Ученые разгадали столетнюю загадку загрязнения воздуха

Найдено решение давней научной проблемы, связанной с изучением загрязнения атмосферы: теперь возможно точно предсказывать перемещение вдыхаемых наночастиц неправильной формы.

Ученые из Уорикского университета представили новый метод расчета движения наночастиц неправильной формы в воздухе. Хотя именно такие частицы формируют значительную часть воздушного загрязнения, их точное моделирование долгое время оставалось трудновыполнимой задачей. Разработанный подход впервые сочетает простоту вычислений с учетом реальной морфологии частиц, исключая потребность в неоправданно сложных упрощающих допущениях, пишет ScienceDaily.

Ежедневно каждый человек вдыхает значительное число микро- и наноразмерных частиц, таких как сажа, пыльца растений, обычная бытовая пыль, крошечные фрагменты пластика, вирусные микроорганизмы и специально синтезированные наночастицы. Часть этих частиц обладает столь мелкими размерами, что способна достигать глубоких отделов дыхательных путей и проникать прямо в кровь, создавая риск возникновения серьезных патологий сердечно-сосудистой системы и иных опасных заболеваний.

Стандартные подходы к моделированию обычно основывались на предположении, что частицы в воздухе имеют идеализированную сферическую форму, поскольку такая геометрия упрощает проведение необходимых расчетов. Между тем подавляющее большинство реально существующих частиц характеризуется сложной структурой и асимметричностью, что серьезно осложняет получение достоверных сведений о поведении этих частиц в естественных условиях.

Переработав формулу столетней давности, ученые создали первый простой и точный способ предсказать поведение частиц практически любой формы.Источник: Freepik

Исследование предлагает принципиально новый подход к описанию движений твердых частиц различной формы в воздушной среде. Созданная модель позволяет с высокой точностью рассчитывать траектории полета наночастиц, исходя исключительно из базовых законов физики и принципов гидродинамики. Основа методики заложена в модернизации векового уравнения, которое авторы исследования переработали путем добавления особого компонента — «тензора корректора». Этот элемент расширяет сферу применения классической теории, делая возможным расчет движения абсолютно любых твердых тел, будь то сфера или тонкая пластинка, обеспечивая тем самым полную совместимость модели с разнообразием форм частиц в воздухе.

Новый подход отличается от предыдущих моделей отсутствием потребности в подгонке экспериментальных коэффициентов и сложных вычислительных алгоритмов. «Это первая модель, позволяющая точно прогнозировать перемещение несферических частиц в воздухе, и поскольку эти наночастицы тесно связаны с загрязнением воздуха и риском развития рака, это важный шаг вперед как для охраны окружающей среды, так и для науки об аэрозолях», — заключают авторы работы.

Таким образом, описанная методика обещает значительные улучшения в понимании проблем экологии, здравоохранения и климатических изменений. Она позволяет лучше понимать механизмы переноса вредных веществ в атмосферу и определять эффективные меры борьбы с ними.