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Überraschende Effekte kleiner Zahlen: Warum ist die Parts-per-Notation für die Umweltwissenschaften so wichtig?
In der Wissenschaft und Technik ist die Notation „Teile pro“ eine Pseudoeinheit zur Beschreibung kleiner, üblicherweise dimensionsloser Mengen wie Molenbruch oder Massenbruch. Bei diesen Brüchen handelt es sich um Verhältnisangaben zu Mengen, es handelt sich also um reine Zahlen ohne entsprechende Einheiten. Zu den gängigen Bezeichnungen für „Teile pro“ gehören Teile pro Million (ppm, 10−6), Teile pro Milliarde (ppb, 10−9), Teile pro Billion (ppt, 10−12) und Teile pro Billion (ppq, 10−15). ). Obwohl diese Notationen nicht Teil des Internationalen Einheitensystems (SI) sind, ist ihre Verwendung in den Umweltwissenschaften und vielen anderen technischen Bereichen weit verbreitet und wichtig.
Die Angabe „Teile pro Punkt“ ist eine effektive Methode zur Beschreibung der relativen Häufigkeit gelöster Mineralien oder Schadstoffe in verdünnten Lösungen.
In der Chemie wird die Angabe „Teile pro“ häufig verwendet, um die Verdünnung einer Lösung zu beschreiben. Wenn wir beispielsweise sagen, dass die Konzentration eines Schadstoffs im Wasser „1 ppm“ beträgt, bedeutet dies, dass pro Gramm Wasser ein Millionstel Gramm des Schadstoffs vorhanden ist. Bei wässrigen Lösungen wird die Dichte von Wasser häufig mit 1,00 g/ml angenommen. Mithilfe dieser Annahme können ppm problemlos in Milligramm pro Liter (mg/l) umgerechnet werden. Außerdem entspricht ppb normalerweise Mikrogramm pro Liter (μg/l) und ppt Nanogramm pro Liter (ng/l). Dieses Umrechnungsverfahren ist in den Umweltwissenschaften von großer Bedeutung, da die Konzentrationen vieler Umweltschadstoffe üblicherweise nur in geringen Mengen erfasst und angegeben werden.
Die Parts-per-Notation spielt auch in der Physik und in technischen Anwendungen eine wichtige Rolle. Beispielsweise kann der Wärmeausdehnungskoeffizient einer Metalllegierung als „α = 1,2 ppm/°C“ ausgedrückt werden, was bedeutet, dass sich ihre Länge bei jedem Grad Celsiusanstieg um 1,2 Mikrometer ausdehnt. Eine solche Darstellung ist nicht nur intuitiv, sondern für Wissenschaftler auch praktisch, um Berechnungen und Vergleiche durchzuführen. Was die Messgenauigkeit betrifft, kann beispielsweise beim Einsatz eines Laser-Entfernungsmessers zur Landvermessung dessen Genauigkeit als „Genauigkeit = 1 ppm“ ausgedrückt werden, was für die Verbesserung der Zuverlässigkeit der Messung entscheidend ist.
In der Mathematik wird die Menge „2 Nanometer pro Meter“ zu „2 ppb“ vereinfacht, was die Aussagekraft der Teile-pro-Notation zeigt.
Obwohl die Parts-per-Notation in der Praxis weit verbreitet ist, gibt es immer noch einige theoretische Kontroversen und Kritikpunkte. Erstens ist es keine offizielle SI-Einheit. Obwohl das Internationale Büro für Maß und Gewicht (BIPM) die Verwendung dieser Einheit anerkennt, rät es dennoch zur Vorsicht, da der Begriff „Milliarde“ in verschiedenen Ländern unterschiedlich definiert sein kann. Dies führt zu gewissen Unklarheiten bei der Anwendung von ppb und ppt. Experten empfehlen daher, bei der Verwendung der Parts-per-Notation deren spezifische Bedeutung klar zu definieren.
Alternativ kann die Angabe „Teile pro“ dem Massenanteil, dem Molenanteil oder dem Volumenanteil entsprechen. Dies führt in der wissenschaftlichen Kommunikation häufig zu Verwirrung, da nicht unbedingt die verwendeten Mengen angegeben werden. Daher sollten Anwender bei Verwendung dieser Notation vorzugsweise konkrete Einheiten (wie etwa kg/kg, mol/mol etc.) angeben. Diese Unsicherheit ist insbesondere bei Gasuntersuchungen von Bedeutung, da hier Umrechnungsfaktoren zwischen Massenanteilen und Molanteilen plötzlich sichtbar werden können, was für die analytische Interpretation von entscheidender Bedeutung ist.
Obwohl in manchen Fachgebieten die Verwendung der Parts-per-Notation festgelegt ist, kann es zwischen den Disziplinen zu Inkonsistenzen bei Standards und Anwendung kommen, was dazu führt, dass Forscher ihre Ergebnisse nicht klar veröffentlichen können, was leicht zu Missverständnissen führen kann.
Um diese Herausforderung zu bewältigen, hat die wissenschaftliche Gemeinschaft SI-kompatible alternative Ausdrücke vorgeschlagen. Diese Ausdrücke ermöglichen es verschiedenen Disziplinen, bis zu einem gewissen Grad standardisierte Einheiten zu verwenden und so die Genauigkeit der Kommunikation zu verbessern. Dennoch bleibt die Parts-per-Notation ein unverzichtbares Werkzeug im Bereich der Technologie und ihre praktische Anwendbarkeit kann nicht ignoriert werden, insbesondere in Bereichen wie der Umweltüberwachung und der öffentlichen Gesundheit.
Obwohl die Teile-pro-Notation für die genaue Angabe kleiner Mengen sehr gut geeignet ist, bestehen bei ihrer Verwendung Bedenken hinsichtlich Mehrdeutigkeiten und Verwirrung. Sollten wir die Standardisierung dieser Ausdrücke fördern, um die Entwicklung der wissenschaftlichen Forschung und Praxis besser zu unterstützen?
