大気汚染物質濃度

大気汚染物質の濃度は、測定されたり、大気汚染拡散モデル^[1]によって計算されたりしますが、多くの場合、さまざまな政府機関によって発行された規制で要求されるように変換または修正する必要があります。大気中または大気中に排出されるガス中の汚染物質の濃度を定義し制限する規制は、さまざまな国や州（または省）の環境保護および労働安全衛生機関によって発行されています。

このような規制には、さまざまな濃度表現が関係しています。濃度を ppmv (体積百万分の一) で表すものもあれば、mg/m ^{3 (立方メートルあたりのミリグラム) で表すものもあり、水分含有量、}酸素含有量、二酸化炭素含有量などの基準条件に合わせて濃度を調整または修正する必要があるものもあります。この記事では、濃度を ppmv から mg/m ³ (およびその逆) に変換する方法と、必要な基準条件に合わせて濃度を修正する方法を紹介します。

この記事の濃度と濃度補正はすべて、空気やその他のガスにのみ適用されます。液体には適用されません。

変換式は、変換を行う温度（通常は約 20 ～ 25 °C）によって異なります。海面気圧が 1 atm（101.325 kPaまたは1.01325 bar）の場合、一般的な式は次のようになります。

${\displaystyle \mathrm {ppmv} =\mathrm {mg} /\mathrm {m} ^{3}\cdot {\frac {(0.082057338\cdot T)}{M}}}$

逆変換の場合:

${\displaystyle \mathrm {mg} /\mathrm {m} ^{3}=\mathrm {ppmv} \cdot {\frac {M}{(0.082057338\cdot T)}}}$

注:

• 1 atm = 絶対圧力 101.325 kPa または 1.01325 bar
• mol =グラムモル、kmol = 1000 グラムモル
• 米国の汚染規制では、通常、汚染物質の制限を、前述のように 20 ～ 25 °C の周囲温度としています。他のほとんどの国では、汚染物質の制限の基準となる周囲温度は 0 °C または他の値です。
• 以下のすべてのセクションの例ではppmv と mg/m ³が使用されていますが、ガス状汚染物質の場合は ppbv (つまり、体積あたりの 10 億分の 1)、体積パーセント、モルパーセントなどの濃度も使用される場合があります。
• 大気中またはその他のガス中の粒子状物質(PM) は、ppmv、ppbv、体積パーセント、またはモルパーセントで表すことはできません。PM は、通常 (ただし常にではありません)、指定された温度および圧力における空気またはその他のガスのmg/m ^{3として表されます。}
• 気体の場合、体積パーセント = モルパーセント
• 1 体積パーセント = 10,000 ppmv (つまり、体積百万分率) であり、百万は 10 ⁶と定義されます。
• ^{ppbv で表された濃度については、英国の 10 億 (10 12)と}米国の 10 億(それぞれロングスケール 10 億とショートスケール 10 億とも呼ばれる)を区別するために注意が必要です。

海面での大気の単位体積あたりの質量（例：mg/m ³、μg/m ³など）として表される大気汚染物質の濃度は、高度が上昇するにつれて減少します。濃度の減少は、高度の上昇に伴う圧力の減少に正比例します。一部の政府規制管轄区域では、産業大気汚染源が高度補正された海面基準に準拠することを義務付けています。言い換えれば、海面よりかなり高い高度にある産業大気汚染源は、海面にある源よりもはるかに厳しい空気品質基準に準拠する必要があります（より低い基準に準拠するのは難しいため）。たとえば、ニューメキシコ州環境局には、そのような要件を含む規制があります。^{[5] [6]}

高度（<20 km）による大気圧の変化は、次の式から得られます。^[7]

${\displaystyle P_{\mathrm {h} }=P\,\cdot {\bigg (}{\frac {288-6.5h}{288}}{\bigg )}^{5.2558}}$

海面大気圧での大気汚染物質濃度が与えられている場合、高高度での濃度は次の式から得られます。

${\displaystyle C_{\mathrm {h} }=C\,\cdot {\bigg (}{\frac {288-6.5h}{288}}{\bigg )}^{5.2558}}$

たとえば、海面での大気汚染物質濃度が 260 mg/m ³の場合、高度 2800 メートルでの同等の汚染物質濃度を計算します。

C _h = 260 × [ { 288 - (6.5)(2.8) } / 288] ^5.2558 = 260 × 0.71 = 185 mg/m ³

注記：

• 高度が上昇するにつれて大気汚染濃度が減少するという上記の式は、対流圏（最下層の大気）の最初の約 10 km の高度にのみ適用でき、最大誤差は約 3 パーセントと推定されます。ただし、大気汚染物質の濃度に関するほとんどの目的には、高度 10 km で十分です。

多くの環境保護機関は、ガス状排出物中の汚染物質の濃度を制限し、その濃度制限に適用される基準条件を定義する規制を発行しています。たとえば、そのような規制では、乾燥燃焼排気ガス（指定された基準温度および圧力）中のNO _x濃度を、乾燥ガス中の3 体積パーセントO ₂に補正して 55 ppmv に制限する場合があります。別の例として、規制では、乾燥基準に補正し、さらに乾燥ガス中の 12 体積パーセントCO ₂^{に補正して、排出ガス中の総粒子状物質濃度を 200 mg/m 3}に制限する場合があります（指定された基準温度および圧力）。

米国の環境機関は、乾燥ガスの「標準」立方フィートを表すのに「dscf」または「scfd」という用語をよく使用します。同様に、ガスの「標準」立方メートルを表すのに「dscm」または「scmd」という用語をよく使用します。普遍的に受け入れられている「標準」温度と圧力のセットは存在しないため、このような使用法は混乱を招く可能性があり、非常に混乱を招きます。ガス量またはガス流量を記載するときは、基準温度と圧力を常に明確に指定することを強くお勧めします。

ガス排出サンプルを分析し、水蒸気と汚染物質濃度が 40 ppmv であると判明した場合、40 ppmv を「湿潤基準」汚染物質濃度と指定する必要があります。次の式を使用して、測定された「湿潤基準」濃度を「乾燥基準」濃度に補正できます。

${\displaystyle C_{\mathrm {dry\,basis} }={\frac {C_{\mathrm {wet\,basis} }}{1-w}}}$

たとえば、水蒸気が 10 体積パーセント含まれるガスの湿潤基準濃度が 40 ppmv の場合、次のようになります。

C_乾燥基準= 40 ÷ ( 1 - 0.10 ) = 44.4 ppmv。

_{次の式は、測定されたO2含有量を含む乾燥排出ガス中の測定された汚染物質濃度を、指定された基準量のO2}を含む乾燥排出ガス中の同等の汚染物質濃度に補正するために使用することができる：^[8]

${\displaystyle C_{\mathrm {r} }=C_{\mathrm {m} }\cdot {\frac {(20.9-\mathrm {reference\,volume\,\%\,O_{2}} )}{ (20.9-\mathrm {測定値\,体積\,\%\,O_{2}} )}}}$

例として、 5 体積% O ₂を含む乾燥ガス中の測定されたNO _x濃度 45 ppmv は次のようになります。

45 × ( 20.9 - 3 ) ÷ ( 20.9 - 5 ) = 50.7 ppmvのNO _x

_{指定された基準O 2}含有量が3体積%の乾燥ガスに補正した場合。

注記：

• 上記の式を使用する前に、測定されたガス濃度C _{m を}まず乾燥基準に補正する必要があります。

_{次の式は、排出ガス中の測定された汚染物質濃度（測定されたCO2含有量を含む）を、指定された基準量のCO2}を含む排出ガス中の同等の汚染物質濃度に補正するために使用することができる：^[8]

${\displaystyle C_{\mathrm {r} }=C_{\mathrm {m} }\cdot {\frac {(\mathrm {reference\,volume\,\%\,CO_{2}} )}{(\mathrm {measured\,volume\,\%\,CO_{2}} )}}}$

たとえば、測定された 8 体積 % CO2 を含む乾燥ガス中の測定された粒子濃度が 200 mg/m ₃の場合、次^のようになります。

200 × ( 12 ÷ 8 ) = 300 mg/ ^m3

指定された基準CO2含有量12体積%の乾燥ガスに補正した_場合。

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