Misurazione dell'ozono troposferico

Fonte: Laboratori di Margaret Workman e Kimberly Frye - Depaul University

L'ozono è una forma di ossigeno elementare (O_3),una molecola di tre atomi di ossigeno legati in una struttura altamente reattiva come agente ossidante. L'ozono si trova sia nella stratosfera che nei livelli della troposfera dell'atmosfera. Quando si trova nella stratosfera (situata a circa 10-50 km dalla superficie terrestre), le molecole di ozono si formano nello strato di ozono e aiutano a prevenire che i raggi UV dannosi raggiungano la superficie terrestre. Nelle altitudini più basse della troposfera (superficie - circa 17 km), l'ozono è dannoso per la salute umana ed è considerato un inquinante atmosferico che contribuisce allo smog fotochimico (Figura 1). Le molecole di ozono possono causare danni direttamente danneggiando il tessuto respiratorio quando inalate o indirettamente danneggiando i tessuti vegetali (Figura 2) e materiali più morbidi, compresi i pneumatici sulle automobili.

L'ozono troposferico esterno si forma a livello del suolo quando gli ossidi di azoto (NO_x) e i composti organici volatili (COV) derivanti dalle emissioni delle automobili sono esposti alla luce solare. Di conseguenza, le preoccupazioni per la salute relative alle concentrazioni di ozono aumentano in condizioni di sole o quando e dove l'uso dell'automobile è aumentato.

Reazione: NO₂ + VOC + luce solare → O₃ (+ altri prodotti)

L'ozono troposferico interno si forma quando le scariche elettriche provenienti da apparecchiature che utilizzano alte tensioni(ad esempio purificatori d'aria ionici, stampanti laser, fotocopiatrici) rompono i legami chimici dell'ossigeno atmosferico (O₂₎nell'aria che circonda l'apparecchiatura:

O₂ → 2 O

I radicali liberi dell'ossigeno all'dentro e intorno alle scariche elettriche si ricombinano per creare ozono (O₃).

2 O + 2 O₂→ 2 O₃

Figura 1: Panorama del Golden Gate Bridge

Colorazione caratteristica per lo smog in California nel banco di nuvole beige dietro il Golden Gate Bridge. La colorazione marrone è dovuta all'NOx nello smog fotochimico.

Figura 2: Piante danneggiate dall'ozono. La fila superiore è normale, la fila inferiore è stata esposta all'ozono.

L'ozono troposferico può essere monitorato utilizzando una miscela di amido, ioduro di potassio e acqua spalmata su carta da filtro. Una volta essiccata, la carta, chiamata carta Schönbein, cambia colore quando è presente l'ozono.

Il metodo si basa sulla capacità di ossidazione dell'ozono. L'ozono nell'aria ossiderà lo ioduro di potassio sulla carta di prova per produrre iodio:

2 Kl + O₃ + H₂O → 2 KOH + O₂ + I₂

Lo iodio reagisce quindi con l'amido, macchiando la carta di una sfumatura di viola. L'intensità del colore dipende dalla quantità di ozono presente nell'aria. Più scuro è il colore, più ozono è presente:

I₃^-+ amido → colore viola

La concentrazione di ozono viene campionata in diversi siti a più alto rischio, tra cui parcheggi, garage, parchi e angoli di strade molto trafficate. I siti interni includono stanze e spazi con attrezzature che comportano la stampa a inchiostro, come le fotocopiatrici.

1. Preparazione della carta Schönbein

1. Mettere 100 ml di acqua distillata in un becher da 250 ml.
2. Aggiungere 1 cucchiaino e 1/4 di amido di mais.
3. Mettere una barra di agitazione nel becher e posizionare il becher su un piatto caldo / mescolare. Riscaldare a temperatura medio-alta e mescolare lentamente la miscela fino a quando non si gelifica vicino a circa 90 °C. La miscela viene gelificata quando si addensa e diventa un po 'traslucida.
4. Rimuovere il becher dalla fonte di calore, aggiungere 1/4 di cucchiaino di ioduro di potassio e mescolare bene.
5. Raffreddare la soluzione prima di applicare sulla carta da filtro.
6. Adaggiare un pezzo di carta da filtro su una lastra di vetro o tenerlo in aria, e usando un piccolo pennello, spazzolare con cura la pasta sulla carta da filtro. Capovolgere la carta da filtro e fare lo stesso dall'altra parte. Cerca di applicare la pasta nel modo più uniforme possibile.
7. Mettere la carta fuori durante la notte e lontano dalla luce solare, oppure metterla in un forno di essiccazione a bassa temperatura (20 °C) per asciugare.
8. Una volta che la carta è asciutta, utilizzare le forbici per tagliare la carta da filtro in strisce larghe 1 pollice. Se si conserva la carta per un uso successivo, posizionare le strisce in un sacchetto di plastica sigillabile o in un barattolo di vetro, al di fuori della luce solare diretta.

2. Misurazione dell'ozono

1. Spruzzare strisce di carta reattiva con acqua distillata e appendere un minimo di tre strisce in ogni sito di raccolta dati alla luce solare diretta. Appendere fissando saldamente o attaccando un'estremità della striscia a una struttura(ad esempio muro, blocchi di parcheggio, pali della luce). Le strisce possono anche essere appese usando un filo con un'estremità spinta nel terreno e l'altra estremità fissata alla striscia. Assicurarsi che le strisce pendano senza ostacoli.
2. Esporre la carta per circa 8 ore. Annotare dove è stata appesa ogni striscia e utilizzare i dati meteorologici per registrare la posizione dell'umidità relativa durante l'esposizione della carta. In alternativa, uno psicrometro può essere utilizzato per misurare l'umidità relativa di ciascun sito.
3. Se i risultati non vengono registrati immediatamente, sigillare la striscia in un contenitore ermetico dopo l'esposizione.
4. Per osservare e registrare i risultati dei test, spruzzare la carta con acqua distillata.
5. Osserva il colore confrontandolo con la scala di colori fornita e registrando il numero di Schönbein corrispondente. Calcola il numero medio di Schönbein per ogni sito.
6. Utilizzare i dati sull'umidità relativa per ciascun sito e il grafico dei numeri di Schönbein per l'umidità relativa (Figura 3) per convertire le medie del sito di Schönbein in concentrazione di ozono (ppb).

Figura 3. Umidità relativa Schönbein Grafico dei numeri

Utilizzare la scala numerica di Schönbein (Figura 4) per l'analisi quantitativa dell'ozono. Il grafico viene utilizzato per confrontare con i documenti campione dopo 8 ore di esposizione in posizioni campione. Utilizzare il grafico dei numeri di Schönbein per convertire i punteggi di Schönbein in concentrazione di ozono (ppb) (Figura 5).

Il punteggio aumenta con l'aumentare dell'intensità del colore, con il viola più scuro sul lato destro della scala. I risultati devono variare in base al percorso del sito di raccolta (Figura 5).

Figura 4. Scala numerica di Schönbein

Figura 5. Grafico delle concentrazioni di ozono nel campione.
Concentrazioni di ozono troposferico all'aperto e all'interno mostrate dal sito e dal punteggio di Schönbein.

L'esposizione all'ozono troposferico è dannosa per la salute umana; noto per causare dolore toracico, tosse, irritazione della gola e congestione. L'ozono interferisce anche con la funzione polmonare, esacerbando i sintomi di bronchite, enfisema e asma e può danneggiare in modo permanente il tessuto polmonare.

Le posizioni all'aperto di maggiori quantità di luce solare e le aree urbane sperimentano livelli più elevati di ozono troposferico a causa dell'aumento della quantità e della densità delle emissioni di nitrati. Anche i luoghi interni in cui vengono utilizzate fotocopiatrici e stampanti a inchiostro sono aree ad alto rischio per l'esposizione all'ozono. Le attuali soglie statunitensi per l'ozono, stabilite dall'Office of Safety and Health, sono di 0,1 ppm con rischi per la salute tra cui mal di testa, irritazione agli occhi, naso e gola, danni al cervello e al sistema nervoso, danni ai polmoni, malattie respiratorie croniche, congestione polmonare, edema ed emorragia.