Aerosoolid ja tahkete osakeste mõõtmine

Aerosool on õhus hõljuvad tahked või vedelad osakesed ja peaaegu kõik nende juures tuleneb suurusest: üle mõne mikromeetri osakesed settivad minutitega, alla mikromeetri jäävad õhku päevadeks ning neid kannavad õhuvoolud ja Browni liikumine, mitte raskusjõud, ja ainult väikesed jõuavad sügavale kopsu — just seepärast on õhukvaliteedi piirnormid kirjutatud PM10 ja PM2,5 kohta, mitte massi kohta üldiselt. Nende mõõtmine tähendab valikut, milline füüsikaline efekt suurust esindab: kas kaalutakse filtrile kogunenut, loendatakse hajunud valguse impulsse osake haaval või loetakse nõrgenemist, kusjuures igaüks vastab eri küsimusele ja need võivad omavahel lahku minna.

Practise this concept

Aerosooli juures ei loe miski nii palju kui osakeste läbimõõt. Settimine raskusjõu mõjul sõltub läbimõõdu ruudust, nii et 50 mikromeetrine tera kukub seisvast õhust välja sekunditega, 10 mikromeetrisel kulub minuteid ja alla umbes mikromeetri on raskusjõud sisuliselt tähtsuse kaotanud — neid osakesi kannavad õhuvoolud, nad hulguvad Browni liikumises ja lahkuvad atmosfäärist pindadele kleepudes, kokku kleepudes või vihmaga alla sadades. Just seepärast settib jäme tolm aknalauale, samal ajal kui suitsuudu ületab riigipiiri.

Suurus otsustab ka terviseefekti ja seda sama mehaanilise põhjuse tõttu. Üle kümne mikromeetri osakesed püütakse kinni ninas ja kurgus; sellest väiksemad jõuavad hingamisteedesse ja alla 2,5 mikromeetri tungivad alveoolideni, kus toimub gaasivahetus. Õhukvaliteedi regulatsioon on kirjutatud täpselt nende piiride ümber — PM10 ja PM2,5 — ning mõlemad on massikontsentratsioonid, mikrogrammides kuupmeetri kohta, mitte arvud. Kuna mass sõltub läbimõõdu kuubist, määravad numbri kummagi vahemiku suurimad osakesed ja sündmus, mis tekitab tohutul hulgal ülipeenosakesi, võib PM2,5 näitu vaevu liigutada.

Aerosooli mõõtmine tähendab seetõttu valikut, milline füüsikaline efekt suurust esindab. Referentsmeetod on gravimeetriline: tõmba teadaolev õhukogus läbi suurusselektiivse sisendiga filtri ja kaalu see, mis on üheselt mõistetav, jälgitav ja annab ühe arvu iga 24 tunni kohta. Optilised loendurid lasevad iga osakese läbi laserikiire ja määravad suuruse hajunud impulsi järgi, andes reaalajas suurusjaotuse — kuid hajumine sõltub murdumisnäitajast ja kujust, nii et näit on samaväärse kalibreerimiskerakese läbimõõt ja tahm annab teistsuguse tulemuse kui meresool. Muud seadmed mõõdavad kiire või beetakiirguse nõrgenemist kogutud aines või laadivad osakesi ja mõõdavad nende elektrilist liikuvust. Igaüks vastab veidi erinevale küsimusele, ja just seepärast võivad odav andur ja referentsjaam olla eri meelt ilma, et kumbki oleks rikkis, ning just seepärast kuuluvad kõrvutipaigutus ja kalibreerimine iga tõsise seireprogrammi juurde.

Key ideas

Requires: Atmosfääri ja ookeani füüsika, Rayleighi ja Mie hajumine, Mõõtmine, täpsus ja õigsus

Formulas

v = \frac{\rho d^{2} g}{18 \eta}

Symbol	Name	Unit
$v$	kiirus	m/s (meeter sekundis)
$rho$	tihedus	kg/m^3 (kilogramm kuupmeetri kohta)
$d$	läbimõõt	m (meeter)
$eta$	viskoossus	Pa*s (paskalsekund)

Common misconceptions

PM2,5 lugemine tähenduses "alla 2,5 mikromeetri osakeste arv". Tegu on massikontsentratsiooniga — mikrogrammides selliseid osakesi kuupmeetri õhu kohta — ja massi määravad vahemiku suurimad osakesed, sest mass sõltub läbimõõdu kuubist. Miljon ülipeenosakest võib kaaluda vähem kui üks jäme osake, ja just seepärast võivad osakeste arv ja PM-näit ühe ja sama sündmuse ajal liikuda vastassuundades.
Eeldus, et väikesed osakesed settivad õhust välja samamoodi nagu suured, ainult aeglasemalt. Settimiskiirus kahaneb läbimõõdu ruuduga, nii et alla umbes mikromeetri kaotab raskusjõud üldse tähtsuse: sellised osakesed eemalduvad koaguleerudes, pindadele difundeerudes ja vihmaga, mitte alla kukkudes. Just seepärast võib suitsuudu püsida päevi ja rännata üle mandri, samal ajal kui nähtav tolm on seisvast toast minutitega kadunud.
Optilise osakeseloenduri käsitlemine suuruse ja massi otsese mõõtmisena. See mõõdab hajunud valgust ning see, kui palju osake hajutab, sõltub lisaks läbimõõdule ka murdumisnäitajast ja kujust — nii et seade esitab samaväärse kalibreerimiskerakese suuruse, mitte enda ees oleva osakese oma. Sama tegeliku läbimõõduga tahm ja meresool annavad erineva näidu, ja just seepärast vajab odav andur kohalikku kalibreerimist gravimeetrilise etaloni vastu, enne kui tema arvud midagi absoluutset tähendavad.

Resources

Articles

Kuulub nende TÜ ainete hulka

See mõiste on kaardistatud järgmis(t)e Tartu Ülikooli õppekava aine(te) osaliseks kattmiseks.

Õhu saasteseire korraldamineLOFY.05.032