteggi di Schönbein in concentrazione di ozono (ppb) (Figura 5).

Il punteggio aumenta con l’aumentare dell’intensità del colore, con il viola più scuro sul lato destro della scala. I risultati devono variare in base al percorso del sito di raccolta (Figura 5).

Figura 4. Scala numerica di Schönbein

Figura 5. Grafico delle concentrazioni di ozono nel campione.
Concentrazioni di ozono troposferico all’aperto e all’interno mostrate dal sito e dal punteggio di Schönbein.

Applications and Summary

L’esposizione all’ozono troposferico è dannosa per la salute umana; noto per causare dolore toracico, tosse, irritazione della gola e congestione. L’ozono interferisce anche con la funzione polmonare, esacerbando i sintomi di bronchite, enfisema e asma e può danneggiare in modo permanente il tessuto polmonare.

Le posizioni all’aperto di maggiori quantità di luce solare e le aree urbane sperimentano livelli più elevati di ozono troposferico a causa dell’aumento della quantità e della densità delle emissioni di nitrati. Anche i luoghi interni in cui vengono utilizzate fotocopiatrici e stampanti a inchiostro sono aree ad alto rischio per l’esposizione all’ozono. Le attuali soglie statunitensi per l’ozono, stabilite dall’Office of Safety and Health, sono di 0,1 ppm con rischi per la salute tra cui mal di testa, irritazione agli occhi, naso e gola, danni al cervello e al sistema nervoso, danni ai polmoni, malattie respiratorie croniche, congestione polmonare, edema ed emorragia.

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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