臭氧 AQI：使用毫克或 ppb 浓度？

环境臭氧，称为 O 3 ，也称为地面或对流层臭氧，无论在哪个国家，都会影响地球上的每个人，如右图所示[1] 。

与颗粒物 (PM 2.5 ) 不同，地面臭氧不直接排放。相反，它是通过在氮氧化物、挥发性有机化合物、阳光和高温存在下发生的一系列化学反应产生的，如下图所示：

通过每个国家定义的空气质量指数标准来量化地面臭氧对健康的影响。有趣的是，世界上一半的国家使用基于毫克的测量标准，而其余的国家则使用基于 ppb 的测量标准。但这真的是个问题吗？这就是我们将在本文中讨论的内容。

美国 EPA 的臭氧标准以 ppm 为单位，而欧洲的臭氧标准以毫克为单位。

因此，我们很自然地将问题瞄准了Environnement SA ，这是欧洲领先的环境设备制造商之一，他们开发了自己的O342M臭氧分析仪（见右图）。

O342M 同时获得美国 EPA 和欧盟认证（参见规格表），因此能够提供 ppm 和毫克测量。我们向 Environnement SA 提出的问题是“你们的臭氧分析仪如何支持 ppm 和毫克输出？测量的硬件有什么区别吗？如果没有的话，有没有转换的标准？ '。

臭氧测量原理

臭氧测量基于众所周知的紫外线吸收原理[2] ，即测量臭氧分子的紫外线吸收。臭氧浓度是通过催化转化器过滤后气体样品和不含臭氧的样品的紫外线吸收率之间的差异来确定的。

在此系统中，臭氧浓度以每体积空气的光能量来测量，并从中扣除 ppbv 浓度。该系统的可检测下限为 0.4 ppb（对应于 AQI 0.3，基于美国 EPA 8 小时臭氧标准）。该系统本身并不测量质量，但有一种标准方法可以将 ppmv 转换为 mg/m 3 。

转换大气污染物浓度：从 ppmv 到 mg/m 3

首先，ppm（百万分之一[3] ）和ppb（十亿分之一）被定义为“1 ppm = 1/10 6 = 10 -6 ”和“1 ppb = 1/10 9 = 10 -9 ”。因此“1 ppm = 1000 ppb or 1 ppb = 10 -3 ppm”。

转换系数取决于您想要转换的温度（在美国通常为 25 摄氏度）以及环境压力。在 1 个大气压的环境压力下，一般方程为：

例如，对于气态污染物 O 3 （臭氧），要将20 ppmv的臭氧转换为“25 °C”和1 atmosphere at “mg/m3”，可使用以下公式：

欧洲和美国转换标准

对环境温度和大气压力的假设实际上是标准化的，并针对美国、欧洲或正常条件总结在下表中。对于我们的O342M 臭氧分析仪，该系数可由仪器操作员进行用户编程。

注：如果有兴趣了解为什么使用 20°C 作为标准参考温度，可以查看 Ted Doiron 的文章《20°C——工业尺寸测量标准参考温度的简史》。

非常感谢来自Environnement SA的 Serge 对臭氧监测仪的快速而准确的答复。请注意，相同的概念也适用于其他气体，例如二氧化氮（例如使用AS32M分析仪）。

为了进一步推动调查，下一个问题是，如果使用实际温度和压力而不是参考温度和压力，会对计算出的空气质量指数产生什么影响？

环境温度的影响

最后一个问题是研究温度变化对空气质量指数的影响。

For instance, let assume that an instrument is measuring an average of `120 mg/m3` of Ozone over 1 hour, which corresponds to an AQI of 50 (Medium) according to the European Common Air Quality Index (CAQI).

在 20°C 和 1 atm 下，`120 mg/m^3` 转换为 120/2.00，即60.0 ppmv 。因此，我们假设这是臭氧传感器的实际测量值。那么问题是，如果环境温度峰值达到 42°C（夏季热浪期间有时会发生这种情况），那么正确的质量是多少？换算公式为：

$$c = { ppmv \times 12.187 \times MW \over 273.15 + t } = 111.37 $$

这导致测量的臭氧存在“8.6 mg/m^3”的差异。当应用CAQI标准时，相应的AQI为46.4 （而不是使用标准20°C条件下的50 ）。这实际上是一个可以接受的差异。

右图总结了根据环境温度的广义调整公式。 x 轴是环境温度，y 轴是计算出的 AQI 是实际温度，将使用而不是参考温度 (20°C)。

大气压力的影响

至于大气压力，变化由理想气体定律（` PV = nRT` ）定义。

值12.187实际上是通用气体定律常数R的倒数。因此，要了解大气压力的影响，可以使用以下公式：

换句话说，只需将换算系数除以当前大气即可。假设压力p以毫巴（ 1 atm = 1013.25 mb ）表示，则广义转换公式变为：

结论

上述解释证实了我们最初的假设，即尽管臭氧读数可以提供不同的单位（ ppm和“mg/m^3”），但这实际上不是问题，因为有一种标准方法可以将读数从“mg/m”转换为“mg/m^3” ^3 to ppm`，反之亦然。此外，使用参考STP（标准温度和压力）而不是实际环境温度和压力的影响是最小的，即，臭氧指数的差异只是单位。

Credits: Ozone visual recreated using Icon pack by Icons8 and taken from American Chemical Society.