Un etalómetro es un instrumento para medir la concentración de partículas suspendidas ópticamente absorbentes ('negras') en una corriente de gas coloide ; comúnmente visualizado como humo o neblina , a menudo visto en el aire ambiente en condiciones contaminadas. La palabra etalómetro se deriva del verbo griego clásico 'aethaloun', que significa 'ennegrecer con hollín'.
Principio de funcionamiento
La corriente de gas (frecuentemente aire ambiente) pasa a través de un material de filtro que atrapa las partículas suspendidas, creando un depósito de densidad creciente. Un rayo de luz que se proyecta a través del depósito es atenuado por las partículas que absorben ('negras') en lugar de dispersarlas ('blancas'). Las mediciones se realizan a intervalos de tiempo regulares sucesivos. El aumento de atenuación de una medición a la siguiente es proporcional al aumento de la densidad del material de absorción óptica en el filtro: que, a su vez, es proporcional a la concentración del material en la corriente de aire muestreada. La muestra se recoge como una mancha en un rollo de cinta de filtro . Cuando la densidad del lugar de depósito alcanza un límite preestablecido, la cinta avanza a un lugar nuevo y continúan las mediciones. La medición del caudal de gas de muestra y el conocimiento de las características ópticas y mecánicas del instrumento permiten calcular la concentración media de partículas absorbentes en la corriente de gas durante el período de muestreo. Los etalómetros pueden operar en períodos de base de tiempo tan rápidos como 1 segundo, proporcionando datos casi en tiempo real. La comparación de los datos del etalómetro con otros análisis físicos y químicos permite que la salida se exprese como una concentración de carbono negro .
Historia
El principio del Aethalometer se basa en el muestreador de cinta de filtro continuo desarrollado en la década de 1950 para la medición del coeficiente de neblina . Este instrumento extrajo la corriente de aire de muestra a través de un punto de cinta de filtro durante un tiempo fijo (generalmente 1 o 2 horas). La cinta avanzó y su coloración gris se midió ópticamente por transmitancia o reflectancia. Sin embargo, las unidades de datos eran arbitrarias y no se interpretaron en términos de una concentración de masa de un material definido en la corriente de aire hasta que estudios retrospectivos [1] [2] vincularon la 'unidad COH' a análisis cuantitativos de trazas de constituyentes atmosféricos.
El trabajo en la década de 1970 en el laboratorio de Tihomir Novakov en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley estableció la relación cuantitativa entre la atenuación óptica de un depósito de partículas en un filtro fibroso y el contenido de carbono de ese depósito. [3] Las mejoras en la tecnología óptica y electrónica permitieron la medición de incrementos muy pequeños en la atenuación, como ocurriría durante el paso de aire ambiente típico a través de un filtro en una base de tiempo de 5 o 10 minutos. El desarrollo de computadoras personales e interfaces analógico-digitales permitió el cálculo de datos en tiempo real y la conversión matemática de las señales a una concentración de carbono negro expresada en unidades de nanogramos o microgramos de carbono negro por metro cúbico de aire.
El primer Aethalometer fue desarrollado en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley de Anthony DA Hansen (que más tarde se encontró Magee Científica), Hal Rosen y Tihomir Novakov , y se utilizó en un estudio de visibilidad EPA [4] , en Houston en septiembre de 1980, [ 5] con el primer gráfico de datos en tiempo real de concentraciones de carbono negro en el aire ambiente publicado en 1981. [6] El instrumento se voló por primera vez a bordo de un avión de investigación de la NOAA en el Ártico en 1984, y junto con trabajos previos a nivel del suelo mostraron que la bruma ártica contiene un fuerte componente de hollín . [7]
El etalómetro se comercializó en 1986 y se patentó una versión mejorada en 1988. [8] Sus primeros usos fueron en la investigación geofísica en lugares remotos, utilizando carbón negro como trazador del transporte a largo plazo de la contaminación del aire desde las áreas de origen industrializadas hasta el receptor remoto. regiones. En la década de 1990, la creciente preocupación por los efectos en la salud de las partículas de escape de diesel [9] llevó a una creciente necesidad de realizar mediciones utilizando la negrura del contenido de carbono como indicador. En la década de 2000, el creciente interés en el papel que juegan las partículas de absorción óptica en el cambio climático llevó a programas de medición expandidos tanto en países desarrollados como en desarrollo. Se cree que el efecto de estas partículas contribuye al deshielo acelerado del Ártico [10] y al deshielo de los glaciares del Himalaya.
En 2012, la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. Presentó al Congreso de los EE. UU. Un resumen completo del carbono negro (incluida una revisión de los datos del etalómetro) [11].
El Aethalometer se ha desarrollado en instrumentos montados en bastidor para su uso en instalaciones estacionarias de monitoreo de la calidad del aire ; instrumentos transportables que se utilizan a menudo en ubicaciones fuera de la red, que funcionan con baterías o paneles fotovoltaicos para realizar mediciones en ubicaciones remotas; y versiones portátiles de mano para medir la exposición personal a las emisiones de combustión.
Antecedentes técnicos y uso del etalómetro.
Usos del ethalómetro
Los principales usos de los etalómetros se relacionan con las mediciones de la calidad del aire , y los datos se utilizan para estudios del impacto de la contaminación del aire en la salud pública ; [12] cambio climático ; y visibilidad . Otros usos incluyen mediciones de la emisión de carbono negro de fuentes de combustión como vehículos; procesos industriales; y quema de biomasa, tanto en incendios forestales como en entornos domésticos e industriales.
Validación técnica
El etalómetro modelo AE-31 fue probado por el Programa de Verificación de Tecnología Ambiental administrado por la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU., Y se emitió un informe de validación en 2001. [13] El Aethalómetro Modelo AE-33 fue probado bajo el mismo programa en 2013, informe pendiente.
Análisis a múltiples longitudes de onda ópticas: exponente angstrom
La especie contaminante de carbón negro aparece gris o negra debido a la absorción de energía electromagnética por electrones parcialmente móviles en la microestructura grafítica de las partículas de carbón negro. Esta absorción es puramente "resistiva" y no muestra bandas resonantes: en consecuencia, el material aparece gris en lugar de coloreado. La atenuación de la luz transmitida a través de un depósito de estas partículas aumenta linealmente con la frecuencia de la radiación electromagnética, es decir, inversamente con respecto a la longitud de onda . Las mediciones de atenuación óptica en el etalómetro en un depósito de filtro aumentarán a longitudes de onda más cortas como λ (-α) donde el parámetro α (el exponente de Angstrom ) tiene el valor α = 1 para materiales 'grises' o 'negros'. Sin embargo, otras especies pueden mezclarse con las partículas de carbón negro. Se sabe que los compuestos orgánicos aromáticos asociados con el humo de tabaco y el humo de biomasa de la quema de leña tienen una mayor absorción óptica en longitudes de onda más cortas en las porciones amarilla, azul y casi ultravioleta del espectro.
Los etalómetros ahora están construidos para realizar sus análisis ópticos simultáneamente en múltiples longitudes de onda, típicamente abarcando el rango de 370 nm (casi ultravioleta) a 950 nm (casi infrarrojo). En ausencia de componentes aromáticos, los datos del etalómetro para la concentración de carbón negro son idénticos en todas las longitudes de onda, después de factorizar la respuesta estándar λ −1 para materiales grises "resistivos". El exponente angstrom de la atenuación para estos materiales es 1. Si están presentes componentes aromáticos, contribuirán a una mayor absorción en longitudes de onda más cortas. Los datos del etalómetro aumentarán a longitudes de onda más cortas y el exponente angstrom aparente aumentará. Las mediciones de humo de biomasa pura pueden mostrar datos representados por un exponente angstrom tan grande como 2. Debido a diferentes artefactos, el exponente angstrom medido por los etalómetros puede estar sesgado, pero la comparación con otras técnicas ha encontrado que el modelo de etalómetro AE-31 proporciona un angstrom de absorción justo. resultados del exponente. [14] Muchas áreas del mundo se ven afectadas por las emisiones provenientes de la combustión de combustibles fósiles a alta temperatura , como el escape de diesel , que tiene un color gris o negro y se caracteriza por un exponente angstrom de 1; junto con las emisiones de la quema de biomasa como el humo de leña, que se caracteriza por un valor mayor del exponente angstrom. Estas dos fuentes de contaminación pueden tener diferentes orígenes geográficos y patrones temporales, pero pueden mezclarse en el punto de medición. Se afirma que las mediciones de un etalómetro en tiempo real en múltiples longitudes de onda separan estas diferentes contribuciones y pueden distribuir el impacto total entre diferentes categorías de fuentes. Este análisis es un insumo esencial para el diseño de políticas públicas y regulaciones efectivas y aceptables .
Se cuestiona la precisión, e incluso la capacidad, del Aethalometer para diferenciar las fuentes de humo [15].
Mediciones con etalómetro en diversas ubicaciones
El principio de medición del etalómetro se basa en la filtración de aire, la óptica y la electrónica. No requiere ninguna infraestructura de soporte físico o químico como alto vacío, alta temperatura o reactivos o gases especializados. Su único consumible es un filtro que debe reemplazarse cada uno o dos días en los modelos portátiles, pero las unidades más grandes tienen un rollo de cinta de filtración que generalmente dura de meses a años. En consecuencia, el instrumento es resistente, miniaturizable y se puede implementar en proyectos de investigación en ubicaciones remotas o en sitios con un apoyo local mínimo. Ejemplos incluyen:
- mediciones en la estación del Polo Sur , [16] el lugar en el que se ha medido el aire más limpio con un etalómetro, que muestra concentraciones de carbono negro del orden de 30 picogramos por metro cúbico en invierno;
- mediciones en zonas urbanas de China [17] y Bangladesh, [18] en las que las concentraciones de carbono negro a menudo pueden superar los 100 microgramos por metro cúbico;
- mediciones en zonas rurales de África, con instalaciones que funcionan con paneles solares fotovoltaicos y registran altas concentraciones de carbono negro debido a la quema agrícola;
- mediciones en instalaciones a gran altitud tanto en el Himalaya indio [19] como en el Tíbet [20] a alturas superiores a 5000 metros, que funcionan con paneles solares fotovoltaicos y registran el impacto de las emisiones de combustión de las zonas bajas adyacentes densamente pobladas;
- mediciones a bordo de vuelos de aviones comerciales utilizando un etalómetro de mano, en el que la presencia de carbono negro en la cabina se deriva de las concentraciones externas en la estratosfera: de qué manera, es posible mapear la dispersión del carbono negro a nivel mundial escala a 10 km. altitud sin la necesidad de aviones de investigación dedicados extremadamente costosos;
- mediciones tomadas desde automóviles, trenes, aeronaves ligeras [21] y globos amarrados [22], a partir de los cuales los datos en tiempo real pueden convertirse en mapas horizontales y verticales;
- mediciones en una estación en medio del desierto de Taklimakan en Asia Central, [23] un lugar casi tan remoto e inhóspito como el Polo Sur.
- mediciones tomadas con un microetalómetro mientras se conduce en bicicleta en el tráfico Bangalore , India . [24]
- mediciones combinadas con sensores de frecuencia cardíaca y ventilación por minuto para estudiar la exposición por inhalación . [25]
Algunas medidas están disponibles como datos abiertos :
- mediciones de exposición personal con microaethalómetros de Bélgica [26]
Referencias
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