vysoká škola chemicko-technologická v praze Ústav plynárenství,...
TRANSCRIPT
1
Vysoká škola chemicko-technologická v Praze Ústav plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší
Technická 5, 166 28 Praha 6
Distribuce ozonu a oxidů dusíku v příčném profilu dálniční komunikace
Semestrální projekt Vypracovala: Bc. Vendula Veselá Školitel: Doc. Ing. František Skácel, CSc.
Praha, květen 2008
2
Souhrn Od listopadu roku 2007 do května 2008 byla provedena měření prostorové distribuce
obsahu oxidů dusíku a ozonu na mostě vedoucím přes dálnici D1.
Spolu s měřením hmotnostních koncentrací těchto polutantů byly měřeny meteorologické
podmínky, jmenovitě rychlost a směr větru, teplota, vlhkost a intenzita slunečního záření
v UV oblasti a zaznamenávána hustota dopravy.
Z výsledků naměřených údajů lze pozorovat podobný průběh obsahu oxidu dusnatého
a oxidu dusičitého. Dále lze sledovat, že obsah oxidů dusíku ovlivňuje především směr a
rychlost větru a hustota dopravy. Naproti tomu u ozonu lze sledovat vysokou závislost obsahu
ozonu na teplotě intenzitě slunečního záření. Hmotnostní koncentrace ozonu v zimních
měsících jsou nižší oproti jarním měsícům.
3
Obsah 1. ÚVOD.....................................................................................................................................4 2. TEORETICKÁ ČÁST............................................................................................................5
2.1 Vznik zemské atmosféry ..................................................................................................5 2.2 Chemické složení atmosféry.............................................................................................5 2.3 Fyzikální charakteristiky atmosféry .................................................................................7
2.3.1 Teplota .......................................................................................................................7 2.3.2 Tlak............................................................................................................................7 2.3.3 Sluneční záření ..........................................................................................................8 2.3.4. Tepelná energie.........................................................................................................9
2.4. Znečištění ovzduší a atmosférické polutanty...................................................................9 2.4.1. Exhalace v dopravě...................................................................................................9
2.5. Reakce probíhající v atmosféře .....................................................................................10 2.5.1. Primární fotochemické reakce ................................................................................10 2.5.2 Sekundární fotochemické reakce............................................................................11 2.5.3 Fotochemické reakce ozonu ...................................................................................12
2.6 Meteorologické parametry ovlivňující obsah NO, NO2 a O3 v okolí liniového zdroje znečištění ovzduší.................................................................................................................13
2.6.1 Intenzita slunečního záření ....................................................................................13 2.6.2 Rychlost a směr větru ............................................................................................13 2.6.3 Vlhkost...................................................................................................................13 2.6.4 Teplota ...................................................................................................................14
2.7 Hodnocení znečištění ovzduší ........................................................................................14 3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST ................................................................................................16
3.1. Metody stanovení oxidů dusíku.....................................................................................16 3.2. Měřící technika ..............................................................................................................17
3.2.1. Schéma vzorkovací tratě.........................................................................................17 3.2.1 Měření oxidů dusíku................................................................................................17 3.2.2 Měření ozonu...........................................................................................................18 3.2.3. Přístroje pro měření meteorologických podmínek .................................................19 3.3 Měřící stanoviště.........................................................................................................20
3.4. Metoda pro screening prostorové distribuce oxidů dusíku a ozonu ..............................20 3.5. Zpracování měření.........................................................................................................21
4. Výsledky a diskuze...............................................................................................................22 4.1. Měření prováděné dne 2.10.2007 ..................................................................................22 4.2. Měření prováděné dne 19.2.2008 ..................................................................................24 4.3.Měření prováděné dne 13.5.2008 ...................................................................................27
4.3.1 Dopolední měření ....................................................................................................27 4.3.2 Polední měření.........................................................................................................30
5. ZÁVĚR.................................................................................................................................34 6. POUŽITÁ LITERATURA...................................................................................................35 7. PŘÍLOHY.............................................................................................................................36
4
1. ÚVOD Na znečištění ovzduší, zejména v oblastech s hustou automobilovou dopravou, se
podílí hlavně emise ze spalovacích motorů mobilních zdrojů. Doprava patří mezi největší
přímý a nepřímý zdroj CO, VOC (těkavé organické sloučeniny), ozonu a oxidů dusíku.
Zvýšené hladiny těchto polutantů spolu s nepříznivými meteorologickými
podmínkami působí negativně na zdraví lidí i zvířat, vegetaci, zemskou atmosféru (smog,
skleníkové plyny, globální oteplování Země). Z těchto důvodů podléhají zmíněné znečisťující
látky neustálému výzkumu, přísné kontrole a regulačním opatřením.
Cílem semestrálního projektu je provést studium distribuce oxidů dusíku a ozonu
v závislosti na hustotě dopravy a meteorologických podmínkách v příčném profilu dálnice.
5
2. TEORETICKÁ ČÁST Zemská atmosféra je vrstva plynů obklopujících planetu Zemi, udržovaných na místě její
gravitací. Atmosféra chrání pozemský život před nebezpečnou sluneční radiací a snižuje
teplotní rozdíly mezi dnem a nocí.1
2.1 Vznik zemské atmosféry
Prvotní atmosféra se vytvářela před zhruba 4 miliardami let v období proterozoika,
kdy se Země po svém vzniku ze shluku plynných a prachových částic zahřála a přetavila. Tato
atmosféra byla složena z lehkých prvků (H2 a He) unikajících do kosmického prostoru.
Během chladnutí Země vznikala z plynů uvolňovaných z horkého povrchu a vulkánů
(CO2, CH4, další uhlovodíky, NH3, malé množství N2 a značné množství vodní páry)
sekundární atmosféra. Po kondenzaci části vodní páry se vytvořily prvotní řeky a oceány.
S jejich vznikem začal klesat obsah CO2, který se z atmosféry vymýval a začal tvořit
uhličitanové sedimenty. S klesajícím obsahem CO2 se zmenšoval skleníkový efekt, který
patrně dosáhl maxima po 800 milionech let od vzniku Země (viz Obrázek 1), kdy teplota na
povrchu činila 44ºC a tlak 1,4 atm.2
Obrázek 1 Vývoj složení atmosféry Země z doby vzniku před 4,5 miliardami let2
2.2 Chemické složení atmosféry Atmosféra je plynný obal Země (z řeckého atmos = pára, sfaira = obal, koule).
V dnešním pojetí je ovzduší směsí plynů charakterizovanou svým složením a
rozprostraněností v prostoru (vrstevnatostí).3 Atmosféra je tvořena látkami, jejichž
koncentrace zůstávají neměnné po mnoho tisíciletí a látkami, jejichž koncentrace se mohou
6
měnit denně, sezónně, nebo v časovém intervalu sledovaném člověkem. Skládá se z plynů,
jejichž zastoupení se liší od stopových množství až po dusík, který zaujímá přibližně 78% její
hmoty a objemu.4
Na složení atmosféry má vliv celá řada dějů, např. sopečná činnost, vymývání oxidu
uhličitého z atmosféry, či působení zelených (fotosyntetizujících) rostlin. Fotosyntetizující
rostliny rozkládají ve svých tkáních oxid uhličitý na uhlík, který potřebují na stavbu svých
tkání a kyslík uvolňují do atmosféry. V důsledku těchto a mnohých jiných procesů má dnešní
zemská atmosféra následující chemické složení viz Tabulka 1.
Tabulka 1 Objemové a hmotnostní složení suchého vzduchu1
Složení suchého vzduchu
Látka ϕi (obj. %) wi (hmotn. %)
N2 78,084 75,51
O2 20,946 23,16
Ar 0,934 1,28
CO2 0,330 0,050
Ne 0,001 818 0,001 212
He 0,000 524 0,000 072
CH4 0,000 2 0,000 1
Kr 0,000 114 0,000 3
N2O 0,000 05 0,000 05
H2 0,000 05 0,000 001
Xe 0,000 008 7 0,000 04
Uvedené plyny jsou až na výjimky (CO2, CH4, H2) relativně stálé a jejich koncentrace se
nemění. Mimo to atmosféra obsahuje proměnlivé množství vodní páry, různých jiných plynů
(CO, SO2, N2O, NO, NO2, NH3, O3) a pevné a kapalné aerosoly (prach, kapičky, pyl,
mikroorganismy).3
7
2.3 Fyzikální charakteristiky atmosféry Fyzikální jevy a veličiny jako je teplota, tepelná bilance atmosféry a zemského
povrchu, tlakové poměry v atmosféře, s tím související hustota, dále pohyby atmosféry,
sluneční záření a vlhkost atmosféry ovlivňují průběh chemických reakcí v atmosféře.2
2.3.1 Teplota K podstatným teplotním změnám dochází v troposféře. Troposféra je část zemské
atmosféry nejblíže k povrchu Země. V závislosti na zeměpisné šířce a ročním období
dosahuje výšky mezi 8 a 17 km.2 Teplota se vyznačuje silnou závislostí na nadmořské výšce.
S rostoucí výškou klesá teplota vzduchu. Průběh teploty v závislosti na nadmořské výšce
ukazuje obrázek 2. Z obrázku 2 lze dále vyčíst rozdělení zemské atmosféry dle nadmořské
výšky.
Obrázek 2 Členění zemské atmosféry podle teploty v závislosti na nadmořské výšce5
2.3.2 Tlak S rostoucí nadmořskou výškou klesá přibližně exponenciálně hustota vzduchu a tedy i
atmosférický tlak.2 Průběh výškové závislosti tlaku vzduchu na nadmořské výšce je znázorněn
na obrázku 3.
8
Obrázek 3 Závislost tlaku vzduchu na nadmořské výšce6
2.3.3 Sluneční záření
Slunce se dá přirovnat k černému tělesu (ideální absorber a emitor záření všech
vlnových délek) o teplotě 6000 K. Ozařuje atmosféru a zemský povrch obrovským
množstvím elektromagnetické energie. Celkové množství energie vyzařované Sluncem a
následně pohlcené Zemí a její atmosférou je konstantní (asi 2 miliardtiny celkového zářivého
toku Slunce) a činí ve směru kolmém k zemskému povrchu na vstupu do atmosféry přibližně
1400 W/m2/s. Z tohoto množství se více než 99% přijímaného toku energie pohybuje ve
spektrálním rozmezí 150 až 4000 nm, z čehož je asi 50% ve viditelné oblasti spektra VIS
(400 až 700 nm). Dopadající záření je při průchodu atmosférou absorbováno různými
molekulami, především O2, O3, CO2 a vodní parou. Ultrafialové záření o vlnových délkách
menších než 180 nm je ve výškách větších než 100 km nad zemským povrchem silně
pohlcováno molekulami kyslíku O2, zatímco ozon ve výšce menší než 60 km absorbuje
nejvíce UV záření o vlnových délkách 200 nm až 300 nm. Atmosférická absorpce probíhající
ve výškách větších než 40 km má však za následek jen asi 5% zeslabení přicházejícího záření.
Za podmínek „čisté oblohy“ je potom dalších 10 až 15% pohlceno nižšími vrstvami atmosféry
nebo je rozptýleno zpět do vesmíru a zbylých 80 až 85% dopadá na zemský povrch. Za
obvyklé oblačnosti dosáhne zemského povrchu přibližně 50% příslušného záření. Mraky a
ostatní aerosoly rovněž odrážejí nebo pohlcují dopadající sluneční záření. Tento odraz nebo
rozptyl atmosférickými aerosoly a zemskou plochou se nazývá odrazivost nebo albedo.
Celková odrazivost zemského povrchu a atmosféry se pohybuje od 30 do 39%.Vazby
v molekulách vodní páry, O3 a CO2 absorbují dopadající sluneční záření.4
9
2.3.4. Tepelná energie Část slunečního záření dopadajícího na zemský povrch a do atmosféry je vyzařováno
zpět ve větších vlnových délkách. Emisní spektrum leží v infračervené oblasti v rozmezí
vlnových délek 3000 nm až 11000 nm. Atmosféra je z velké části nepropustná pro záření o
vlnových délkách < 7000 nm a > 14000 nm, což zapříčiní akumulaci tepelné energie a dojde
k jevu zvanému „skleníkový efekt“.4
2.4. Znečištění ovzduší a atmosférické polutanty Atmosféra je směs plynů o daném složení. Pokud dojde ke změně jejího složení
přídavkem jiných částic, plynů nebo forem energie, stává se znečištěnou. Důsledkem
kontaminace ovzduší jsou změny v klimatu.
Znečištění ovzduší je způsobováno přírodními procesy a lidskou činností. Mezi zdroje
znečištění ovzduší řadíme sopečnou činnost, lesní požáry, půdní eroze a zvětrávání minerálů,
rostlinné a živočišné rozkladné procesy, emise plynných sloučenin z povrchů půd a oceánů,
těkavé uhlovodíky uvolňované vegetací, ozon a oxidy dusíku z elektrických bouří,
stratosférický ozon a fotochemické procesy. Při posuzování kvality ovzduší mohou přírodní
polutanty způsobovat vážný problém v případě, že vznikají v blízkosti lidských sídel. Naproti
tomu znečištění ovzduší způsobené lidskou činností zůstává nadále problémem společnosti a
to z toho důvodu, že ke zvýšení koncentrací těchto polutantů dochází především v hustě
osídlených oblastech.
Z důvodu nepříznivého dopadu na atmosféru, lidské zdraví a v neposlední řadě i
vegetaci podléhají znečišťují polutanty neustálému vědeckému zkoumání a dávají vznik
novým regulačním opatřením.4
2.4.1. Exhalace v dopravě
Při posuzování znečištění ovzduší se zaměříme především na automobilovou dopravu,
která hraje dominantní roli při znečištění ovzduší dopravou. Důvodem je převaha
automobilové dopravy v celkovém objemu dopravy a skutečnost, že automobilové motory
jsou největším znečišťovatelem v porovnání s ostatními pohony v dopravě.
Emise škodlivin produkované automobily se liší podle toho zda se jedná o zážehový
nebo vznětový motor.
Zážehové motory pracují na principu nasátí směsi paliva a vzduchu do pracovního
válce, kde dojde k jejímu stlačení a zapálení elektrickou jiskrou. Spalování směsi není
dokonalé a proto je nutné použít přebytek vzduchu. Důsledkem přebytku vzduchu dochází ke
vzniku produktů oxidačních reakcí, hlavně oxidů dusíku.
10
U vznětových motorů dojde k zapálení paliva jeho vstřikováním do stlačeného
vzduchu v prostoru válce. Kompresí je vzduch ohřátý nad mez zápalnost paliva. Vznětové
motory pracují s větším přebytkem vzduchu než zážehové, proto dochází k dokonalejšímu
spálení směsi a tím k lepším emisím škodlivin. Avšak vysoká teplota s velkým přebytkem
vzduchu znamenají zvýšenou tvorbu oxidů dusíku.4
2.5. Reakce probíhající v atmosféře
2.5.1. Primární fotochemické reakce Fotochemické reakce mají v chemii ovzduší zásadní a mimořádný význam. Jedná se o
reakce, které probíhají při vlnových délkách 280 – 750 nm. Základním předpokladem pro
jejich průběh je absorpce světelného kvanta.2
Jako fotochemické reakce se označují reakce, které vyvolává nebo urychluje světelné
záření. Pokud se reakce zúčastní atomy látky B, přejdou po pohlcení fotonů do stavu s vyšší
energií. Tento primární děj lze vyjádřit následující rovnicí:
B + hν (foton) → B* ( 1 )
Osud částice B* ve stavu o vyšší energii může být různý. Částice B* se v následném
sekundárním procesu může své nadbytečné energie zbavit:
- chemickou reakcí s jinou částicí - dochází k fotochemické reakci;
- vyzářením energie (např. fluorescencí);
- rozptýlenými srážkami s jinými atomy nebo molekulami.7
2.5.1.1 Fotolýza molekulového kyslíku
Výsledkem fotochemických reakcí molekulového kyslíku je vznik ozonu ve vyšších vrstvách
atmosféry. Množství vznikajícího ozonu závisí na nadmořské výšce a intenzitě slunečního
záření. Maximální hmotnostní koncentrace ozonu se pozoruje ve výškách (25 – 35) km
O2 + hν (λ = 240 nm) → Ο2∗ ( 2 )
Ο2∗ + Ο2 → Ο3 + Ο• ( 3 )
O2 + Ο• → Ο3 ( 4 )
Sumárně:
3 O2 + hν → 2 O3 ( 5 )
Důsledkem exotermických reakcí vzniku a zániku ozonu, které jsou charakterizovány
uvolňováním tepla, dochází k nárůstu teploty s výškou ve stratosféře. Další významné
fotochemické reakce, jejichž produkty mají zásadní význam pro atmosférickou oxidaci, jsou
uvedeny v následujících odstavcích.2
11
2.5.1.2 Fotolýza NO2
Převážná část oxidu dusičitého vzniká přímo ve znečištěné atmosféře oxidací NO. Podstatně
menší množství se do ovzduší dostává z anthropogenních zdrojů. Pro fotolýzu NO2 je
energeticky výhodné rozmezí vlnových délek λ 398,244∈ .7
NO2 + hν (λ < 400 nm) → NO + O(3P) ( 6 )
2.5.1.3 Fotolýza ozonu
Fotolýzou ozonu při vlnových délkách λ > 360 nm vznikají atomy kyslíku v základním
spektroskopickém stavu O(3P), kdežto při vlnových délkách λ < 325 nm vznikají atomy
kyslíku v excitovaném spektroskopickém stavu O(1D).8
O3 + hν (λ > 360 nm) → O2 + O(3P) ( 7 )
Následuje poměrně rychlá reakce :
O3 + O(3P) → 2 O2 ( 8 )
Primárními produkty fotolýzy jsou atomy v excitovaném spektroskopickém stavu O(1D). Více
než 90 % molekul ozonu při vlnových délkách λ = 266 nm reaguje tímto způsobem7:
O3 + hν (λ < 325 nm) → O2 + O(1D) ( 9 )
Atomy kyslíku v excitovaném stavu O(1D) poskytují interakcí s molekulou vody dva radikály
• OH, srážkou s inertní molekulou N2 ztrácejí svou energii a přechází zpět do základního
spektroskopického stavu O(3P):
O(1D) + H2O → 2 • OH ( 10 )
O(1D) + N2 → O(3P) + N2 ( 11 )
2.5.2 Sekundární fotochemické reakce Produkty primárních reakcí (O3, • OH, HO2 • , NO3 • ) mají zásadní význam pro
atmosférickou oxidaci a často se nazývají fotooxidanty. V nepřítomnosti fotooxidantů by
oxidační pochody probíhaly velmi pomalu.
2.5.2.1 Reakce NO2
Oxid dusičitý vzniká ve znečištěné atmosféře přímo oxidací oxidu dusnatého. Rychlost
oxidace vzdušným kyslíkem je za rovnovážných podmínek závislá na koncentraci právě
tohoto oxidu. Koncentrace oxidu dusnatého v hustě zalidněné aglomeraci dosahuje maxima v
době dopravní špičky.
2 NO + O2 → 2 NO2 ( 12 )
Odstraňování oxidu dusnatého z atmosféry probíhá jeho oxidací na oxid dusičitý, který se
hydratuje až na kyselinu dusičnou.
12
NO + HO2 • → NO2 + • OH ( 13 )
NO2 + • OH → HNO3 ( 14 )
Reakce (14) je podstatně rychlejší (asi 10 krát) než reakce oxidu sírového s vodní parou, a
proto se při zániku • OH uplatní přednostně.7
2.5.3 Fotochemické reakce ozonu
2.5.3.1. Vznik ozonu Množství vznikajícího ozonu závisí na nadmořské výšce a intenzitě slunečního záření a jeho
koncentrace roste se zvyšující se teplotou. Chemické reakce vzniku ozonu mají za následek
roční chod ozonu s nejvyššími koncentracemi na jaře a v létě. Nejnižší koncentrace jsou
pozorovány v zimě.7
Fotolýza molekulového kyslíku
Koncentrace ozonu během dne vzrůstá v důsledku promíchávání spodních vrstev vzduchu
s vrstvami ležícími výše, ve kterých jsou vyšší koncentrace ozonu. A v důsledku vzniku
ozonu fotochemickými reakcemi.7
O2 + hν (λ = 240 nm) → Ο2∗ ( 18 )
Ο2∗ + Ο2 → Ο3 + Ο• ( 19 )
Reakce atomárního kyslíku s molekulovým
V přítomnosti katalyzátoru (symbolické označení M) mohou vzniklé atomy kyslíku reagovat s
molekulami kyslíku a vytvářet ozon.7
O2 + O• + (M) → O3 + (M) ( 20 )
2.5.3.2. Zánik ozonu
.Fotolýza ozonu
Na rozdíl od fotolýzy O2 probíhá fotolýza O3 i působením viditelného a blízkého
infračerveného záření. V troposféře a v oblasti statosféry do výšky 30 km, kam už neproniká
intenzivnější ultrafialové záření, převažuje rozpad ozonu nad jeho vznikem.7
O3 + hν (λ > 360 nm) → O2 + O(3P) ( 21 )
O3 + hν (λ < 325 nm) → O2 + O(1D) ( 22 )
Reakce O3 s atomárním kyslíkem
Tato reakce je poměrně rychlá a následuje po fotolýze ozonu.2
O3 + O(3P) → 2 O2 ( 23 )
13
2.6 Meteorologické parametry ovlivňující obsah NO, NO2 a O3 v okolí liniového zdroje znečištění ovzduší Obsah oxidů dusíku a ozonu v ovzduší je ovlivňován následujícími meteorologickými
parametry:
a) intenzitou slunečního záření;
b) rychlostí a směrem větru;
c) vlhkostí v měřeném prostředí;
d) teplotou v měřeném prostředí;
2.6.1 Intenzita slunečního záření Sluneční záření je jedním z primárních faktorů napomáhajících vzniku přízemního ozonu.
Studiemi se dokázala přímá závislost mezi intenzitou slunečního záření a množstvím
měřeného ozonu. Vzájemný vztah mezi hladinou ozonu a slunečním zářením během dne
vykazuje pozitivní korelaci (R2 = 0,824), hmotnostní koncentrace ozonu tedy vzrůstá se
vzrůstající intenzitou záření. Hmotnostní koncentrace ozonu rovnoměrně roste, a to na úkor
klesající hmotnostní koncentrace NO2 v ovzduší. Maximum hmotnostní koncentrace NO2 se
v ovzduší vyskytuje před dosažením maxima hmotnostní koncentrace ozonu, protože nejdříve
oxidací NO vzniká oxid dusičitý a teprve pak se z NO2 vytváří ozon.7
2.6.2 Rychlost a směr větru Rychlost a směr větru ovlivňují především rozptyl jednotlivých znečišťujících látek
v ovzduší. Roste-li rychlost větru v noci, postačuje to k tomu, aby se zvýšila hladina ozonu
v následujícím dnu. Hmotnostní koncentrace znečišťujících látek pocházejících z dopravy
(CO, NO2, SO2, PM10) jsou nejvyšší při nízkých rychlostech větru.7
2.6.3 Vlhkost Vzduch obsahuje stálé určité množství vodní páry, jejíž obsah se mění s teplotou a
atmosférickým tlakem. Výzkumy se dokázal vzájemný vztah s pozitivním korelačním
koeficientem mezi vysokou teplotou a současně vysokým obsahem vodní páry v ovzduší a
vzrůstající hmotnostní koncentrací ozonu, za předpokladu, že se jedná o stabilní podmínky.
Nejvyšší průměrné hmotnostní koncentrace ozonu a oxidu dusičitého se vyskytují při relativní
vlhkosti ovzduší v období letních měsíců 40 % a méně. Tyto výsledky mohou být však
přisuzovány také zvýšené oxidaci uhlovodíků, probíhající v odpoledních hodinách, kdy je
podporována produkce ozonu. Hmotnostní koncentrace NO2 je mírně vyšší při nižších
14
hodnotách relativní vlhkosti, protože méně k reakcím NO2 s hydroxylovými radikály dochází
v menším rozsahu.
Nejvyšší hmotnostní koncentrace ostatních prekursorů ozonu se vyskytují při vlhkosti ovzduší
v období letních měsíců nad 80 %. Korelační koeficient mezi hmotnostní koncentrací
znečišťujících látek v ovzduší a relativní vlhkostí však není příliš velký (R2 ≈ 0,25).7
2.6.4 Teplota Změna teploty nemá podstatný vliv na změnu hmotnostních koncentrací jednotlivých
znečišťujících látek. Na druhou stranu byl doložen výrazně kladný korelační koeficient mezi
teplotou ovzduší a hmotnostní koncentrací oxidu dusičitého, a to především v červenci a
v prosinci. Závislost hmotnostní koncentrace ozonu na teplotě je přímá, se vzrůstající teplotou
hmotnostní koncentrace ozonu vzrůstá. Nejvyšší hmotnostní koncentrace ozonu jsou
měřitelné především v jarních a letních měsících, nejnižší pak v zimních měsících.
Důsledkem srážek (vymývání znečišťujících látek z ovzduší) nízké intenzity slunečního
záření je absence fotochemické produkce ozonu právě v již zmiňovaných zimních měsících,
která je charakterizována záporným korelačním koeficientem ve vztahu mezi teplotou a
hmotnostní koncentrací ozonu.7
2.7 Hodnocení znečištění ovzduší V roce 2002 vstoupil v platnost zákon o ochraně ovzduší č. 86/2002 Sb. a nařízení
vlády 597/2006 Sb., ze dne 12. prosince 2006 o sledování a vyhodnocování kvality ovzduší
V tabulkách 2 a 3 jsou uvedeny limitní hodnoty a meze tolerance z nařízení vlády o
imisních limitech pro oxidy dusíku v letech 2002 až 2006.
Tabulka 2 Limitní hodnoty oxidů dusíku a ozonu v letech 2002 – 2006 pro ochranu ekosystémů9 Znečišťující látka Časový interval Limitní hodnota
NOx kalendářní rok 30 μg·m-3
O3 AOT40, vypočten z hodinových hodnot
v období květen-červenec, průměr za 5 let 18 000 μg·m-3.h
15
Tabulka 3 Limitní hodnoty oxidů dusíku v letech 2001 – 2006 pro ochranu zdraví9
Doba
průměrování
Limitní
hodnota
[μg·m-3]
Maximální
tolerovaný
počet
překročení
za
kalendářní
rok
Mez tolerance
[μg·m-3]
Zneči
šťuj
ící l
átka
pro
rok
2002
pro
rok
2003
pro
rok
2004
pro
rok
2005
pro
rok
2006
kalendářní
rok
40 0 16 14 12 10 8
NO2
1 hodina 200 18 80 70 60 50 40
O3
maximální
denní 8hod.
klouzavý
průměr
120 25,
v průměru
za 3 roky
bez meze tolerance
16
3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST
3.1. Metody stanovení oxidů dusíku Oxidy dusíku s výjimkou azoxidu patří do skupiny velmi reaktivních látek, jejichž
chemické a molekulové vlastnosti tvoří základ pro širokou škálu různých analytických reakcí
pro manuální stanovení a fyzikálně-chemických jevů pro instrumentální stanovení. Jejich
limitní hmotnostní koncentrace se pohybují v řádu stovek mikrogramů na metr krychlový
podle typu procesu.4
3.1.1 Manuální metody
Mezi základní metody měření v síti manuálních stanic patří tyto tři ekvivalentní
metody: FUCEL – elektrochemický palivový článek, GUAJA – guajakolová (modifikovaná
Jakobs–Hochheisenova) spektrofotometrie a TLAM – triethanolaminová spektrofotometrie.7
Nejčastěji používanou metodou pro stanovení oxidů dusíku je guajakolová
spektrofotometrie, která využívá jejich převedení na NO2 nebo dusičnany ve vhodném
absorpčním roztoku – guajakolu.
Pro stanovení obsahu NO2 v plynných směsích se využívá metody založené na Griess
– Salzmanově reakci. Oxid dusičitý se absorbuje ve vodném roztoku, dojde ke vzniku
azobarviva, jehož červené zbarvení vykazuje maximální absorbanci při 550 nm. Jako
absorpční a komplexotvorné činidlo se uplatňuje vodný roztok směsi kyseliny sulfanilové (p-
NH2.C6H4SO3H.H2O), N-(1-naftyl)-etylendiamindihydrochloridu a kyseliny octové. Oxid
dusnatý s tímto činidlem nereaguje.
Provedení analýzy závisí na předpokládaném obsahu analytu v plynném vzorku. Pro
obsahy vyjádřené objemovým zlomkem 5.10-9 až 5.10-6 se používá impingerů zařazených ve
vzorkovací trati za filtrem zachycujícím tuhé částice aerosolu a rotametrem pro kontrolu
objemového průtoku a případných netěsností.
Při vyšším obsahu NO2 ve vzorkovaném plynu lze použít pro vzorkování a absorpci
evakuované láhve o objemu asi 250 ml naplněné 10 ml absorpčního roztoku a opatřené
trojcestným kohoutem.
Složky, které působí jako redukční nebo oxidační činidla, mohou rušit stanovení.
Příkladem takovýchto složek je oxid siřičitý nebo ozon. Pokud jsou tyto složky v analyzované
směsi přítomny, musí se fotometrické měření absorbanci provést co nejdříve po vzorkování.
Méně často se ke stanovení obsahu oxidů dusíku využívá metody elektrochemického
palivového článku. Jako detektoru se používá selektivní mikropalivová cela.10
17
3.1.2 Instrumentální (on-line) metody
Nejběžnější metodou měření v automatizovaných monitorovacích stanicích je
referenční metoda chemiluminiscence, založená na měření vyzářeného infračerveného záření.
Základ tvoří reakce oxidu dusnatého s ozonem:
NO + O3 → NO2* + O2
Při reakci, která probíhá v reakční cele analyzátoru, dochází k excitaci molekul dusíku
ozonem. Vznikne excitovaný stav NO2* . Při přechodu molekul z excitovaného stavu do
základního energetického stavu dojde k uvolnění energie emisí luminiscenčního záření, jehož
široký emisní pás vykazuje maximální hustotu zářivého toku v okolí vlnové délky 1200 nm:
NO2* → NO2 + hν
Oxid dusičitý se stanovuje nepřímo po redukci na oxid dusnatý.10
3.2. Měřící technika
3.2.1. Schéma vzorkovací tratě Schéma vzorkovací tratě je uvedeno na obrázku 4.7
most
APOA - 360
APNA - 360čerpadlo
Ultrazvukový anemometr
UVAB Sensor E.11 Pyranometr CM3
Hygro - ThermoTransmitter - compact
data - logger
zatravn ěná plocha
T-kus
systémvýrobyelekt řiny
Obrázek 4 Schéma vzorkovací tratě
3.2.1 Měření oxidů dusíku Obsah oxidu dusičitého a oxidu dusnatého byl měřen přístrojem APNA - 360
(Horiba, Japonsko), fungujícím na chemiluminiscenčním principu. Mez stanovitelnosti
tohoto přístroje je uvedena objemovým zlomkem 0,5.10-9 oxidů dusíku v ovzduší. Přístroj je
vybaven interferenčním filtrem. Výrobce proto uvádí jen malé interference, a to způsobené
přílišnou vlhkostí vzorku a amoniakem. Pracovní teplota přístroje je udána teplotním
18
intervalem 5 °C až 40 °C. Z důvodu velké tlakové závislosti intenzity chemiluminiscenčního
záření je přístroj vybaven soustavou kritických dýz, senzorů a regulátorů tlaku. Nastavení
měřicího rozsahu se provádí periodicky AIC systémem, a to reakcí oxidu dusnatého
s ozonem, možná je i manuální kalibrace. Zjednodušený popis funkce přístroje APNA - 360
(Horiba, Japonsko) je uveden na Obr.5.7
Obrázek 5: Zjednodušené schéma analyzátoru APNA – 360 1 - silikagelový sušič, 2 - generátor ozonu, 3 - konvertor, 4 - elektromagnetický ventil,
5 - permeační sušič, 6 - reakční cela s detektorem, 7 – deozonizátor
3.2.2 Měření ozonu Obsah ozonu byl měřen přístrojem APOA - 360 (Horiba, Japonsko), pracujícím na
principu spektrometrického stanovení - měřením absorpce elektromagnetického záření v UV
oblasti spektra. Mez stanovitelnosti je uvedena objemovým zlomkem 0,5.10-9 ozonu v
ovzduší. Pracovní teplota přístroje se pohybuje v rozmezí 5 °C až 40 °C. Součástí přístroje je
interferenční filtr. Dle výrobce vykazuje slabé interference pouze vodní pára a toluen. Z
důvodu tlakové závislosti odezvy fotonásobiče je systém vybaven tlakovými senzory,
regulátory tlaku a kritickými dýzami. Nastavení měřicího rozsahu se provádí periodicky AIC
systémem s vlastní generací ozonu nebo manuálně. Zjednodušený nákres funkce přístroje
APOA- 360 (Horiba, Japonsko) je na Obr. 6.7
19
Obrázek 6: Zjednodušené schéma analyzátoru APOA – 360 1 - elektromagnetický ventil, 2 - deozonizátor, 3 - detektor, 4 - generátor ozonu
3.2.3. Přístroje pro měření meteorologických podmínek
3.2.3.1 Intenzita ultrafialového a viditelného záření
Intenzita ultrafialového záření (UV) byla měřena přístrojem UVAB Sensor E 1.1
(Thies clima, Německo). UV – A záření je záření s intenzitou v rozmezí 320 nm až 400 nm,
UV – B záření s intenzitou v rozmezí 290 nm až 320 nm. Křemenná kopule snímající záření
je propustná pro oba dva typy UV záření a její tvar je korigován kosinovou chybu. Spektrální
citlivost přístroje je pro UV – A , UV – B záření odlišná. Výrobce pro intenzitu UV –
A záření uvádí rozsah 310 nm až 400 nm, pro UV – B záření 265 nm až 315 nm. Pracovní
teplota přístroje je uváděna -30 °C až 60 °C.7
3.2.3.2 Rychlost a směr větru
Rychlost a směr větru byly měřeny ultrazvukovým anemometrem 2D (Thies clima,
Německo). Ten se skládá ze čtyř ultrasonických vysílačů (přijímačů), vždy dva jsou umístěny
proti sobě ve vzdálenosti 200 mm. Složky rychlosti větru ve směru šíření zvuku podporují
rychlost šíření zvuku a vedou ke zvýšení rychlosti zvuku vysílaného anemometrem. Složky
v opačném směru než je směr šíření zvuku naopak vedou ke snížení rychlosti propagace
ultrazvukového signálu. To vede k rozdílným rychlostem šíření ultrazvukového signálu při
různých rychlostech větru. Rychlost větru je velice závislá na teplotě vzduchu, mírně na tlaku
a skoro nezávislá na vlhkosti vzduchu.7
20
3.2.3.3 Vlhkost a teplota
Vlhkost a teplota byly měřeny přístrojem Hygro – Thermo Transmitter – compact
(Thies clima, Německo). Výrobce udává měřicí rozsah -40 °C až 80 °C pro teplotu vzduchu
a pro relativní vlhkost (0 – 100) %. K ochraně senzoru před vlivem záření a
meteorologickými podmínkami byl použit Weather and thermal radiation shield (Thies
clima, Německo).7
3.3 Měřící stanoviště Měřící stanoviště se nachází na mostě vedoucí přes dálnici D1 na 42. kilometru
směrem na Brno .Místo se nachází v neosídlené oblasti.
Měření proběhla od října roku 2007 do května roku 2008, aby bylo možné postihnout
různé meteorologické podmínky. Data jednotlivých měřících dnů jsou uvedena v tabulce viz
Tabulka 4.
Tabulka 4 Intervaly jednotlivých měření
Datum měření Měřící interval v jednom bodě Celková doba měření 2.10. - 3.10. 2007 15 minut 19:51 – 00:06
19.2. - 20.2.2008 15 minut 20:24 – 00:39
13.5. 2008 15 minut 07:27 – 11:42
13.5. 2008 15 minut 11:27 – 15:42
Pro posouzení distribuce sledovaných analytů bylo na každém mostě zvoleno 7
měřících stanovišť se dvěma, případně třemi měřícími polohami. Měření probíhalo
spouštěním odběrové sondy upevněné na laně, zaznamenáváním chemických a
meteorologických údajů a počítáním projíždějících vozidel. Přístroje pro měření oxidů dusíku
a ozonu byly umístěny uprostřed mostu, přístroje pro měření meteorologických podmínek na
kraji mostu na meteorologickém stožáru.
Vozidla, rozdělená do 4 skupin, byla počítána v každém bodě měření 2 minuty.
3.4. Metoda pro screening prostorové distribuce oxidů dusíku a ozonu Byla provedena 4 měření. První měření proběhlo na podzim roku 2007, druhé měření
v zimě roku 2008. Jednalo se o noční měření. Třetí a čtvrté měření proběhlo na jaře ve
stejném dni, první z nich v dopoledních hodinách a druhé v poledních hodinách.
Pro měření bylo zvoleno stanoviště na 42. kilometru dálnice D1 ve směru na Brno.
Dálnice D1 je nejfrekventovanější silnicí v ČR, jedná se tedy o místo s vysokou intenzitou
dopravy. Je důležité, aby se stanoviště nacházelo v místě, kde jsou zabezpečeny co
21
nejstabilnější podmínky pro odběr vzorků a převládající směr proudění větru byl souběžný
s liniovým zdrojem emisí.
Princip metody spočívá v opakovaném proměření koncentrací sledovaných látek ve
stanovených bodech viz obr. 7, spolu se souběžným zjišťováním počtu projíždějících
motorových vozidel a měřením meteorologických podmínek.
Obrázek 7: Nákres mostu na 42. kilometru D1
3.5. Zpracování měření Naměřená data byla zpracována pomocí programu Microsoft Excel a bokorysy mostů
v programu Autocad.
22
4. Výsledky a diskuze Cílem práce bylo určit obsah oxidů dusíku a ozonu ve velmi zatížené dálniční oblasti
v příčném profilu na poloze sondy, intenzitě dopravy a meteorologických podmínkách.
Pro každý den měření jsou uvedeny časové závislosti obsahu sledovaných analytů a
meteorologických podmínek. V příloze jsou uvedeny závislosti hmotnostních koncentrací
sledovaných analytů na intenzitě dopravy a poloze sondy, ve formě tabulek i grafů.
4.1. Měření prováděné dne 2.10.2007 Přístroje pro měření obsahu oxidů dusíku a ozonu byly nastaveny tak, aby poskytovaly
tříminutové průměrné koncentrace jednotlivých měření prováděných v pětisekundových
intervalech.Interval měření hmotnostních koncentrací jednotlivých analytů v jednom bodě
trval 15 minut.
Jednalo se o noční měření, proto koncentrace ozonu nebyly měřeny.
-100.00
0.00
100.00
200.00
300.00
400.00
500.00
19:51 20:06 20:21 20:36 20:51 21:06 21:21 21:36 21:51 22:06 22:21 22:36 22:51 23:06 23:21 23:36 23:51
čas [h]
hmot
nost
ní k
once
ntra
ce N
O x [ μ
g.m
-3]
NO NO2
Obrázek 8: Časová závislost hmotnostní koncentrace oxidů dusíku. Měření 2.10.2007
23
82
83
84
85
86
87
88
89
90
19:51 20:19 20:48 21:17 21:46 22:15 22:43 23:12 23:41
čas [h]
rela
tivní
vlh
kost
[%]
relativní vlhkost
Obrázek 9: Průměrná relativní vlhkost. Měření 2.10.2007 Tabulka 5: Rychlost a směr větru. Měření 2.10.2007
poloha časový interval směr větru [desítky stupňů] rychlost větru [m.s-1]
1.A 19:51 20:06 341.4 0.02 1.B 20:06 20:21 102.20 0.08 2.A 20:21 20:36 213.40 0.00 2.B 20:36 20:51 36.40 0.02 2.C 20:51 21:06 273.00 0.02 3.A 21:06 21:21 212.00 0.02 3.B 21:21 21:36 210.4 0.02 4.A 21:36 21:51 284.8 0.02 4.B 21:51 22:06 141.8 0.02 4.C 22:06 22:21 281.60 0.06 5.A 22:21 22:36 212.80 0 5.B 22:36 22:51 285.80 0.00 6.A 22:51 23:06 142.80 0 6.B 23:06 23:21 0.00 0.00 6.C 23:21 23:36 213.6 0 7.A 23:36 23:51 212.4 0.02 7.B 23:51 0:06 0.2 0
24
0
0.02
0.04
0.06
0.08
19:51 20:19 20:48 21:17 21:46 22:15 22:43 23:12 23:41
čas [h]
rych
lost
vět
ru [m
.s-1
]
Obrázek 10: Rychlost větru v závislosti na čase. Měření 2.10.2007
4.2. Měření prováděné dne 19.2.2008 Přístroje pro měření obsahu oxidů dusíku a ozonu byly nastaveny tak, aby poskytovaly
tříminutové průměrné koncentrace jednotlivých měření prováděných v pětisekundových
intervalech.Interval měření hmotnostních koncentrací jednotlivých analytů v jednom bodě
trval 15 minut.
Jednalo se o noční měření, proto koncentrace ozonu nebyly měřeny.
25
-100.00
0.00
100.00
200.00
300.00
400.00
500.00
600.00
700.00
800.00
900.00
1000.00
1100.00
20:24 20:39 20:54 21:09 21:24 21:39 21:54 22:09 22:24 22:39 22:54 23:09 23:24 23:39 23:54 0:09 0:24
čas [h]
hmot
nost
ní k
once
ntra
ce N
O x [ μ
g.m
-3]
NO NO2
Obrázek 11: Časová závislost hmotnostní koncentrace oxidů dusíku. Měření 19.2.2008
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
20:24 20:52 21:21 21:50 22:19 22:48 23:16 23:45 0:14
čas [h]
rela
tivní
vlh
kost
[%]
-2.2-2.0-1.8-1.6-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.4
tepl
ota
[°C
]
relativní vlhkost teplota
Obrázek 12: Průměrná relativní vlhkost a teplota. Měření 19.2.2008
26
Tabulka 6: Rychlost a směr větru. Měření 19.2.2008
poloha časový interval směr větru [desítky stupňů] rychlost větru [m.s-1]
1.A 20:24 20:39 278 0 1.B 20:39 20:54 84.80 0.06 2.A 20:54 21:09 71.60 0.00 2.B 21:09 21:24 72.20 0 2.C 21:24 21:39 118.40 0.02 3.A 21:39 21:54 10.00 0 3.B 21:54 22:09 139.4 0.02 4.A 22:09 22:24 47.8 0.16 4.B 22:24 22:39 35.8 0.1 4.C 22:39 22:54 34.20 0.04 5.A 22:54 23:09 66.00 0 5.B 23:09 23:24 131.00 0.00 6.A 23:24 23:39 72.40 0 6.B 23:39 23:54 145.20 0.20 6.C 23:54 0:09 140.6 0 7.A 0:09 0:24 303.8 0.08 7.B 0:24 0:39 290.6 0.22
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
0.22
0.24
20:24 20:52 21:21 21:50 22:19 22:48 23:16 23:45 0:14
čas [h]
rych
lost
vět
ru [m
.s-1
]
Obrázek 13: Rychlost větru v závislosti na čase. Měření 19.2.2008
27
4.3.Měření prováděné dne 13.5.2008
4.3.1 Dopolední měření Přístroje pro měření obsahu oxidů dusíku a ozonu byly nastaveny tak, aby poskytovaly
tříminutové průměrné koncentrace jednotlivých měření prováděných v pětisekundových
intervalech.Interval měření hmotnostních koncentrací jednotlivých analytů v jednom bodě
trval 15 minut.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
7:27 7:42 7:57 8:12 8:27 8:42 8:57 9:12 9:27 9:42 9:57 10:12 10:27 10:42 10:57 11:12 11:27
čas [h]
hmot
nost
ní k
once
ntra
ce N
O x [ μ
g.m
-3]
NO NO2
Obrázek 14: Časová závislost hmotnostní koncentrace oxidů dusíku. Měření 13.5.2008
28
10
20
30
40
7:27 7:42 7:57 8:12 8:27 8:42 8:57 9:12 9:27 9:42 9:57 10:12 10:27 10:42 10:57 11:12 11:27
čas [h]
hmot
nost
ní k
once
ntra
ce O
3 [μg
.m-3
]
03
Obrázek 15: Časová závislost hmotnostní koncentrace ozonu. Měření 13.5.2008
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
0.8
7:27 7:55 8:24 8:53 9:22 9:51 10:19 10:48 11:17
čas [h]
rych
lost
vět
ru [m
.s-1
]
Obrázek 16: Rychlost větru v závislosti na čase. Měření 13.5.2008
29
30
40
50
60
70
7:27 7:55 8:24 8:53 9:22 9:51 10:19 10:48 11:17
čas [h]
rela
tivní
vlh
kost
[%]
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
tepl
ota
[°C
]
relativní vlhkost teplota
Obrázek 17: Průměrná relativní vlhkost a teplota. Měření 13.5.2008 Tabulka 7: Rychlost a směr větru. Měření 13.5.2008
poloha časový interval směr větru [desítky stupňů] rychlost větru [m.s-1]
1.A 7:27:00 7:42:00 144.6 0.48 1.B 7:42:00 7:57:00 128 0.3 2.A 7:57:00 8:12:00 85.8 0.32 2.B 8:12:00 8:27:00 104.8 0.24 2.C 8:27:00 8:42:00 118.2 0.16 3.A 8:42:00 8:57:00 8.2 0.38 3.B 8:57:00 9:12:00 48 0.34 4.A 9:12:00 9:27:00 50.4 0.36 4.B 9:27:00 9:42:00 33.8 0.44 4.C 9:42:00 9:57:00 11 0.4 5.A 9:57:00 10:12:00 38 0.48 5.B 10:12:00 10:27:00 25.6 0.4 6.A 10:27:00 10:42:00 87.4 0.4 6.B 10:42:00 10:57:00 47.4 0.4 6.C 10:57:00 11:12:00 89.2 0.6 7.A 11:12:00 11:27:00 103.4 0.74 7.B 11:27:00 11:42:00 190.4 0.78
30
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
7:27 7:55 8:24 8:53 9:22 9:51 10:19 10:48 11:17
čas [h]
UV-
A [W
.m-2
]
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
UV-
B [W
.m-2
]
UV-A UV-B
Obrázek 18: UV-A a UV-B v závislosti na čase. Měření 13.5.2008
4.3.2 Polední měření Přístroje pro měření obsahu oxidů dusíku a ozonu byly nastaveny tak, aby poskytovaly
tříminutové průměrné koncentrace jednotlivých měření prováděných v pětisekundových
intervalech.Interval měření hmotnostních koncentrací jednotlivých analytů v jednom bodě
trval 15 minut.
31
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
11:27 11:42 11:57 12:12 12:27 12:42 12:57 13:12 13:27 13:42 13:57 14:12 14:27 14:42 14:57 15:12 15:27
čas [h]
hmot
nost
ní k
once
ntra
ce N
O x [ μ
g.m
-3]
NO NO2
Obrázek 19: Časová závislost hmotnostní koncentrace oxidů dusíku. Měření 13.5.2008
03
0
10
20
30
40
50
11:27 11:42 11:57 12:12 12:27 12:42 12:57 13:12 13:27 13:42 13:57 14:12 14:27 14:42 14:57 15:12 15:27
čas [h]
hmot
nost
ní k
once
ntra
ce O
3 [μg
.m-3
]
03
Obrázek 20: Časová závislost hmotnostní koncentrace ozonu. Měření 13.5.2008
32
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
11:27 11:55 12:24 12:53 13:22 13:51 14:19 14:48 15:17
čas [h]
rych
lost
vět
ru [m
.s-1
]
Obrázek 21: Rychlost větru v závislosti na čase. Měření 13.5.2008
25
30
35
11:27 11:55 12:24 12:53 13:22 13:51 14:19 14:48 15:17
čas [h]
rela
tivní
vlh
kost
[%]
22
24
26
28
30
tepl
ota
[°C
]
relativní vlhkost teplota
Obrázek 22: Průměrná relativní vlhkost a teplota. Měření 13.5.2008
33
Tabulka 8: Rychlost a směr větru. Měření 13.5.2008
poloha časový interval směr větru [desítky stupňů]
rychlost větru [m.s-
1] 7.B 11:27 11:42 190.4 0.78 7.A 11:42 11:57 117.2 0.46 6.C 11:57 12:12 165.4 0.5 6.B 12:12 12:27 87 0.32 6.A 12:27 12:42 107.6 0.56 5.B 12:42 12:57 107.4 1.06 5.A 12:57 13:12 51.2 0.68 4.C 13:12 13:27 120.2 0.48 4.B 13:27 13:42 125.4 0.96 4.A 13:42 13:57 125.8 1.86 3.B 13:57 14:12 131 1.48 3.A 14:12 14:27 110.8 0.86 2.C 14:27 14:42 112.4 1.08 2.B 14:42 14:57 48 0.84 2.A 14:57 15:12 137.4 1.66 1.B 15:12 15:27 117.6 1 1.A 15:27 15:42 226.6 0.46
150
200
250
300
350
400
450
500
11:27 11:55 12:24 12:53 13:22 13:51 14:19 14:48 15:17
čas [h]
UV-
A [W
.m-2
]
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
UV-
B [W
.m-2
]
UV-A UV-B
Obrázek 23: UV-A a UV-B v závislosti na čase. Měření 13.5.2008
34
5. ZÁVĚR
Cílem mé práce bylo určení obsahu ozonu a oxidů dusíku v příčném profilu dálniční
komunikace v závislosti na intenzitě dopravy a meteorologických podmínkách (rychlosti a
směru větru, intenzitě ultrafialového záření (UV), vlhkosti a teplotě).
Od listopadu roku 2007 do května roku 2008 proběhla měření obsahu oxidů dusíku a
ozonu spolu s meteorologickými parametry, jmenovitě rychlosti a směru větru, teploty,
vlhkosti a intenzity slunečního záření v UV oblasti, na mostě vedoucím přes dálnici D1, 42.
kilometr směrem na Brno. Současně byly zaznamenávány i počty projetých motorových
vozidel.
Byla navržena metoda pro screening prostorové distribuce oxidů dusíku a ozonu. Na
základě prostudované literatury byly popsány meteorologické parametry ovlivňující obsah
oxidů dusíku a ozonu.
Výsledky ukázaly podobný průběh časové závislosti hmotnostní koncentrace oxidu
dusnatého a oxidu dusičitého. Dále bylo zjištěno, že hodnoty hmotnostních koncentrací oxidů
dusíku ovlivňuje především rychlost a směr větru spolu s intenzitou dopravy. Bylo zjištěno,
že závislost hmotnostní koncentrace oxidů dusíku na hustotě dopravy není lineární.
Z naměřených hmotnostních koncentrací ozonu lze pozorovat, že obsah ozonu
v zimních měsících je podstatně nižší než v měsících jarních. To odpovídá skutečnosti, že
obsah ozonu při nízkých teplotách, nízké intenzitě záření a vysokých hodnotách vlhkosti je
nízký.
Novým poznatkem je zjištěná skutečnost, že hmotnostní koncentrace oxidů dusíku
v nočních hodinách mnohonásobně překračuje platné limitní hmotnostní koncentrace této
znečišťující látky.
35
6. POUŽITÁ LITERATURA
1. http://cs.wikipedia.org/wiki/atmosf%C3%A9ra (4. 5. 2008)
2. Víden I.: Chemie ovzduší, vydavatelství VŠCHT Praha (2005)
3. www.czp.cuni.cz/enviwiki/index.php/vzduch (4. 5 . 2008)
4. Nejman E.: Studium distribuce obsahu oxidů dusíku a ozonu v okolí liniových zdrojů
emisí, Diplomová práce VŠCHT (2006)
5. http://slunecnisoustava.wz.cz/Zeme.htm (4. 5. 2008)
6. http://artemis.osu.cz/MMi/meteo1/diplomka/Ramce2_soubory/AAA/tlak1.htm/ (4.5.
2008)
7. Křížová A.: Studium distribuce obsahu oxidů dusíku a ozonu v okolí liniových zdrojů
emisí, Diplomová práce VŠCHT (2005)
8. Bandy A. R.: The chemistry of the atmosphere: The Royal Society of Chemistry, (1997)
9. www.chmi.cz (10.5.2008)
10. Skácel F., Tekáč V.: Analýza ovzduší, VŠCHT Praha,(2002)
36
7. PŘÍLOHY Tabulka 9: Průměrné koncentrace sledovaných polutantů. Měření 2.10.2007
Poloha Od Do NO [ μg.m-3 ] NO2 [ μg.m-3 ] NOx [ μg.m-3 ] VŠCHT VŠCHT VŠCHT
1.A 19:51 20:06 189.21 106.83 396.89 1.B 20:06 20:21 312.62 112.51 591.79 2.A 20:21 20:36 245.62 92.87 469.42 2.B 20:36 20:51 238.46 118.14 483.80 2.C 20:51 21:06 340.99 140.31 663.10 3.A 21:06 21:21 99.91 70.67 223.85 3.B 21:21 21:36 215.30 90.04 420.11 4.A 21:36 21:51 40.34 49.83 111.68 4.B 21:51 22:06 46.02 44.18 114.74 4.C 22:06 22:21 67.52 55.57 159.08 5.A 22:21 22:36 26.89 39.01 80.23 5.B 22:36 22:51 18.67 35.65 64.26 6.A 22:51 23:06 13.81 32.56 53.74 6.B 23:06 23:21 7.07 28.37 39.21 6.C 23:21 23:36 6.32 26.57 36.26 7.A 23:36 23:51 4.87 25.23 32.70 7.B 23:51 0:06 17.33 25.02 51.59
Tabulka 10: Počty motorových vozidel. Měření 2.10.2007
Poloha Počet automobilů OA LNV TNV A
1.A 32 5 21 1 1.B 30 4 7 2 2.A 29 6 23 2 2.B 22 9 18 0 2.C 15 8 12 0 3.A 6 6 11 1 3.B 21 3 9 1 4.A 18 5 15 0 4.B 11 4 13 1 4.C 8 7 15 0 5.A 16 3 11 0 5.B 11 2 13 0 6.A 8 8 14 1 6.B 5 3 7 0 6.C 4 4 5 0 7.A 3 7 4 0 7.B 2 3 8 0
37
0
100
200
300
400
500
600
700
1.A 1.B 2.A 2.B 2.C 3.A 3.B 4.A 4.B 4.C 5.A 5.B 6.A 6.B 6.C 7.A 7.B
poloha sondy
hmot
nost
ní k
once
ntra
ce N
O x[ μ
g.m
-3]
NOx NO NO2
Obrázek 24: Průměrné koncentrace sledovaných polutantů v závislosti na poloze sondy. Měření 2.10.2007
R2 = 0.1213R2 = 0.1354
R2 = 0.5649R2 = 0.2365
0.00
100.00
200.00
300.00
400.00
500.00
600.00
700.00
0 5 10 15 20 25 30 35
počet motorových vozidel
konc
entr
ace
NO
x [μg
.m-3
]
OA LNV TNV A Lineární (LNV) Lineární (TNV) Lineární (OA) Lineární (A)
Obrázek 25: Závislost koncentrace oxidů dusíku na počtu motorových vozidel. Měření 2.10.2007 OA-osobní automobily, LNV-lehké nákladní vozy, TNV-těžké nákladní vozy, A-autobusy
38
Tabulka 11: Průměrné koncentrace sledovaných polutantů. Měření 19.2.2008
Poloha Od Do NO [ μg.m-3 ] NO2 [ μg.m-3 ] NOx [ μg.m-3 ] VŠCHT VŠCHT VŠCHT
1.A 20:24 20:39 363.54 100.11 657.51 1.B 20:39 20:54 537.46 145.35 969.33 2.A 20:54 21:09 413.37 109.31 743.09 2.B 21:09 21:24 497.16 144.34 906.55 2.C 21:24 21:39 681.65 167.68 1212.74 3.A 21:39 21:54 217.60 63.70 397.31 3.B 21:54 22:09 472.03 113.33 837.04 4.A 22:09 22:24 374.15 76.43 650.05 4.B 22:24 22:39 325.87 72.63 572.25 4.C 22:39 22:54 241.13 63.74 433.42 5.A 22:54 23:09 279.98 72.04 501.32 5.B 23:09 23:24 349.80 46.71 583.03 6.A 23:24 23:39 212.26 55.34 380.71 6.B 23:39 23:54 147.57 31.76 257.95 6.C 23:54 0:09 64.43 35.27 134.04 7.A 0:09 0:24 59.42 19.24 110.34 7.B 0:24 0:39 130.10 16.04 215.48
Tabulka 12: Počty motorových vozidel. Měření 19.2.2008
Poloha Počet automobilů OA LNV TNV A
1.A 29 4 22 0 1.B 30 4 6 2 2.A 30 7 21 1 2.B 21 8 19 0 2.C 14 7 13 1 3.A 4 7 9 0 3.B 22 3 7 0 4.A 20 4 14 0 4.B 10 4 12 0 4.C 8 6 14 0 5.A 15 2 12 0 5.B 12 3 13 0 6.A 7 6 13 0 6.B 6 2 6 0 6.C 3 5 5 0 7.A 2 6 5 0 7.B 2 2 7 0
39
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1.A 1.B 2.A 2.B 2.C 3.A 3.B 4.A 4.B 4.C 5.A 5.B 6.A 6.B 6.C 7.A 7.B
poloha sondy
hmot
nost
ní k
once
ntra
ce N
O x[ μ
g.m
-3]
NOx NO NO2
Obrázek 26: Průměrné koncentrace sledovaných polutantů v závislosti na poloze sondy. Měření 19.2.2008
R2 = 0.0698
R2 = 0.1965R2 = 0.5549
R2 = 0.3532
100.00
300.00
500.00
700.00
900.00
1100.00
1300.00
0 5 10 15 20 25 30
počet motorových vozidel
konc
entr
ace
NO
x [μg
.m-3
]
OA LNV TNV A Lineární (LNV) Lineární (TNV) Lineární (OA) Lineární (A)
Obrázek 27: Závislost koncentrace oxidů dusíku na počtu motorových vozidel. Měření 19.2.2008 OA-osobní automobily, LNV-lehké nákladní vozy, TNV-těžké nákladní vozy, A-autobusy
40
Tabulka 13: Průměrné koncentrace sledovaných polutantů. Měření 13.5.2008
Poloha Od Do NO [ μg.m-3 ] NO2 [ μg.m-3 ] NOx [ μg.m-3 ] O3 [ μg.m-3 ] VŠCHT VŠCHT VŠCHT VŠCHT
1.A 7:27:00 7:42:00 363.54 100.11 657.51 23.00 1.B 7:42:00 7:57:00 537.46 145.35 969.33 15.51 2.A 7:57:00 8:12:00 413.37 109.31 743.09 16.70 2.B 8:12:00 8:27:00 497.16 144.34 906.55 15.17 2.C 8:27:00 8:42:00 681.65 167.68 1212.74 17.58 3.A 8:42:00 8:57:00 217.60 63.70 397.31 22.25 3.B 8:57:00 9:12:00 472.03 113.33 837.04 18.18 4.A 9:12:00 9:27:00 374.15 76.43 650.05 17.97 4.B 9:27:00 9:42:00 325.87 72.63 572.25 13.37 4.C 9:42:00 9:57:00 241.13 63.74 433.42 13.24 5.A 9:57:00 10:12:00 279.98 72.04 501.32 14.94 5.B 10:12:00 10:27:00 349.80 46.71 583.03 15.53 6.A 10:27:00 10:42:00 212.26 55.34 380.71 22.83 6.B 10:42:00 10:57:00 147.57 31.76 257.95 24.61 6.C 10:57:00 11:12:00 64.43 35.27 134.04 22.13 7.A 11:12:00 11:27:00 59.42 19.24 110.34 29.94 7.B 11:27:00 11:42:00 130.10 16.04 215.48 27.90
Tabulka 14: Počty motorových vozidel. Měření 13.5.2008
Poloha Počet automobilů OA+M LNV TNV A
1.A 84+1 9 13 1 1.B 72 12 10 2 2.A 77 16 16 0 2.B 86 16 12 1 2.C 79 11 9 0 3.A 76 10 13 0 3.B 51 11 18 2 4.A 59 6 11 1 4.B 56 9 8 1 4.C 53 13 14 3 5.A 55+1 18 12 0 5.B 42 12 19 1 6.A 34 5 14 1 6.B 46 10 22 2 6.C 56 11 13 1 7.A 44 9 11 0 7.B 33+1 8 14 1
41
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1.A 1.B 2.A 2.B 2.C 3.A 3.B 4.A 4.B 4.C 5.A 5.B 6.A 6.B 6.C 7.A 7.B
poloha sondy
hmot
nost
ní k
once
ntra
ce N
Ox
a O 3
[ μg.
m-3
]
NOx NO NO2 O3
Obrázek 28: Průměrné koncentrace sledovaných polutantů v závislosti na poloze sondy. Měření 13.5.2008
R2 = 0.0954
R2 = 0.0719
R2 = 0.4165
R2 = 6E-05
100.00
300.00
500.00
700.00
900.00
1100.00
1300.00
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
počet motorových vozidel
konc
entr
ace
NO
x [μg
.m-3
]
OA LNV TNV A Lineární (LNV) Lineární (TNV) Lineární (OA) Lineární (A)
Obrázek 29: Závislost koncentrace oxidů dusíku na počtu motorových vozidel. Měření 13.5.2008 OA-osobní automobily, LNV-lehké nákladní vozy, TNV-těžké nákladní vozy, A-autobusy
42
Tabulka 15: Průměrné koncentrace sledovaných polutantů. Měření 13.5.2008 Poloha NO [ μg.m-3 ] NO2 [ μg.m-3 ] NOx [ μg.m-3 ] O3 [ μg.m-3 ]
VŠCHT VŠCHT VŠCHT VŠCHT 7.B 11:27 11:42 45.03 59.98 129.01 27.90 7.A 11:42 11:57 313.12 68.32 141.46 27.54 6.C 11:57 12:12 136.62 65.69 138.46 24.41 6.B 12:12 12:27 300.34 59.27 130.16 24.17 6.A 12:27 12:42 303.84 45.44 86.40 31.84 5.B 12:42 12:57 193.15 50.30 123.42 32.44 5.A 12:57 13:12 352.27 46.77 114.68 34.25 4.C 13:12 13:27 160.69 117.94 329.06 17.53 4.B 13:27 13:42 169.68 102.24 298.22 15.26 4.A 13:42 13:57 233.15 73.46 189.27 19.11 3.B 13:57 14:12 138.92 71.30 207.48 19.89 3.A 14:12 14:27 87.13 69.96 228.54 22.96 2.C 14:27 14:42 62.60 69.96 254.63 19.65 2.B 14:42 14:57 47.44 95.34 400.52 15.31 2.A 14:57 15:12 64.79 74.25 256.87 18.63 1.B 15:12 15:27 34.04 67.06 219.08 23.70 1.A 15:27 15:42 45.03 70.45 208.23 21.14 Tabulka 16: Počty motorových vozidel. Měření 13.5.2008
Poloha Počet automobilů OA+M LNV TNV A
7.B 33+1 8 14 1 7.A 39 12 9 0 6.C 54 14 15 1 6.B 39 7 18 2 6.A 62 15 10 2 5.B 56 6 13 1 5.A 58 12 12 1 4.C 51 9 13 0 4.B 51 10 14 1 4.A 51+1 8 21 3 3.B 55 7 10 0 3.A 50+2 17 19 2 2.C 62 15 16 0 2.B 66 9 16 3 2.A 57 13 14 1 1.B 65 12 13 1 1.A 66 11 16 3
43
0
100
200
300
400
500
7.B 7.A 6.C 6.B 6.A 5.B 5.A 4.C 4.B 4.A 3.B 3.A 2.C 2.B 2.A 1.B 1.A
poloha sondy
hmot
nost
ní k
once
ntra
ce N
O x a
O3[
μg.m
-3]
NOx NO NO2 O3
Obrázek 30: Průměrné koncentrace sledovaných polutantů v závislosti na poloze sondy. Měření 13.5.2008
R2 = 0.0009 R2 = 0.0572
R2 = 0.1226
R2 = 0.0041
100.00
150.00
200.00
250.00
300.00
350.00
400.00
450.00
0 10 20 30 40 50 60 70
počet motorových vozidel
konc
entr
ace
NO
x [μg
.m-3
]
OA LNV TNV A Lineární (LNV) Lineární (TNV) Lineární (OA) Lineární (A)
Obrázek 31: : Závislost koncentrace oxidů dusíku na počtu motorových vozidel. Měření 13.5.2008 OA-osobní automobily, LNV-lehké nákladní vozy, TNV-těžké nákladní vozy, A-autobusy