Аэрозоль

Взвесь мелких твердых частиц или капель жидкости в газе

Дымка и туман — это аэрозоли.

Аэрозоль — это взвесь мелких твердых частиц или капель жидкости в воздухе или другом газе . ^[1] Аэрозоли могут образовываться по естественным или антропогенным причинам . Термин «аэрозоль» обычно относится к смеси твердых частиц в воздухе, а не только к твердым частицам. ^[2] Примерами естественных аэрозолей являются туман , дымка или пыль . Примерами антропогенных аэрозолей являются твердые частицы , загрязняющие воздух , туман от сброса на плотинах гидроэлектростанций , ирригационный туман, духи из распылителей , дым , пыль , распыляемые пестициды и медицинские процедуры для лечения респираторных заболеваний. ^[3]

Несколько типов атмосферного аэрозоля оказывают значительное влияние на климат Земли: вулканический, пустынная пыль, морская соль, которые возникают из биогенных источников и антропогенного происхождения. Вулканический аэрозоль образуется в стратосфере после извержения в виде капель серной кислоты , которые могут сохраняться до двух лет и отражать солнечный свет, понижая температуру. Пустынная пыль, минеральные частицы, переносимые на большие высоты, поглощают тепло и могут быть ответственны за подавление образования грозовых облаков. Искусственно созданные сульфатные аэрозоли , в основном от сжигания нефти и угля, влияют на поведение облаков. ^[4] Когда аэрозоли поглощают загрязняющие вещества, это способствует осаждению загрязняющих веществ на поверхность земли, а также в водоемы. ^[5] Это может нанести ущерб как окружающей среде, так и здоровью человека.

Следы кораблей — это облака , которые образуются вокруг выхлопных газов, выпущенных кораблями в неподвижный океанский воздух. Молекулы воды собираются вокруг мельчайших частиц ( аэрозолей ) из выхлопных газов, образуя семя облака . Все больше и больше воды скапливается на семени, пока не образуется видимое облако. В случае следов кораблей семена облаков растягиваются по длинному узкому пути, по которому ветер разнес выхлопные газы корабля, поэтому полученные облака напоминают длинные струны над океаном.

Потепление, вызванное парниковыми газами, производимыми человеком, было в некоторой степени компенсировано охлаждающим эффектом аэрозолей, производимых человеком. В 2020 году регулирование топлива значительно сократило выбросы диоксида серы от международных перевозок примерно на 80%, что привело к неожиданному глобальному шоку от прекращения геоинженерии. ^[6]

Жидкие или твердые частицы в аэрозоле обычно имеют диаметр менее 1 мкм . Более крупные частицы со значительной скоростью осаждения делают смесь суспензией , но различие неясно. В повседневном языке аэрозоль часто относится к системе дозирования , которая доставляет потребительский продукт из баллончика .

Заболевания могут распространяться посредством мелких капель в дыхании , ^[7] иногда называемых биоаэрозолями . ^[8]

Определения

Микрофотография, сделанная с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ): частицы летучей золы при увеличении 2000×. Большинство частиц в этом аэрозоле имеют почти сферическую форму.

Аэрозольный баллончик

Аэрозоль определяется как система взвешенных твердых или жидких частиц в газе. Аэрозоль включает как частицы, так и взвешенный газ, которым обычно является воздух. ^[1] Метеорологи и климатологи часто называют их частицами, в то время как классификация по размерам, таким как PM2.5 или PM10, ^{[9] [10]} полезна в области загрязнения атмосферы, поскольку эти диапазоны размеров играют роль в установлении вредных последствий для здоровья человека. ^[11] Фредерик Г. Доннан, предположительно , впервые использовал термин аэрозоль во время Первой мировой войны для описания аэрораствора , облаков микроскопических частиц в воздухе. Этот термин развивался аналогично термину гидрозоль , коллоидной системе с водой в качестве дисперсной среды. ^[12] Первичные аэрозоли содержат частицы, введенные непосредственно в газ; вторичные аэрозоли образуются путем преобразования газа в частицы. ^[13]

Ключевые группы аэрозолей включают сульфаты, органический углерод, черный углерод, нитраты, минеральную пыль и морскую соль; они обычно слипаются, образуя сложную смесь. ^[10] Различные типы аэрозолей, классифицированные в зависимости от физической формы и способа их образования, включают пыль, дым, туман, дым и туман. ^[14]

Существует несколько мер концентрации аэрозоля. Экологическая наука и экологическое здоровье часто используют массовую концентрацию ( M ), определяемую как массу твердых частиц на единицу объема, в таких единицах, как мкг/м3 ^. Также обычно используется числовая концентрация ( N ), количество частиц на единицу объема, в таких единицах, как количество на м3 ^или количество на см3 ^. [ ^15]

Размер частиц оказывает большое влияние на их свойства, а радиус или диаметр аэрозольных частиц ( d _p ) является ключевым свойством, используемым для характеристики аэрозолей.

Аэрозоли различаются по дисперсности . Монодисперсный аэрозоль, производимый в лаборатории, содержит частицы однородного размера. Однако большинство аэрозолей, как полидисперсные коллоидные системы, демонстрируют диапазон размеров частиц. ^[13] Капли жидкости почти всегда имеют почти сферическую форму, но ученые используют эквивалентный диаметр для характеристики свойств различных форм твердых частиц, некоторые из которых очень нерегулярны. Эквивалентный диаметр — это диаметр сферической частицы с тем же значением некоторого физического свойства, что и у нерегулярной частицы. ^[16] Эквивалентный объемный диаметр ( d _e ) определяется как диаметр сферы того же объема, что и у нерегулярной частицы. ^[17] Также часто используется аэродинамический диаметр,  d _a .

Генерация и применение

Люди создают аэрозоли для различных целей, в том числе:

• в качестве тестовых аэрозолей для калибровки приборов, проведения исследований и тестирования оборудования для отбора проб и воздушных фильтров; ^[18]
• для доставки дезодорантов , красок и других потребительских товаров в виде спреев; ^[19]
• для рассеивания и применения в сельском хозяйстве
• для лечения респираторных заболеваний ; ^[20] и
• в системах впрыска топлива и других технологиях сгорания . ^[21]

Некоторые устройства для генерации аэрозолей: ^[3]

• Аэрозольный спрей
• Распылительная насадка или небулайзер
• Электрораспыление
• Электронная сигарета
• Генератор аэрозоля с вибрирующим отверстием (VOAG)

В атмосфере

Аэрозольное загрязнение над северной Индией и Бангладеш

Обзор крупных облаков аэрозолей вокруг Земли (зеленый: дым, синий: соль, желтый: пыль, белый: серный)

Несколько типов атмосферного аэрозоля оказывают значительное влияние на климат Земли: вулканический, пустынная пыль, морская соль, которые возникают из биогенных источников и антропогенного происхождения. Вулканический аэрозоль образуется в стратосфере после извержения в виде капель серной кислоты , которые могут сохраняться до двух лет и отражать солнечный свет, понижая температуру. Пустынная пыль, минеральные частицы, переносимые на большие высоты, поглощают тепло и могут быть ответственны за подавление образования грозовых облаков. Искусственно созданные сульфатные аэрозоли , в основном от сжигания нефти и угля, влияют на поведение облаков. ^[4]

Хотя все гидрометеоры , твердые и жидкие, можно описать как аэрозоли, обычно проводится различие между такими дисперсиями (т.е. облаками), содержащими активированные капли и кристаллы, и аэрозольными частицами. ^[22] Атмосфера Земли содержит аэрозоли различных типов и концентраций, включая количества:

• натуральные неорганические материалы: мелкая пыль, морская соль или капли воды
• натуральные органические материалы: дым, пыльца , споры или бактерии
• антропогенные продукты сгорания, такие как: дым, пепел или пыль

Аэрозоли можно обнаружить в городских экосистемах в различных формах, например:

• Пыль
• сигаретный дым
• Туман из аэрозольных баллончиков
• Сажа или пары в выхлопных газах автомобиля

Присутствие аэрозолей в атмосфере Земли может влиять на ее климат, а также на здоровье человека.

Эффекты

Аэрозоли оказывают охлаждающий эффект, который незначителен по сравнению с радиационным воздействием (согревающим эффектом) парниковых газов. ^[23]

Извержения вулканов выбрасывают в атмосферу большое количество серной кислоты , сероводорода и соляной кислоты . Эти газы представляют собой аэрозоли и в конечном итоге возвращаются на землю в виде кислотных дождей , оказывая ряд неблагоприятных воздействий на окружающую среду и жизнь человека. ^[24]

Когда аэрозоли поглощают загрязняющие вещества, это способствует осаждению загрязняющих веществ на поверхности земли, а также в водоемах. ^[5] Это может нанести вред как окружающей среде, так и здоровью человека.

Аэрозоли взаимодействуют с энергетическим бюджетом Земли двумя способами: напрямую и косвенно.

• Например, прямой эффект заключается в том, что аэрозоли рассеивают и поглощают поступающее солнечное излучение. ^[25] Это в основном приведет к охлаждению поверхности (солнечное излучение рассеивается обратно в космос), но может также способствовать потеплению поверхности (вызванному поглощением поступающей солнечной энергии). ^[26] Это будет дополнительным элементом парникового эффекта и, следовательно, будет способствовать глобальному изменению климата. ^[5]
• Косвенные эффекты относятся к аэрозолям , которые вмешиваются в образования, которые напрямую взаимодействуют с излучением. Например, они способны изменять размер частиц облаков в нижних слоях атмосферы, тем самым изменяя способ, которым облака отражают и поглощают свет, и, следовательно, изменяя энергетический бюджет Земли. ^[24]
• Существуют данные, позволяющие предположить, что антропогенные аэрозоли фактически компенсируют воздействие парниковых газов в некоторых областях, поэтому в Северном полушарии наблюдается более медленное поверхностное нагревание, чем в Южном, хотя это всего лишь означает, что Северное полушарие позже поглотит тепло через океанические течения, приносящие более теплые воды с Юга. ^[27] Однако в глобальном масштабе охлаждение аэрозолями снижает вызванное парниковыми газами нагревание, не компенсируя его полностью. ^[28]

Следы кораблей — это облака , которые образуются вокруг выхлопных газов, выпущенных кораблями в неподвижный океанский воздух. Молекулы воды собираются вокруг крошечных частиц ( аэрозолей ) из выхлопных газов, образуя семя облака . Все больше и больше воды скапливается на семени, пока не образуется видимое облако. В случае следов кораблей семена облаков растягиваются по длинному узкому пути, где ветер разнес выхлопные газы корабля, поэтому полученные облака напоминают длинные струны над океаном. ^[29]

Потепление, вызванное парниковыми газами, производимыми человеком, было в некоторой степени компенсировано охлаждающим эффектом аэрозолей, производимых человеком. В 2020 году регулирование топлива значительно сократило выбросы диоксида серы от международных перевозок примерно на 80%, что привело к неожиданному глобальному шоку от прекращения геоинженерии. ^[6]

Аэрозоли в диапазоне 20 мкм демонстрируют особенно длительное время стойкости в кондиционируемых помещениях из-за их поведения «реактивного наездника» (движутся вместе с воздушными струями, гравитационно выпадают в медленно движущемся воздухе); ^[30] поскольку этот размер аэрозоля наиболее эффективно адсорбируется в носу человека, ^[31] первичном месте заражения COVID-19 , такие аэрозоли могут способствовать пандемии. ^[32]

Аэрозольные частицы с эффективным диаметром менее 10 мкм могут проникать в бронхи, в то время как частицы с эффективным диаметром менее 2,5 мкм могут проникать в область газообмена в легких ^[33] , что может быть опасно для здоровья человека.

Распределение размеров

То же гипотетическое логнормальное (бимодальное) распределение аэрозоля, представленное сверху вниз в виде распределения числа против диаметра, распределения площади поверхности против диаметра и распределения объема против диаметра. Типичные названия режимов показаны вверху. Каждое распределение нормализовано таким образом, что общая площадь равна 1000.

Для монодисперсного аэрозоля одного числа — диаметра частицы — достаточно для описания размера частиц. Однако более сложные распределения размеров частиц описывают размеры частиц в полидисперсном аэрозоле. Это распределение определяет относительное количество частиц, отсортированных по размеру. ^[34] Один из подходов к определению распределения размеров частиц использует список размеров каждой частицы в образце. Однако этот подход оказывается утомительным для определения в аэрозолях с миллионами частиц и неудобным в использовании. Другой подход разбивает диапазон размеров на интервалы и находит количество (или долю) частиц в каждом интервале. Эти данные могут быть представлены в виде гистограммы, где площадь каждого столбца представляет долю частиц в этом диапазоне размеров, обычно нормализованную путем деления количества частиц в диапазоне на ширину интервала, так что площадь каждого столбца пропорциональна количеству частиц в диапазоне размеров, который он представляет. ^[35] Если ширина ячеек стремится к нулю , то частотная функция имеет вид: ^[36]

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

где

${\displaystyle d_{p}}$диаметр частиц

${\displaystyle \,\mathrm {d} f}$доля частиц, имеющих диаметры от до + ${\displaystyle d_{p}}$ ${\displaystyle d_{p}}$ ${\displaystyle \mathrm {d} d_{p}}$

${\displaystyle f(d_{p})}$это частотная функция

Таким образом, площадь под кривой частоты между двумя размерами a и b представляет собой общую долю частиц в этом диапазоне размеров: ^[36]

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

Его также можно сформулировать в терминах общей плотности чисел N : ^[37]

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

Предполагая, что аэрозольные частицы имеют сферическую форму, площадь поверхности аэрозоля на единицу объема ( S ) определяется вторым моментом : ^[37]

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

А третий момент дает общую объемную концентрацию ( V ) частиц: ^[37]

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

Распределение размеров частиц может быть приближено. Нормальное распределение обычно не описывает распределение размеров частиц в аэрозолях из-за асимметрии , связанной с длинным хвостом более крупных частиц. Также для величины, которая варьируется в большом диапазоне, как это происходит со многими размерами аэрозолей, ширина распределения подразумевает отрицательные размеры частиц, что физически нереалистично. Однако нормальное распределение может быть подходящим для некоторых аэрозолей, таких как тестовые аэрозоли, определенные пыльцевые зерна и споры . ^[38]

Более широко выбранное логнормальное распределение дает частоту числа как: ^[38]

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

где:

${\displaystyle \sigma }$это стандартное отклонение распределения размеров и

${\displaystyle {\bar {d_{p}}}}$средний арифметический диаметр.

Логнормальное распределение не имеет отрицательных значений, может охватывать широкий диапазон значений и достаточно хорошо соответствует многим наблюдаемым распределениям размеров. ^{[39] [40]}

Другие распределения, иногда используемые для характеристики размера частиц, включают: распределение Розина-Раммлера , применяемое к грубодисперсной пыли и аэрозолям; распределение Нукиямы-Танасавы для аэрозолей чрезвычайно широкого диапазона размеров; распределение степенной функции , иногда применяемое к атмосферным аэрозолям; экспоненциальное распределение , применяемое к порошкообразным материалам; и для облачных капель распределение Хргиана-Мазина. ^[41]

Физика

Конечная скорость частицы в жидкости

Для низких значений числа Рейнольдса (<1), справедливых для большинства движений аэрозолей, закон Стокса описывает силу сопротивления, действующую на твердую сферическую частицу в жидкости. Однако закон Стокса действителен только тогда, когда скорость газа на поверхности частицы равна нулю. Однако для мелких частиц (<1 мкм), характеризующих аэрозоли, это предположение неверно. Чтобы учесть эту неудачу, можно ввести поправочный коэффициент Каннингема , всегда больший 1. Включая этот коэффициент, можно найти соотношение между силой сопротивления, действующей на частицу, и ее скоростью: ^[42]

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

где

${\displaystyle F_{D}}$это сила сопротивления, действующая на сферическую частицу

${\displaystyle \eta }$динамическая вязкость газа

${\displaystyle V}$это скорость частицы

${\displaystyle C_{c}}$— поправочный коэффициент Каннингема.

Это позволяет нам вычислить конечную скорость частицы, подвергающейся гравитационному осаждению в неподвижном воздухе. Пренебрегая эффектами плавучести , находим: ^[43]

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

где

${\displaystyle V_{TS}}$конечная скорость осаждения частицы.

Конечная скорость может быть также выведена для других видов сил. Если закон Стокса выполняется, то сопротивление движению прямо пропорционально скорости. Константа пропорциональности — это механическая подвижность ( B ) частицы: ^[44]

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

Частица, движущаяся с любой разумной начальной скоростью, приближается к своей конечной скорости экспоненциально со временем e -свертки, равным времени релаксации: ^[45]

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

где:

${\displaystyle V(t)}$скорость частицы в момент времени t

${\displaystyle V_{f}}$конечная скорость частицы

${\displaystyle V_{0}}$начальная скорость частицы

Для учета влияния формы несферических частиц к закону Стокса применяется поправочный коэффициент, известный как динамический фактор формы . Он определяется как отношение силы сопротивления нерегулярной частицы к силе сопротивления сферической частицы с тем же объемом и скоростью: ^[17]

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

где:

${\displaystyle \chi }$это динамический коэффициент формы

Аэродинамический диаметр

Аэродинамический диаметр нерегулярной частицы определяется как диаметр сферической частицы с плотностью 1000 кг/м ³ и той же скоростью осаждения, что и у нерегулярной частицы. ^[46]

Пренебрегая поправкой на скольжение, частица оседает с конечной скоростью, пропорциональной квадрату аэродинамического диаметра, d _a : ^[46]

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

где

${\displaystyle \ \rho _{0}}$= стандартная плотность частиц (1000 кг/м ³ ).

Это уравнение дает аэродинамический диаметр: ^[47]

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

Можно применить аэродинамический диаметр к загрязняющим частицам или к вдыхаемым препаратам, чтобы предсказать, где в дыхательных путях оседают такие частицы. Фармацевтические компании обычно используют аэродинамический диаметр, а не геометрический диаметр, для характеристики частиц в вдыхаемых препаратах. ^{[ необходима цитата ]}

Динамика

Предыдущее обсуждение было сосредоточено на отдельных аэрозольных частицах. Напротив, динамика аэрозолей объясняет эволюцию полных популяций аэрозолей. Концентрации частиц будут меняться со временем в результате многих процессов. Внешние процессы, которые перемещают частицы за пределы объема изучаемого газа, включают диффузию , гравитационное осаждение, а также электрические заряды и другие внешние силы, которые вызывают миграцию частиц. Второй набор процессов, внутренних для данного объема газа, включает образование частиц (зародышеобразование), испарение, химическую реакцию и коагуляцию. ^[48]

Дифференциальное уравнение, называемое общим динамическим уравнением аэрозоля (GDE), характеризует изменение плотности числа частиц в аэрозоле в результате этих процессов. ^[48]

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

Изменение во времени = Конвективный перенос + броуновская диффузия + взаимодействие газа и частиц + коагуляция + миграция под действием внешних сил

Где:

${\displaystyle n_{i}}$это плотность частиц размерной категории ${\displaystyle i}$

${\displaystyle \mathbf {q} }$это скорость частицы

${\displaystyle D_{p}}$это коэффициент диффузии Стокса-Эйнштейна для частиц

${\displaystyle \mathbf {q} _{F}}$это скорость частицы, связанная с внешней силой

Коагуляция

Когда частицы и капли в аэрозоле сталкиваются друг с другом, они могут подвергаться слиянию или агрегации. Этот процесс приводит к изменению распределения размеров частиц аэрозоля, при этом мода увеличивается в диаметре по мере уменьшения общего числа частиц. ^[49] Иногда частицы могут разлетаться на множество более мелких частиц; однако этот процесс обычно происходит в основном с частицами, слишком большими для того, чтобы считаться аэрозолями.

Режимы динамики

Число Кнудсена частицы определяет три различных динамических режима, которые управляют поведением аэрозоля:

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

где - длина свободного пробега взвешенного газа, а - диаметр частицы. ^[50] Для частиц в свободномолекулярном режиме K n _>> 1; частицы малы по сравнению со средней длиной свободного пробега взвешенного газа. ^[51] В этом режиме частицы взаимодействуют с взвешенным газом посредством серии «баллистических» столкновений с молекулами газа. Как таковые, они ведут себя подобно молекулам газа, стремясь следовать линиям тока и быстро диффундируя посредством броуновского движения. Уравнение потока массы в свободномолекулярном режиме имеет вид: ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle d}$

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

где a — радиус частицы, P _∞ и P _A — давления вдали от капли и на поверхности капли соответственно, k _b — постоянная Больцмана, T — температура, C _A — средняя тепловая скорость, а α — коэффициент аккомодации массы. ^{[ необходима ссылка ]} Вывод этого уравнения предполагает постоянное давление и постоянный коэффициент диффузии.

Частицы находятся в режиме континуума , когда K _n << 1. ^[51] В этом режиме частицы велики по сравнению со средней длиной свободного пробега взвешенного газа, что означает, что взвешенный газ действует как непрерывная жидкость, текущая вокруг частицы. ^[51] Молекулярный поток в этом режиме равен:

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

где a — радиус частицы A , M _A — молекулярная масса частицы A , D _AB — коэффициент диффузии между частицами A и B , R — постоянная идеального газа, T — температура (в абсолютных единицах, таких как кельвин), а P _A∞ и P _AS — давления на бесконечности и на поверхности соответственно. ^{[ необходима ссылка ]}

Переходный режим содержит все частицы между свободномолекулярным и континуальным режимами или K _n ≈ 1. Силы, испытываемые частицей, представляют собой сложную комбинацию взаимодействий с отдельными молекулами газа и макроскопических взаимодействий. Полуэмпирическое уравнение, описывающее поток массы, имеет вид:

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

где I _cont — поток массы в режиме континуума. ^{[ необходима цитата ]} Эта формула называется интерполяционной формулой Фукса-Сутугина. Эти уравнения не учитывают эффект выделения тепла.

Разделение

Конденсация и испарение

Теория распределения аэрозоля управляет конденсацией на поверхности аэрозоля и испарением с нее соответственно. Конденсация массы приводит к увеличению моды распределения размеров частиц аэрозоля; наоборот, испарение приводит к уменьшению моды. Зародышеобразование — это процесс образования аэрозольной массы из конденсации газообразного предшественника, в частности пара . Чистая конденсация пара требует пересыщения, парциального давления, превышающего давление его пара . Это может произойти по трем причинам: ^{[ необходима цитата ]}

1. Понижение температуры системы снижает давление пара.
2. Химические реакции могут увеличить парциальное давление газа или уменьшить давление его паров.
3. Добавление дополнительного пара в систему может снизить равновесное давление пара в соответствии с законом Рауля .

Существует два типа процессов зародышеобразования. Газы преимущественно конденсируются на поверхностях уже существующих аэрозольных частиц, что известно как гетерогенное зародышеобразование . Этот процесс приводит к увеличению диаметра в режиме распределения размеров частиц при постоянной числовой концентрации. ^[52] При достаточно высоком пересыщении и отсутствии подходящих поверхностей частицы могут конденсироваться при отсутствии уже существующей поверхности, что известно как гомогенное зародышеобразование . Это приводит к добавлению очень маленьких, быстро растущих частиц к распределению размеров частиц. ^[52]

Активация

Вода покрывает частицы в аэрозолях, активируя их , как правило, в контексте формирования облачной капли (например, естественное засев облаков аэрозолями с деревьев в лесу). ^[53] Согласно уравнению Кельвина (основанному на кривизне жидких капель), более мелкие частицы нуждаются в более высокой относительной влажности окружающей среды для поддержания равновесия, чем более крупные частицы. Следующая формула дает относительную влажность в равновесии:

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

где — давление насыщенного пара над частицей в состоянии равновесия (вокруг изогнутой капли жидкости), p ₀ — давление насыщенного пара (плоская поверхность той же жидкости), а S — коэффициент насыщения. ${\displaystyle p_{s}}$

Уравнение Кельвина для давления насыщенного пара над искривленной поверхностью имеет вид:

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

где r _p радиус капли, σ поверхностное натяжение капли, ρ плотность жидкости, M молярная масса, T температура и R молярная газовая постоянная.

Решение общего динамического уравнения

Общих решений общего динамического уравнения (GDE) не существует ; ^[54] общие методы, используемые для решения общего динамического уравнения, включают: ^[55]

• Метод моментов ^[56]
• Модальный/секционный метод, ^[57] и
• Метод квадратурных моментов ^{[58] [59]} /Метод разложения моментов в ряд Тейлора, ^{[60] [61]} и
• Метод Монте-Карло. ^[62]

Обнаружение

Аэрозоли можно измерять либо на месте , либо с помощью методов дистанционного зондирования , как наземного, так и воздушного.

На местенаблюдения

Некоторые доступные методы измерения на месте включают:

• Аэрозольный масс-спектрометр (АМС)
• Анализатор дифференциальной подвижности (DMA)
• Электроаэрозольный спектрометр (ЭАС)
• Аэродинамический анализатор частиц (APS)
• Аэродинамический классификатор аэрозолей (ААК)
• Широкодиапазонный спектрометр частиц (WPS)
• Микроотверстие для равномерного осаждения импактора (MOUDI)
• Конденсационный счетчик частиц (CPC)
• Эпифаниометр
• Электрический ударник низкого давления (ELPI)
• Масс-анализатор аэрозольных частиц (APM)
• Центробежный анализатор масс частиц (CPMA)

Метод дистанционного зондирования

Подходы к дистанционному зондированию включают:

• Солнечный фотометр
• Лидар
• Визуализирующая спектроскопия

Выборочная выборка по размеру

Частицы могут осаждаться в носу , во рту , глотке и гортани (область дыхательных путей головы), глубже в дыхательных путях (от трахеи до терминальных бронхиол ) или в альвеолярной области . ^[63] Место отложения аэрозольных частиц в дыхательной системе в значительной степени определяет последствия для здоровья от воздействия таких аэрозолей. ^[63] Это явление побудило людей изобрести пробоотборники аэрозолей, которые выбирают подмножество аэрозольных частиц, достигающих определенных частей дыхательной системы. ^[64]

Примерами этих подмножеств распределения размеров частиц аэрозоля, важных для гигиены труда, являются вдыхаемая, торакальная и вдыхаемая фракции. Фракция, которая может попасть в каждую часть дыхательной системы, зависит от осаждения частиц в верхних частях дыхательных путей. ^[65] Вдыхаемая фракция частиц, определяемая как доля частиц, изначально находящихся в воздухе, которые могут попасть в нос или рот, зависит от скорости и направления внешнего ветра, а также от распределения размеров частиц по аэродинамическому диаметру. ^[66] Торакальная фракция — это доля частиц в окружающем аэрозоле, которая может достичь грудной клетки или области груди. ^[67] Вдыхаемая фракция — это доля частиц в воздухе, которая может достичь альвеолярной области. ^[68] Для измерения вдыхаемой фракции частиц в воздухе используется предварительный коллектор с фильтром для отбора проб. Предварительный коллектор исключает частицы, поскольку дыхательные пути удаляют частицы из вдыхаемого воздуха. Фильтр для отбора проб собирает частицы для измерения. Обычно для предварительного сбора используют циклонное разделение , но другие методы включают импакторы, горизонтальные отстойники и мембранные фильтры с большими порами . ^[69]

Два альтернативных критерия отбора по размеру, часто используемые при мониторинге атмосферы, — это PM ₁₀ и PM _2.5 . PM ₁₀ определяется ISO как частицы, которые проходят через входное отверстие с отбором по размеру с эффективностью отсечки 50% при аэродинамическом диаметре 10 мкм , а PM _2.5 — как частицы, которые проходят через входное отверстие с отбором по размеру с эффективностью отсечки 50% при аэродинамическом диаметре 2,5 мкм . PM ₁₀ соответствует «торакальной конвенции», как определено в ISO 7708:1995, пункт 6; PM _2.5 соответствует «конвенции высокого риска для вдыхаемых частиц», как определено в ISO 7708:1995, пункт 7.1. ^[70] В 1987 году Агентство по охране окружающей среды США заменило старые стандарты для твердых частиц, основанные на общем количестве взвешенных частиц, на другие стандарты, основанные на PM ₁₀ ^[71] , а затем в 1997 году ввело стандарты для PM _2,5 (также известных как мелкие твердые частицы). ^[72]

Смотрите также

• Аэрогель
• Аэропланктон
• Аэрозольная передача
• Биоаэрозоль
• Депонирование (физика аэрозолей)
• Глобальное затемнение
• Распылитель
• Монотерпеновые
• Инжекция аэрозоля в стратосферу

Ссылки

1. Hinds 1999, стр. 3.
2. Seinfeld J, Pandis S (1998). Атмосферная химия и физика: от загрязнения воздуха до изменения климата (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons . стр. 97. ISBN 978-0-471-17816-3.
3. Hidy 1984, стр. 254.
4. «Атмосферные аэрозоли: что это такое и почему они так важны?». Исследовательский центр NASA Langley. 22 апреля 2008 г. Получено 27 декабря 2014 г.
5. Kommalapati, Raghava R.; Valsaraj, Kalliat T. (2009). Атмосферные аэрозоли: характеристика, химия, моделирование и климат . Том 1005. Вашингтон, округ Колумбия: Американское химическое общество. стр. 1–10. doi :10.1021/bk-2009-1005.ch001. ISBN 978-0-8412-2482-7.
6. Юань, Тяньлэ; Сун, Хуа; Ореопулос, Лазарос; Вуд, Роберт; Бянь, Хуэйшэн; Брин, Кэтрин; Чин, Миан; Ю, Хунбинь; Барахона, Донифан; Мейер, Керри; Платник, Стивен (2024-05-30). «Резкое сокращение выбросов от судоходства как непреднамеренный шок от прекращения геоинженерии производит существенное радиационное потепление». Communications Earth & Environment . 5 (1): 281. Bibcode :2024ComEE...5..281Y. doi :10.1038/s43247-024-01442-3. ISSN  2662-4435. PMC 11139642 . PMID  38826490. 
7. Ханцикер, Патрик (01.10.2021). «Минимизация воздействия респираторных капель, «реактивных самолетов» и аэрозолей в кондиционируемых больничных палатах с помощью стратегии «щита и стока». BMJ Open . 11 (10): e047772. doi :10.1136/bmjopen-2020-047772. ISSN  2044-6055. PMC 8520596. PMID  34642190 . 
8. Фуллер, Джоанна Котчер (2017-01-31). Хирургическая технология – Электронная книга: принципы и практика. Elsevier Health Sciences. ISBN 978-0-323-43056-2.
9. PM2.5 относится к массе частиц размером от 0 до 2,5 микрометров, а PM10 — к размерам от 0 до 10 микрометров.
10. "Аэрозоли: крошечные частицы, большое воздействие". earthobservatory.nasa.gov . 2 ноября 2010 г.
11. US EPA, OAR (2016-04-19). "Основы твердых частиц (PM)". www.epa.gov . Получено 2024-11-04 .
12. Хайди 1984, стр. 5.
13. Hinds 1999, стр. 8.
14. Колбек и Лазаридис 2014, стр. Гл. 1.1.
15. Хайндс 1999, стр. 10–11.
16. Хайндс 1999, стр. 10.
17. Hinds 1999, стр. 51.
18. Хайндс 1999, стр. 428.
19. Хайди 1984, стр. 255.
20. Хайди 1984, стр. 274.
21. Хайди 1984, стр. 278.
22. Вода в атмосферном моделировании играет важную роль и обладает особым поведением: ее различные фазы (пар, жидкость и твердое тело) в основном обусловлены температурой, что на практике отличает гидрометеоры от других атмосферных частиц.
23. Форстер, Пирс М.; Смит, Кристофер Дж.; Уолш, Тристрам; Лэмб, Уильям Ф.; и др. (2023). «Индикаторы глобального изменения климата 2022: ежегодное обновление крупномасштабных индикаторов состояния климатической системы и влияния человека» (PDF) . Данные по науке о системе Земли . 15 (6). Программа «Коперник»: 2295–2327. Bibcode :2023ESSD...15.2295F. doi : 10.5194/essd-15-2295-2023 .Рис. 2(а).
24. Allen, Bob. «Атмосферные аэрозоли: что они такое и почему они так важны?». NASA . Получено 8 июля 2014 г.
25. Хайвуд, Элли (2018-09-05). «Аэрозоли и климат». Королевское метеорологическое общество . Получено 2019-10-07 .
26. "Пятый оценочный доклад - Изменение климата 2013". www.ipcc.ch . Получено 2018-02-07 .
27. Антропогенные аэрозоли, парниковые газы и поглощение, транспортировка и хранение избыточного тепла в климатической системе Ирвинг, ДБ; Вийффелс, С.; Чёрч, JA (2019). «Антропогенные аэрозоли, парниковые газы и поглощение, транспортировка и хранение избыточного тепла в климатической системе». Geophysical Research Letters . 46 (9): 4894–4903. Bibcode :2019GeoRL..46.4894I. doi : 10.1029/2019GL082015 . hdl : 1912/24327 .
28. GIEC AR6 WG1 - Рисунок РП.2 https://www.ipcc.ch/report/sixth-assessment-report-working-group-i/
29. Уэллок, Билл (17.01.2024). «Изменение неба: исследователи FSU изучают, как аэрозоли с кораблей влияют на формирование облаков и изменение климата». Новости Университета штата Флорида . Получено 15.07.2024 .
30. Ханзикер, Патрик (16.12.2020). «Минимизация воздействия респираторных капель, «реактивных самолетов» и аэрозолей в кондиционируемых больничных палатах с помощью стратегии «щита и раковины»». medRxiv 10.1101/2020.12.08.20233056v1 . 
31. Кесаванатан, Яна; Свифт, Дэвид Л. (1998). «Отложение частиц в носовом проходе человека: влияние размера частиц, скорости потока и анатомических факторов». Aerosol Science and Technology . 28 (5): 457–463. Bibcode : 1998AerST..28..457K. doi : 10.1080/02786829808965537. ISSN  0278-6826.
32. Макнил В. Ф. (июнь 2022 г.). «Передача SARS-CoV-2 воздушным путем: доказательства и последствия для инженерных мер контроля». Ежегодный обзор химической и биомолекулярной инженерии . 13 (1): 123–140. doi :10.1146/annurev-chembioeng-092220-111631. PMID  35300517. S2CID  247520571.
33. Грейнджер, Дон. "Вулканические выбросы". Группа данных наблюдения за Землей, Физический факультет Оксфордского университета . Оксфордский университет . Получено 8 июля 2014 г.
34. Джиллавенкатеса, А.; Дапкунас, С.Дж.; Лин-Сиен, Лум (2001). «Характеристика размера частиц». Специальная публикация NIST . 960–1.
35. Хайндс 1999, стр. 75–77.
36. Hinds 1999, стр. 79.
37. Hidy 1984, стр. 58.
38. Hinds 1999, стр. 90.
39. Хайндс 1999, стр. 91.
40. Существует также практическое преимущество моделирования распределений размеров аэрозолей с помощью логнормального распределения, поскольку n-й момент логнормально распределенной переменной X имеет простое аналитическое выражение с использованием двух параметров , что упрощает модель. ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle \mu }$
41. Хайндс 1999, стр. 104–105.
42. Хайндс 1999, стр. 44-49.
43. Хайндс 1999, стр. 49.
44. Хайндс 1999, стр. 47.
45. Хайндс 1999, стр. 115.
46. Hinds 1999, стр. 53.
47. Хайндс 1999, стр. 54.
48. Hidy 1984, стр. 60.
49. Хайндс 1999, стр. 260.
50. Барон, П. А. и Виллеке, К. (2001). «Движение газа и частиц». Измерение аэрозолей: принципы, методы и приложения .
51. DeCarlo, PF (2004). "Определение морфологии и плотности частиц с помощью комбинированных измерений подвижности и аэродинамического диаметра. Часть 1: Теория". Aerosol Science and Technology . 38 (12): 1185–1205. Bibcode : 2004AerST..38.1185D. doi : 10.1080/027868290903907 .
52. Hinds 1999, стр. 288.
53. Spracklen, Dominick V; Bonn, Boris; Carslaw, Kenneth S (28.12.2008). «Бореальные леса, аэрозоли и их воздействие на облака и климат». Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences . 366 (1885): 4613–4626. Bibcode : 2008RSPTA.366.4613S. doi : 10.1098/rsta.2008.0201. ISSN  1364-503X. PMID  18826917. S2CID  206156442.
54. Хайди 1984, стр. 62.
55. Фридлендер 2000.
56. Hulburt, HM; Katz, S. (1964). «Некоторые проблемы в технологии частиц». Chemical Engineering Science . 19 (8): 555–574. doi :10.1016/0009-2509(64)85047-8.
57. Ландгребе, Джеймс Д.; Працинис, Сотирис Э. (1990). «Дискретно-секционная модель для производства частиц путем газовой химической реакции и коагуляции аэрозоля в свободномолекулярном режиме». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 139 (1): 63–86. Bibcode : 1990JCIS..139...63L. doi : 10.1016/0021-9797(90)90445-T.
58. Макгроу, Роберт (1997). «Описание динамики аэрозоля квадратурным методом моментов». Aerosol Science and Technology . 27 (2): 255–265. Bibcode : 1997AerST..27..255M. doi : 10.1080/02786829708965471 .
59. Маркизио, Даниэле Л.; Фокс, Родни О. (2005). «Решение уравнений баланса населения с использованием прямого квадратурного метода моментов». Журнал аэрозольных наук . 36 (1): 43–73. Bibcode : 2005JAerS..36...43M. doi : 10.1016/j.jaerosci.2004.07.009.
60. Юй, Минчжоу; Линь, Цзяньчжун; Чан, Татлеунг (2008). «Новый моментный метод решения уравнения коагуляции для частиц в броуновском движении». Aerosol Science and Technology . 42 (9): 705–713. Bibcode : 2008AerST..42..705Y. doi : 10.1080/02786820802232972. hdl : 10397/9612 . S2CID  120582575.
61. Юй, Минчжоу; Линь, Цзяньчжун (2009). «Метод момента расширения Тейлора для коагуляции агломератов из-за броуновского движения в режиме полного размера». Журнал аэрозольных наук . 40 (6): 549–562. Bibcode : 2009JAerS..40..549Y. doi : 10.1016/j.jaerosci.2009.03.001.
62. Крафт, Муркус (2005). «Моделирование процессов с частицами». Журнал KONA Powder and Particle . 23 : 18–35. doi : 10.14356/kona.2005007 .
63. Hinds 1999, стр. 233.
64. Хайндс 1999, стр. 249.
65. Хайндс 1999, стр. 244.
66. Хайндс 1999, стр. 246.
67. Хайндс 1999, стр. 254.
68. Хайндс 1999, стр. 250.
69. Хайндс 1999, стр. 252.
70. "Загрязнение твердыми частицами – PM10 и PM2.5". Распознавание, оценка, контроль. Новости и мнения от Diamond Environmental Limited . 2010-12-10 . Получено 23 сентября 2012 г.
71. "Particulate Matter (PM-10)". Архивировано из оригинала 1 сентября 2012 года . Получено 23 сентября 2012 года .
72. "Basic Information" . Получено 23 сентября 2012 г. .

Источники

• Колбек, Ян; Лазаридис, Михалис, ред. (2014). Аэрозольная наука: технология и применение . John Wiley & Sons - Наука. ISBN 978-1-119-97792-6.
• Фридлендер, SK (2000). Дым, пыль и дымка: основы поведения аэрозолей (2-е изд.). Нью-Йорк: Oxford University Press. ISBN 0-19-512999-7.
• Hinds, William C. (1999). Технология аэрозолей (2-е изд.). Wiley - Interscience. ISBN 978-0-471-19410-1.
• Хайди, Джордж М. (1984). Аэрозоли, промышленная и экологическая наука . Academic Press, Inc. ISBN 978-0-12-412336-6.

Внешние ссылки

• Международная ассамблея по исследованию аэрозолей. Архивировано 21 января 2020 г. на Wayback Machine.
• Американская ассоциация по исследованию аэрозолей
• Руководство NIOSH по аналитическим методам (см. главы по отбору проб аэрозолей)