Aerosol

Suspensión de finas partículas sólidas o gotas de líquido en el aire u otro gas.

La niebla y la niebla son aerosoles.

Un aerosol es una suspensión de finas partículas sólidas o gotitas de líquido en el aire u otro gas . ^[1] Los aerosoles pueden ser naturales o antropogénicos . El término aerosol comúnmente se refiere a la mezcla de partículas y aire, a diferencia de las partículas solas. ^[2] Ejemplos de aerosoles naturales son la niebla o neblina , el polvo , los exudados forestales y el vapor de géiseres . Ejemplos de aerosoles antropogénicos incluyen partículas contaminantes del aire , niebla proveniente de la descarga de represas hidroeléctricas , niebla de irrigación , perfume de atomizadores , humo , polvo , vapor de una tetera, pesticidas rociados y tratamientos médicos para enfermedades respiratorias. ^[3] Cuando una persona inhala el contenido de un vaporizador o de un cigarrillo electrónico , está inhalando un aerosol antropogénico . ^[4]

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 es clara). En una conversación general, aerosol a menudo se refiere a un sistema dispensador que entrega un producto de consumo en una lata.

Las enfermedades se pueden propagar por medio de pequeñas gotas en el aliento , ^[5] a veces llamadas bioaerosoles . ^[6]

Definiciones

Fotomicrografía realizada con un microscopio electrónico de barrido (SEM): partículas de cenizas volantes con un aumento de 2000×. La mayoría de las partículas de este aerosol son casi esféricas.

Lata de aerosol

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. ^{[7] 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. ^[8] Los aerosoles primarios contienen partículas introducidas directamente en el gas; Los aerosoles secundarios se forman mediante la conversión de gas en partículas. ^[9]

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. ^[7] Varios tipos de aerosoles, clasificados según su forma física y cómo se generaron, incluyen polvo, humo, niebla, humo y niebla. ^[10]

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 . ^[11]

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. ^[9] 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. ^[12] El diámetro de volumen equivalente ( d _e ) se define como el diámetro de una esfera del mismo volumen que el de la partícula irregular. ^[13] También se utiliza comúnmente el diámetro aerodinámico,  d _a .

Generación y aplicaciones

Las personas generan aerosoles para diversos fines, entre ellos:

• como aerosoles de prueba para calibrar instrumentos, realizar investigaciones y probar equipos de muestreo y filtros de aire; ^[14]
• entregar desodorantes , pinturas y otros productos de consumo en aerosoles; ^[15]
• para dispersión y aplicación agrícola
• para el tratamiento médico de enfermedades respiratorias ; ^[16] y
• en sistemas de inyección de combustible y otras tecnologías de combustión . ^[17]

Algunos dispositivos para generar aerosoles son: ^[3]

• Aerosol
• Boquilla atomizadora o nebulizador
• electropulverización
• Cigarrillo electrónico
• Generador de aerosol con orificio vibratorio (VOAG)

En la atmósfera

Contaminación por aerosoles en el norte de India y Bangladesh

Descripción general de las grandes nubes de aerosoles alrededor de la Tierra (verde: humo, azul: sal, amarillo: polvo, blanco: sulfúrico)

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. El aerosol volcánico se forma 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. ^[18]

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:

• Materiales inorgánicos naturales : polvo fino, sal marina o gotas de agua.
• Materiales orgánicos naturales : humo, polen , esporas o bacterias.
• productos antropogénicos de la combustión como: humo, cenizas o polvos

Los aerosoles se pueden encontrar en los ecosistemas urbanos en diversas formas, por ejemplo:

• Polvo
• Humo de cigarro
• Niebla de latas de aerosol
• Hollín o vapores en el escape de los automóviles.

La presencia de aerosoles en la atmósfera terrestre puede influir en su clima, así como en la salud humana.

Efectos

Los aerosoles tienen un efecto de enfriamiento pequeño en comparación con el forzamiento radiativo (efecto de calentamiento) de los gases de efecto invernadero. ^[19]

• 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. ^[20]
• Los aerosoles interactúan con el presupuesto energético de la Tierra de dos maneras: directa e indirectamente.

Por ejemplo, un efecto directo es que los aerosoles dispersan y absorben la radiación solar entrante. ^[21] Esto conducirá principalmente a un enfriamiento de la superficie (la radiación solar se dispersa hacia el espacio), pero también puede contribuir a un calentamiento de la superficie (causado por la absorción de la energía solar entrante). ^[22] Esto será un elemento adicional al efecto invernadero y, por lo tanto, contribuirá al cambio climático global. ^[23]

Los efectos indirectos se refieren a que el aerosol interfiere con formaciones que interactúan directamente con la radiación. Por ejemplo, son capaces de modificar el tamaño de las partículas de las nubes en la atmósfera inferior, cambiando así la forma en que las nubes reflejan y absorben la luz y, por tanto, modificando el presupuesto energético de la Tierra. ^[20]

Hay evidencia que sugiere que los aerosoles antropogénicos en realidad compensan los efectos de los gases de efecto invernadero en algunas áreas, razón por la cual el hemisferio norte muestra un calentamiento de la superficie más lento que el hemisferio sur, aunque eso sólo significa que el hemisferio norte absorberá el calor más tarde a través de las corrientes oceánicas. trayendo aguas más cálidas desde el Sur. ^[24] Sin embargo, a escala global, el enfriamiento por aerosoles disminuye el calentamiento inducido por los gases de efecto invernadero sin compensarlo por completo. ^[25]

• Cuando los aerosoles absorben contaminantes, facilitan su deposición en la superficie de la tierra y en las masas de agua. ^[23] Esto tiene el potencial de ser perjudicial tanto para el medio ambiente como para la salud humana.
• 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); ^[26] dado que este tamaño de aerosol se absorbe más eficazmente en la nariz humana, ^[27] el sitio de infección primordial en COVID-19 , dichos aerosoles pueden contribuir a la pandemia.
• 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 ^[28] , lo que puede ser peligroso para la salud humana.

Distribución de tamaño

Se representó la misma distribución hipotética de aerosoles log-normal, de arriba a abajo, como distribución de número versus diámetro, área de superficie versus distribución de diámetro y distribución de volumen versus diámetro. Los nombres de modos típicos se muestran en la parte superior. Cada distribución se normaliza de modo que el área total sea 1000.

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. ^[29] 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. ^[30] Si el ancho de los contenedores tiende a cero , la función de frecuencia es: ^[31]

${\displaystyle \mathrm {d} f=f(d_{p})\,\mathrm {d} d_{p}}$

dónde

${\displaystyle d_{p}}$es el diámetro de las partículas

${\displaystyle \,\mathrm {d} f}$es la fracción de partículas que tienen diámetros entre y + ${\displaystyle d_{p}}$ ${\displaystyle d_{p}}$ ${\displaystyle \mathrm {d} d_{p}}$

${\displaystyle f(d_{p})}$es la función de frecuencia

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: ^[31]

${\displaystyle f_{ab}=\int _{a}^{b}f(d_{p})\,\mathrm {d} d_{p}}$

También se puede formular en términos de la densidad numérica total N : ^[32]

${\displaystyle dN=N(d_{p})\,\mathrm {d} d_{p}}$

Suponiendo partículas de aerosol esféricas, el área de superficie del aerosol por unidad de volumen ( S ) viene dada por el segundo momento : ^[32]

${\displaystyle S=\pi /2\int _{0}^{\infty }N(d_{p})d_{p}^{2}\,\mathrm {d} d_{p}}$

Y el tercer momento da la concentración de volumen total ( V ) de las partículas: ^[32]

${\displaystyle V=\pi /6\int _{0}^{\infty }N(d_{p})d_{p}^{3}\,\mathrm {d} d_{p}}$

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 . ^[33]

Una distribución log-normal más elegida da la frecuencia numérica como: ^[33]

${\displaystyle \mathrm {d} f={\frac {1}{d_{p}\sigma {\sqrt {2\pi }}}}e^{-{\frac {(ln(d_{p})-{\bar {d_{p}}})^{2}}{2\sigma ^{2}}}}\mathrm {d} d_{p}}$

dónde:

${\displaystyle \sigma }$es la desviación estándar de la distribución de tamaños y

${\displaystyle {\bar {d_{p}}}}$es el diámetro medio aritmético .

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. ^[34]

Otras distribuciones que a veces se utilizan para caracterizar el tamaño de las partículas incluyen: la distribución Rosin-Rammler , aplicada a polvos y aerosoles gruesamente dispersos; 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. ^[35]

Física

Velocidad terminal de una partícula en un fluido.

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: ^[36]

${\displaystyle F_{D}={\frac {3\pi \eta Vd}{C_{c}}}}$

dónde

${\displaystyle F_{D}}$es la fuerza resistente sobre una partícula esférica

${\displaystyle \eta }$es la viscosidad dinámica del gas

${\displaystyle V}$es la velocidad de la partícula

${\displaystyle C_{c}}$es el factor de corrección de Cunningham.

Esto nos permite calcular la velocidad terminal de una partícula que sufre sedimentación gravitacional en aire en calma. Despreciando los efectos de flotabilidad , encontramos: ^[37]

${\displaystyle V_{TS}={\frac {\rho _{p}d^{2}gC_{c}}{18\eta }}}$

dónde

${\displaystyle V_{TS}}$es la velocidad de sedimentación terminal de la partícula.

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: ^[38]

${\displaystyle B={\frac {V}{F_{D}}}={\frac {C_{c}}{3\pi \eta d}}}$

Una partícula que viaja a cualquier velocidad inicial razonable se acerca exponencialmente a su velocidad terminal con un tiempo de plegado e igual al tiempo de relajación: ^[39]

${\displaystyle V(t)=V_{f}-(V_{f}-V_{0})e^{-{\frac {t}{\tau }}}}$

dónde:

${\displaystyle V(t)}$es la velocidad de la partícula en el tiempo t

${\displaystyle V_{f}}$es la velocidad final de la partícula

${\displaystyle V_{0}}$es la velocidad inicial de la partícula

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: ^[13]

${\displaystyle \chi ={\frac {F_{D}}{3\pi \eta Vd_{e}}}}$

dónde:

${\displaystyle \chi }$es el factor de forma dinámica

Diámetro aerodinámico

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. ^[40]

Despreciando la corrección de deslizamiento, la partícula se asienta a la velocidad terminal proporcional al cuadrado del diámetro aerodinámico , d _a : ^[40]

${\displaystyle V_{TS}={\frac {\rho _{0}d_{a}^{2}g}{18\eta }}}$

dónde

${\displaystyle \ \rho _{0}}$= densidad de partículas estándar (1000 kg/m ³ ).

Esta ecuación da el diámetro aerodinámico: ^[41]

${\displaystyle d_{a}=d_{e}\left({\frac {\rho _{p}}{\rho _{0}\chi }}\right)^{\frac {1}{2}}}$

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 ]}

Dinámica

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. ^[42]

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. ^[42]

${\displaystyle {\frac {\partial {n_{i}}}{\partial {t}}}=-\nabla \cdot n_{i}\mathbf {q} +\nabla \cdot D_{p}\nabla _{i}n_{i}+\left({\frac {\partial {n_{i}}}{\partial {t}}}\right)_{\mathrm {growth} }+\left({\frac {\partial {n_{i}}}{\partial {t}}}\right)_{\mathrm {coag} }-\nabla \cdot \mathbf {q} _{F}n_{i}}$

Cambio en el tiempo = Transporte convectivo + difusión browniana + interacciones gas-partícula + coagulación + migración por fuerzas externas

Dónde:

${\displaystyle n_{i}}$es la densidad numérica de partículas de categoría de tamaño ${\displaystyle i}$

${\displaystyle \mathbf {q} }$es la velocidad de la partícula

${\displaystyle D_{p}}$es la difusividad de Stokes-Einstein de la partícula

${\displaystyle \mathbf {q} _{F}}$es la velocidad de la partícula asociada con una fuerza externa

Coagulación

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. ^[43] 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.

Regímenes dinámicos

El número de Knudsen de la partícula define tres regímenes dinámicos diferentes que gobiernan el comportamiento de un aerosol:

${\displaystyle K_{n}={\frac {2\lambda }{d}}}$

donde es el camino libre medio del gas en suspensión y es el diámetro de la partícula. ^[44] Para partículas en el régimen molecular libre , K _n >> 1; partículas pequeñas en comparación con el recorrido libre medio del gas en suspensión. ^[45] 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: ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle d}$

${\displaystyle I={\frac {\pi a^{2}}{k_{b}}}\left({\frac {P_{\infty }}{T_{\infty }}}-{\frac {P_{A}}{T_{A}}}\right)\cdot C_{A}\alpha }$

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. ^[45] 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. ^[45] El flujo molecular en este régimen es:

${\displaystyle I_{cont}\sim {\frac {4\pi aM_{A}D_{AB}}{RT}}\left(P_{A\infty }-P_{AS}\right)}$

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:

${\displaystyle I=I_{cont}\cdot {\frac {1+K_{n}}{1+1.71K_{n}+1.33{K_{n}}^{2}}}}$

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.

Fraccionamiento

Condensación y evaporación

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 ]}

1. Bajar la temperatura del sistema reduce la presión de vapor.
2. Las reacciones químicas pueden aumentar la presión parcial de un gas o disminuir su presión de vapor.
3. La adición de vapor adicional al sistema puede reducir la presión de vapor de equilibrio según la ley de Raoult .

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. ^[46] 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. ^[46]

Activación

El agua recubre las partículas de los aerosoles, haciéndolos activarse , 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). ^[47] 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:

${\displaystyle RH={\frac {p_{s}}{p_{0}}}\times 100\%=S\times 100\%}$

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. ${\displaystyle p_{s}}$

La ecuación de Kelvin para la presión de vapor de saturación sobre una superficie curva es:

${\displaystyle \ln {p_{s} \over p_{0}}={\frac {2\sigma M}{RT\rho \cdot r_{p}}}}$

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.

Solución a la ecuación dinámica general.

No existen soluciones generales para la ecuación dinámica general (GDE); ^[48] ​​Los métodos comunes utilizados para resolver la ecuación dinámica general incluyen: ^[49]

• Método del momento ^[50]
• Método modal/seccional, ^[51] y
• Método de cuadratura de momentos ^{[52] [53]} /Método de expansión de momentos en serie de Taylor, ^{[54] [55]} y
• Método Montecarlo. ^[56]

Detección

Los aerosoles pueden medirse in situ o mediante técnicas de teledetección .

Observaciones in situ

Algunas técnicas de medición in situ disponibles incluyen:

• Espectrómetro de masas en aerosol (AMS)
• Analizador de movilidad diferencial (DMA)
• Espectrómetro eléctrico de aerosoles (EAS)
• Medidor de partículas aerodinámico (APS)
• Clasificador aerodinámico de aerosoles (AAC)
• Espectrómetro de partículas de amplio rango (WPS)
• Impactador de depósito uniforme con microorificios (MOUDI)
• Contador de partículas de condensación (CPC)
• Epifaniómetro
• Impactador eléctrico de baja presión (ELPI)
• Analizador de masa de partículas de aerosol (APM)
• Analizador de masa de partículas centrífugas (CPMA)

Enfoque de teledetección

Los enfoques de teledetección incluyen:

• fotómetro solar
• Lídar
• Espectroscopia de imágenes

Muestreo selectivo de tamaño

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 . ^[57] 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. ^[57] 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. ^[58]

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. ^[59] 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. ^[60] La fracción torácica es la proporción de partículas en el aerosol ambiental que pueden alcanzar el tórax o la región del tórax. ^[61] La fracción respirable es la proporción de partículas en el aire que pueden llegar a la región alveolar. ^[62] 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 . ^[63]

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. ^[64] 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 ^[65] y luego introdujo normas para PM _2,5 (también conocidas como partículas finas) en 1997. ^[66 ]

Ver también

• aerogel
• Aeroplancton
• Transmisión de aerosoles
• bioaerosol
• Deposición (física de aerosoles)
• Oscurecimiento global
• Nebulizador
• monoterpeno
• Inyección de aerosol estratosférico

Referencias

1. Hinds 1999, pág. 3.
2. Seinfeld J, Pandis S (1998). Química y física atmosféricas: de la contaminación del aire al cambio climático (2ª ed.). Hoboken, Nueva Jersey: John Wiley & Sons . pag. 97.ISBN _ 978-0-471-17816-3.
3. Hidy 1984, pág. 254.
4. "Tabaco: cigarrillos electrónicos". www.who.int . Consultado el 24 de agosto de 2021 .
5. Hunziker, Patrick (1 de octubre de 2021). "Minimizar la exposición a gotitas respiratorias, 'pasajeros de aviones' y aerosoles en habitaciones de hospital con aire acondicionado mediante una estrategia de 'protección y fregadero'". Abierto BMJ . 11 (10): e047772. doi : 10.1136/bmjopen-2020-047772. ISSN  2044-6055. PMC 8520596 . PMID  34642190. 
6. Fuller, Joanna Kotcher (31 de enero de 2017). Tecnología quirúrgica - Libro electrónico: principios y práctica. Ciencias de la Salud Elsevier. ISBN 978-0-323-43056-2.
7. "Aerosoles: partículas diminutas, gran impacto". Earthobservatory.nasa.gov . 2 de noviembre de 2010.
8. Hidy 1984, pag. 5.
9. Hinds 1999, pág. 8.
10. Colbeck y Lazaridis 2014, pag. Cap. 1.1.
11. Hinds 1999, págs. 10-11.
12. Hinds 1999, pag. 10.
13. Hinds 1999, pág. 51.
14. Hinds 1999, pag. 428.
15. Hidy 1984, pag. 255.
16. Hidy 1984, pag. 274.
17. Hidy 1984, pag. 278.
18. "Aerosoles atmosféricos: ¿qué son y por qué son tan importantes?". Centro de Investigación Langley de la NASA. 22 de abril de 2008 . Consultado el 27 de diciembre de 2014 .
19. Forster, muelles M.; Smith, Christopher J.; Walsh, Tristram; Cordero, William F.; et al. (2023). «Indicadores del Cambio Climático Global 2022: actualización anual de indicadores a gran escala del estado del sistema climático y la influencia humana» (PDF) . Datos científicos del sistema terrestre . Programa Copérnico. 15 (6): 2295–2327. Código Bib : 2023ESSD...15.2295F. doi : 10.5194/essd-15-2295-2023 .Figura 2(a).
20. Allen, Bob. "Aerosoles atmosféricos: ¿qué son y por qué son tan importantes?". NASA . Consultado el 8 de julio de 2014 .
21. Highwood, Ellie (5 de septiembre de 2018). "Aerosoles y Clima". Real Sociedad Meteorológica . Consultado el 7 de octubre de 2019 .
22. "Quinto Informe de Evaluación - Cambio Climático 2013". www.ipcc.ch. _ Consultado el 7 de febrero de 2018 .
23. Kommalapati, Raghava R.; Valsaraj, Kalliat T. (2009). Aerosoles atmosféricos: caracterización, química, modelización y clima . vol. 1005. Washington, DC: Sociedad Química Estadounidense. págs. 1–10. doi :10.1021/bk-2009-1005.ch001. ISBN 978-0-8412-2482-7.
24. Aerosoles antropogénicos, gases de efecto invernadero y la absorción, transporte y almacenamiento del exceso de calor en el sistema climático Irving, DB; Wijffels, S.; Iglesia, JA (2019). "Aerosoles antropogénicos, gases de efecto invernadero y la absorción, transporte y almacenamiento del exceso de calor en el sistema climático". Cartas de investigación geofísica . 46 (9): 4894–4903. Código Bib : 2019GeoRL..46.4894I. doi : 10.1029/2019GL082015 . hdl : 1912/24327 .
25. GIEC AR6 WG1 - Figura RRP.2 https://www.ipcc.ch/report/sixth-assessment-report-working-group-i/
26. Hunziker, Patrick (16 de diciembre de 2020). "Minimizar la exposición a gotitas respiratorias, 'pasajeros de aviones' y aerosoles en habitaciones de hospital con aire acondicionado mediante una estrategia de 'protección y fregadero'". medRxiv 10.1101/2020.12.08.20233056v1 . 
27. Kesavanathan, Jana; Rápido, David L. (1998). "Deposición de partículas en las vías nasales humanas: el efecto del tamaño de las partículas, el caudal y los factores anatómicos". Ciencia y tecnología de aerosoles . 28 (5): 457–463. Código Bib : 1998AerST..28..457K. doi :10.1080/02786829808965537. ISSN  0278-6826.
28. Grainger, Don. "Emisiones volcánicas". Grupo de datos de observación de la Tierra, Departamento de Física, Universidad de Oxford . Universidad de Oxford . Consultado el 8 de julio de 2014 .
29. Jillavenkatesa, A; Dapkunas, SJ; Lin-Sien, Lum (2001). "Caracterización del tamaño de partículas". Publicación especial del NIST . 960–1.
30. Hinds 1999, págs. 75–77.
31. Hinds 1999, pág. 79.
32. Hidy 1984, pag. 58.
33. Hinds 1999, pág. 90.
34. Hinds 1999, pag. 91.
35. Hinds 1999, págs. 104-5.
36. Hinds 1999, pag. 44-49.
37. Hinds 1999, pag. 49.
38. Hinds 1999, pag. 47.
39. Hinds 1999, pag. 115.
40. Hinds 1999, pág. 53.
41. Hinds 1999, pag. 54.
42. Hidy 1984, pág. 60.
43. Hinds 1999, pag. 260.
44. Barón, PA y Willeke, K. (2001). "Movimiento de gases y partículas". Medición de aerosoles: principios, técnicas y aplicaciones .
45. DeCarlo, PF (2004). "Caracterización de la densidad y morfología de partículas mediante mediciones combinadas de diámetro aerodinámico y movilidad. Parte 1: Teoría". Ciencia y tecnología de aerosoles . 38 (12): 1185-1205. Código Bib : 2004AerST..38.1185D. doi : 10.1080/027868290903907 .
46. Hinds 1999, pág. 288.
47. Spracklen, Dominick V; Bonn, Boris; Carslaw, Kenneth S (28 de diciembre de 2008). "Bosques boreales, aerosoles y los impactos sobre las nubes y el clima". Transacciones filosóficas de la Royal Society A: Ciencias matemáticas, físicas y de ingeniería . 366 (1885): 4613–4626. Código Bib : 2008RSPTA.366.4613S. doi :10.1098/rsta.2008.0201. ISSN  1364-503X. PMID  18826917. S2CID  206156442.
48. Hidy 1984, pag. 62.
49. Friedlander 2000.
50. Hulburt, HM; Katz, S. (1964). "Algunos problemas en la tecnología de partículas". Ciencias de la Ingeniería Química . 19 (8): 555–574. doi :10.1016/0009-2509(64)85047-8.
51. Landgrebe, James D.; Pratsinis, Sotiris E. (1990). "Un modelo de sección discreta para la producción de partículas mediante reacción química en fase gaseosa y coagulación de aerosoles en el régimen molecular libre". Revista de ciencia de interfaces y coloides . 139 (1): 63–86. Código Bib : 1990JCIS..139...63L. doi :10.1016/0021-9797(90)90445-T.
52. McGraw, Robert (1997). "Descripción de la dinámica de los aerosoles mediante el método de cuadratura de momentos". Ciencia y tecnología de aerosoles . 27 (2): 255–265. Código Bib : 1997AerST..27..255M. doi : 10.1080/02786829708965471 .
53. Marchisio, Daniele L.; Fox, Rodney O. (2005). "Solución de ecuaciones de equilibrio poblacional mediante el método de cuadratura directa de momentos". Revista de ciencia de aerosoles . 36 (1): 43–73. Código Bib : 2005JAerS..36...43M. doi :10.1016/j.jaerosci.2004.07.009.
54. Yu, Mingzhou; Lin, Jianzhong; Chan, Tatleung (2008). "Un nuevo método de momento para resolver la ecuación de coagulación de partículas en movimiento browniano". Ciencia y tecnología de aerosoles . 42 (9): 705–713. Código Bib : 2008AerST..42..705Y. doi : 10.1080/02786820802232972. hdl : 10397/9612 . S2CID  120582575.
55. Yu, Mingzhou; Lin, Jianzhong (2009). "Método del momento de expansión de Taylor para la coagulación de aglomerados debido al movimiento browniano en todo el régimen de tamaño". Revista de ciencia de aerosoles . 40 (6): 549–562. Código Bib : 2009JAerS..40..549Y. doi :10.1016/j.jaerosci.2009.03.001.
56. Kraft, Murkus (2005). "Modelado de procesos de partículas". Diario de polvos y partículas KONA . 23 : 18–35. doi : 10.14356/kona.2005007 .
57. Hinds 1999, pág. 233.
58. Hinds 1999, pag. 249.
59. Hinds 1999, pag. 244.
60. Hinds 1999, pag. 246.
61. Hinds 1999, pag. 254.
62. Hinds 1999, pag. 250.
63. Hinds 1999, pag. 252.
64. "Contaminación por partículas: PM10 y PM2,5". Reconocimiento, Evaluación, Control. Noticias y opiniones de Diamond Environmental Limited . 2010-12-10 . Consultado el 23 de septiembre de 2012 .
65. "Partículas (PM-10)". Archivado desde el original el 1 de septiembre de 2012 . Consultado el 23 de septiembre de 2012 .
66. "Información básica" . Consultado el 23 de septiembre de 2012 .

Fuentes

• Colbeck, Ian; Lazaridis, Mihalis, eds. (2014). Ciencia de los aerosoles: tecnología y aplicaciones . John Wiley & Sons - Ciencia. ISBN 978-1-119-97792-6.
• Friedlander, SK (2000). Humo, polvo y neblina: fundamentos del comportamiento de los aerosoles (2ª ed.). Nueva York: Oxford University Press. ISBN 0-19-512999-7.
• Hinds, William C. (1999). Tecnología de aerosoles (2ª ed.). Wiley - Interciencia. ISBN 978-0-471-19410-1.
• Hidy, George M. (1984). Aerosoles, una ciencia industrial y ambiental . Prensa académica, Inc. ISBN 978-0-12-412336-6.

enlaces externos

• Asamblea Internacional de Investigación de Aerosoles Archivado el 21 de enero de 2020 en la Wayback Machine.
• Asociación Americana para la investigación de aerosoles
• Manual de métodos analíticos de NIOSH (consulte los capítulos sobre muestreo de aerosoles)