1.10: Pomiar ozonu troposferycznego

1. Przygotowanie papieru Schönbein

1. Umieść 100 ml wody destylowanej w zlewce o pojemności 250 ml.
2. Dodaj 11/4 łyżeczki skrobi kukurydzianej.
3. Umieść mieszadło w zlewce i umieść je na gorącym talerzu. Podgrzej na średnim lub wysokim poziomie i powoli mieszaj mieszaninę, aż zżeluje się w pobliżu około 90 °C. Mieszanina jest żelowana, gdy gęstnieje i staje się nieco przezroczysta.
4. Wyjmij zlewkę ze źródła ciepła, dodaj 1/4 łyżeczki jodku potasu i dobrze wymieszaj.
5. Ostudzić roztwór przed nałożeniem na bibułę filtracyjną.
6. Połóż kawałek bibuły filtracyjnej na szklanej płycie lub trzymaj go w powietrzu i za pomocą małego pędzla ostrożnie nałóż pastę na bibułę filtracyjną. Odwróć bibułę filtracyjną i zrób to samo po drugiej stronie. Staraj się nakładać pastę tak równomiernie, jak to możliwe.
7. Odłóż papier na noc z dala od światła słonecznego lub umieść w suszarce w niskiej temperaturze (20 °C) do wyschnięcia.
8. Po wyschnięciu papieru użyj nożyczek, aby pociąć bibułę filtracyjną na paski o szerokości 1 cala. Jeśli przechowujesz papier do późniejszego wykorzystania, umieść paski w zamykanej plastikowej torbie lub szklanym słoiku, z dala od bezpośredniego światła słonecznego.

2. Pomiar ozonu

1. Spryskaj paski papieru testowego wodą destylowaną i zawieś co najmniej trzy paski w każdym miejscu zbierania danych z dala od bezpośredniego światła słonecznego. Zawieś się, bezpiecznie przyklejając lub przyklejając jeden koniec paska do konstrukcji (np. ściana, bloki parkingowe, słupy oświetleniowe). Paski można również zawiesić za pomocą drutu, którego jeden koniec jest wbity w ziemię, a drugi koniec jest przymocowany do taśmy. Upewnij się, że paski wiszą bez przeszkód.
2. Papier należy eksponować przez około 8 godzin. Zanotuj, gdzie każdy pasek został zawieszony, i użyj danych pogodowych, aby zarejestrować lokalizację wilgotności względnej podczas ekspozycji na papier. Alternatywnie można użyć psychrometru do pomiaru wilgotności względnej w każdym miejscu.
3. Jeśli wyniki nie zostaną natychmiast zarejestrowane, po ekspozycji zamknij pasek w hermetycznym pojemniku.
4. Aby obserwować i zapisywać wyniki testu, spryskaj papier wodą destylowaną.
5. Obserwuj kolor, porównując go z podaną skalą kolorów i zapisując odpowiednią liczbę Schönbeina. Oblicz średnią liczbę Schönbeina dla każdego miejsca.
6. Użyj danych wilgotności względnej dla każdego miejsca oraz wykresu liczbowego wilgotności względnej Schönbeina (Rysunek 3), aby przeliczyć średnie wartości dla zakładu Schönbein na stężenie ozonu (ppb).

Rysunek 3. Wilgotność względna Wykres liczbowy Schönbeina

Ozon jest formą tlenu pierwiastkowego, która występuje w atmosferze i jest klasyfikowana jako zanieczyszczenie powietrza szkodliwe dla zdrowia ludzkiego. Za pomocą techniki Schünbeina można określić ilościowo poziomy ozonu w miejscach zainteresowania. Cząsteczki ozonu składają się z trzech atomów tlenu połączonych w strukturę, która jest wysoce reaktywna jako środek utleniający i występują zarówno na poziomie stratosfery, jak i troposfery atmosfery.

Cząsteczki ozonu w stratosferze tworzą warstwę ozonową, która pomaga zapobiegać przedostawaniu się szkodliwych promieni UV do powierzchni Ziemi. Na niższych wysokościach troposfery ozon jest szkodliwy dla zdrowia ludzkiego, a jako zanieczyszczenie przyczynia się do powstawania smogu fotochemicznego. Ozon może bezpośrednio uszkadzać ludzką tkankę oddechową w przypadku wdychania lub uszkadzać tkanki roślinne i bardziej miękkie materiały, w tym opony w pojazdach.

Obecność ozonu w troposferze można określić ilościowo za pomocą bibuły Schönbein, mieszaniny skrobi, jodku potasu i wody rozprowadzonej na bibule filtracyjnej. Po wyschnięciu papier zmienia kolor w obecności ozonu.

Ten film zilustruje proces wytwarzania papieru Schōnbein, umieszczania i odczytywania pasków testowych oraz ilościowego określania poziomów ozonu za pomocą skali kolorów Schōnbein.

Jednym ze sposobów, w jaki ozon troposferyczny na zewnątrz powstaje na poziomie gruntu, jest wystawienie tlenków azotu i lotnych związków organicznych z emisji samochodowych na działanie promieni słonecznych. W związku z tym warunki do powstawania ozonu i eskalacji obaw zdrowotnych nasilają się w słonecznym otoczeniu lub w czasie lub miejscach intensywnego użytkowania samochodów.

W pomieszczeniach ozon troposferyczny może powstawać, gdy wyładowania elektryczne z urządzeń wysokiego napięcia, takich jak jonowe oczyszczacze powietrza, drukarki laserowe lub kserokopiarki, rozkładają wiązania chemiczne tlenu atmosferycznego w otaczającym powietrzu. Wolne rodniki tlenu łączą się następnie z cząsteczką tlenu w powietrzu, tworząc ozon.

Za pomocą bibuły Schünbein, bibuły filtracyjnej nasączonej roztworem skrobi i jodku potasu, można określić ilościowo ozon troposferyczny. Ozon w powietrzu utlenia jodek potasu na papierze, wytwarzając jod. Jod reaguje z jodkiem, tworząc trójjodek, który następnie reaguje ze skrobią obecną również na papierze, barwiąc go na głęboki fiolet. Intensywność tego koloru będzie zależeć od ilości ozonu obecnego w powietrzu, przy czym ciemniejsze kolory wskazują na większe ilości ozonu troposferycznego.

Oznaczanie stężenia ozonu za pomocą tej metody można przeprowadzić w prawie każdym miejscu, wewnątrz lub na zewnątrz. Teraz, gdy jesteśmy już zaznajomieni z zasadami pomiaru Schönbeina, przyjrzyjmy się, jak przeprowadzić eksperyment.

Aby rozpocząć procedurę, umieść 100 ml wody destylowanej w zlewce o pojemności 250 ml. Do tego dodaj 6 g skrobi kukurydzianej. Umieść zlewkę na rozgrzanym talerzu mieszającym. Ustaw ogień na średnio-wysoki i mieszaj mieszaninę, aż osiągnie około 90 ? C i tworzy żel. Następnie wyjmij zlewkę ze źródła ciepła i dodaj 1 g, czyli ? łyżeczkę jodku potasu i dokładnie wymieszać, aż jodek potasu się rozpuści. Pozostaw roztwór do ostygnięcia przez 5 minut na blacie stołu.

Połóż kawałek bibuły filtracyjnej na szklanej płycie i za pomocą małego pędzla ostrożnie nałóż pastę na bibułę filtracyjną. Odwróć bibułę filtracyjną i powtórz po drugiej stronie, nakładając pastę tak równomiernie, jak to możliwe. Odłóż papier na noc z dala od światła słonecznego do wyschnięcia. Alternatywnie umieść w suszarce w temperaturze 20 ? C aż do wyschnięcia. Po wyschnięciu pokrój papier na paski o szerokości 1 cala. Jeśli przechowujesz papier do późniejszego wykorzystania, umieść paski w zamykanej plastikowej torbie lub szklanym słoiku z dala od bezpośredniego światła słonecznego.

Aby wykryć ozon, najpierw lekko spryskaj paski papieru testowego wodą destylowaną. Zawieś co najmniej trzy paski w każdym miejscu gromadzenia danych z dala od bezpośredniego światła słonecznego, bezpiecznie przymocowane jednym końcem do konstrukcji lub zawieszone na drucie. Upewnij się, że paski są drożne. Pozostaw paski testowe do powieszenia na 8 godzin.

Zwróć uwagę, gdzie każdy pasek został zawieszony i za pomocą psychrometru zmierz wilgotność względną w każdym miejscu. Alternatywnie, uzyskując dostęp do danych pogodowych, rejestruj wilgotność względną w każdym miejscu podczas ekspozycji na papier. Jeśli wyniki nie zostaną odczytane natychmiast, paski można po ekspozycji zamknąć w hermetycznym pojemniku.

Aby obserwować i zapisywać wyniki testu, spryskaj papier wodą destylowaną. Obserwuj kolor, porównując go ze skalą kolorów Sch?nbein i zapisz odpowiednią liczbę. Oblicz średnią liczbę Sch?nbein dla każdej lokalizacji.

Użyj danych wilgotności względnej dla każdego miejsca oraz wykresu liczbowego wilgotności względnej Sch?nbeina, aby przeliczyć średnie wartości zakładu Sch?nbein na stężenie ozonu lub części na miliard.

Możliwość pomiaru i rejestrowania poziomów ozonu w troposferze ma wiele różnorodnych zastosowań, a wyniki takich testów mogą mieć znaczące implikacje dla populacji ludzkich.

W gęsto zaludnionych ośrodkach miejskich zbieżność dużego ruchu samochodowego i gęstego zaludnienia może stanowić problem zdrowotny związany z ozonem. Obecne amerykańskie progi dla ozonu ustalone przez Administrację Bezpieczeństwa i Zdrowia w Pracy wynoszą 0,1 ppm. Zagrożenia dla zdrowia wynikające z narażenia powyżej tego poziomu, w tym bóle głowy; podrażnienie oczu, nosa i gardła; między innymi uszkodzenie płuc i krwotok. W miejskim Chicago paski testowe umieszczone na 8 godzin w lipcowy dzień w Evanston, Cicero i Northbrook zarejestrowały poziomy ozonu odpowiednio 71 ppb, 60 ppb i 71 ppb.

W pomieszczeniach bezpieczne progi poziomu ozonu są takie same jak na zewnątrz i niosą ze sobą takie same potencjalne zagrożenia dla zdrowia. Aby zapewnić bezpieczeństwo pracowników lub mieszkańców budynku, wszelkie pomieszczenia, w których znajduje się duża ilość urządzeń wysokiego napięcia, powinny być badane pod kątem poziomu ozonu. Paski umieszczone w pomieszczeniu kserokopiarki na 8 godzin rejestrowały poziom ozonu w pomieszczeniu wynoszący 5 ppb, który jest znacznie niższy od wytycznych Biura Bezpieczeństwa Stanów Zjednoczonych.

Ze względu na działanie światła słonecznego przekształcającego podtlenek azotu i lotne związki organiczne w ozon, fale upałów lub wyjątkowo słoneczne okresy mogą być niepokojące dla mieszkańców miast. Monitorowanie poziomu ozonu w czasie może stworzyć obraz potencjalnego ryzyka i umożliwić władzom wydawanie ostrzeżeń lub zwracanie się do mieszkańców o ograniczenie korzystania z samochodów w okresach wysokiego stężenia ozonu.

Właśnie obejrzeliście wprowadzenie JoVE do pomiaru ozonu troposferycznego. Powinieneś teraz zrozumieć, w jaki sposób powstaje ozon troposferyczny i dlaczego jest to problem, jak zrobić papier Schönbein do testowania ozonu i jak interpretować wyniki testów. Dzięki za oglądanie!