Aerul Si Mediul Inconjurator

Mediul înconjurător este ansamblul de condiții și elemente ale Terrei: apa, aerul, solul și subsolul, toate straturile atmosferei, toate materiile organice și anorganice, precum și ființele vii, sistemele naturale în interacțiune, inclusiv valorile materiale. Mediul înconjurător din punct de vedere geografic, cuprinde în alcatuirea sa trei seturi de componente: abiotice (substrat, aer, apa), antropice (rezultatele activității umane) și biotice (plante, animale).[1]

Încă din antichitate a existat un viu interes asupra compoziție aerului astfel Mao-Hoa (secolul VII) descrie câteva metode de obținere a oxigenului și dezvoltă noțiunea de ardere, foarte asemănătoare în esența cu concepțiile moderne, acestea sunt primele indicații asupra complexității compoziției aerului si se gasesc în lucrările alchimiștilor chinezi. În Europa, Leonardo da Vinci a fost primul care s-a pronunțat asupra compoziției aerului, la sfâșitul secolului XV, confirmările experimentale datand din secolul XVIII.[2]

Planeta Pământ, sau mai simplu spus „casa noastra” este un mediu care a favorizat cresterea și dezvoltarea vieții având la bază o structură de o vastă complexitate. Privită mai în detaliu structura plantei Pământ se poate descompune în mai multe subsisteme: nucleul pământului, mantaua pământului, litosfera (scoarța terestră), hidrosfera, atmosfera.

Unul dintre cele mai fragile subsisteme ale mediului datorită capacitații sale limitate de a absorbi și a neutraliza substanțele eliberate continuu de activitățile umane este Atmosfera.[3]

Atmosfera este amestecul de gaze care înconjoară Pământul, amestec denumit generic aer (Figura 1.1).

Figura.1.1 Planeta Pământ [4]

Atmosfera înconjoară Terra, de aceea ea are aceeași formă ca aceasta, având o grosime mai mare la ecuator și fiind mai turtită la cei doi poli. Datorită forței de atracție a Pământului, Atmosfera rămâne langă suprafața acestuia și nu se risipește în spațiu.

 Cercetările despre atmosfera, cu ajutorul sateliților artificiali au scos la iveală faptul că este compusă din mai multe straturi concentrice, caracteristici parametrice și cu grosimi specifice:

Troposfera (aproximativ 18 km) reprezintă 95% din atmosferă, are umiditate mare cauzată de prezența vaporilor de apă și favorizează formarea norilor. Aici se acumulează poluanții sub formă de substanțe volatile, particule solide în suspensie care reacționează chimic cu substanțele aflate în compoziția aerului sub influenta razelor solare, tot aici se formează vânturile, norii și precipitațiile.

Stratosfera (la 50 km) este un strat uscat și conține “pătura de ozon”, care filtrează razele ultraviolete emise de Soare. Ozonul este un gaz care are capacitatea de a absobii radiațile ultraviolete, astfel protejând formele de viață de pe Pământ. Cu trecerea timpului, viețuitoarele de pe Terra s-au adaptat la un anumit nivel de radiații, care, daca ar crește, ar avea un efect distrugător. Daca, la altitudini mari, ozonul apără Pământul de radiația solară, la altitudini mici (sub 11 km), concentrația lui ridicată poate fi periculoasă pentru sănătate si dăunătoare pentru plante si animale.

Mezosfera și Termosfera (până la 90 km, respectiv 800 – 1000 km) sunt stratele externe ale atmosferei. Aici densitatea gazelor este foarte redusă, ceea ce determină o captare redusă a razelor ultraviolete și are ca si consecință principală o temperatură foarte scazută (aprox. -75 C).

Exosfera, dincolo de 800 – 1000 km până la 10.000 km, este stratul care face trecerea spre vidul interplanetar.[5]

Atmosfera deși pare divers colorată (Figura 1.2.), nu are o culoare proprie, totul depinde după cum este mai curată sau încărcată cu vapori de praf, apă, microorganisme. Ea apare albastră, după ploaie, când atmosfera este curată; apare albicioasă sau cenușie când conține mari cantitați de vapori de apă și poate avea nuante de rosu, galbui sau violet cand este incarcata cu praf. Fără atmosferă, cerul ar părea de culoare neagră, iar Soarele ar fi un disc de foc orbitor, nu am mai avea nori, ploi sau ninsori.

Figura 1.2 Atmosfera [6]

In atmosferă, la începutul timpului, oxigenul nu exista, singurele gaze care sau format in adancul planetei au fost CO, , , , (vapori).

Cu trecerea timpului, planeta a inceput sa se raceasca si datorita vaporilor de apă care s-au condensat au aparut lacurile si oceanele. Dupa aparitia acestora au inceput sa se formeze aminoacizii și proteinele, iar apoi bacteriile, a căror evolutie in componenta azotului, a fost esential pentru apariția și evoluția plantelor primitive.

Schimbarea compoziției chimice a atmosferei în urma procesului de fotosinteză a dus la formarea oxigenul, permițând evoluția organismelor marine (dezvoltarea lumii vegetale) și odata cu formarea stratului protector de ozon, apariția animalelor terestre.[7]

Dupa toate aceste transformari, Atmosfera este formată dintr-un amestec de circa 10 gaze diferite, concentratiile predominante fiind de azot (78%) și oxigen (21%). Acel 1% rămas este format din argon, dioxid de carbon, heliu, neon și substanțte gazoase compuse (amoniac, metan), vapori de apă și corpuri străine. Această compoziție este specifică zonei inferioare a atmosferei. Pe verticală compozitia se schimbă. Azotul și oxigenul sunt singurele elemente gazoase din Atmosferă care exista pe tot intervalul acesteia, în partea inferioara se gasesc în stare moleculară, iar în cea superioară în stare atomică.

AZOTUL (78%) este cel mai răspândit si are un rol ecologic în natura ce constă în neutralizarea puterii de oxidare a oxigenului.

OXIGENUL (21%) determină însușirile fizice și chimice ale aerului, însușiri ce transforma atmosferă intr-un scut la adăpostul căruia se desfasoară viața pe Pământ. Participă în procesele arderii și descompunerii substanțelor organice, este prezent sub formă de combinație chimică în alcatuirea dioxidului de carbon și a altor substanțe aflate în aer. În păturile înalte ale atmosferei, oxigenul se gaseste sub formă de ozon.

OZONUL este starea alotropică a oxigenului, se formează în straturile superioare ale atmosferei prin separarea moleculelor de oxigen sub acțiunea razelor ultraviolete ale Soarelui, iar în parțile inferioare ale atmosferei se formează în urma descarcărilor electrice,dar și prin oxidarea unor substanțe organice (rașina coniferelor și alge marine). Astfel este explicat prezenta aerului purificat în padurile de conifere sau pe malul mării. În stratosferă stratul de ozon este cuprins între 20-40 km. Concentrația de ozon în atmosfera Pământului s-a evoluat la procente volumetrice. Concentrația lui la sol este extrem de scăzută. În paturile superioare ale atmosferei reține o mare parte din razele ultraviolete periculoase pentru organismele vii: plante, animale și bacterii și reflectă radiațiile cosmice. Variațiile de temperatură din stratosferă se explică prin variația cantitativă a ozonului între zi și noapte. Ozonul ia nastere numai ziua când asupra oxigenului acționează razele ultraviolete, se încalzește și înmagazinează caldură iar noaptea, în absența razelor solare, ozonul se împutinează, iar temperatura scade. Sub aspect ecologic dispariția stratului de ozon ar face imposibilă viața pe Pământ.

ARGONUL (0,93%), dintre gazele nobile acesta este cel mai des întâlnit pe Pamant.
DIOXIDUL DE CARBON (0,03%) , poate ajunge pana la concentratii de 0.05-0.07 % in zonele mari industrializate. Este intalnit în stratele inferioare ale atmosferei. Provine din arderea combustibililor, putrezirea plantelor, animalelor și bacteriilor moarte, erupțiile vulcanilor, dar și din respirația viețuitoarelor. Cantitatea de variază pe parcursul unei zile și pe anotimpuri, este mai redus ziua decât noaptea, mai redus vara decât iarna si mai crescut primavara și toamna. În regimul termic al Pământului dioxidul de carbon joacă un rol termoregulator, în condițiile de concentrații normale. Datorita concentratiei de se mentine o temperatura variabila la suprafata Pământului de la zi la noapte deoarece se slăbeste radiația terestră în timpul nopții. Rolul ecologic al prin acțiunea sa în regimul termic al Pamântului este benefic pentru biocenoze. [8]

Compoziția aerului raportată la volum conține:

78.084% Azot (),

20.974% Oxigen (),

0.934% Argon (Ar),

0.33% Dioxid de Carbon (),

deasemenea se găsesc urme de Neon (Ne), Heliu (He), Krypton (Kr), Dioxid de sulf (), Metan (), Hidrogen ().

Constante fizice aflate în legătura cu compoziția aerului:

masa moleculară (cca. 28.96443 g/mol – masa molecular a aerului standard-CRC, 1983);

greutate (1 =1.293 g);

densitatea aerului uscat functie de temperatura [°C] [kg/m³]

-25 1.424

0 1.2929

20 1.2047;

densitatea aerului lichid (la -192°C), este 960 kg/ m³;

temperatura de fierbere a aerului lichid: -192°C;

aerul lichid: este obținut la -140.7°C si 38.4 atm;

căldura specifică în intervalul de temperatură (0-100)°C la presiune normală

(1 atm=101325 Pa) este 1.011 kJ/ (kg K);

căldura specifică : 0.8382 kJ/(kg K); [9]

1.2 Poluanți ai aerului

1.2.1. Clasificarea surselor de poluare a aerului

Aerul, masă atmosferică conturată printr-un proces de segregare din nebuloasa primară și prin degazeificarea mantalei, este un amestec de gaze, particule în suspensie și vapori. Dintre acestea, dioxidul de carbon este mult mai variabil și are un rol deosebit, deoarece el serveste ca material de bază pentru producerea substantelor organice de către plante (cele cu clorofilă) și are rol de termoregulator al suprafeței pământului.[10]

Cresterea concentrației de CO2 (de la 0,0368% în prezent la 0,4% în mileniul următor) ca urmare a activităților umane va avea ca efect încălzirea generală a climatului, însoțită de modificări în sistemele geografice (deșertificare, salinizare, topirea ghețarilor.).[11]

Poluarea atmosferei se realizeaza prin acumularea în aer a unor substanțe care dauneaza compoziției acestuia, prin modificarea proprietăților atmosferei. Aceste substanțe sunt nocive deoarece afectează și distruge mediul inconjurator, chiar si viața omului, deasemenea aceste substante se raspandesc foarte repede in atmosfera datorita deplasarii aerului. Sunt absorbite intr-o cantitate foarte mare de apa, care ulterior ajung in zonele de suprafata (râuri, lacuri, mări și oceane) sau în sol.

Poluarea atmosferică este grupata în:

surse naturale (erupții vulcanice, fenomene de descompunere)

artificiale (transportul auto, industria chimică) [12]

Erupțiile vulcanice eliberează produși gazosi, lichizi și solizi, care produce modificari asupra reliefului, dar are si influențe negative asupra purității aerului atmosferic. In urma eruptiilor vulcanice se formeaza cenușile vulcanice, vaporii de apă, dar si praf vulcanic, care sunt eliberate în atmosferă, formând nori groși, raspândindu-se pe distanțe mari de la locul eruptiei.

Aceste substante poluante au o durata indelungata in atmosfera ajungand chiar la doi ani, avand chiar influențe asupra bilanțului termic al atmosferei, împiedicând imprastierea energiei radiate de la Pământ către Univers și ajutand la accentarea fenomenului de "efect de sera", produs de cresterea concentrației de CO2 din atmosfera.[13]

Fig.1.3 Erupție vulcanică [14]

Furtunile de praf reprezinta un factor în poluarea atmosferica.Vanturile sunt principala cauza a producerii acestor furtuni, deoarece afecteaza terenurile afânate din regiunile de stepă, în perioadele fara precipitații, in care acestea nu beneficiaza de vegetației inalta. In perioadele in care vanturile sunt continue ridică de pe sol particulele ce formează "scheletul mineral" și le transformă în suspensii subaeriene, care sunt reținute în atmosferă perioade lungi de timp, iar depunerea acestora se produce la anumite distante față de locul de extindere, ca urmare a procesului de sedimentare sau a efectului de spălare efectuat de ploi. [15]

.

Fig. 1.4 Furtună de praf. [16]

Incendiile naturale, principala sursă de fum și cenusă, se produc in momentul in care umiditatea mediului scade natural sub pragul critic impus. Acest fenomen este intalnit in zona tropicală, chiar daca gradul de umiditate este unul ridicat. La sfarsitul anului 1982 și începutul anului 1983, pe insula Borneo a Indoneziei și Malayesiei au avut loc 7 incendii care au mistuit circa 3,5 milioane hectare de păduri tropicale. În Coasta de Fildes, în 1983, focul a distrus circa 450 000 ha, iar în Ghana, în timpul aceluiași secete, a fost distrusă prin foc o mare suprafata de păduri și circa 10% din plantațiile de cacao. [17]

Figura.1.4Incendiu natural. [18]

Industria este la momentul actual, principalul poluant la scară mondială din cauza procesele de producție industriala. Poluantii atmosferici eliberatii din procesele de producție industrială se depun în atmosfera daca nu exista filtre pentru epurarea gazelor reziduale.

Substantele gazoase, lichide și solide rezultate din procesului de ardere sunt eliberate în atmosferă de furnale, înaltimea furnalelor și condițiile atmosferice, realizeaza raspandirea gazele de eșapament provite din focare local sau la distanțe medii.

Poluanti industriali în final ajung în sol, de aceea în jurul uzinelor în perimetrul a 35-40 km în sol este crescută concentrația de ingrediente ce intra în compoziția degajatilor aeriene a acestor uzine.[19]

Figura. 1.5 Poluare industrială. [20]

Transporturile sunt și ele o sursă de poluare. In orasele mari sau in zonele aglomerate, autovehicule care au motor cu combustie, reprezinta principalul factor poluant, de aceea autoritatiile acorda o mare importanta procesului de eliberare al noxelor.

Gazele de esapament (dioxidul de sulf, plumbul, hidrocarburile poliaromatice, benzenul, azbestul, metanul) eliminate de autovehicul depind de tipul combustibilului folosit dar si de starea tehnica al acestuia.

Poluarea aerului efectuata de autovehicule reprezintă un pericol foarte mare atat mediului inconjurator, dar si omului, datorita eliminarii gazelor in aproprierea solului si raspandirea acestuia la inaltimi mici in atmosfera. Un alt pericol cauzat de emisiile eliberate de autovehicule este ca acestea sunt raspandite pe distante foarte mari, totul depinzand de marimea traficului.[21]

Figura.1.6 Poluarea realizată de autovehicule. [22]

Activitățile "casnice" sunt o sursă de poluare. In cele mai mute țări, lemnul de foc reprezinta principalul element de incalzire, acesta este intr-un ritm continuu de crestere, atat in utilizarea sa in constructii, dar mai ales ca pret. Foarte multa tari care se ocupau de importul, dar si exportul lemnului au ajutat la cresterea pretului acestuia, deoarece nu s-au preocupat de regenerarea fondului forestier.

In activitățile "casnice" nu se folosesc numai lemn, ci si carbune, petrol, dar si gaze naturale care emit de asemenea substante daunatoare.[23]

Figura. 1.7 Poluare „casnică”.[24]

1.3 Standarde privind calitatea aerului

Aerul este factorul de mediu care constituie cea mai rapidă cale de extindere a poluarii în mediu. Poluarea aerului are efecte negative asupra sănătații populației și mediului înconjurător și din aceste motive se acorda o atenție deosebită activității de supraveghere și de îmbunătățire a calității aerului.

Calitatea aerului este determinată indirect prin măsurarea emisiilor din aer provenite de la diverse surse de poluare.

Uniunea Europeană (U.E.) prevede o gamă largă de legi, privind calitatea aerului înconjurător, care are ca scop protejarea sănătății umane și a mediului ca întreg, prin reglementarea măsurilor destinate menținerii calității acolo unde aceasta nu corespunde obiectivelor stabilite prin lege și îmbunătățirea acestora.[25]

Deasemenea prevede măsuri la nivel național privind calitatea aerului inconjurator:

definirea și stabilirea obiectivelor pentru evitarea și prevenirea producerii unor evenimente dăunătoare, dar si reducerea efectelor acestora asupra sănătății umane și a mediului;

evaluarea calității aerului înconjurător pe toata suprafata țării bazandu-se pe metode și criterii comune, stabilite la nivel european;

afisarea înformațiilor despre calitatea aerului pentru toti cetatenii țării

pastrarea calității aerului in zonele favorizabile, dar si reglarea in zonele de risc.[26]

Termenii și expresiile prezentate de U.E. în legea calității aerului au urmatoarele semnificații:

aerul – aerul din troposfera, definite de Hotararea Guvernului (nr. 1.091/2006) in ceea ce priveste cerințele minime de securitate și sănătatea locului de muncă, in zonele in care populatia nu are acces;

poluanti – concentratiile din aerul înconjurător, cu efecte dăunătoare asupra sănătății umane sau a mediului;

nivel – cantitatea de poluant din aerul înconjurator sau cantitate depusa pe suprafețe într-o perioadă de timp;

valoare-limită – nivelul stabilit pe baza informatiilor științifice pentru evitarea și prevenirea producerii unor accidente și reducerea efectelor acestora asupra sănătății umane și a mediului, pe perioadă dată și mentinerea acestuia;

nivel critic – nivelul stabilit datorita informatiilor științifice, dacă nivelul este depăsit se pot produce efecte adverse directe asupra mediului inconjurator, dar nu și asupra oamenilor;

marja de toleranță – valoarea cu care poate fi depasita procentul din valoarea-limită, conform condițiilor stabilite;

planuri de calitate a aerului – stabilirea măsurilor pentru atingerea valorilor-limita sau ale valorilor-țintă;

valoare-țintă – este nivelul stabilit pentru evitărea și prevenirea producerii unor evenimente dăunătoare, dar și pentru reducerea efectelor acestora asupra sănătății umane și a mediului, acesta trebuie atins intr-un anumit timp ;

prag de alertă – daca nivelul este depăsit, există un risc pentru sănătatea umană la o expunere de scurtă durată a populației;

prag de informare – daca nivelul este depăsit si este daunator sănătatii umane este necesar informarea imediată;

prag superior de evaluare – nivelul in care se folosesc măsurări fixe combinate cu tehnici de modelare sau măsurări indicative;

obiectiv pe termen lung – nivelul realizat pe o lunga perioada de timp, cu excepția în care acest lucru nu este realizabil prin măsuri proportionate, cu scopul de a asigura o protecție efectivă a sănătății umane și a mediului;

contribuții din surse naturale – concentratiile de poluanți care nu rezulta direct sau indirect din activități umane, incluzînd evenimente naturale cum ar fi erupțiile vulcanice, activitățile seismice, activitățile geotermale, incendiile de pe terenuri sălbatice, furtuni, aerosoli marini, resuspensia sau transportul în atmosferă al particulelor naturale care provin din regiuni uscate;

zonă – portiune a teritoriului țării delimitată în scopul evaluării și gestionării calitații aerului înconjurător;

aglomerare – zona cu o populație de peste 250.000 de locuitori sau, acolo unde populația este mai mica sau egala cu 250.000 de locuitori, având o densitate a populației mai mare de 3.000 de locuitori pe km2 ;

PM10 – particule în suspensie care trec printr-un orificiu de selectare a dimensiunii, astfel cum este definit de metoda de referință pentru prelevarea și măsurarea PM10 (SR EN 12341), cu un randament de separare de 50% pentru un diametru aerodinamic de 10 µm;

PM2,5 – particule în suspensie care trec printr-un orificiu de selectare a dimensiunii, astfel cum este definit de metoda de referința pentru prelevarea și măsurarea PM2,5 ( SR EN 14907), cu un randament de separare de 50% pentru un diametru aerodinamic de 2,5 µm;

indicator mediu de expunere – nivelul mediu determinat pe baza unor măsurări efectuate în mediul urban de pe întreg teritoriul țării și care oferă informatii privind expunerea populației.

obligația referitoare la concentrația de expunere – nivelul stabilit pe baza indicatorului mediu de expunere cu scopul de a reduce efectele dăunătoare asupra sănătății umane, care trebuie atins într-o perioadă dată;

ținta natională de reducere a expunerii – reducerea procentuală a expunerii medii a populației, stabilită pentru anul de referință cu scopul de a reduce efectele dăunătoare asupra sănătății umane, care trebuie să fie atinsă, acolo unde este posibil, într-o perioadă dată;

amplasamente de fond urban – locurile din zonele urbane în care nivelurile sunt reprezentative pentru expunerea, populației urbane;

măsurari fixe – efectuate în puncte fixe prin prelevare aleatorie, pentru a determina nivelurile, în conformitate cu obiectivele de calitate relevante ale datelor;

măsurari indicative – care respectă obiective de calitate a datelor mai putin stricte decat cele solicitate pentru măsurari în puncte fixe;

depuneri totale sau acumulate – cantitatea totală de poluanți care este transferată din atmosferă pe suprafețe (sol, vegetație, apa, cladiri), cu o anumită dimensiune, într-un interval de timp;

zona de protecție – suprafața de teren din jurul punctului în care se efectuează măsurări fixe, delimitată astfel încât orice activitate desfasurată în interiorul ei, ulterior instalării echipamentelor de măsurare, sa nu afecteze reprezentativitatea datelor de calitate a aerului înconjurator pentru care acesta a fost amplasat;

titular de activitate – persoanele ce exploatează si controlează o activitate cu potențial impact asupra calitații aerului înconjurator;

emisii fugitive – emisii nedirijate, eliberate în aerul înconjurător, care nu intra în categoria surselor dirijate de poluare;

emisii din surse fixe – emisii eliberate în aerul înconjurător de utilaje, instalații, din activitățile de construcții prin intermediul cărora se evacuează substante poluante;

emisii din surse mobile de poluare – emisii eliberate în mediu de mijloacele de transport rutiere, feroviare, navale și aeriene, echipamente mobile neruțiere echipate cu motoare cu ardere internă;

emisii din surse difuze de poluare – emisii eliberate în mediu din surse de emisii nedirijate de poluanți atmosferici, cum sunt sursele de emisii fugitive. [27]

Lista poluanților atmosferici în evaluarea calității aerului înconjurător:

1. Dioxid de sulf (SO2)

2. Dioxid de azot (NO2)

3. Oxizi de azot (NOx)

4. Particule în suspensie (PM10 si PM2,5)

5. Plumb (Pb)

6. Benzen (C6H6 )

7. Monoxid de carbon (CO)

8. Ozon (O3 )

9. Arsen (As)

10. Cadmiu (Cd)

11. Nichel (Ni)

12. Hidrocarburi aromatice policiclice

13. Mercur (Hg).[28]

„Standarde privind calitatea aerului pentru evaluarea concentrațiilor de dioxid de sulf, dioxid de azot și oxizi de azot, particule în suspensie PM10 si PM2,5, plumb, benzen, monoxid de carbon, ozon, arsen, cadmiu, nichel și benzo(a) piren în aerul înconjurător într-o anumită zonă sau aglomerare:

Etapele superioare și inferioare de evaluare:

Dioxid de sulf (SO2)

2. Dioxid de azot (NO2) și oxizi de azot (NOx)

3. Particule în suspensie (PM10)

4.Plumb (Pb)

5. Benzen(C6H6)

6. Monoxid de carbon (CO)

7. Arsen (As)

8. Cadmiu(Cd)

9. Nichel (Ni)

10. Benzo(a)piren(BaP)

*Valorile limite admise pe o perioada de timp de Uniunea Europeana. [29]

Depășirile etapelor superioare și inferioare de evaluare se determină în baza concentrațiilor din 5 ani anteriori, dacă sunt disponibile suficiente date; atunci cînd datele disponibile acopera mai putin de 5 ani, se pot combina informații rezultate din campanii de măsurare de scurtă durată, desfăsurate pe parcursul unui an în puncte în care este probabil să apară cele mai mari niveluri de poluare, cu informații extrase din inventare de emisii și din modelare.[30]

Capitolul 2

Metode de masurare a calitatii aerului

2.1 Metode de masurare

Masurarea este operatia de evaluare cantitativă a unei mărimi pe cale experimentală, prin compararea directă sau indirectă cu o mărime de aceeasi natură, ce reprezintă un reper dintr-o scară; scara poate admite o unitate de măsură si mărimea de referintă se poate materializa prin etalon. Mărimea de la care se obtine informatia se numeste măsurand.

Mărimea exprima proprietatea sau caracteristica a unui material, fenomen sau proces, exprimarea ei facandu-se in aceleasi unitati de măsură.

Realizarea corespondentei dintre valoarea măsurandului si unitatea de măsură se face cu ajutorul unui mijloc de măsurare. Mijlocul de măsurare este un mijloc tehnic pentru obtinerea, prelucrarea, transmiterea si/sau stocarea unor informatii de măsurare in care permite obtinerea unei informatii dependente de mărimea de măsurat, accesibilă sistemelor de prelucrare a datelor, independentă de conditiile locale (temperatură, presiune, umiditate) si de persoana care efectueaza masurarea.

In urma operatiei de masurare informatia obtinuta este:

Cantitativa – se refera la obtinerea raportului `m` al marimii M, aratand de cate ori marimea de masurat este mai mare decat etalonul ales:

calitativ – se refera la exprimarea marimii ca apartinand unui anumite clase de marimi, aceasta se face prin unitate de masura.[31]

Metodele de masurare pot fi:

directe: utilizează aparate construite pentru măsurare prin citire directă, a valorii măsurate (ampermetre, voltmetre, ohmmetre, wattmetre). Pentru măsurarea elementelor pasive de circuit este necesara o energie de activare externă, asigurată de o sursă de curent continuu (pentru măsurarea rezistenței electrice), sau de curent alternativ (pentru măsurarea impedanței). De obicei sunt folosite instrumente analogice care indică direct mărimea măsurată, pe o scară gradată, în funcție de legea de dependență obținută. Cele mai întâlnite aparate analogice sunt ohmmetrele și faradmetrele.

indirecte: pentru acest tip de masurarea foloseste doua sau mai multe aparate de masura pentru aflarea unei marimi necunoscute.[32]

Operatiile de masurare vor fi intotdeauna insotite de erorii, acestea apar in functie de procedeul de masura, aparatul utilizat, dar si de utilizator. Eroarea de masura nu poate fi eliminata, dar poate fi redusa prin utilizarea de aparate cu clase de precizie ridicate.

Erorile de masurare sunt:

erorile sistematice, datorate imperfectiunilor instrumentelor, teoriei si utilizatorului; Aceste erorii sunt caracterizate prin faptul ca abaterile valorii masurate fata de cele adevarate sunt intotdeauna in acelasi sens, constante, dar pot fi si evaluate inainte de masurare.

erorile statistice sau accidentale, acestea apar de la utilizarea frecventa a aparatelor;

eroarea absoluta (X ), este diferenta algebrica dintre valoarea masurata si valoarea

adevarata:

  Eroarea absoluta are aceleasi dimensiuni fizice ca si marimea masurata si se exprima in aceleasi unitati de masura. Eroarea absoluta cu semn schimbat se numeste corectie.

eroarea relativă,( ) se defineste ca raportul dintre eroarea absoluta si valoarea adevarata.Este o marime adimensionala:

[33]

2.1.1. Metode de masurare a concentratiei poluantilor din aer

Masurarile periodice ale concentratiilor poluante din aer sunt necesare si trebuie analizate periodic pentru evitarea pericole, protejarea mediului inconjurator si a omului împotriva efectelor poluante.

Reglementarea utilizari masurarilor de la sursele stationare includ:

masurari pentru determinarea conformitatii cu valorile limita ale concentratiilor;

etalonarea sistemelor de masurare automata;

testarea pe teren a sistemelor de masurare automata pentru evaluarea de conformitate.

Metodele de masurare a concentratilor in aerul atmosferic se bazeaza pe doua principii:

principiul spectroscopiei

principii electrochimice [34]

Principiul spectroscopiei este determinat de:

Metoda de referinta pentru analiza unor poluanti atmosferici la nivel national este prezentata in “Calitatea aerului inconjurator” (SR EN 14626:2005) pentru care masurarea se face prin spectroscopie în infrarosu nedispersiv. Aceasta metoda descrie caracteristicile de performanta si setul de criterii minime relevante pentru alegerea unui analizor în infrarosu nedispersiv potrivit, folosind încercari de aprobare de model. Include evaluarea compatibilitatii unui analizor pentru utilizare într-un amplasament fix specific astfel încât sa se îndeplineasca cerintele de calitate a datelor din Directive si cerintele din timpul prelevarii, etalonarii si asigurarii calitatii.[35]

1.Metoda de fotometrie în infrarosu nedispersiv, se bazeaza pe lungimea de unda a CO care este de cca. de 4,6 μm. Absorbtia radiatiei în infrarosu de catre molecula de CO, este utilizata pentru a masura concentratia de CO în prezenta altor gaze.

Sistemul în infrarosu nedispersiv prezinta mai multe avantaje:

nu sunt sensibile la debit

nu necesita substante chimice umede

sunt independente de schimbarile de temperatura a aerului ambiental,

au timp de raspuns scurt si pot fi exploatate de personal non-tehnic. [36]

Deasemenea aceasta metoda de analiza se foloseste in fotometria in UV (ISO 13964), dar si in metoda de calibrare prin fotometrul de referinta in UV (ISO 13964, VDI 2468, B1.6) a ozonului) .

2. Spectroscopie cu absorbtie atomica este metoda pentru analiza plumbului este prevazuta in ISO 9855/1993 "Aer inconjurator – determinarea continutului de plumb din aerosolii colectati pe filtre", dar si pentru masurarea concentratiilor de arsen, cadmiu si nichel din aerul inconjurator, Metoda este in curs de standardizare de catre Comitetul European pentru Standardizare (CEN) si are la baza prelevarea manuala a PM10 (explicate in standardul EN 12341). In momentul in care este realizata retinerea pe filtru a probelor, este urmata de mineralizare si apoi de analiza prin spectrometrie cu absorbtie atomica (AAS) sau spectrometrie de emisie cu plasma cuplata inductiv si spectrometrie de masa (ICP-MS).

3.Cromatrografia de gaz cu ionizare in flacara este metoda in care CO poate fi masurat în probe de aer ambiental, colectate frecvent, sau in aer de la probe capturate stocate sub presiune în canistre inerte. CO în probe de aer este uscat, preconcentrat, redus la metan si detectat prin ionizare în flacara (GC-FID)]

4.Tehnica eliberarii de mercur include reactia cu oxidul de mercur cald pentru a produce vapori de mercur elementar, este disponibila în comert. Este sensibila la temperatura si presiune, iar functionarea în mod continuu necesita eliminarea interferentelor din dioxidul de sulf, hidrogen si hidrocarburi. Probele de aer sunt colectate în recipiente de sticla si injectate într-un cromatograf de gaz cu doua coloane, CO este detectat cu un detector de reducere a oxidului de mercur comercial in care sistemul este liniar de la 10 ppb la mai mult de 1.000 de ppb, are o limita de detectie mai mica de 10 ppb. si incertitudinea raportata este de aproximativ 2%. [37].

5.O alta metoda de masurare este cea cu lasere cu dioda acordabila (TDL) care produce radiatii (IR) cu o latime de linie care este îngusta comparativ cu liniile obisnuite de absorbtie a gazelor atmosferice. Absorbtia radiatiei IR printr-o singura linie de rotatie în banda de 4,6 μm poate fi exploatata pentru a masura CO cu precizie mare si cu reactie rapida, si fara interferente. [38].

6.O alta metoda de masurare a CO ( monoxid de carbon), în ultraviolet, este fluorescenta de rezonanta folosita pentru un instrument sensibil si cu raspuns rapid. CO atmosferic absoarbe radiatiile în intervalul de 150 nm de la o lampa cu descarcare de radio frecventa, iar fluorescenta din CO excitat este detectata de catre un tub fotomultiplicator. Lampa genereaza o plasma, într-un flux continuu de în argon, deasemenea fluorescenta in ultraviolet este si metoda de masurare pentru dioxidul de sulf (, prevazuta ca metoda de referinta in proiectul standard (ISO/FDIS 10498): "Aer inconjurator – determinarea dioxidului de sulf ".[39]

Principiul electrochimic este determinat de:

1.Tehnica electrochimica este o alta metoda de analiza in care senzorii electrochimici opereaza prin masurarea curentului unei celule de combustie mici, acestea au fost folosite în studii de cercetare de interior si de expunere datorita dimensiunii lor reduse si a necesitatilor de putere; s-a raportat o precizie de 0,2 – 2 ppm.

2. Metoda de referinta pentru analiza dioxidului de azot si a oxizilor de azot (NO/este cea prevazuta in ISO 7996/1985 "Aer inconjurator – determinarea concentratiei masive de oxizi de azot" se face cu ajutorul metodei prin chemiluminiscenta. Chemiluminiscența constă în activarea până la generarea unui fenomen luminos în urma unor reacții chimice speciale a moleculelor de oxid de azot. Este un procedeu fizico-chimic de investigare, in care se formeaza o radiatie luminoasa in spectrul rosu datorita reactionarii oxidul de azot cu ozonul. Radiația este măsurată cu unfotomultiplicator, proportional cu concentrația de NO din probă. Deoarece nu reacționează cu ozonul, pentru măsurarea acestuia se face o reducere chimică a la NO, printr-un convertizor catalitic (un cuptor cu molibden).[40]

3.Metoda de referinta pentru prelevarea si masurarea PM10 este descrisa in EN 12341 "Calitatea aerului – procedura de testare pe teren pentru a demonstra echivalenta de referinta a metodelor de prelevare a fractiunii PM10 din pulberile in suspensie". Principiul de masurare se bazeaza in colectarea pe filtre a fractiunii PM10 a pulberilor in suspensie si determinarea masei acestora cu ajutorul metodei gravimetrice, aceasta constă în aspirarea unui volum de aer pe filtre de membrană cu dimensiunea medie a porilor de 0.80-0.85 µm și cântărirea pulberilor depuse pe filtru.[41]

2.1.2 Sisteme pentru determinarea concentratiei poluantiilor atmosferici

1. Sisteme pentru determinarea concentratiei de CO

Sistemul de monitorizare automat a CO este format dintr-un sistem de introducere a probei, un sistem analizor si un sistem de înregistrare a datelor. Sistemul de introducere este realizat dintr-o sonda de prelevare, un colector de admisie, tuburi si o suflanta. Este construit sa nu prezinte nici o cadere de presiune la analizor. Preconditionarea probei necesita un sistem de control al umiditatii: tub de uscare Nafion pentru atingerea unui raspuns cat mai aproape de fals sau pozitiv al analizorului la vaporii de apa si un filtru de macroparticule pentru a ajuta la protejarea analizorului de colmatare si de posibile interferente chimice cauzate de acumularea de particule în liniile de proba sau de admisie ale analizorului. [42]

Figura.2 Sistem de monitorizare automat a CO.[43]

Sistemul national de monitorizare a CO fost realizat pentru a transmite si stoca date în timp real, utilizând georeferentierea GPS. În timpul utilizarii, se obtine o reprezentare cartografica online a emisiilor, cu o actualizare permanenta a calitatii aerului si afisarea unui mesaj de avertizare atunci cand pragurile impuse sunt depasite.

Sistemul este format din urmatoarele blocuri functionale :

Un analizorul de monoxid de carbon model „ML 9830 Carbon Monoxide Analyser”, functioneaza prin generarea de radiatii în infrarosu (IR) care sunt absorbite de CO. Filtrarea gazului faciliteaza rejectia interferentelor si realizeaza o banda de trecere limitata care asigura masurarea numai în banda de lungime IR în care CO este sensibil. Analizorul construieste cicluri de masura dupa comanda propriului software intern ce determina marimile în [ppm] si le salveaza în memoria interna, datele sunt de tipul: data calendaristica, ora, minut, valoarea concentratiei, diverse semnale de stare ale analizorului ;

Senzori de mediu acestia au rolul de a masura în mod continuu (temperatura, presiunea, umiditatea) si de a încarca valoarea curenta a marimii masurate într-un buffer.

Terminalul distant pentru achizitia si transmiterea datelor (RTU), realizeaza achizitia datelor de la analizorul de CO si trimite datele prin canalul de comunicatie de tip „GPRS cu TCP/IP embedded” în baza de date geospatiala.

Centrul de monitorizare si procesare a datelor este construit dintr-un computer cu modem de comunicatii pe care ruleaza aplicatia informatica si de comunicatii pentru receptia, stocarea, procesarea si afisarea datelor. [44]

Figura.1 Schema bloc a modelului experimental realizat. [45]

2.Sistem pentru determinarea concentratiei PM10

Sistemul de monitorizae al PM10 consta in recoltarea probelor constituit din piese legate în serie prin tuburi de material, plastic inert sau de cauciuc: portfiltru cu filtru, contor de gaze, uscat, sensibil, pentru masurarea unui volum de aer cu un debit de 0.06-6 /ora, dispozitiv de aspiratie.

Portfiltru este confectionat dintr-un material inert (otel inoxidabil, material plastic) si va avea un suport filtru (placa poroasa, perforata, sita), care trebuie sa sustina filtrul fara pierderi, formare de cute sau canale si sa nu permita deplasarea sau ruperea acestuia, dar si sa asigure o filtrare uniforma pe întreaga suprafata.

Filtrele de membrana, confectionate din acetat sau nitrat de celuloza, vor avea diametrul mediu al porilor de 0,80-0.85 μm.

Filtrele se conditioneaza timp de 24 ore, inainte de recoltarea probelor, prin uscare

într-un exsicator cu perclorat de magneziu sau clorura de calciu, apoi se cântaresc cu precizia de 0.0001 g si se expun pentru recoltarea probelor.

Calculul continutului de PM10 se realizeaza prin diferenta dintre masa filtrului dupa expunere si masa filtrului înainte de expunere si se calculeaza cu relatia:

Unde :

– masa filtrului dupa expunere, în μg,

– masa filtrului înainte de expunere, în mg,

V – volumul de aer aspirat, în [46]

Figura.2 Sistem de monitorizare a PM10.[47]

Sistemul de monitorizare in timp real a PM10 a fost realizat cu ajutorul unui dispozitiv de masura gravimetric :

Figura.4.Dispozitiv de masurare al PM10 gravimetric.[48]

Acest dispozitiv este format dintr-o pompa care trage aer din ambient cu un debit constant intr-un dispozitiv special, in care particulele sunt separate in functie de marime. Particulele filtrate sunt colectate pe un filtru special si apoi este cantarit. Volumul total de aer aspirat se citeste de la un contor ,iar diferenta de greutate a filtrului, dintre intrare si iesire din dispozitiv, sunt folosite la stabilirea concentratiei de particule in μg/.

Aparatul de masura trebuie sa functioneze intr-un domeniu de temperatura cuprins intre (-C si C. [49]

Dispozitivul de masurare PM10 este determinat de :

1.Analizoarele de referinta (EN 12341)

Analizor de volum mic cu orificiu pentru PM10 (2.3 m³/h)

Analizor de volum mare cu orificiu pentru PM10 (68 m³/h)

WRAC (77.9 m³/h)

3.Prelevatoare de referinta (EN 12341)

Prelevator cu vol. mic cu gura de intrare pentru PM10 (2.3 m³/h)

Prelevator cu vol. mare cu gura de intrare pentru PM10 (68 m³/h)

WRAC (77.9 m³/h)

Calibrarea vitezei de curgere

4.Conditionarea si cântarirea filtrului:

48 h la 20 ± 1 °C si r.H. 50 ± 5 %

acuratetea balantei: 10 μg.[50]

2.2 Senzori folosiți

Senzorul este “un dispozitiv care detectează sau măsoară unele condiții sau proprietăți și înregistrează, indică si uneori răspunde la informația primită”.

Spre deosebire de senzor, traductor este un dispozitiv care convertește efecte fizice în semnale electrice pentru ca acestea sa acestea să poată fi prelucrate de instrumente de măsurat sau calculatoare.

Senzorii folosiți în cadrul traductoarelor electro-optice poartă denumirea de detector (detector în infraroșu, fotodetector).[51]

Senzorul este elementul activ al traductorului este folosit pentru transformarea mărimii de intrare într-un semnal electric util, ca circuit pentru adaptarea și conversia semnalelor, dar și pentru prelucrarea și evaluarea informațiilor

Senzorii care folosesc unitățile micromecanice și microelectronice de prelucrare, realizate prin integrare pe scară largă (LSI) sau foarte largă (VLSI), formează un "sistem senzorial " sau" senzor inteligent". [52]

Structura unui senzor inteligent este prezentată in figura 1:

Figura.1 Structuri ale sistemelor senzoriale.[53]

Senzorii se clasifica în mai multe categorii după cum urmează:

Caracteristici ale marimilor masurate:

domeniul de masurare

intervalul de masurare

capacitatea de supraincarcare

timp de recuperare

Caracteristici electrice:

natura semnalului (analogic/numeric)

tensiuni de alimentare

Caracteristici ale factorilor de mediu:

influenta temperaturii

influenta umiditatii

influenta vibratiilor si socurilor

Caracteristici mecanice si constructive.

Caracteristici funtionale

Dimensiuni

greutate

Caracteristici in regim static:

caracteristica static histerezis

repetabiltate

rezolutie

prag de sensibilitate

Caracteristici in regim dinanic:

timp de raspuns

frecventa de rezonanta

caracteristica de frecventa

Caracteristica de flexibitate si siguranta in functionare

Timp de functionare

Grad de protectie electrica

Protectie la regin de clima.[54]

dupa necesitatea alimentarii:

active

pasivi;

1.Senzori activi: acestia au energie proprie ce poate fi preluata in structura propriu-zisa, nefiind necesara o sursa auxiliara. Sunt denumiti si senzori cu autoreglare.

2.Senzori pasivi: sunt denumiti si senzori de modelare, pentru acesti senzori este necesara o sursa auxiliara de energie (diferita de cea care alimenteaza circuitul) pentru activarea parametrului dependent de marimea masurata. Are ca dezavantaj folosirea unui numar mare de fire, iar avantajul este ca puterea de iesire poate fi modulata pe baza variatiei marimii de intrare.[55]

Senzorul folosit (Senzor de gaz HS 129) este un senzor care determina impuritatiile din aer. Senzorului este de tip activ, furnizand la iesire un semnal proportional cu concentratia impuritatiilor.

Principiul de functionare se bazeaza pe principiul electrochimic, senzorul fiind format dintr-un electrod de platina si aur, astfel formand un mediu intre care fiind dispusa o membrana sensibila la impuritatii formata din dioxid de staniu ().