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
Szálló por szennyeződés valós idejű vizsgálatára alkalmas mérőműszerek és alkalmazásaik
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
Beszáradás, csepfelkapás stb.. Elsődleges
Másodlagos
Kilökődés Konvekció
Gócképződés
Kémiai összetétel Mikorfizikai tulajdonságok
Abszorpció
Méreteloszlás, szám, és tömeg szerinti koncentráció Spektrális sajátosságok Élettani hatások
Légköri aeroszol típusok, keletkezésük és jellemzésük Fizikai, kémiai, biológiai jellemzésük
Légköri aeroszol típusok, keletkezésük és 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)
Multi Angle Absorption Photometer (MAAP)
1 ( ) 2 S () ( cos( ) (1 ) exp ) 2 2
Multi Angle Absorption Photometer (MAAP)
Photoacoustic Spectrometer (PAS)
Légköri aeroszolok optikai tulajdonságainak vizsgálata II. Fotoakusztikus spektroszkópia Fotoakusztikus jelkeltés A BSO RPTIO N O F PE RIO D ICA L LY M O D U LATE D LIG H T
M O LE CU LE S IN E X CI TE D STAT E
N O N -RA D I AT IV E RE LA X AT IO N
PE RI O D IC VA RIAT IO N O F TH E TE M PERAT U RE
PERIO D IC PRE SSU RE VA RIATI O N (SO U N D )
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 A fotoakusztikus jelkeltés nagysága α: abszorpció [m-1] S: A fotoakusztikus jel [V] Pλ: A gerjesztő fényforrás fényteljesítménye [W] M: Mikrofon érzékenység [V/Pa] C: Kamraállandó [Pa/m-1/W] α0: fajlagos abszorpciós koefficiens [m2/g] c: Koncentráció [g/m3] F: Fotoakusztikus kvantumhatásfok Ab: Háttérjel α, c és független abszorpció-szelektív koncentrációmérés esetén α0 is meghatározható ha az egyenletben szereplő mennyiségek S, α0, és c értékek kivételével ismert állandók
Légköri aeroszolok optikai tulajdonságainak vizsgálata II. Fotoakusztikus spektroszkópia
Fényteljesítmény A gerjesztő fényforrás intenzitásának fluktuációja a mért abszorpció érték fluktuációjaként jelentkezik
Kamrakonstans A priori nem ismert. Kalibrációs mérések segítségével meghatározható
Fotoakusztikus háttérjel
Fotoakusztikus kvantumhatásfok
A mintatéren áthaladó fénynek a kamra ablakán való elnyelődésből, és a mintatér és a mikrofon falán történő szóródásából származik.
A mért fotoakusztikus jel adott időponthoz tartozó (Sact) értékét szorozva a Pλ,ini/Pλ,act értékekkel a lézerteljesítmény fluktuációjának a fotoakusztikus jelre gyakorolt hatása megszűntethető
Értéke 0 és 1 között változhat kifejezi, hogy az abszorpció indukált energia hányadrésze fordítódik jelkeltésre
Légköri aeroszolok optikai tulajdonságainak vizsgálata II. Fotoakusztikus spektroszkópia 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.
Ekvivalens korom abszorpció: A mért aeroszol abszorpció egyenlő annak az aeroszolnak az abszorpciójával, amely fizikai és kémiai tulajdonságai a kalibráló aeroszoléval egyező Abszolút abszorpció mérést tesz lehetővé és ugyanakkora jelet ad a mintatérben, mint a kalibráló aeroszol. Termális relaxáció
Légköri aeroszolok optikai tulajdonságainak vizsgálata II. Fotoakusztikus spektroszkópia 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
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
SVOC, VOC
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). k
1 k exp(i) 1 i 2
r 2 particle c p particle 3 a
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 A fotoakusztikus mérőrendszer általános felépítése Mérőkamra Gázkezelés
Fényforrás
CO2, CO, gázlézerek Félvezető QC lézerek
Jelfeldolgozás
Légköri aeroszolok optikai tulajdonságainak vizsgálata II. Fotoakusztikus spektroszkópia Terepi változat
Laboratóriumi változat
MuWaPaS
Alkalmazások (Abszorpció)
Kalibráció és tesztmérések Institute for Meteorology and Climate Research Atmospheric Aerosol Research (IMK-AAF)
Kalibráció és tesztmérések
10
mini-CAST korom C/O 0,29 PAS DM
1
0,1 200
Angström együttható: 1.24 ± 0.08
400
600
Hullámhossz [nm]
800 1000
Optikai abszorpció [cm-1]
A DM módszer 550nm-es hullámhosszára normált normált optikai abszorpció
Mini-Cast korom aeroszol Szerves, szervetlen-korom, ásványi por hullámhosszfüggésének meghatározása Abszorpciós spektrumának meghatározása mini-Cast korom Palas GFG 1000 korom Szahara homok
1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4
Az AE31 legrövidebb működési hullámhossza
200
400
600
800
Hullámhossz [nm]
1000
-1
Normált optikai abszorpció [Mm ]
Kalibráció és tesztmérések
30 25 Grafit (AAE=1.05) Cseh barnaszén (AAE=1.37) Orosz feketeszén (AAE=1.23) Faszén (AAE=1.15)
20 15 10
5 PASS-3 7λ-Aethalometer
400
600
Hullámhossz [nm]
800
1000
Ångström exponens Grafit
Cseh barna szén
Orosz fekete szén
Faszén
1064355nm
1,15±0,01
1,37±0,03
1,23±0,04
1,05±0,0 9
355-266nm
1,15±0,01
1,66
2,05
2,05
-1
ln( (1 )) ln( (2 )) AAE (1 , 2 ) ln(1 ) ln(2 )
Normált optikai optikai abszorpció abszorpció[Mm [Mm-1-1]]] Normált optikai abszorpció [Mm Normált
Kalibráció és tesztmérések
30 30 30 25 25 25
Grafit Grafit Cseh Cseh barnaszén barnaszén Grafit (AAE=1.05) Orosz Orosz feketeszén feketeszén Cseh barnaszénFaszén (AAE=1.37) Faszén Orosz feketeszén (AAE=1.23) Faszén (AAE=1.15)
20 20 20 15 15 15 10 10
55 PASS-3 7λ-Aethalometer
400 400 400
600 600 600
Hullámhossz [nm] Hullámhossz [nm] Hullámhossz [nm]
800 800 800
1000 1000
HULIS (Humic-Like Substancies) aeroszol
2
Mass absorption coefficient (m /g)
10
1
0,1
0,01
1E-3 250
4-PAS Hoffer et al, daytime Amazomian sample Hoffer et al, nighttime Amazonian sample Dinar et al, CRD 500
Wavelength (nm)
750
1000
AAE532-1064/AAE532-355, mint forrásindikátor (terepi mérések ) Elemösszetétel-Abszorpció Gázfázis - Abszorpció Módus(méret)-Abszorpció
Méreteloszlásmérő műszerek
Méreteloszlásmérő műszerek
Méreteloszlásmérő műszerek
Szórásmérő
Szórásmérő