< Попер   ЗМІСТ   Наст >

Вимірювання атмосферного озону

До основних методів вимірювання атмосферного озону належать озонові зонди, спектрофотометри Добсона та Брюера, лідари та супутники, пасивні системи моніторингу озону.

Озоновий зонд

Озоновий зонд являє собою прилад, що встановлюється на повітряній кулі з газом, яка підіймається на висоту до 35 км. Він містить озоновий сенсор, джерело живлення, газову помпу та радіопередавач. Під час польоту кулі повітря з озоном пропускається за допомогою помпи через розчин, окислення якого озоном призводить до появи електричного струму, який реєструється. Величина цього струму пропорційна потоку озону і, таким чином, його концентрації.

Принцип дії озонового зонда (Брюера-Маста) полягає в реалізації реакції озону з йодидом калію КІ, наслідком якої утворюється вільний йод:

(16.12)

Утворення йоду порушує стан електричної рівноваги в розчині, що викликає потік електронів. Кількість озону (парціальний тиск озону в нанобарах) пов'язано з величиною електричного струму I співвідношенням:

(16.13)

де К – константа, нбар/мкА К; – температура помпи, К; I – величина електричного струму, мкА.

До основних типів озонових зондів можна також належать озоновий зонд ЕКК, що ґрунтується на використанні електрохімічної концентраційної камери, та вуглецево-йодний зонд, який відрізняється тим, що платинова сітка використовується як катод, а активований вуглець – як анод [Посудін, 2003].

Спектрофотометри Добсона та Брюера

Одиниці Добсона використовуються для вимірювання “товщини” озонового шару. Якщо уявити, що всі молекули озону, які присутні в стратосфері, можна зібрати на поверхні (при нормальних тиску та температурі), то товщина цього шару становитиме 3 мм. Ця кількість озону відповідає 300 DU (одиницям Добсона).

Спектрофотометр Добсона використовують д ля оцінювання озонового шару на основі диференціальної спектрофотометрії. Як джерело світла використовують ультрафіолетове випромінювання Сонця або Місяця. Метод диференціальної спектрофотометрії передбачає порівняння рівня поглинання на двох довжинах хвиль – 305 нм (поглинання озону) та 325 нм (опорна довжина хвилі). Аналіз поглинання ультрафіолетового випромінювання на аналітичних довжинах хвиль дає можливість оцінити концентрацію озону в атмосфері та його просторовий розподіл. Принцип дії спектрофотометра Добсона пояснюється на рис. 16.23. Клиноподібний фільтр поступово змінює інтенсивність опорного променя, доки обидва оптичних сигнали не зрівноважаться. Барабан, який пересовує клин, обладнаний шкалою в одиницях концентрації озону.

Принцип дії спектрофотометра Добсона

Рис. 16.23. Принцип дії спектрофотометра Добсона

Спектрофотометр Брюера вимірює поглинання природного випромінювання на довжинах хвиль 306,3; 310,1; 313,5; 316,8 та 320,1 нм, що дає можливість позбутися впливу поглинання аерозолей та забруднюючих речовин на результати вимірювань, характерного для спектрофотометра Добсона.

Лідари

Дистанційне зондування озону можна здійснювати шляхом вимірювання поглинання лазерного випромінювання на довжинах хвиль 308 нм та 351 нм озоновим шаром. Порівняння поглинання на цих довжинах хвиль дає можливість оцінити профіль озону в діапазоні висот від 10 до 50 км.

Супутники

До сучасних методів моніторингу озону належить програма GOME (The Global Ozone Monitoring Experiment), яку здійснювали завдяки супутнику ESA ERS-2, що був запущений на полярну орбіту у 1995 році. Метою цієї програми було дослідження стратосферного озону, змін клімату та забруднення атмосфери. У результаті застосування програми GOME стало можливим оцінити вертикальний розподіл концентрації озону вздовж усього шару атмосфери та вивчити динаміку утворення озонової дірки.

Пасивні системи моніторингу озону

Ще один метод передбачає пасивний моніторинг озону за допомогою пластикових пакетів, обладнаних тефлоновим віконцем, через яке озон дифундує з навколишнього середовища. Усередині пакета знаходиться барвник Індиго Кармін, що здатний змінювати своє забарвлення від світло-жовтого до темно-жовтого під впливом озону.

Діапазон концентрацій озону, які можна оцінювати під час застосування пасивного методу, варіює від <0,045 ppm до >0,105 ppm. У 1999 році добровольці з 122 країн застосували пасивні контейнери для вимірювання озону у 542 місцях.

Вимірювання приземного озону

Хемілюмінесцентний метод

В основі методу лежить реєстрація хемілюмінесценції – процесу звільнення енергії у вигляді світла внаслідок хімічної реакції між закисом азоту NO та озоном О3 (див. розділ 16.2.1). Хемілюмінесценція реєструється фотоелектронним помножувачем,

електричний сигнал з виходу якого пропорційний концентрації озону.

Опорний метод ЕРА

Цей метод базується на реакції О3 з етиленом, який генерує фотони, що реєструються та перетворюються в електричний сигнал на виході фотоелектричного помножувача. Недоліки методу пов'язані з горючістю та токсичністю етилену. Крім того, він полімеризується у газовому потоці системи, викликаючи проблеми з компонентами системи – вимірювачами потоків, клапанами, регуляторами.

Ультрафіолетова фотометрія

Принцип дії ультрафіолетового фотометра грунтується на поглинанні озоном ультрафіолетового випромінювання на довжині 254 нм. Рівень пропускання (поглинання) прямо пропорційний концентрації озону згідно з законом Бера-Ламберта:

(16.14)

де α – коефіцієнт поглинання озону, м-1; С – концентрація озону в атмосфері, атм або [1]; l – довжина оптичного шляху, м.

Концентрація озону визначається за виразами:

(16.15)

(16.16)

Вимірювання свинцю

Атомно-абсорбційна спектрометрія свинцю

Визначення свинцю в частинках атмосферного повітря передбачає активний відбір проб та аналіз, що реалізується за допомогою атомно- абсорбційної спектрометрії. Є два основні методи атомної спектрометрії – полум'яна атомно-абсорбційна спектроскопія та електротермічна. Перший варіант атомно- абсорбційної спектроскопії розглянуто в роботі [Посудін, 1998]. Ми розглянемо тут електротермічний варіант, який грунтується на застосуванні високої (близько 3000 °С) температури до зразка, який осідає в невеликій графітовій трубці, з подальшим випаровуванням й атомізацією зразка. Оптичне випромінювання, що містить довжину хвилі, потрібну для збудження атомів речовини, що аналізується, направляється через полум'я печі, монохроматор та входить у детектор (рис. 16.24).

Принцип електротермічної спектрометрії

Рис. 16.24. Принцип електротермічної спектрометрії

Електричний сигнал з виходу детектора пропорційний ослабленню інтенсивності випромінювання і, таким чином, концентрації металу в пробі. Чутливість електротермічного приладу становить близько 10-9.

  • [1] ppm – (від англ, parts per million) – число частин на мільйон або млн.-1, 10-6.
 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >