Un aerosol es una suspensión de finas partículas sólidas o gotitas de líquido en el aire u otro gas . [1] Los aerosoles pueden generarse por causas naturales o humanas . El término aerosol comúnmente se refiere a la mezcla de partículas en el aire y no a las partículas solas. [2] Ejemplos de aerosoles naturales son la niebla , la bruma o el polvo . Ejemplos de aerosoles causados por el hombre incluyen partículas contaminantes del aire , niebla proveniente de la descarga de represas hidroeléctricas , niebla de irrigación , perfume de atomizadores , humo , polvo , pesticidas rociados y tratamientos médicos para enfermedades respiratorias. [3]
Varios tipos de aerosoles atmosféricos tienen un efecto significativo en el clima de la Tierra: volcánicos, polvo de desierto, sal marina, provenientes de fuentes biogénicas y de origen humano. Los aerosoles volcánicos se forman en la estratosfera después de una erupción en forma de gotas de ácido sulfúrico que pueden persistir hasta dos años y reflejar la luz solar, lo que reduce la temperatura. El polvo del desierto y las partículas minerales arrastradas a gran altura absorben el calor y pueden ser responsables de inhibir la formación de nubes de tormenta. Los aerosoles de sulfato producidos por el hombre , principalmente provenientes de la quema de petróleo y carbón, afectan el comportamiento de las nubes. [4] Cuando los aerosoles absorben contaminantes, facilitan su deposición en la superficie de la tierra y en las masas de agua. [5] Esto tiene el potencial de ser perjudicial tanto para el medio ambiente como para la salud humana.
Las huellas de los barcos son nubes que se forman alrededor de los gases de escape que los barcos liberan en el aire tranquilo del océano. Las moléculas de agua se acumulan alrededor de las pequeñas partículas ( aerosoles ) de los gases de escape para formar una semilla de nube . Cada vez se acumula más agua sobre la semilla hasta que se forma una nube visible. En el caso de las huellas de los barcos, las semillas de las nubes se extienden a lo largo de un camino largo y estrecho donde el viento ha arrastrado los gases de escape del barco, por lo que las nubes resultantes parecen largas cuerdas sobre el océano.
El calentamiento causado por los gases de efecto invernadero producidos por el hombre ha sido compensado en cierta medida por el efecto refrescante de los aerosoles producidos por el hombre. En 2020, las regulaciones sobre el combustible redujeron significativamente las emisiones de dióxido de azufre del transporte marítimo internacional en aproximadamente un 80%, lo que provocó un inesperado impacto global en la terminación de la geoingeniería. [6]
Las partículas líquidas o sólidas en un aerosol tienen diámetros típicamente inferiores a 1 μm . Las partículas más grandes con una velocidad de sedimentación significativa hacen que la mezcla sea una suspensión , pero la distinción no está clara. En el lenguaje cotidiano, aerosol a menudo se refiere a un sistema dispensador que entrega un producto de consumo desde una lata de aerosol .
Las enfermedades se pueden propagar por medio de pequeñas gotas en el aliento , [7] a veces llamadas bioaerosoles . [8]
El aerosol se define como un sistema de suspensión de partículas sólidas o líquidas en un gas. Un aerosol incluye tanto las partículas como el gas en suspensión, que suele ser aire. [1] Los meteorólogos suelen referirse a ellas como materia particulada: PM2,5 o PM10, según su tamaño. [9] Es de suponer que Frederick G. Donnan utilizó por primera vez el término aerosol durante la Primera Guerra Mundial para describir una aerosolución , nubes de partículas microscópicas en el aire. Este término se desarrolló de manera análoga al término hidrosol , un sistema coloide con agua como medio disperso. [10] Los aerosoles primarios contienen partículas introducidas directamente en el gas; Los aerosoles secundarios se forman mediante la conversión de gas en partículas. [11]
Los grupos clave de aerosoles incluyen sulfatos, carbono orgánico, carbono negro, nitratos, polvo mineral y sal marina; generalmente se agrupan para formar una mezcla compleja. [9] Varios tipos de aerosoles, clasificados según su forma física y cómo se generaron, incluyen polvo, humo, niebla, humo y niebla. [12]
Existen varias medidas de concentración de aerosoles. Las ciencias ambientales y la salud ambiental a menudo utilizan la concentración de masa ( M ), definida como la masa de partículas por unidad de volumen, en unidades como μg/m 3 . También se utiliza comúnmente el número de concentración ( N ), el número de partículas por unidad de volumen, en unidades como el número por m 3 o el número por cm 3 . [13]
El tamaño de las partículas tiene una influencia importante en las propiedades de las partículas, y el radio o diámetro de las partículas de aerosol ( d p ) es una propiedad clave utilizada para caracterizar los aerosoles.
Los aerosoles varían en su dispersidad . Un aerosol monodisperso , que se puede producir en el laboratorio, contiene partículas de tamaño uniforme. Sin embargo, la mayoría de los aerosoles, como sistemas coloidales polidispersos , presentan una variedad de tamaños de partículas. [11] Las gotas de líquido son casi siempre casi esféricas, pero los científicos utilizan un diámetro equivalente para caracterizar las propiedades de diversas formas de partículas sólidas, algunas muy irregulares. El diámetro equivalente es el diámetro de una partícula esférica con el mismo valor de alguna propiedad física que la partícula irregular. [14] El diámetro de volumen equivalente ( d e ) se define como el diámetro de una esfera del mismo volumen que el de la partícula irregular. [15] También se utiliza comúnmente el diámetro aerodinámico, d a .
Las personas generan aerosoles para diversos fines, entre ellos:
Algunos dispositivos para generar aerosoles son: [3]
Varios tipos de aerosoles atmosféricos tienen un efecto significativo en el clima de la Tierra: volcánicos, polvo de desierto, sal marina, provenientes de fuentes biogénicas y de origen humano. Los aerosoles volcánicos se forman en la estratosfera después de una erupción en forma de gotas de ácido sulfúrico que pueden persistir hasta dos años y reflejar la luz solar, lo que reduce la temperatura. El polvo del desierto y las partículas minerales arrastradas a gran altura absorben el calor y pueden ser responsables de inhibir la formación de nubes de tormenta. Los aerosoles de sulfato producidos por el hombre , principalmente provenientes de la quema de petróleo y carbón, afectan el comportamiento de las nubes. [4]
Aunque todos los hidrometeoros , sólidos y líquidos, pueden describirse como aerosoles, comúnmente se hace una distinción entre tales dispersiones (es decir, nubes) que contienen gotas y cristales activados, y partículas de aerosol. La atmósfera de la Tierra contiene aerosoles de diversos tipos y concentraciones, incluidas cantidades de:
Los aerosoles se pueden encontrar en los ecosistemas urbanos en diversas formas, por ejemplo:
La presencia de aerosoles en la atmósfera terrestre puede influir en su clima, así como en la salud humana.
Las erupciones volcánicas liberan a la atmósfera grandes cantidades de ácido sulfúrico , sulfuro de hidrógeno y ácido clorhídrico . Estos gases representan aerosoles y eventualmente regresan a la tierra en forma de lluvia ácida , teniendo una serie de efectos adversos sobre el medio ambiente y la vida humana. [21]
Cuando los aerosoles absorben contaminantes, facilitan su deposición en la superficie de la tierra y en las masas de agua. [5] Esto tiene el potencial de ser perjudicial tanto para el medio ambiente como para la salud humana.
Los aerosoles interactúan con el presupuesto energético de la Tierra de dos maneras: directa e indirectamente.
Las huellas de los barcos son nubes que se forman alrededor de los gases de escape que los barcos liberan en el aire tranquilo del océano. Las moléculas de agua se acumulan alrededor de las pequeñas partículas ( aerosoles ) de los gases de escape para formar una semilla de nube . Cada vez se acumula más agua sobre la semilla hasta que se forma una nube visible. En el caso de las huellas de los barcos, las semillas de las nubes se extienden a lo largo de un camino largo y estrecho donde el viento ha arrastrado los gases de escape del barco, por lo que las nubes resultantes parecen largas cuerdas sobre el océano. [26]
El calentamiento causado por los gases de efecto invernadero producidos por el hombre ha sido compensado en cierta medida por el efecto refrescante de los aerosoles producidos por el hombre. En 2020, las regulaciones sobre el combustible redujeron significativamente las emisiones de dióxido de azufre del transporte marítimo internacional en aproximadamente un 80%, lo que provocó un inesperado impacto global en la terminación de la geoingeniería. [6]
Los aerosoles en el rango de 20 μm muestran un tiempo de permanencia particularmente largo en habitaciones con aire acondicionado debido a su comportamiento "jet-rider" (se mueven con chorros de aire, caen gravitacionalmente en aire que se mueve lentamente); [27] dado que este tamaño de aerosol se absorbe más eficazmente en la nariz humana, [28] el sitio de infección primordial en COVID-19 , dichos aerosoles pueden contribuir a la pandemia. [29]
Las partículas de aerosol con un diámetro efectivo inferior a 10 μm pueden penetrar en los bronquios, mientras que las que tienen un diámetro efectivo inferior a 2,5 μm pueden penetrar hasta la región de intercambio de gases en los pulmones [30] , lo que puede ser peligroso para la salud humana.
Para un aerosol monodisperso, un solo número (el diámetro de la partícula) es suficiente para describir el tamaño de las partículas. Sin embargo, distribuciones de tamaño de partículas más complicadas describen los tamaños de las partículas en un aerosol polidisperso. Esta distribución define las cantidades relativas de partículas, clasificadas según su tamaño. [31] Un enfoque para definir la distribución del tamaño de las partículas utiliza una lista de los tamaños de cada partícula en una muestra. Sin embargo, este método resulta tedioso de determinar en aerosoles con millones de partículas y difícil de utilizar. Otro enfoque divide el rango de tamaño en intervalos y encuentra el número (o proporción) de partículas en cada intervalo. Estos datos se pueden presentar en un histograma en el que el área de cada barra representa la proporción de partículas en ese contenedor de tamaño, generalmente normalizado dividiendo el número de partículas en un contenedor por el ancho del intervalo de modo que el área de cada barra sea proporcional. al número de partículas en el rango de tamaño que representa. [32] Si el ancho de los contenedores tiende a cero , la función de frecuencia es: [33]
dónde
Por lo tanto, el área bajo la curva de frecuencia entre dos tamaños a y b representa la fracción total de partículas en ese rango de tamaño: [33]
También se puede formular en términos de la densidad numérica total N : [34]
Suponiendo partículas de aerosol esféricas, el área de superficie del aerosol por unidad de volumen ( S ) viene dada por el segundo momento : [34]
Y el tercer momento da la concentración de volumen total ( V ) de las partículas: [34]
La distribución del tamaño de partículas puede ser aproximada. La distribución normal generalmente no describe adecuadamente la distribución del tamaño de las partículas en los aerosoles debido a la asimetría asociada con una larga cola de partículas más grandes. Además, para una cantidad que varía en un rango amplio, como ocurre con muchos tamaños de aerosoles, el ancho de la distribución implica tamaños de partículas negativos, lo que no es físicamente realista. Sin embargo, la distribución normal puede ser adecuada para algunos aerosoles, como los aerosoles de prueba, ciertos granos de polen y esporas . [35]
Una distribución log-normal más elegida da la frecuencia numérica como: [35]
dónde:
La distribución log-normal no tiene valores negativos, puede cubrir una amplia gama de valores y se ajusta razonablemente bien a muchas distribuciones de tamaño observadas. [36]
Otras distribuciones que a veces se utilizan para caracterizar el tamaño de las partículas incluyen: la distribución Rosin-Rammler , aplicada a polvos y aerosoles con dispersión gruesa; la distribución Nukiyama-Tanasawa, para pulverizaciones de rangos de tamaño extremadamente amplios; la función de distribución de potencia , ocasionalmente aplicada a aerosoles atmosféricos; la distribución exponencial , aplicada a materiales en polvo; y para las gotas de nubes, la distribución Khrgian-Mazin. [37]
Para valores bajos del número de Reynolds (<1), cierto para la mayoría de los movimientos de aerosoles, la ley de Stokes describe la fuerza de resistencia sobre una partícula esférica sólida en un fluido. Sin embargo, la ley de Stokes sólo es válida cuando la velocidad del gas en la superficie de la partícula es cero. Sin embargo, para las partículas pequeñas (< 1 μm) que caracterizan a los aerosoles, esta suposición falla. Para explicar este fallo, se puede introducir el factor de corrección de Cunningham , siempre mayor que 1. Incluyendo este factor, se encuentra la relación entre la fuerza de resistencia sobre una partícula y su velocidad: [38]
dónde
Esto nos permite calcular la velocidad terminal de una partícula que sufre sedimentación gravitacional en aire en calma. Despreciando los efectos de flotabilidad , encontramos: [39]
dónde
La velocidad terminal también se puede derivar para otros tipos de fuerzas. Si se cumple la ley de Stokes, entonces la resistencia al movimiento es directamente proporcional a la velocidad. La constante de proporcionalidad es la movilidad mecánica ( B ) de una partícula: [40]
Una partícula que viaja a cualquier velocidad inicial razonable se acerca exponencialmente a su velocidad terminal con un tiempo de plegado igual al tiempo de relajación: [41]
dónde:
Para tener en cuenta el efecto de la forma de las partículas no esféricas, se aplica a la ley de Stokes un factor de corrección conocido como factor de forma dinámica . Se define como la relación entre la fuerza resistiva de la partícula irregular y la de una partícula esférica con el mismo volumen y velocidad: [15]
dónde:
El diámetro aerodinámico de una partícula irregular se define como el diámetro de la partícula esférica con una densidad de 1000 kg/m 3 y la misma velocidad de sedimentación que la partícula irregular. [42]
Despreciando la corrección de deslizamiento, la partícula se asienta a la velocidad terminal proporcional al cuadrado del diámetro aerodinámico , d a : [42]
dónde
Esta ecuación da el diámetro aerodinámico: [43]
Se puede aplicar el diámetro aerodinámico a partículas contaminantes o a fármacos inhalados para predecir en qué parte del tracto respiratorio se depositan dichas partículas. Las empresas farmacéuticas suelen utilizar el diámetro aerodinámico, no el diámetro geométrico, para caracterizar las partículas de los medicamentos inhalables. [ cita necesaria ]
La discusión anterior se centró en partículas de aerosol individuales. Por el contrario, la dinámica de los aerosoles explica la evolución de poblaciones completas de aerosoles. Las concentraciones de partículas cambiarán con el tiempo como resultado de muchos procesos. Los procesos externos que mueven partículas fuera de un volumen de gas en estudio incluyen la difusión , la sedimentación gravitacional y las cargas eléctricas y otras fuerzas externas que causan la migración de partículas. Un segundo conjunto de procesos internos a un volumen dado de gas incluye la formación de partículas (nucleación), la evaporación, la reacción química y la coagulación. [44]
Una ecuación diferencial llamada Ecuación Dinámica General de Aerosoles (GDE) caracteriza la evolución de la densidad numérica de partículas en un aerosol debido a estos procesos. [44]
Cambio en el tiempo = Transporte convectivo + difusión browniana + interacciones gas-partícula + coagulación + migración por fuerzas externas
Dónde:
A medida que las partículas y gotitas de un aerosol chocan entre sí, pueden experimentar coalescencia o agregación. Este proceso conduce a un cambio en la distribución del tamaño de las partículas del aerosol, aumentando el diámetro del modo a medida que disminuye el número total de partículas. [45] En ocasiones, las partículas pueden romperse en numerosas partículas más pequeñas; sin embargo, este proceso suele ocurrir principalmente en partículas demasiado grandes para ser consideradas aerosoles.
El número de Knudsen de la partícula define tres regímenes dinámicos diferentes que gobiernan el comportamiento de un aerosol:
donde es el camino libre medio del gas en suspensión y es el diámetro de la partícula. [46] Para partículas en el régimen molecular libre , K n >> 1; partículas pequeñas en comparación con el recorrido libre medio del gas en suspensión. [47] En este régimen, las partículas interactúan con el gas en suspensión a través de una serie de colisiones "balísticas" con moléculas de gas. Como tales, se comportan de manera similar a las moléculas de gas, tendiendo a seguir líneas de corriente y difundiéndose rápidamente mediante el movimiento browniano. La ecuación del flujo de masa en el régimen molecular libre es:
donde a es el radio de la partícula, P ∞ y P A son las presiones lejos de la gota y en la superficie de la gota respectivamente, k b es la constante de Boltzmann, T es la temperatura, C A es la velocidad térmica media y α es la masa. coeficiente de alojamiento. [ cita necesaria ] La derivación de esta ecuación supone una presión constante y un coeficiente de difusión constante.
Las partículas están en el régimen continuo cuando K n << 1. [47] En este régimen, las partículas son grandes en comparación con el recorrido libre medio del gas en suspensión, lo que significa que el gas en suspensión actúa como un fluido continuo que fluye alrededor de la partícula. [47] El flujo molecular en este régimen es:
donde a es el radio de la partícula A , M A es la masa molecular de la partícula A , D AB es el coeficiente de difusión entre las partículas A y B , R es la constante del gas ideal, T es la temperatura (en unidades absolutas como kelvin ), y P A∞ y P AS son las presiones en el infinito y en la superficie respectivamente. [ cita necesaria ]
El régimen de transición contiene todas las partículas entre los regímenes molecular libre y continuo o K n ≈ 1. Las fuerzas experimentadas por una partícula son una combinación compleja de interacciones con moléculas de gas individuales e interacciones macroscópicas. La ecuación semiempírica que describe el flujo de masa es:
donde I cont es el flujo de masa en el régimen continuo. [ cita necesaria ] Esta fórmula se llama fórmula de interpolación de Fuchs-Sutugin. Estas ecuaciones no tienen en cuenta el efecto de liberación de calor.
La teoría de la partición de aerosoles gobierna la condensación y la evaporación de la superficie de un aerosol, respectivamente. La condensación de masa hace que aumente la distribución del tamaño de las partículas del aerosol; por el contrario, la evaporación hace que el modo disminuya. La nucleación es el proceso de formación de una masa de aerosol a partir de la condensación de un precursor gaseoso, específicamente un vapor . La condensación neta del vapor requiere sobresaturación, una presión parcial mayor que su presión de vapor . Esto puede suceder por tres razones: [ cita necesaria ]
Hay dos tipos de procesos de nucleación. Los gases se condensan preferentemente en superficies de partículas de aerosol preexistentes, lo que se conoce como nucleación heterogénea . Este proceso hace que el diámetro en el modo de distribución del tamaño de partículas aumente con una concentración numérica constante. [48] Con una sobresaturación suficientemente alta y sin superficies adecuadas, las partículas pueden condensarse en ausencia de una superficie preexistente, lo que se conoce como nucleación homogénea . Esto da como resultado la adición de partículas muy pequeñas y de rápido crecimiento a la distribución del tamaño de partículas. [48]
El agua recubre las partículas de los aerosoles, activándolas , generalmente en el contexto de la formación de una gota de nube (como la siembra natural de nubes por aerosoles de árboles en un bosque). [49] Siguiendo la ecuación de Kelvin (basada en la curvatura de las gotas de líquido), las partículas más pequeñas necesitan una humedad relativa ambiental más alta para mantener el equilibrio que las partículas más grandes. La siguiente fórmula da la humedad relativa en equilibrio:
donde es la presión de vapor de saturación sobre una partícula en equilibrio (alrededor de una gota de líquido curvada), p 0 es la presión de vapor de saturación (superficie plana del mismo líquido) y S es la relación de saturación.
La ecuación de Kelvin para la presión de vapor de saturación sobre una superficie curva es:
donde r p radio de la gota, σ tensión superficial de la gota, ρ densidad del líquido, M masa molar, T temperatura y R constante molar del gas.
No existen soluciones generales para la ecuación dinámica general (GDE); [50] Los métodos comunes utilizados para resolver la ecuación dinámica general incluyen: [51]
Los aerosoles pueden medirse in situ o mediante técnicas de teledetección .
Algunas técnicas de medición in situ disponibles incluyen:
Los enfoques de teledetección incluyen:
Las partículas pueden depositarse en la nariz , boca , faringe y laringe (la región de las vías respiratorias de la cabeza), más profundamente dentro del tracto respiratorio (desde la tráquea hasta los bronquiolos terminales ) o en la región alveolar . [59] La ubicación de la deposición de partículas de aerosol dentro del sistema respiratorio determina en gran medida los efectos sobre la salud de la exposición a dichos aerosoles. [59] Este fenómeno llevó a la gente a inventar muestreadores de aerosoles que seleccionan un subconjunto de partículas de aerosol que llegan a ciertas partes del sistema respiratorio. [60]
Ejemplos de estos subconjuntos de distribución del tamaño de partículas de un aerosol, importantes en la salud ocupacional, incluyen las fracciones inhalables, torácicas y respirables. La fracción que puede ingresar a cada parte del sistema respiratorio depende del depósito de partículas en las partes superiores de las vías respiratorias. [61] La fracción inhalable de partículas, definida como la proporción de partículas originalmente en el aire que pueden entrar por la nariz o la boca, depende de la velocidad y dirección del viento externo y de la distribución del tamaño de las partículas por diámetro aerodinámico. [62] La fracción torácica es la proporción de partículas en el aerosol ambiental que pueden alcanzar el tórax o la región del tórax. [63] La fracción respirable es la proporción de partículas en el aire que pueden llegar a la región alveolar. [64] Para medir la fracción respirable de partículas en el aire, se utiliza un precolector con un filtro de muestreo. El precolector excluye las partículas a medida que las vías respiratorias eliminan las partículas del aire inhalado. El filtro de muestreo recoge las partículas para su medición. Es común utilizar separación ciclónica para el precolector, pero otras técnicas incluyen impactadores, elutriadores horizontales y filtros de membrana de poros grandes . [sesenta y cinco]
Dos criterios alternativos de tamaño selectivo, frecuentemente utilizados en el monitoreo atmosférico, son PM 10 y PM 2,5 . ISO define las PM 10 como partículas que pasan a través de una entrada de tamaño selectivo con un límite de eficiencia del 50 % con un diámetro aerodinámico de 10 μm y las PM 2,5 como partículas que pasan a través de una entrada de tamaño selectivo con un límite de eficiencia del 50 %. a 2,5 μm de diámetro aerodinámico . PM 10 corresponde a la "convención torácica" tal como se define en ISO 7708:1995, cláusula 6; PM 2,5 corresponde a la "convención respirable de alto riesgo" según se define en ISO 7708:1995, 7.1. [66] La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos reemplazó las normas más antiguas para partículas basadas en partículas totales suspendidas con otra norma basada en PM 10 en 1987 [67] y luego introdujo normas para PM 2,5 (también conocidas como partículas finas) en 1997. [ 68]