Ερευνητές του Πανεπιστημίου του Warwick ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο, λύνοντας ένα χρόνιο πρόβλημα στην επιστήμη της ατμοσφαιρικής ρύπανης, που καθιστά δυνατή την πρόβλεψη του τρόπου με τον οποίο κινούνται στον αέρα νανοσωματίδια με ακανόνιστο σχήμα.
Αυτά τα μικροσκοπικά σωματίδια -από την αιθάλη και τα μικροπλαστικά μέχρι τους ιούς- συνδέονται με σοβαρούς κινδύνους για την υγεία, ωστόσο τα περισσότερα μοντέλα εξακολουθούν να τα αντιμετωπίζουν ως «τέλειες σφαίρες», δηλαδή χωρίς ανωμαλίες ή ατέλειες, για λόγους απλούστευσης. Επαναδιατυπώνοντας μια φόρμουλα ενός αιώνα, οι ερευνητές δημιούργησαν τον πρώτο απλό και ακριβή τρόπο για να προβλέψουν πώς συμπεριφέρονται σωματίδια σχεδόν οποιουδήποτε σχήματος.
Αυτά τα σωματίδια αποτελούν μια κύρια κατηγορία ατμοσφαιρικής ρύπανσης και για μεγάλο χρονικό διάστημα ήταν δύσκολο να μοντελοποιηθούν με ακρίβεια.
Η νέα προσέγγιση είναι η πρώτη που είναι ταυτόχρονα απλή και προγνωστική, επιτρέποντας στους επιστήμονες να υπολογίζουν την κίνηση των σωματιδίων χωρίς να βασίζονται σε υπερβολικά περίπλοκες παραδοχές.
Κάθε μέρα, οι άνθρωποι εισπνέουν εκατομμύρια μικροσκοπικά σωματίδια, στα οποία περιλαμβάνονται η αιθάλη, η σκόνη, η γύρη, τα μικροπλαστικά, οι ιοί και τα κατασκευασμένα νανοσωματίδια.
Ορισμένα από αυτά τα σωματίδια είναι τόσο μικρά που μπορούν να διεισδύσουν βαθιά στους πνεύμονες και ακόμη και να εισέλθουν στην κυκλοφορία του αίματος. Η έκθεση σε αυτά έχει συνδεθεί με σοβαρά προβλήματα υγείας, συμπεριλαμβανομένων των καρδιακών παθήσεων, των εγκεφαλικών επεισοδίων και του καρκίνου.
Τα περισσότερα αερομεταφερόμενα σωματίδια δεν έχουν συμμετρικά σχήματα.
Ωστόσο, τα παραδοσιακά μαθηματικά μοντέλα συνήθως υποθέτουν ότι αυτά τα σωματίδια είναι «τέλειες σφαίρες», επειδή τα σφαιρικά σχήματα καθιστούν τις εξισώσεις ευκολότερες στην επίλυσή τους.
Αυτή η απλούστευση περιορίζει την ικανότητα των επιστημόνων να παρακολουθούν με ακρίβεια πώς συμπεριφέρονται τα σωματίδια στον πραγματικό κόσμο, ειδικά εκείνα με ακανόνιστα σχήματα που ενδέχεται να εγκυμονούν μεγαλύτερους κινδύνους για την υγεία.
Αναβιώνοντας μια εξίσωση ενός αιώνα για τη σύγχρονη επιστήμη
Ένας ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Warwick παρουσίασε τώρα την πρώτη απλή μέθοδο που μπορεί να προβλέψει πώς σωματίδια σχεδόν οποιουδήποτε σχήματος κινούνται στον αέρα.
Η μελέτη, η οποία δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Journal of Fluid Mechanics Rapids, επικαιροποιεί μια φόρμουλα ηλικίας άνω των 100 ετών και καλύπτει ένα σημαντικό κενό στην επιστήμη των αερολυμάτων (aerosols).
Ο καθηγητής Duncan Lockerby δήλωσε: «Το κίνητρο ήταν απλό: εάν μπορούμε να προβλέψουμε με ακρίβεια πώς κινούνται σωματίδια οποιουδήποτε σχήματος, μπορούμε να βελτιώσουμε σημαντικά τα μοντέλα για την ατμοσφαιρική ρύπανση, τη μετάδοση ασθενειών, ακόμη και την ατμοσφαιρική χημεία. Αυτή η νέα προσέγγιση βασίζεται σε ένα πολύ παλιό μοντέλο —ένα μοντέλο απλό αλλά ισχυρό— καθιστώντας το εφαρμόσιμο σε πολύπλοκα σωματίδια ακανόνιστου σχήματος».
Διορθώνοντας μια βασική παράλειψη στη φυσική των αερολυμάτων
Η ανακάλυψη προέκυψε από μια νέα ματιά σε ένα από τα θεμελιώδη εργαλεία της επιστήμης των αερολυμάτων, γνωστό ως συντελεστή διόρθωσης Cunningham.
Ο συντελεστής αυτός, που παρουσιάστηκε για πρώτη φορά το 1910, σχεδιάστηκε για να εξηγήσει πώς οι δυνάμεις αντίστασης (drag) σε μικροσκοπικά σωματίδια διαφέρουν από την κλασική συμπεριφορά των ρευστών.
Στη δεκαετία του 1920, ο βραβευμένος με Νόμπελ Ρόμπερτ Μίλικαν βελτίωσε τη φόρμουλα. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, παραβλέφθηκε μια απλούστερη και πιο γενική διόρθωση.
Εξαιτίας αυτού, οι μεταγενέστερες εκδοχές της εξίσωσης παρέμειναν περιορισμένες σε σωματίδια που ήταν τέλεια σφαιρικά, περιορίζοντας τη χρησιμότητά τους για τις συνθήκες του πραγματικού κόσμου.
Η εργασία του καθηγητή Lockerby αναδομεί την αρχική ιδέα του Cunningham σε μια ευρύτερη και πιο ευέλικτη μορφή. Μέσα από αυτό το αναθεωρημένο πλαίσιο, εισάγει έναν «τανυστή διόρθωσης» (correction tensor) — ένα μαθηματικό εργαλείο που συνυπολογίζει την οπισθέλκουσα και την αντίσταση που ασκούνται σε σωματίδια οποιουδήποτε σχήματος, συμπεριλαμβανομένων των σφαιρών και των λεπτών δίσκων.
Είναι σημαντικό ότι η μέθοδος δεν βασίζεται σε εμπειρικές παραμέτρους προσαρμογής.
Ο Duncan Lockerby πρόσθεσε: «Αυτή η εργασία αφορά την ανάκτηση του αρχικού πνεύματος του έργου του Cunningham από το 1910. Γενικεύοντας τον συντελεστή διόρθωσής του, μπορούμε πλέον να κάνουμε ακριβείς προβλέψεις για σωματίδια σχεδόν οποιουδήποτε σχήματος — χωρίς την ανάγκη για εντατικές προσομοιώσεις ή εμπειρικές προσαρμογές. Παρέχει το πρώτο πλαίσιο για την ακριβή πρόβλεψη του τρόπου με τον οποίο τα μη σφαιρικά σωματίδια ταξιδεύουν στον αέρα, και δεδομένου ότι αυτά τα νανοσωματίδια συνδέονται στενά με την ατμοσφαιρική ρύπανση και τον κίνδυνο καρκίνου, αυτό αποτελεί ένα σημαντικό βήμα προόδου τόσο για την περιβαλλοντική υγεία όσο και για την επιστήμη των αερολυμάτων».
Σημασία για την έρευνα γύρω από τη ρύπανση, το κλίμα και την υγεία
Το νέο μοντέλο προσφέρει μια ισχυρότερη βάση για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα αερομεταφερόμενα σωματίδια κινούνται σε ένα ευρύ φάσμα επιστημονικών πεδίων.
Αυτά περιλαμβάνουν την παρακολούθηση της ποιότητας του αέρα, την κλιματική μοντελοποίηση, τη νανοτεχνολογία και την ιατρική.
Η προσέγγιση αυτή θα μπορούσε να βελτιώσει τις προβλέψεις για το πώς εξαπλώνεται η ρύπανση στις πόλεις, πώς ο καπνός από τις δασικές πυρκαγιές ή η ηφαιστειακή τέφρα ταξιδεύουν στην ατμόσφαιρα, καθώς και πώς συμπεριφέρονται τα κατασκευασμένα νανοσωματίδια σε βιομηχανικές και ιατρικές εφαρμογές.
Για την περαιτέρω επέκταση αυτής της εργασίας, η Σχολή Μηχανικών του Warwick επένδυσε σε ένα νέο, υπερσύγχρονο σύστημα παραγωγής αερολυμάτων.
Η εγκατάσταση αυτή θα επιτρέψει στους ερευνητές να δημιουργήσουν και να μελετήσουν από κοντά μια μεγάλη ποικιλία μη σφαιρικών σωματιδίων υπό ελεγχόμενες συνθήκες, βοηθώντας στην επαλήθευση και τη βελτίωση της νέας προγνωστικής μεθόδου.
Ο καθηγητής Julian Gardner από τη Σχολή Μηχανικών του Πανεπιστημίου του Warwick, ο οποίος συνεργάζεται με τον λαθηγητή Lockerby, δήλωσε: «Αυτή η νέα εγκατάσταση θα μας επιτρέψει να εξερευνήσουμε πώς συμπεριφέρονται τα αερομεταφερόμενα σωματίδια του πραγματικού κόσμου υπό ελεγχόμενες συνθήκες, βοηθώντας στη μετάφραση αυτής της θεωρητικής ανακάλυψης σε πρακτικά περιβαλλοντικά εργαλεία».
