照見空中的懸浮微粒(二)─如何測量空氣中的懸浮微粒?
 
2018/09/27
 
陳羿安 | 國立中山大學海洋科學系
唐曉聰 | 國立中山大學海洋事務研究所
 
 

我們常會在新聞或網站上看到各地方空氣中懸浮微粒濃度的數值。然而,這些數值到底是如何被測量出來的呢?測量的方法和原理又是什麼呢?

 

收集懸浮微粒-氣體動力原理

 

 其主要是利用氣體動力原理方式收集空氣中的懸浮微粒,測得懸浮微粒空氣動力直徑(詳細說明請見下方補充說明),由於懸浮微粒是一種多元的混合物,會先做粒徑處理以固定流量抽引空氣進入慣性微粒分徑器,將不同粒徑大小的微粒收集於濾紙上,待完成粒徑處理後,分成手動監測及自動監測二種方式來秤重得到懸浮微粒的濃度。

 

1.手動監測

 

將取得之懸浮微粒濾紙,在實驗室環境下處理濾紙後秤重,這種方法可以減少環境中可能干擾測定的因素,例如:相對溼度對測值的影響。因此,空氣品質標準有明確的制訂:若採用手動監測結果的數據,來判定空氣品質是否符合標準時,則此項手動監測必須是要經過嚴謹的實驗室分析程序,所需花的時間是2至3週才能完成。

 

2.自動監測

 

以貝他(β)射線照射濾紙,將量測取得前、後的貝他射線照射後粒子之衰減量,再根據其微粒濃度與輻射強度衰減比率之相關,經由儀器讀出其質量濃度,即可得知懸浮微粒的濃度,一般採樣時間之間格為1小時。

 
 
當空氣品質隨著時間變化時,手動監測方式無法提供立即性的空氣品質訊息,好來讓民眾可事先有所預警。所以,會以手動監測為標準校準數值,而以自動監測的數值做預報的參考。
 

照見懸浮粒子-光學原理

 
AirBox空氣盒子是由中央研究院資訊科學研究所合作開發的測量儀器,空氣盒子是利用動態光散射(瑞利散射)原理,將光強度隨時間波動顆粒算粒子的濃度,此種測量方式的優劣有那些呢?
 
 
1.優點
  • 這種測量方式可以快速測量PM2.5(數分鐘一筆資料)。
  • 儀器設置成本不高(1,000多元即可購置)。
  • 此類空氣盒子在台灣西半部城市有大量設置點位,與環保署測站相比在台灣大部份的區域,空氣盒子設置密度是遠高於環保署測站。
  • 空氣盒子會將收集到的空氣資訊上傳到網路平台,一般民眾都可以從網路平台隨時觀看各地的空氣品質資訊。
2.缺點
  • 因為設計原理關係,空氣盒子(光學粒徑)和環保署測量方式(空氣動力直徑)在測量的現象上有本質的不相同,前者是利用微粒照光後的光學現象定義粒徑,後者是利用氣體動力粒徑分析器來定義粒徑,也就是說在測量相同直徑的顆粒,光學粒徑與空氣動力直徑皆會因不同溫度、濕度、物質成分與結構不同的影響下,導致二者測得數據有所差異。例如富含鹽類等容易吸附水氣成分的微粒,在外型和粒徑會受到空氣中的水氣影響,進而改變在微粒表面的光學現象,造成空氣盒子測量數值偏高。簡單來說這兩種測量方式在定義粒徑上有所不同,兩者的誤差又會受到溫度、濕度、物質成分與結構等等影響因子改變,兩者在嚴格意義上是不能直接比較的。因此,欲使用空氣盒子監測空氣品質時,建議參考一定區域內整體空氣盒子的趨勢變化,而非單一點位數值。
  • 由於空氣盒子長期放置於室外(非實驗室環境),所以相對容易受到其他環境因子,如:潮濕、高溫、化學物腐蝕(海鹽、酸雨)等,導致儀器受損影響判讀。
  • 因放置於室外(非實驗室環境)因素,故呈現於地圖上所測量到的數據偶爾會有一、二個極端異常的值,而異常的值就會反映在地圖該地點上,該地點就會顯示出空氣品質狀態異常。建議使用上大家可以參考一定區域內整體空氣盒子的趨勢變化,而非單一點位數值。

補充說明

 

空氣動力直徑:在靜止空氣中,粒子之單位密度球體與實際粒子作相同重力沈降速度(Gravitational settling velocity)時的直徑,也就是將實際的顆粒粒徑換成具有相同空氣動力學特性的等效直徑,可使具有不同形狀、密度、光學與電性性質的顆粒粒徑有了統一的量測標準。

 

副總編輯:國立中山大學教育研究所 謝百淇教授

總編輯:國立中山大學資訊工程學系 黃英哲教授

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿)
 
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