小さいが危険：新しい研究は、汚染された泡の破裂によって生成されるエアロゾルが予測よりもはるかに小さいことを示しています

新しい研究は、汚染された泡の破裂によって生成されるエアロゾルが予測よりもはるかに小さいことを示しています

による：アンバーローズ

冷たい炭酸水。

浜辺に打ち寄せる波。

焚き火のパチパチ音。

やかんから蒸気が出ます。

これらはリラックスした週末をもたらすだけでなく、私たちの環境におけるエアロゾルの発生源でもあります。 これらのエアロゾル発生源の中には、あまり懸念されていないものもありますが、下水処理場などの産業発生源、さらには波しぶきや粉塵などの自然発生源から発生するエアロゾルは、地球環境にさらに大きな影響を与える可能性があります。環境や公衆衛生さえも。

エアロゾルは、空気中に浮遊する液滴または固体微粒子の懸濁液です。 エアロゾルはさまざまな方法で生成されますが、最も重要な発生源の 1 つは、液体と空気の界面での気泡の破裂によるものです。 これまでの研究のほとんどは、汚染された界面がより蔓延しているにもかかわらず、「きれいな」気泡に焦点を当てていました。

イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校機械科学工学部助教授 Jie Feng と大学院生 Zhengyu Yang による新しい研究により、薄い油層で覆われた気泡がはじけると、より小さなサイズの液滴が生成され、全体の液滴数が増加し、一定の速度で噴射されることが示されました。きれいな水で生成される泡と比較して、より高い速度。 この研究「油で覆われた気泡の破裂における特異ジェット形成の強化」は、最近 Nature Physics 誌に掲載されました。

エアロゾルは私たちの環境のいたるところに存在しており、その性質は天然のものである場合もあれば、人為的なものである場合もあります。 気泡が破裂するエアロゾルは、液体界面を横切る物質の移動において重要な役割を果たします。 たとえば、波しぶきエアロゾルは主に海面での気泡の破裂によって生成されます。 バブルの崩壊によって生じる水滴は、大気汚染、地球気候、さらには感染症の伝染にさえ影響を与える可能性があります。 これらの液滴の重要なパラメーターの 1 つはそのサイズです。これは、大気中の滞留時間と輸送を示すためです。小さな液滴は風によってより簡単に持ち上げられ、より遠くまで移動する可能性があります。

「私たちのいたるところで水が汚染されています。泡が深い水から地表まで上昇すると、汚染物質が集まり、その周りに有機層が形成されます。私たちはこれを汚染された泡と呼びます。それが地表に到達して破裂すると、実際にこれらをエアロゾル化する可​​能性があります」汚染物質を小さな飛沫にします。」

— Jie Feng 助教授、MechSE

Feng と Yang は、汚染された泡のモデル システムとして、薄い油の層が泡の崩壊に与える影響を調査しました。 水面でミリメートルサイズの裸の泡が破裂すると、典型的なサイズが約 100 マイクロメートル (µm) の液滴が生成されます (典型的な人間の髪の毛は約 100 ～ 200 µm)。 この研究で、彼らは、はじけた気泡が薄い油の層で覆われている場合、水滴が数μm ほど小さくなる可能性があることを発見しました。 さらに、裸の気泡の破裂では通常 1 メートル/秒 (m/s) の吐出速度で液滴が生成されますが、オイルでコーティングされた気泡の破裂では 10 m/s もの大きな吐出速度で液滴が生成されます。 Feng 氏は次のように要約しています。「私たちの研究の主な結論は、これらの汚染された泡について、非常に効果的に汚染物質をミクロンサイズの液滴にエアロゾル化できることがわかったということです。」

下水処理工場のような工業環境では、小さな汚染水滴が工場内で働く人々に重大なリスクをもたらす可能性があります。 このような環境で気泡が破裂すると、酸性ミストやバイオエアロゾルが発生する可能性があります。 汚染された気泡がサイズ分布と排出速度に及ぼす影響を理解することは、効果的な個人用保護具を設計し、そのような施設近くの空気と水の質に関する追加ガイドラインを実施するために重要です。

より広い範囲では、エアロゾルは天候、気候、さらには人間の健康にさえ影響を与えます。

「これらの飛沫は病原体、細菌、ウイルスを運ぶ可能性がある」とヤン氏は語った。 「このような小さなエアロゾルがあり、より高く噴出できる場合、サイズが小さく噴出速度が速いため、大気中により長く留まることができます。」 エアロゾルのサイズと組成を理解することは、地球規模のモデリングの取り組みを改善するために重要です。 さらに、小さなエアロゾルは大きなエアロゾルよりも気道内にさらに浸透する可能性があるため、これらの汚染された飛沫は、感染だけでなく汚染物質の拡散の大きなリスクを引き起こす可能性があります。

この研究への他の貢献者には、Bingqiang Ji (共著者、MechSE、UIUC の博士研究員) および Jesse T. Ault (ブラウン大学工学部助教授) が含まれます。

この記事は 2023 年 3 月 28 日に公開されました。