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Aerosol

La bruma y la niebla son aerosoles. Un aerosol es una suspensión de partículas sólidas finas o gotas líquidas en aire u otro gas . [ 1 ] Los aerosoles pueden generarse por causa...

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fotografía de niebla densa
La bruma y la niebla son aerosoles.

Un aerosol es una suspensión de partículas sólidas finas o gotas líquidas en aire u otro gas . [ 1 ] Los aerosoles pueden generarse por causas naturales o humanas . El término científico aerosol se refiere a la mezcla de partículas en gas, y no a la materia particulada sola. [ 2 ] Las partículas líquidas o sólidas en un aerosol tienen diámetros típicamente menores de 1 μm . Las partículas más grandes con una velocidad de sedimentación significativa hacen que la mezcla sea una suspensión, aunque la distinción no es clara. 

Ejemplos de aerosoles naturales son la niebla , la bruma y el polvo de origen geológico o biológico. Ciertas infecciones se propagan a través de pequeñas gotitas en la respiración , a veces llamadas bioaerosoles . [ 3 ] Varios tipos de aerosoles atmosféricos tienen un efecto significativo en el clima de la Tierra: volcánicos, polvo del desierto, sal marina, originados de fuentes biogénicas y artificiales. El aerosol volcánico se forma en la estratosfera después de una erupción como gotitas de ácido sulfúrico que pueden persistir hasta por dos años y reflejan la luz solar, disminuyendo la temperatura. El polvo del desierto, partículas minerales arrastradas a grandes altitudes, absorbe el calor y puede ser responsable de inhibir la formación de nubes de tormenta.

En el lenguaje cotidiano, aerosol suele referirse a un sistema de dispensación que libera un producto de consumo desde una lata de aerosol . Otros ejemplos de aerosoles de origen humano incluyen perfumes de atomizadores , tratamientos médicos para enfermedades respiratorias, polvo de fuentes industriales o materiales, humo , neblina de riego, pesticidas rociados , contaminantes atmosféricos particulados y neblina de descarga en represas hidroeléctricas . [ 4 ]

Los aerosoles de sulfato de origen antropogénico , provenientes principalmente de la quema de petróleo y carbón, afectan el comportamiento de las nubes. [ 5 ] Cuando los aerosoles absorben contaminantes, facilitan su deposición en la superficie terrestre y en cuerpos de agua. [ 6 ] Esto puede ser perjudicial tanto para el medio ambiente como para la salud humana.

Las estelas de los barcos son nubes que se forman alrededor de los gases de escape que estos liberan en la atmósfera oceánica. Las moléculas de agua se acumulan alrededor de las diminutas partículas ( aerosoles ) de los gases de escape, formando una semilla de nube . Cada vez se acumula más agua sobre esta semilla hasta que se forma una nube visible. En el caso de las estelas de los barcos, las semillas de nube se extienden a lo largo de un camino estrecho y alargado por donde el viento ha dispersado los gases de escape, por lo que las nubes resultantes se asemejan a largas cuerdas sobre el océano.

El calentamiento provocado por los gases de efecto invernadero de origen humano se ha visto parcialmente compensado por el efecto de enfriamiento de los aerosoles también de origen humano. En 2020, las regulaciones sobre combustibles redujeron significativamente las emisiones de dióxido de azufre del transporte marítimo internacional en aproximadamente un 80 %, lo que provocó una inesperada interrupción de la geoingeniería a nivel mundial. [ 7 ]

Definiciones

Partículas de cenizas volantes mostradas con un aumento de 2000 veces.
Microfotografía realizada con un microscopio electrónico de barrido (MEB): Partículas de ceniza volante con un aumento de 2000×. La mayoría de las partículas de este aerosol son casi esféricas.
Lata de aerosol

Un 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 de suspensión, que suele ser aire. [ 1 ] Los meteorólogos y climatólogos a menudo se refieren a ellos como materia particulada, mientras que la clasificación en rangos de tamaño como PM2.5 o PM10, [ 8 ] [ 9 ] es útil en el campo de la contaminación atmosférica, ya que estos rangos de tamaño juegan un papel en la determinación de los efectos nocivos en la salud humana. [ 10 ] Frederick G. Donnan presumiblemente 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 forma análoga al término hidrosol , un sistema coloidal con agua como medio disperso. [ 11 ] Los aerosoles primarios contienen partículas introducidas directamente en el gas; los aerosoles secundarios se forman a través de la conversión de gas a partícula. [ 12 ]

Los principales grupos de aerosoles incluyen sulfatos, carbono orgánico, carbono negro, nitratos, polvo mineral y sal marina; generalmente se agrupan para formar una mezcla compleja. [ 9 ] Los diversos tipos de aerosoles, clasificados según su forma física y cómo se generaron, incluyen polvo, humo, neblina, humo y niebla. [ 13 ]

Existen diversas medidas de concentración de aerosoles. En ciencias ambientales y salud ambiental se suele utilizar la concentración másica ( M ), definida como la masa de material particulado por unidad de volumen, en unidades como μg/m³ . También se utiliza comúnmente la concentración numérica ( N ), que es el número de partículas por unidad de volumen, en unidades como número por m³ o número por cm³ . [ 14 ]

El tamaño de las partículas influye considerablemente en sus propiedades, y el radio o diámetro de las partículas de aerosol ( d p ) es una propiedad clave que se utiliza para caracterizar los aerosoles.

Los aerosoles varían en su dispersión . 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 un rango de tamaños de partículas. [ 12 ] Las gotas líquidas son casi siempre casi esféricas, pero los científicos utilizan un diámetro equivalente para caracterizar las propiedades de varias 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. [ 15 ] El diámetro de volumen equivalente ( d e ) se define como el diámetro de una esfera del mismo volumen que el de la partícula irregular. [ 16 ] También se utiliza comúnmente el diámetro aerodinámico , d a .

Generación y aplicaciones

Las personas generan aerosoles con diversos fines, entre ellos:

Algunos dispositivos para generar aerosoles son: [ 4 ]

En la atmósfera

Fotografía satelital que muestra la contaminación por aerosoles visible desde el espacio.
Contaminación por aerosoles en el norte de la India y Bangladesh.
Vista general de las grandes nubes de aerosoles alrededor de la Tierra (verde: humo, azul: sal, amarillo: polvo, blanco: azufre).

Varios tipos de aerosoles atmosféricos tienen un efecto significativo en el clima de la Tierra: volcánicos, polvo del desierto, sal marina, de origen biogénico y antropogénicos. Los aerosoles volcánicos se forman en la estratosfera tras una erupción como gotas de ácido sulfúrico que pueden persistir hasta dos años y reflejan la luz solar, disminuyendo la temperatura. El polvo del desierto, partículas minerales arrastradas por el viento a grandes altitudes, absorbe calor y puede ser responsable de la inhibición de la formación de nubes de tormenta. Los aerosoles de sulfato antropogénicos , provenientes principalmente de la quema de petróleo y carbón, afectan el comportamiento de las nubes. [ 5 ]

Aunque todos los hidrometeoros , sólidos y líquidos, pueden describirse como aerosoles, comúnmente se distingue entre dichas dispersiones (es decir, nubes y precipitaciones) que contienen gotas de agua o cristales de hielo relativamente grandes, y partículas de aerosol. La atmósfera terrestre contiene aerosoles de diversos tipos y concentraciones, incluyendo cantidades de:

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

  • Polvo
  • humo de cigarrillo
  • Niebla procedente de latas de aerosol
  • Hollín o gases en el escape del automóvil

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 que es pequeño en comparación con el forzamiento radiativo (efecto de calentamiento) de los gases de efecto invernadero. [ 21 ]
Hansen et  al. (2025) escribieron que el IPCC había subestimado el efecto de enfriamiento de los aerosoles, lo que provocó que también subestimara la sensibilidad climática (la capacidad de respuesta de la Tierra a los aumentos en las concentraciones de gases de efecto invernadero). [ 22 ] En lo que Hansen denominó un pacto fáustico , la regulación de los aerosoles mejoró la calidad del aire, pero el efecto de enfriamiento de los aerosoles resultó insuficiente para mitigar el creciente efecto de calentamiento de los gases de efecto invernadero, lo que explica el calentamiento global inesperadamente grande en 2023-2024. [ 22 ]

Las erupciones volcánicas liberan grandes cantidades de ácido sulfúrico , sulfuro de hidrógeno y ácido clorhídrico a la atmósfera. Estos gases constituyen aerosoles y, finalmente, regresan a la Tierra en forma de lluvia ácida , con diversos efectos adversos sobre el medio ambiente y la vida humana. [ 23 ]

Cuando los aerosoles absorben contaminantes, facilitan su deposición en la superficie terrestre y en cuerpos de agua. [ 6 ] Esto puede ser perjudicial tanto para el medio ambiente como para la salud humana.

Los aerosoles interactúan con el balance 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 incidente. [ 24 ] Esto provocará principalmente un enfriamiento de la superficie (la radiación solar se dispersa de vuelta al espacio), pero también puede contribuir a un calentamiento de la superficie (causado por la absorción de la energía solar incidente). [ 25 ] Este será un elemento adicional al efecto invernadero y, por lo tanto, contribuirá al cambio climático global. [ 6 ]
  • Los efectos indirectos se refieren a la interferencia del aerosol con formaciones que interactúan directamente con la radiación. Por ejemplo, pueden 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 lo tanto, modificando el balance energético de la Tierra. [ 23 ]
  • Hay evidencia que sugiere que los aerosoles antropogénicos contrarrestan los efectos de los gases de efecto invernadero en algunas áreas, razón por la cual el hemisferio norte muestra un calentamiento superficial más lento que el hemisferio sur, aunque esto solo significa que el hemisferio norte absorberá el calor más tarde a través de las corrientes oceánicas que traen aguas más cálidas del sur. [ 26 ] Sin embargo, a escala global, el enfriamiento por aerosoles disminuye el calentamiento inducido por los gases de efecto invernadero sin compensarlo por completo. [ 27 ]

Las estelas de los barcos son nubes que se forman alrededor de los gases de escape que estos liberan en el aire tranquilo del océano. Las moléculas de agua se acumulan alrededor de las diminutas partículas ( aerosoles ) de los gases de escape para formar un núcleo de nube . Cada vez se acumula más agua sobre este núcleo hasta que se forma una nube visible. En el caso de las estelas de los barcos, los núcleos de nube se extienden a lo largo de una trayectoria estrecha y alargada por donde el viento ha arrastrado los gases de escape, por lo que las nubes resultantes se asemejan a largas cuerdas sobre el océano. [ 28 ]

El calentamiento provocado por los gases de efecto invernadero de origen humano se ha visto parcialmente compensado por el efecto de enfriamiento de los aerosoles también de origen humano. En 2020, las regulaciones sobre combustibles redujeron significativamente las emisiones de dióxido de azufre del transporte marítimo internacional en aproximadamente un 80 %, lo que provocó una inesperada interrupción de la geoingeniería a nivel mundial. [ 7 ]

Los aerosoles en el  rango de 20 μm muestran un tiempo de persistencia particularmente largo en habitaciones con aire acondicionado debido a su comportamiento de "jet rider" (se mueven con los chorros de aire, caen por gravedad en el aire que se mueve lentamente); [ 29 ] como este tamaño de aerosol se adsorbe de manera más efectiva en la nariz humana, [ 30 ] el sitio de infección primordial en COVID-19 , dichos aerosoles pueden contribuir a la pandemia. [ 31 ]

Las partículas de aerosol con un diámetro efectivo menor de 10  μm pueden entrar en los bronquios, mientras que las que tienen un diámetro efectivo menor de 2,5  μm pueden llegar hasta la región de intercambio de gases en los pulmones, [ 32 ] lo que puede ser peligroso para la salud humana.

Distribución del tamaño

Gráfico que muestra la distribución del tamaño de los aerosoles en función de diferentes variables.
La misma distribución hipotética log-normal (bimodal) de aerosoles se representa gráficamente, de arriba abajo, como una distribución de número frente a diámetro, una distribución de área superficial frente a diámetro y una distribución de volumen frente a diámetro. Los nombres típicos de los modos se muestran en la parte superior. Cada distribución está normalizada 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, las distribuciones de tamaño de partícula más complejas describen los tamaños de las partículas en un aerosol polidisperso. Esta distribución define las cantidades relativas de partículas, ordenadas según su tamaño. [ 33 ] Un enfoque para definir la distribución del tamaño de partícula utiliza una lista de los tamaños de cada partícula en una muestra. Sin embargo, este enfoque resulta tedioso de determinar en aerosoles con millones de partículas y difícil de usar. 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 donde el área de cada barra representa la proporción de partículas en ese intervalo de tamaño, generalmente normalizada dividiendo el número de partículas en un intervalo 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. [ 34 ] Si el ancho de los intervalos tiende a cero , la función de frecuencia es: [ 35 ]

dF=F(dpag)ddpag{\displaystyle \mathrm {d} f=f(d_{p})\,\mathrm {d} d_{p}}

dónde

dpag{\displaystyle d_{p}}es el diámetro de las partículas
dF{\displaystyle \,\mathrm {d} f}es la fracción de partículas que tienen diámetros entredpag{\displaystyle d_{p}}ydpag{\displaystyle d_{p}}+ddpag{\displaystyle \mathrm {d} d_ {p}}
F(dpag){\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: [ 35 ]

Fab=∫abF(dpag)ddpag{\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 : [ 36 ]

dnorte=norte(dpag)ddpag{\displaystyle dN=N(d_{p})\,\mathrm {d} d_{p}}

Suponiendo partículas de aerosol esféricas, el área superficial del aerosol por unidad de volumen ( S ) viene dada por el segundo momento : [ 36 ]

S=π∫0∞norte(dpag)dpag2ddpag{\displaystyle S=\pi \int _{0}^{\infty }N(d_{p})d_{p}^{2}\,\mathrm {d} d_{p}}

Y el tercer momento da la concentración volumétrica total ( V ) de las partículas: [ 36 ]

V=π/6∫0∞norte(dpag)dpag3ddpag{\displaystyle V=\pi /6\int _ {0}^{\infty }N(d_{p})d_{p}^{3}\,\mathrm {d} d_{p}}

La distribución del tamaño de las partículas puede aproximarse. La distribución normal generalmente no describe adecuadamente las distribuciones del tamaño de las partículas en aerosoles debido a la asimetría asociada con una larga cola de partículas más grandes. Además, para una magnitud que varía en un amplio rango, como ocurre con muchos tamaños de aerosoles, la amplitud de la distribución implica tamaños de partículas negativos, lo cual 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 . [ 37 ]

Una distribución log-normal más elegida da la frecuencia numérica como: [ 37 ]

dF=1dpagσ2πmi−(lnorte(dpag)−dpag¯)22σ2ddpag{\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:

σ{\displaystyle \sigma }es la desviación estándar de la distribución de tamaño y
dpag¯{\displaystyle {\bar {d_{p}}}}es el diámetro medio aritmético .

La distribución log-normal no tiene valores negativos, puede abarcar un amplio rango de valores y se ajusta razonablemente bien a muchas distribuciones de tamaño observadas. [ 38 ] [ 39 ]

Otras distribuciones que a veces se utilizan para caracterizar el tamaño de las partículas incluyen: la distribución de Rosin-Rammler , aplicada a polvos y aerosoles dispersos de forma gruesa; la distribución de Nukiyama-Tanasawa, para aerosoles con rangos de tamaño extremadamente amplios; la distribución de función de potencia , aplicada ocasionalmente a aerosoles atmosféricos; la distribución exponencial , aplicada a materiales en polvo; y para gotas de nubes, la distribución de Khrgian-Mazin. [ 40 ]

Física

Velocidad terminal de una partícula en un fluido

Para valores bajos del número de Reynolds (<1), que son ciertos 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 solo es válida cuando la velocidad del gas en la superficie de la partícula es cero. Para partículas pequeñas (<1  μm) que caracterizan a los aerosoles, esta suposición no se cumple. Para tener en cuenta esta limitación, se puede introducir el factor de corrección de Cunningham , siempre mayor que 1. Incluyendo este factor, se obtiene la relación entre la fuerza de resistencia sobre una partícula y su velocidad: [ 41 ]

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

dónde

FD{\displaystyle F_{D}}es la fuerza de resistencia sobre una partícula esférica
η{\displaystyle \eta }es la viscosidad dinámica del gas
V{\displaystyle V}es la velocidad de la partícula
dodo{\displaystyle C_{c}}es el factor de corrección de Cunningham.

Esto nos permite calcular la velocidad terminal de una partícula que experimenta sedimentación gravitacional en aire en reposo. Despreciando los efectos de flotabilidad , encontramos: [ 42 ]

VTS=ρpagd2gramododo18η{\displaystyle V_{TS}={\frac {\rho _{p}d^{2}gC_{c}}{18\eta }}}

dónde

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

La velocidad terminal también puede derivarse 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: [ 43 ]

B=VFD=dodo3πηd{\displaystyle B={\frac {V}{F_{D}}}={\frac {C_{c}}{3\pi \eta d}}}

Una partícula que viaja a cualquier velocidad inicial razonable se aproxima a su velocidad terminal exponencialmente con un tiempo de decaimiento e igual al tiempo de relajación: [ 44 ]

V(t)=VF−(VF−V0)mi−tτ{\displaystyle V(t)=V_{f}-(V_{f}-V_{0})e^{-{\frac {t}{\tau }}}}

dónde:

V(t){\displaystyle V(t)}es la velocidad de la partícula en el instante t
VF{\displaystyle V_{f}}es la velocidad final de la partícula
V0{\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 dinámico . Se define como la relación entre la fuerza de resistencia de la partícula irregular y la de una partícula esférica con el mismo volumen y velocidad: [ 16 ]

χ=FD3πηVdmi{\displaystyle \chi ={\frac {F_{D}}{3\pi \eta Vd_{e}}}}

dónde:

χ{\displaystyle \chi }es el factor de forma dinámico

Diámetro aerodinámico

El diámetro aerodinámico de una partícula irregular se define como el diámetro de la partícula esférica con una densidad de 1000  kg/m³ y la misma velocidad de sedimentación que la partícula irregular. [ 45 ]

Si se desprecia la corrección de deslizamiento, la partícula se estabiliza a la velocidad terminal proporcional al cuadrado del diámetro aerodinámico , d a : [ 45 ]

VTS=ρ0da2gramo18η{\displaystyle V_{TS}={\frac {\rho _{0}d_{a}^{2}g}{18\eta }}}

dónde

 ρ0{\displaystyle \ \rho _{0}}= densidad estándar de partículas (1000  kg/m 3 ).

Esta ecuación da el diámetro aerodinámico: [ 46 ]

da=dmi(ρpagρ0χ)12{\displaystyle d_{a}=d_{e}\left({\frac {\rho _{p}}{\rho _{0}\chi }}\right)^{\frac {1}{2}}}

El diámetro aerodinámico se puede aplicar a contaminantes particulados o a fármacos inhalados para predecir en qué parte del tracto respiratorio se depositan dichas partículas. Las compañías farmacéuticas suelen utilizar el diámetro aerodinámico, no el diámetro geométrico, para caracterizar las partículas en los fármacos inhalables. [ 47 ]

Dinámica

La discusión anterior se centró en partículas de aerosol individuales. En contraste, la dinámica de aerosoles explica la evolución de poblaciones completas de aerosoles. Las concentraciones de partículas cambian con el tiempo como resultado de muchos procesos. Los procesos externos que mueven las 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 de gas dado incluye la formación de partículas (nucleación), la evaporación, la reacción química y la coagulación. [ 48 ]

Una ecuación diferencial denominada ecuación dinámica general de aerosoles (GDE) caracteriza la evolución de la densidad numérica de partículas en un aerosol debido a estos procesos. [ 48 ]

∂nortei∂t=−∇⋅norteiq+∇⋅Dpag∇inortei+(∂nortei∂t)gramorowth+(∂nortei∂t)dooagramo−∇⋅qFnortei{\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:

nortei{\displaystyle n_{i}}es la densidad numérica de partículas de categoría de tamañoi{\displaystyle i}
q{\displaystyle \mathbf {q} }es la velocidad de la partícula
Dpag{\displaystyle D_{p}}es la difusividad de Stokes-Einstein de la partícula
qF{\displaystyle \mathbf {q} _{F}}es la velocidad de la partícula asociada a una fuerza externa

Coagulación

Cuando las partículas y gotitas de un aerosol chocan entre sí, pueden coalescer o agregarse. Este proceso provoca un cambio en la distribución del tamaño de las partículas del aerosol, con un aumento del diámetro de la moda a medida que disminuye el número total de partículas. [ 49 ] En ocasiones, las partículas pueden fragmentarse 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 rigen el comportamiento de un aerosol:

Knorte=2λd{\displaystyle K_{n}={\frac {2\lambda }{d}}}

dóndeλ{\displaystyle \lambda }es el camino libre medio del gas de suspensión yd{\displaystyle d}es el diámetro de la partícula. [ 50 ] Para partículas en el régimen molecular libre , K n >> 1; partículas pequeñas en comparación con el camino libre medio del gas de suspensión. [ 51 ] En este régimen, las partículas interactúan con el gas de suspensión a través de una serie de colisiones "balísticas" con las moléculas de gas. Como tales, se comportan de manera similar a las moléculas de gas, tendiendo a seguir las líneas de corriente y difundiéndose rápidamente a través del movimiento browniano. La ecuación de flujo de masa en el régimen molecular libre es:

I=πa2kb(PAG∞T∞−PAGATA)⋅doAα{\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 el coeficiente de acomodación de masa. La derivación de esta ecuación supone presión constante y coeficiente de difusión constante.

Las partículas se encuentran en el régimen continuo cuando K n << 1. [ 51 ] En este régimen, las partículas son grandes en comparación con el camino libre medio del gas de suspensión, lo que significa que el gas de suspensión actúa como un fluido continuo que fluye alrededor de la partícula. [ 51 ] El flujo molecular en este régimen es:

Idoonortet∼4πaMETROADABRT(PAGA∞−PAGAS){\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 de los gases ideales, 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.

El régimen de transición contiene todas las partículas que se encuentran entre los regímenes molecular libre y continuo, o K n ≈ 1. Las fuerzas que experimenta 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:

I=Idoonortet⋅1+Knorte1+1.71Knorte+1.33Knorte2{\displaystyle I=I_{cont}\cdot {\frac {1+K_{n}}{1+1.71K_{n}+1.33{K_{n}}^{2}}}}

donde Icont es el flujo de masa en el régimen continuo. Esta fórmula se denomina fórmula de interpolación de Fuchs-Sutugin. Estas ecuaciones no tienen en cuenta el efecto de liberación de calor.

Particionamiento

Gráfico que muestra el proceso de condensación y evaporación a nivel molecular.
Condensación y evaporación

La teoría de partición de aerosoles rige la condensación en la superficie de un aerosol y la evaporación desde ella, respectivamente. La condensación de masa provoca un aumento en la moda de las distribuciones de tamaño de partícula del aerosol; por el contrario, la evaporación provoca una disminución de dicha moda. La nucleación es el proceso de formación de 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 ocurrir por tres razones:

  1. Al disminuir la temperatura del sistema, disminuye 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 disminuir la presión de vapor de equilibrio según la ley de Raoult .

Existen dos tipos de procesos de nucleación. Los gases se condensan preferentemente sobre las superficies de partículas de aerosol preexistentes, lo que se conoce como nucleación heterogénea . Este proceso provoca que el diámetro en el modo de la distribución del tamaño de partícula aumente con una concentración numérica constante. [ 52 ] 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 partícula. [ 52 ]

Activación

El agua recubre las partículas en los aerosoles, activándolas , generalmente en el contexto de la formación de gotas de nube (como la siembra natural de nubes por aerosoles de árboles en un bosque). [ 53 ] Según la ecuación de Kelvin (basada en la curvatura de las gotas de líquido), las partículas más pequeñas necesitan una humedad relativa ambiental mayor para mantener el equilibrio que las partículas más grandes. La siguiente fórmula proporciona la humedad relativa en equilibrio:

RH=pagspag0×100%=S×100%{\displaystyle RH={\frac {p_{s}}{p_{0}}}\times 100\%=S\times 100\%}

dóndepags{\displaystyle p_{s}}p₀ es la presión de vapor de saturación sobre una partícula en equilibrio (alrededor de una gota líquida curva), p₀ 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:

ln⁡pagspag0=2σMETRORTρ⋅rpag{\displaystyle \ln {p_{s} \over p_{0}}={\frac {2\sigma M}{RT\rho \cdot r_{p}}}}

donde r p es el radio de la gota, σ la tensión superficial de la gota, ρ la densidad del líquido, M la masa molar, T la temperatura y R la constante molar de los gases.

Solución a la ecuación dinámica general

No existen soluciones generales para la ecuación dinámica general (EDG); [ 54 ] los métodos comunes utilizados para resolver la ecuación dinámica general incluyen: [ 55 ]

Detección

Los aerosoles pueden medirse in situ o mediante técnicas de teledetección , ya sean terrestres o aéreas.

observaciones in situ

Algunas técnicas de medición in situ disponibles incluyen:

Enfoque de teledetección

Los métodos de teledetección incluyen:

Muestreo selectivo por tamaño

Las partículas pueden depositarse en la nariz , la boca , la faringe y la laringe (la región de las vías respiratorias de la cabeza), más profundamente en el tracto respiratorio (desde la tráquea hasta los bronquiolos terminales ) o en la región alveolar . [ 63 ] La ubicación de la deposición de partículas de aerosol dentro del sistema respiratorio determina en gran medida los efectos en la salud de la exposición a dichos aerosoles. [ 63 ] Este fenómeno llevó a la invención de muestreadores de aerosol que seleccionan un subconjunto de las partículas de aerosol que alcanzan ciertas partes del sistema respiratorio. [ 64 ]

Ejemplos de estos subconjuntos de la distribución del tamaño de partícula de un aerosol, importantes en la salud ocupacional, incluyen las fracciones inhalable, torácica y respirable. La fracción que puede ingresar a cada parte del sistema respiratorio depende de la deposición de partículas en las partes superiores de las vías respiratorias. [ 65 ] La fracción inhalable de partículas, definida como la proporción de partículas originalmente en el aire que pueden ingresar a la nariz o la boca, depende de la velocidad y dirección del viento externo y de la distribución del tamaño de partícula por diámetro aerodinámico. [ 66 ] La fracción torácica es la proporción de partículas en el aerosol ambiental que pueden llegar al tórax o región del pecho. [ 67 ] La fracción respirable es la proporción de partículas en el aire que pueden llegar a la región alveolar. [ 68 ] 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 la separación ciclónica para el precolector, pero otras técnicas incluyen impactadores, elutriadores horizontales y filtros de membrana de poro grande . [ 69 ]

Dos criterios alternativos de selección por tamaño, frecuentemente utilizados en el monitoreo atmosférico, son PM 10 y PM 2.5 . La ISO define PM 10 como partículas que pasan a través de una entrada selectiva por tamaño con un límite de eficiencia del 50% a un diámetro aerodinámico de 10 μm , y PM 2.5 como partículas que pasan a través de una entrada selectiva por tamaño con un límite de eficiencia del 50% a un diámetro aerodinámico de 2.5 μm . PM 10 corresponde a la "convención torácica" definida en la norma ISO 7708:1995, cláusula 6; PM 2.5 corresponde a la "convención de partículas respirables de alto riesgo" definida en la norma ISO 7708:1995, 7.1. [ 70 ] La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos reemplazó los estándares anteriores para material particulado basado en Partículas Suspendidas Totales con otro estándar basado en PM 10 en 1987 [ 71 ] y luego introdujo estándares para PM 2.5 (también conocido como material particulado fino) en 1997. [ 72 ]  

Véase también

Referencias

  1. 1 2 Hinds 1999 , pág. 3.
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