Η νέα μελέτη δείχνει ότι τα αερολύματα που παράγονται από μολυσμένες εκρήξεις φυσαλίδων είναι μικρότερα από τα προβλεπόμενα

Ένα κρύο ανθρακούχο νερό. Κύματα που σκάνε στην παραλία. Το τρίξιμο της φωτιάς. Ατμός από το βραστήρα.

Δεν είναι μόνο έργα ενός χαλαρωτικού Σαββατοκύριακου, αλλά και πηγές αερολυμάτων στο περιβάλλον μας. Αν και ορισμένες από αυτές τις πηγές αερολυμάτων προκαλούν λιγότερη ανησυχία, τα αερολύματα από βιομηχανικές πηγές, όπως μονάδες επεξεργασίας λυμάτων, ακόμη και φυσικές πηγές, όπως ο θαλάσσιος ψεκασμός και η σκόνη, έχουν την ικανότητα να έχουν μεγαλύτερο αντίκτυπο στο περιβάλλον και ακόμη και στη δημόσια υγεία.

Ένα αεροζόλ είναι ένα εναιώρημα υγρών σταγονιδίων ή λεπτών στερεών σωματιδίων που αιωρούνται στον αέρα. Αν και τα αερολύματα σχηματίζονται με πολλούς τρόπους, μια από τις πιο σημαντικές πηγές είναι η έκρηξη φυσαλίδων στη διεπιφάνεια μεταξύ υγρού και αέρα. Οι περισσότερες προηγούμενες έρευνες έχουν επικεντρωθεί σε «καθαρές» φυσαλίδες παρά το γεγονός ότι οι μολυσμένες διεπαφές είναι πιο διαδεδομένες.

Νέα έρευνα από τον επίκουρο καθηγητή Μηχανικής Επιστήμης και Μηχανικής του Πανεπιστημίου του Illinois Urbana-Champaign Jie Feng και τον μεταπτυχιακό φοιτητή Zhengyu Yang δείχνει ότι οι εκρήξεις φυσαλίδων επικαλυμμένες με ένα λεπτό στρώμα λαδιού παράγουν σταγονίδια που έχουν μικρότερο μέγεθος, μεγαλύτερο συνολικό αριθμό σταγονιδίων και εκτοξεύονται με υψηλότερο ρυθμό από τις φυσαλίδες που σχηματίζονται σε καθαρό νερό. Αυτή η έρευνα δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Φυσική της Φύσης.

Τα αερολύματα είναι πανταχού παρόντα στο περιβάλλον μας και μπορεί να είναι φυσικά ή ανθρωπογενή. Τα αερολύματα που ξεσπούν φυσαλίδες παίζουν σημαντικό ρόλο στη μεταφορά μάζας στις διεπαφές υγρών. Τα αερολύματα θαλάσσιου ψεκασμού, για παράδειγμα, σχηματίζονται κυρίως από την έκρηξη αφρού πάνω από την επιφάνεια του ωκεανού. Τα σταγονίδια που παράγονται από την έκρηξη του αφρού μπορούν να επηρεάσουν την ατμοσφαιρική ρύπανση, το κλίμα παγκοσμίως και ακόμη και τη μετάδοση μολυσματικών ασθενειών. Μια σημαντική παράμετρος αυτών των σταγονιδίων είναι το μέγεθός τους επειδή υποδεικνύει τον χρόνο παραμονής και μεταφοράς στην ατμόσφαιρα—τα μικρότερα σταγονίδια ανασηκώνονται πιο εύκολα από τον άνεμο και μπορούν να ταξιδέψουν περαιτέρω.

Ο Φενγκ είπε, “Έχουμε μολυσμένο νερό παντού. Όταν ο αφρός ανεβαίνει από το βαθύτερο νερό στην επιφάνεια, θα συλλέξει ρύπους και θα σχηματίσει ένα οργανικό στρώμα γύρω του. Αυτό το ονομάζουμε μολυσμένο αφρό. . Όταν φτάσει στην επιφάνεια και εκραγεί, μπορεί πραγματικά να αερόλυμα αυτών των ρύπων σε μικροσκοπικά σταγονίδια».

Οι Φενγκ και Γιανγκ ερεύνησαν την επίδραση ενός λεπτού στρώματος λαδιού στις φυσαλίδες που σκάζουν, ως μοντέλο συστήματος για μολυσμένες φυσαλίδες. Το σκάσιμο μιας γυμνής φυσαλίδας μεγέθους χιλιοστού σε μια υδατική επιφάνεια παράγει σταγονίδια με τυπικό μέγεθος περίπου 100 μικρομέτρων (μm) (μια τυπική ανθρώπινη τρίχα είναι περίπου 100-200 μm). Σε αυτή την εργασία, βρήκαν ότι τα σταγονίδια μπορεί να είναι τόσο μικρά όσο μερικά μm όταν η φούσκα που σκάει είναι επικαλυμμένη με ένα λεπτό στρώμα λαδιού. Επιπλέον, η έκρηξη γυμνών φυσαλίδων παράγει σταγονίδια με τυπική ταχύτητα εκτόξευσης 1 μέτρο ανά δευτερόλεπτο (m/s), ενώ η έκρηξη φυσαλίδων με επικάλυψη λαδιού παράγει σταγονίδια με ταχύτητα ριπών τόσο μεγάλη όσο 10 m/s.

Ο Φενγκ συνοψίζει, «Το κύριο συμπέρασμα της δουλειάς μας είναι ότι βρήκαμε, για αυτές τις μολυσμένες φυσαλίδες, μπορούν να μεταφέρουν σημαντικά τους ρύπους σε σταγονίδια μεγέθους μικρού».

Σε ένα βιομηχανικό περιβάλλον, όπως μια μονάδα επεξεργασίας λυμάτων, μικρότερα μολυσμένα σταγονίδια μπορεί να αποτελέσουν σημαντικό κίνδυνο για όσους εργάζονται στη μονάδα. Η έκρηξη φυσαλίδων σε αυτές τις ρυθμίσεις μπορεί να δημιουργήσει όξινα νέφη και βιοαερολύματα. Η κατανόηση της επίδρασης των μολυσμένων φυσαλίδων στην κατανομή μεγέθους και την ταχύτητα εκπομπής είναι σημαντική για τον σχεδιασμό αποτελεσματικού εξοπλισμού ατομικής προστασίας και την εφαρμογή πρόσθετων οδηγιών ποιότητας αέρα και νερού κοντά σε τέτοιες εγκαταστάσεις.

Σε μεγαλύτερη κλίμακα, τα αερολύματα έχουν αντίκτυπο στον καιρό, το κλίμα, ακόμη και την ανθρώπινη υγεία.

«Αυτά τα σταγονίδια μπορούν να μεταφέρουν παθογόνα, βακτήρια και ιούς», είπε ο Yang. “Όταν έχετε αυτά τα μικρά αερολύματα και μπορούν να εκτοξευθούν ψηλότερα, το μικρότερο μέγεθος και η μεγαλύτερη ταχύτητα εκτίναξης θα τα βοηθήσουν να παραμείνουν στην ατμόσφαιρα περισσότερο.” Η κατανόηση του μεγέθους και της σύνθεσης των αερολυμάτων είναι σημαντική για τη βελτίωση των προσπαθειών μοντελοποίησης παγκοσμίως. Επιπλέον, αυτά τα μολυσμένα σταγονίδια μπορεί να ενέχουν μεγαλύτερο κίνδυνο εξάπλωσης ρύπων καθώς και μόλυνσης, επειδή τα μικρότερα αερολύματα μπορούν να εισέλθουν στην αναπνευστική οδό περισσότερο από τα μεγαλύτερα αερολύματα.

Άλλοι συνεισφέροντες σε αυτό το έργο είναι ο Bingqiang Ji (συν-συγγραφέας, μεταδιδάκτορας, MechSE, UIUC) και ο Jesse T. Ault (επίκουρος καθηγητής, Σχολή Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Brown).