Szálló por szennyeződés valós idejű vizsgálatára alkalmas mérőműszerek és alkalmazásaik

Szálló por szennyeződés valós idejű vizsgálatára alkalmas mérőműszerek és alkalmazásaik A légköri aeroszol kutatások jelentősége és legfontosabb motivációi Légköri aeroszol típusok, jellemzésük Valós idejű mérőműszerek Spektrális sajátosságok mérése Abszorpció Aethalometer MAAP PAS Szórás Nephelometer Méreteleoszlás SMPS OPC EC/OC arány meghatározás QC-EC/OC analyzer

Légköri aeroszol típusok, keletkezésük és jellemzésük Aeroszol: valamely gáznemű közegben finoman eloszlatott szilárd és/vagy cseppfolyós részecskék kolloid rendszer Jellemzés: Eredet Természetes Mesterséges Képződési mechanizmus Elsődleges Beszáradás, csepfelkapás stb.. Kilökődés Kémiai összetétel Mikorfizikai tulajdonságok Másodlagos Konvekció Gócképződés Abszorpció Méreteloszlás, szám, és tömeg szerinti koncentráció Élettani hatások Spektrális sajátosságok

Légköri aeroszol típusok, keletkezésük és jellemzésük Fizikai, kémiai, biológiai jellemzésük

Légköri aeroszol típusok, keletkezésük és jellemzésük

Mérőműszerek Spektrális sajátosságok mérése Abszorpció Aethalometer MAAP PAS Szórás Nephelometer Méreteleoszlás SMPS OPC EC/OC arány meghatározás QC-EC/OC analyzer

Aethalometer, PSAP

Aethalometer, PSAP Filter spektrál-átviteli karakterisztikája Fényforrás intenzitása Optikai elemek spektrál-átviteli karakterisztikája

Multi Angle Absorption Photometer (MAAP)

Multi Angle Absorption Photometer (MAAP) S( ) ( cos( ) (1 )exp 1 2 ( ) 2 2 )

Multi Angle Absorption Photometer (MAAP)

Photoacoustic Spectrometer (PAS)

Légköri aeroszolok optikai tulajdonságainak vizsgálata II. Fotoakusztikus spektroszkópia pia Fotoakusztikus jelkeltés ABSORPTION OF PERIODICALLY MODULATED LIGHT MOLECULES IN EXCITED STATE NON-RADIATIVE RELAXATION PERIODIC VARIATION OF THE TEMPERATURE PERIODIC PRESSURE VARIATION (SOUND) A gerjesztett aeroszolok térfogati abszorberként viselkednek. A fotoakusztikus jel nagysága nem a gerjesztett elekronátmenetek átmeneti valószínűségével, hanem az aeroszolelegy abszorpciós hatáskeresztmetszetével arányos.

Légköri aeroszolok optikai tulajdonságainak vizsgálata II. Fotoakusztikus spektroszkópia pia A fotoakusztikus jelkeltés nagysága α: abszorpció [m -1 ] S: A fotoakusztikus jel [V] P λ : A gerjesztő fényforrás fényteljesítménye [W] M: Mikrofon érzékenység [V/Pa] C: Kamraállandó [Pa/m -1 /W] α 0 : fajlagos abszorpciós koefficiens [m 2 /g] c: Koncentráció [g/m 3 ] F: Fotoakusztikus kvantumhatásfok A b : Háttérjel α, c és független abszorpció-szelektív koncentrációmérés esetén α 0 is meghatározható ha az egyenletben szereplő mennyiségek S, α 0, és c értékek kivételével ismert állandók

Légköri aeroszolok optikai tulajdonságainak vizsgálata II. Fotoakusztikus spektroszkópia pia Fényteljesítmény Kamrakonstans Fotoakusztikus háttérjel Fotoakusztikus kvantumhatásfok A gerjesztő fényforrás intenzitásának fluktuációja a mért abszorpció érték fluktuációjaként jelentkezik A priori nem ismert. Kalibrációs mérések segítségével meghatározható A mintatéren áthaladó fénynek a kamra ablakán való elnyelődésből, és a mintatér és a mikrofon falán történő szóródásából származik. Értéke 0 és 1 között változhat kifejezi, hogy az abszorpció indukált energia hányadrésze fordítódik jelkeltésre A mért fotoakusztikus jel adott időponthoz tartozó (S act ) értékét szorozva a P λ, ini /P λ, act értékekkel a lézerteljesítmény fluktuációjának a fotoakusztikus jelre gyakorolt hatása megszűntethető

Légköri aeroszolok optikai tulajdonságainak vizsgálata II. Fotoakusztikus spektroszkópia pia Fotoakusztikus rendszerek kalibrációja Kalibrációval meghatározható. Megadja a fotoakusztikus rendszer válaszát egységnyi gerjesztés és optikai abszorpció esetén. Gáz-fázisú kalibráció Aeroszol-fázisú kalibráció Összetétel és méretfüggő. Az aeroszol-fázisú kalibráció által meghatározott kamrakonstans a mért aeroszolelegy un. ekvivalens korom koncentrációját/abszorpcióját adja meg. Abszolút abszorpció mérést tesz lehetővé Termális relaxáció Ekvivalens korom abszorpció: A mért aeroszol abszorpció egyenlő annak az aeroszolnak az abszorpciójával, amely fizikai és kémiai tulajdonságai a kalibráló aeroszoléval egyező és ugyanakkora jelet ad a mintatérben, mint a kalibráló aeroszol.

Légköri aeroszolok optikai tulajdonságainak vizsgálata II. Fotoakusztikus spektroszkópia pia Háttérjel ingadozás csökkentése Fotoakusztikus háttérjel A koncentráció/kémiai összetétel gyors változásának nyomon követéséhez folyamatos, míg rövidebb időfelbontású mérésekhez szakaszos háttérmérés szükséges

Légköri aeroszolok optikai tulajdonságainak vizsgálata II. Fotoakusztikus spektroszkópia pia Kvantumhatásfok Az F tag értéke 0 és 1 között változhat, a gerjesztés paraméterei és a vizsgált minta fizikai tulajdonságainak függvényében. Értékét, adott gerjesztés mellett, a vizsgált aeroszol minta méreteloszlása (termális relaxáció) és/vagy illékony illetve szemi-illékony komponenseinek aránya határozza meg termális relaxáció Ha a periodikus ν frekvenciájú gerjesztés során a gerjesztett állapotban lévő részecske hőleadására jellemző relaxációs időállandó (τ) összemérhető vagy nagyobb, mint gerjesztés periódusideje, akkor a fotoakusztikus jel nagysága k-ad részére csökken, és modulációs frekvencia és a mikrofon jel között Θ fáziskésés lép (thermális relaxáció). 1 k k exp( i ) 1 i2 r 2 particle c p particle 3 a SVOC, VOC A felvett energia átadása nem csak hővezetés, hanem párolgás útján is történhet. Ebben az esetben a fotoakusztikus jelkeltés kvantumhatásfoka változik a gerjesztés során. A halmazállapot változásához szükséges energiát a gerjesztés fedezi, így a kvantumhatásfok csökken, ugyanakkor az elpárolgott komponensek a mintatér parciális nyomását növelik, ami a kvantumhatásfok növekedését eredményezi.

Légköri aeroszolok optikai tulajdonságainak vizsgálata II. Fotoakusztikus spektroszkópia pia A fotoakusztikus mérőrendszer általános felépítése Mérőkamra Gázkezelés Fényforrás CO2, CO, gázlézerek Félvezető QC lézerek Jelfeldolgozás

Légköri aeroszolok optikai tulajdonságainak vizsgálata II. Fotoakusztikus spektroszkópia pia Terepi változat Laboratóriumi változat MuWaPaS

Alkalmazások (Abszorpció) Kalibráció és tesztmérések Institute for Meteorology and Climate Research Atmospheric Aerosol Research (IMK-AAF)

Kalibráció és tesztmérések A DM módszer 550nm-es hullámhosszára normált normált optikai abszorpció Mini-Cast korom aeroszol hullámhosszfüggésének meghatározása 10 1 mini-cast korom C/O 0,29 PAS DM Angström együttható: 1.24 ± 0.08 0,1 200 400 600 800 1000 Hullámhossz [nm] Szerves, szervetlen-korom, ásványi por Abszorpciós spektrumának meghatározása Optikai abszorpció [cm -1 ] 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 Az AE31 legrövidebb működési hullámhossza 200 400 600 800 1000 Hullámhossz [nm] mini-cast korom Palas GFG 1000 korom Szahara homok

Kalibráció és tesztmérések Normált optikai abszorpció [Mm -1 ] 30 25 20 15 10 5 Grafit (AAE=1.05) Cseh barnaszén (AAE=1.37) Orosz feketeszén (AAE=1.23) Faszén (AAE=1.15) PASS-3 7λ-Aethalometer 400 600 800 1000 Hullámhossz [nm]

Kalibráció és tesztmérések AAE(, ) 1064-355nm 1 2 Grafit ln( ( 1 )) ln( ) 1 Ångström exponens Cseh barna szén Orosz fekete szén 1,15±0,01 1,37±0,03 1,23±0,04 ln( ( 2)) ln( ) 2 Faszén 1,05±0,0 9 355-266nm 1,15±0,01 1,66 2,05 2,05 Normált optikai abszorpció [Mm -1-1 Normált optikai abszorpció [Mm -1 ] ] 30 25 20 15 10 5 Grafit Cseh barnaszén Grafit (AAE=1.05) Orosz feketeszén Cseh barnaszén (AAE=1.37) Faszén Orosz feketeszén (AAE=1.23) Faszén (AAE=1.15) PASS-3 7λ-Aethalometer 400 600 800 1000 Hullámhossz Hullámhossz [nm] [nm]

HULIS (Humic-Like Substancies) aeroszol 10 Mass absorption coefficient (m 2 /g) 1 0,1 0,01 4 -PAS Hoffer et al, daytime Amazomian sample Hoffer et al, nighttime Amazonian sample Dinar et al, CRD 1E-3 250 500 750 1000 Wavelength (nm)

AAE 532-1064 /AAE 532-355, mint forrásindikátor (terepi mérések ) Gázfázis Elemösszetétel-Abszorpció - Módus(méret)-Abszorpció

Méreteloszlásmérő műszerek

Szórásmérő