Aceste particule reprezintă o categorie importantă de poluare a aerului și au fost mult timp dificil de modelat cu precizie, potrivit ScienceDaily.
Noua abordare este prima care este atât simplă, cât și predictivă, permițând oamenilor de știință să calculeze mișcarea particulelor fără a se baza pe ipoteze excesiv de complexe.
În fiecare zi, oamenii inhalează milioane de particule microscopice, inclusiv funingine, praf, polen, microplastice, viruși și nanoparticule artificiale. Unele dintre aceste particule sunt atât de mici încât pot pătrunde adânc în plămâni și chiar pot intra în fluxul sanguin. Expunerea la acestea a fost asociată cu probleme grave de sănătate, inclusiv boli de inimă, accident vascular cerebral și cancer.
Majoritatea particulelor din aer nu au forme netede sau simetrice. Cu toate acestea, modelele matematice tradiționale presupun de obicei că aceste particule sunt sfere perfecte, deoarece formele sferice fac ecuațiile mai ușor de rezolvat. Această simplificare limitează capacitatea oamenilor de știință de a urmări cu precizie comportamentul particulelor din lumea reală, în special al celor cu forme neregulate, care pot prezenta riscuri mai mari pentru sănătate.
Reînvierea unei ecuații vechi de un secol pentru știința modernă
Un cercetător de la Universitatea din Warwick a introdus acum prima metodă simplă care poate prezice modul în care particulele de aproape orice formă se mișcă prin aer. Studiul, publicat în Journal of Fluid Mechanics Rapids, actualizează o formulă veche de peste 100 de ani și abordează o lacună majoră în știința aerosolilor.
Autorul articolului, profesorul Duncan Lockerby, de la Facultatea de Inginerie a Universității din Warwick, a declarat: „Motivația a fost simplă: dacă putem prezice cu precizie modul în care se mișcă particulele de orice formă, putem îmbunătăți semnificativ modelele pentru poluarea aerului, transmiterea bolilor și chiar chimia atmosferică. Această nouă abordare se bazează pe un model foarte vechi – unul simplu, dar puternic – făcându-l aplicabil particulelor complexe și cu forme neregulate”.
Corectarea unei omisiuni cheie în fizica aerosolilor
Descoperirea a venit din reevaluarea unuia dintre instrumentele fundamentale din știința aerosolilor, cunoscut sub numele de factorul de corecție Cunningham. Introdus pentru prima dată în 1910, factorul de corecție a fost conceput pentru a explica modul în care forțele de rezistență asupra particulelor minuscule diferă de comportamentul clasic al fluidelor.
În anii 1920, laureatul Premiului Nobel Robert Millikan a perfecționat formula. În timpul acestui proces, o corecție mai simplă și mai generală a fost trecută cu vederea. Din această cauză, versiunile ulterioare ale ecuației au rămas limitate la particule perfect sferice, limitând utilitatea lor în condiții reale.
Lucrarea profesorului Lockerby restructurează ideea originală a lui Cunningham într-o formă mai largă și mai flexibilă. Din acest cadru revizuit, el introduce un „tensor de corecție” – un instrument matematic care ține cont de forța de rezistență și rezistența care acționează asupra particulelor de orice formă, inclusiv sfere și discuri subțiri. Este important de menționat că metoda nu se bazează pe parametri empirici de ajustare.
Profesorul Duncan Lockerby a adăugat: „Această lucrare vizează recuperarea spiritului original al lucrării lui Cunningham din 1910. Prin generalizarea factorului său de corecție, putem acum face predicții precise pentru particule de aproape orice formă, fără a fi nevoie de simulări intensive sau ajustări empirice. Acesta oferă primul cadru pentru a prezice cu precizie modul în care particulele nesferice se deplasează prin aer și, întrucât aceste nanoparticule sunt strâns legate de poluarea aerului și riscul de cancer, acesta este un pas important înainte atât pentru sănătatea mediului, cât și pentru știința aerosolilor”.
Ce înseamnă acest lucru pentru cercetare
Noul model oferă o bază mai solidă pentru înțelegerea modului în care particulele din aer se deplasează într-o gamă largă de domenii științifice. Acestea includ monitorizarea calității aerului, modelarea climei, nanotehnologia și medicina. Abordarea ar putea îmbunătăți previziunile privind modul în care poluarea se răspândește în orașe, modul în care fumul de la incendii forestiere sau cenușa vulcanică se deplasează prin atmosferă și modul în care nanoparticulele artificiale se comportă în aplicații industriale și medicale.
Pentru a extinde această activitate, Școala de Inginerie din Warwick a investit într-un nou sistem de ultimă generație pentru generarea de aerosoli. Facilitatea va permite cercetătorilor să creeze și să studieze îndeaproape o gamă largă de particule nesferice în condiții controlate, contribuind la validarea și perfecționarea noii metode de predicție.
Profesorul Julian Gardner, de la Facultatea de Inginerie a Universității Warwick, care colaborează cu profesorul Lockerby, a declarat: „Această nouă facilitate ne va permite să explorăm modul în care se comportă particulele din aer din lumea reală în condiții controlate, contribuind la transformarea acestei descoperiri teoretice în instrumente practice de mediu”.