Troposferisch ozon meten

Ozon is een vorm van elementair zuurstof dat voorkomt in de atmosfeer en wordt geclassificeerd als een luchtvervuilende stof die schadelijk is voor de menselijke gezondheid. Met behulp van de Schönbein-techniek kunnen ozonniveaus op interessante locaties worden gekwantificeerd. Ozonmoleculen bestaan uit drie zuurstofatomen die zijn gebonden in een structuur die zeer reactief is als oxidatiemiddel, en ze komen voor in zowel de stratosfeer als de troposfeer van de atmosfeer.

Ozonmoleculen in de stratosfeer vormen de ozonlaag, die helpt om schadelijke UV-stralen te voorkomen dat ze de aardoppervlakte bereiken. In lagere hoogten van de troposfeer is ozon schadelijk voor de menselijke gezondheid en draagt het als vervuilende stof bij aan fotochemische smog. Ozon kan direct het menselijk ademhalingsweefsel beschadigen als het wordt ingeademd, of plantenweefsels en zachtere materialen, inclusief banden op voertuigen, beschadigen.

Ozon in de troposfeer kan worden gekwantificeerd met behulp van Schönbein-papier, een mengsel van zetmeel, kaliumjodide en water verspreid op filterpapier. Eenmaal droog verandert het papier van kleur in aanwezigheid van ozon.

Deze video zal het proces van het maken van Schönbein-papier, het plaatsen en lezen van teststrips en het kwantificeren van ozonniveaus met behulp van de Schönbein-kleurskaal illustreren.

Een manier waarop ozon in de troposfeer zich vormt op grondniveau is wanneer stikstofoxides en vluchtige organische verbindingen uit auto-emissies worden blootgesteld aan zonlicht. Bijgevolg nemen de omstandigheden voor ozonvorming en verhoogde gezondheidszorgen toe in zonnige omgevingen, of op tijden of locaties met veel autogebruik.

Binnen kunnen ozon in de troposfeer worden gevormd wanneer elektrische ontlading van hoogspanningsapparatuur, zoals ionische luchtreinigers, laserprinters of kopieerapparaten, de chemische bindingen van atmosferische zuurstof in de omringende lucht breken. De vrije radicalen van zuurstof combineren vervolgens met een zuurstofatoom in de lucht om ozon te creëren.

Met behulp van Schönbein-papier, filterpapier gedrenkt met een oplossing van zetmeel en kaliumjodide, kan troposferisch ozon worden gekwantificeerd. Ozon in de lucht oxideert het kaliumjodide op het papier, waardoor jodium ontstaat. Het jodium reageert met jodide om trijodide te produceren, dat vervolgens reageert met het zetmeel dat ook op het papier aanwezig is, waardoor het een diepe violette kleur krijgt. De intensiteit van deze kleur hangt af van de hoeveelheid ozon die in de lucht aanwezig is, waarbij donkerdere kleuren hogere hoeveelheden troposferisch ozon aangeven.

Het bepalen van de ozonconcentratie met deze methode kan op bijna elke locatie worden uitgevoerd, binnen of buiten. Nu we bekend zijn met de principes achter de Schönbein-meting, laten we eens kijken hoe we het experiment kunnen uitvoeren.

Om de procedure te starten, plaatst u 100 ml gedistilleerd water in een 250-ml beker. Hieraan voegt u 6 g maizena toe. Plaats de beker op een verwarmde roerplaat. Zet de verwarming op een medium-hoge stand en roer het mengsel tot het ongeveer 90 °C bereikt en een gel vormt. Vervolgens verwijdert u de beker van de verwarming en voegt u 1 g, of 1/2 theelepel, kaliumjodide toe en roert u grondig tot het kaliumjodide is opgelost. Laat de oplossing 5 minuten afkoelen op de werkbank.

Leg een stuk filterpapier op een glazen plaat en gebruik een kleine penseel om de pasta voorzichtig op het filterpapier te borstelen. Draai het filterpapier om en herhaal aan de andere kant, waarbij u de pasta zo uniform mogelijk aanbrengt. Laat het papier een nacht uit de zon drogen. U kunt het papier ook in een droogoven op 20 °C laten drogen tot het droog is. Eenmaal droog, snijdt u het papier in stroken van 1 inch breed. Als u het papier voor later gebruik wilt bewaren, plaatst u de stroken in een afsluitbare plastic zak of glazen pot buiten direct zonlicht.

Om ozon te detecteren, spuit u de teststroken eerst licht met gedistilleerd water. Hang minimaal drie stroken op elke locatie voor gegevensverzameling uit direct zonlicht, veilig vastgemaakt aan één kant aan een structuur of opgehangen met behulp van een draad. Zorg ervoor dat de stroken onbelemmerd zijn. Laat de teststroken 8 uur hangen.

Noteer waar elke strook is opgehangen en meet met behulp van een psychrometer de relatieve luchtvochtigheid op elke locatie. Als alternatief kunt u weergegeven weerdata gebruiken om de relatieve luchtvochtigheid op elke locatie tijdens de blootstelling van het papier te registreren. Als de resultaten niet onmiddellijk worden gelezen, kunnen de stroken na de blootstelling worden afgesloten in een luchtdichte verpakking.

Om de testresultaten te observeren en op te nemen, spuit u het papier met gedistilleerd water. Observeer de kleur door deze te vergelijken met de Schönbein-kleurskaal en noteer het bijbehorende nummer. Bereken het gemiddelde Schönbein-nummer voor elke locatie.

Gebruik de gegevens over de relatieve luchtvochtigheid voor elke locatie en de tabel voor het omrekenen van relatieve luchtvochtigheid naar Schönbein-nummer om de gemiddelde Schönbein-nummers op elke locatie om te zetten in ozonconcentratie of delen per miljard.

De mogelijkheid om ozonniveaus in de troposfeer te meten en te registreren heeft veel verschillende toepassingen, en de resultaten van dergelijke tests kunnen aanzienlijke gevolgen hebben voor menselijke populaties.

In dichtbevolkte stedelijke centra kan de convergentie van hoog autoverkeer en een dichte menselijke bevolking een zorg zijn voor ozon-gerelateerde gezondheidsproblemen. De huidige Amerikaanse drempels voor ozon, vastgesteld door de Occupational Safety and Health Administration, liggen op 0,1 ppm. Gezondheidsrisico's van blootstelling boven dit niveau omvatten hoofdpijn; irritatie van ogen, neus en keel; longschade en bloeding, onder anderen. In het stedelijk gebied van Chicago hebben teststroken die 8 uur op een julidag in Evanston, Cicero en Northbrook zijn geplaatst, ozonniveaus van 71 ppb, 60 ppb,