Un etalómetro es un instrumento para medir la concentración de partículas suspendidas ópticamente absorbentes ("negras") en una corriente coloidal de gas ; comúnmente se visualiza como humo o neblina , que a menudo se ve en el aire ambiente en condiciones de contaminación. La palabra etalómetro se deriva del verbo griego clásico aethaloun , que significa "ennegrecer con hollín". El etalómetro, un dispositivo utilizado para medir el carbono negro en aerosoles atmosféricos, se implementó inicialmente en 1980 y fue comercializado por primera vez por Magee Scientific.
La corriente de gas (frecuentemente aire ambiente) pasa a través de un material de filtro que atrapa las partículas suspendidas, creando un depósito de densidad creciente. Un haz de luz proyectado a través del depósito es atenuado por aquellas partículas que absorben ("negras") en lugar de dispersarse ("blancas"). Las mediciones se realizan a intervalos de tiempo regulares sucesivos. El aumento de la atenuación de una medición a la siguiente es proporcional al aumento de la densidad del material ópticamente absorbente en el filtro: que, a su vez, es proporcional a la concentración del material en la corriente de aire muestreada. La muestra se recoge como una mancha en un rollo de cinta de filtro . Cuando la densidad de la mancha de depósito alcanza un límite preestablecido, la cinta avanza a una nueva mancha y las mediciones continúan. La medición del caudal de gas de muestra y el conocimiento de las características ópticas y mecánicas del instrumento permiten un cálculo de la concentración promedio de partículas absorbentes en la corriente de gas durante el período de muestreo. Los etalómetros pueden operar en períodos de base de tiempo tan rápidos como 1 segundo, proporcionando datos casi en tiempo real. La comparación de los datos del etalómetro con otros análisis físicos y químicos permite expresar el resultado como una concentración de carbono negro .
El principio del etalómetro se basa en el muestreador continuo de cinta filtrante desarrollado en la década de 1950 para la medición del coeficiente de neblina . Este instrumento hizo pasar la corriente de aire de muestra a través de una cinta filtrante durante un tiempo fijo (normalmente 1 o 2 horas). Se avanzó la cinta y se midió su coloración gris ópticamente por transmitancia o reflectancia. Sin embargo, las unidades de datos eran arbitrarias y no se interpretaron en términos de una concentración de masa de un material definido en la corriente de aire hasta que estudios retrospectivos [1] [2] vincularon la "unidad COH" a los análisis cuantitativos de los componentes traza atmosféricos.
Los trabajos realizados en la década de 1970 en el laboratorio de Tihomir Novakov en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley establecieron la relación cuantitativa entre la atenuación óptica de un depósito de partículas en un filtro fibroso y el contenido de carbono de ese depósito. [3] Las mejoras en la tecnología óptica y electrónica permitieron la medición de aumentos muy pequeños en la atenuación, como los que se producirían durante el paso del aire ambiente típico a través de un filtro en una base de tiempo de 5 o 10 minutos. El desarrollo de las computadoras personales y las interfaces analógico-digitales permitió el cálculo de datos en tiempo real y la conversión matemática de las señales a una concentración de carbono negro expresada en unidades de nanogramos o microgramos de carbono negro por metro cúbico de aire.
El primer etalómetro fue desarrollado en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley por Anthony DA Hansen (quien más tarde fundaría Magee Scientific), Hal Rosen y Tihomir Novakov , y se utilizó en un estudio de visibilidad de la EPA [4] en Houston en septiembre de 1980, [5] con el primer gráfico de datos en tiempo real de concentraciones de carbono negro en el aire ambiente publicado en 1981. [6] El instrumento voló por primera vez a bordo de un avión de investigación de la NOAA en el Ártico en 1984, y junto con trabajos previos a nivel del suelo mostraron que la neblina del Ártico contiene un fuerte componente de hollín . [7]
El aethalómetro se comercializó en 1986 y una versión mejorada fue patentada en 1988. [8] Sus primeros usos fueron en la investigación geofísica en lugares remotos, utilizando el carbono negro como un trazador del transporte de larga distancia de la contaminación del aire desde áreas de origen industrializadas a regiones receptoras remotas. En la década de 1990, la creciente preocupación por los efectos de las partículas de escape de diésel sobre la salud [9] condujo a una mayor necesidad de mediciones utilizando la negrura del contenido de carbono como indicador. En la década de 2000, el creciente interés en el papel que desempeñan las partículas de absorción óptica en el cambio climático condujo a la expansión de los programas de medición tanto en países desarrollados como en desarrollo. Se cree que el efecto de estas partículas contribuye al derretimiento acelerado del Ártico [10] y al deshielo de los glaciares en el Himalaya.
En 2012, la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos presentó al Congreso de los Estados Unidos un resumen completo del carbono negro (que incluía una revisión de los datos del etalómetro). [11]
El etalómetro se ha desarrollado en instrumentos montados en bastidor para su uso en instalaciones estacionarias de monitoreo de la calidad del aire ; instrumentos transportables que a menudo se utilizan en lugares fuera de la red, que funcionan con baterías o paneles fotovoltaicos para realizar mediciones en ubicaciones remotas; y versiones portátiles de mano para mediciones de exposición personal a emisiones de combustión.
Los principales usos de los etalómetros se relacionan con las mediciones de la calidad del aire , y los datos se utilizan para estudios sobre el impacto de la contaminación del aire en la salud pública ; [12] el cambio climático ; y la visibilidad . Otros usos incluyen mediciones de la emisión de carbono negro de fuentes de combustión como vehículos; procesos industriales; y quema de biomasa, tanto en incendios forestales como en entornos domésticos e industriales.
El Aethalómetro modelo AE-31 fue probado por el Programa de Verificación de Tecnología Ambiental administrado por la Agencia de Protección Ambiental de los EE. UU., y se emitió un informe de validación en 2001. [13] El Aethalómetro modelo AE-33 fue probado bajo el mismo programa en 2013, informe pendiente.
La especie contaminante carbono negro aparece gris o negra debido a la absorción de energía electromagnética por electrones parcialmente móviles en la microestructura grafítica de las partículas de carbono negro. Esta absorción es puramente "resistiva" y no muestra bandas resonantes: en consecuencia, el material aparece gris en lugar de coloreado. La atenuación de la luz transmitida a través de un depósito de estas partículas aumenta linealmente con la frecuencia de la radiación electromagnética, es decir, inversamente con respecto a la longitud de onda . Las mediciones de atenuación óptica del etalómetro en un depósito de filtro aumentarán en longitudes de onda más cortas como λ (-α) donde el parámetro α (el exponente Angstrom ) tiene el valor α = 1 para materiales "grises" o "negros". Sin embargo, otras especies pueden mezclarse con las partículas de carbono negro. Se sabe que los compuestos orgánicos aromáticos asociados con el humo del tabaco y el humo de biomasa de la quema de madera tienen una mayor absorción óptica en longitudes de onda más cortas en las porciones amarilla, azul y casi ultravioleta del espectro.
Los etalómetros se construyen actualmente para realizar sus análisis ópticos simultáneamente en múltiples longitudes de onda, que normalmente abarcan el rango de 370 nm (ultravioleta cercano) a 950 nm (infrarrojo cercano). En ausencia de componentes aromáticos, los datos del etalómetro para la concentración de carbono negro son idénticos en todas las longitudes de onda, después de tener en cuenta la respuesta λ −1 estándar para materiales grises "resistivos". El exponente angstrom de la atenuación para estos materiales es 1. Si hay componentes aromáticos presentes, contribuirán a una mayor absorción en longitudes de onda más cortas. Los datos del etalómetro aumentarán en longitudes de onda más cortas, y el exponente angstrom aparente aumentará. Las mediciones de humo de biomasa pura pueden mostrar datos representados por un exponente angstrom tan grande como 2. Debido a diferentes artefactos, el exponente angstrom medido por los etalómetros puede estar sesgado, pero la comparación con otras técnicas ha demostrado que el modelo de etalómetro AE-31 proporciona resultados de exponente angstrom de absorción justos. [14] Muchas áreas del mundo se ven afectadas por las emisiones provenientes de la combustión de combustibles fósiles a alta temperatura , como el escape de diésel , que tiene un color gris o negro y se caracteriza por un exponente de angstrom de 1; junto con las emisiones provenientes de la quema de biomasa, como el humo de madera, que se caracteriza por un valor mayor del exponente de angstrom. Estas dos fuentes de contaminación pueden tener diferentes orígenes geográficos y patrones temporales, pero tal vez se mezclen en el punto de medición. Se afirma que las mediciones del etálómetro en tiempo real en múltiples longitudes de onda separan estas diferentes contribuciones y pueden asignar el impacto total a diferentes categorías de fuentes. Este análisis es un insumo esencial para el diseño de políticas y regulaciones públicas efectivas y aceptables .
La precisión e incluso la capacidad del etalómetro para diferenciar fuentes de humo es objeto de controversia. [15]
El principio de medición del etalómetro se basa en la filtración del aire, la óptica y la electrónica. No requiere ninguna infraestructura de soporte físico o químico, como alto vacío, alta temperatura o reactivos o gases especializados. Su único consumible es un filtro que debe reemplazarse cada uno o dos días en los modelos portátiles, pero las unidades más grandes tienen un rollo de cinta de filtración que generalmente dura de meses a años. En consecuencia, el instrumento es resistente, miniaturizable y puede implementarse en proyectos de investigación en ubicaciones remotas o en sitios con un apoyo local mínimo. Algunos ejemplos incluyen:
Algunas mediciones están disponibles como datos abiertos :
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