科学家终于揭开呼吸空气中的百年谜团

每天，人们会吸入数百万微小颗粒，包括煤烟、灰尘、花粉、微塑料、病毒和人工纳米颗粒。其中一些颗粒非常小，能够深入肺部甚至进入血液。接触这些颗粒与心脏病、中风和癌症等严重健康问题有关。大多数空气传播的颗粒并非具有光滑或对称的形状。然而，传统数学模型通常假设这些颗粒是完美的球体，因为球形便于方程求解。这种简化限制了科学家准确追踪现实世界中颗粒行为的能力，尤其是那些可能带来更大健康风险的不规则形状颗粒。为现代科学复兴百年方程：华威大学的一名研究人员现已提出第一种简单方法，可预测几乎任何形状的颗粒如何在空气中运动。这项发表在《流体力学杂志快报》上的研究，更新了一个已有百余年历史的公式，填补了气溶胶科学中的一个主要空白。该论文作者、华威大学工程学院的邓肯·洛克比教授表示：“我们的动机很简单：如果能准确预测任何形状颗粒的运动，就能显著改进空气污染、疾病传播甚至大气化学的模型。这种新方法建立在一个非常古老的模型基础上——该模型简单却强大——使其适用于复杂和不规则形状的颗粒。”纠正气溶胶物理学中的一个关键疏漏：这一突破源于对气溶胶科学中一项基础工具——坎宁安修正因子的重新审视。该修正因子于1910年首次提出，旨在解释微小颗粒所受阻力与经典流体行为的差异。20世纪20年代，诺贝尔奖得主罗伯特·密立根对该公式进行了改进。在此过程中，一个更简单、更通用的修正方法被忽略了。因此，后来的方程版本仍局限于完美球形颗粒，限制了其在现实条件下的实用性。洛克比教授的研究将坎宁安的原始思想重构为更广泛、更灵活的形式。在这个修正后的框架中，他引入了“修正张量”——一种数学工具，用于解释作用于任何形状颗粒（包括球体和薄圆盘）的阻力。重要的是，该方法不依赖经验拟合参数。邓肯·洛克比教授补充道：“这篇论文旨在重拾坎宁安1910年研究的初衷。通过推广他的修正因子，我们现在可以对几乎任何形状的颗粒做出准确预测——无需密集模拟或经验拟合。”“它首次提供了准确预测非球形颗粒在空气中传播的框架，由于这些纳米颗粒与空气污染和癌症风险密切相关，这对环境健康和气溶胶科学而言都是重要的进步。”这对污染、气候和健康研究意味着什么：新模型为理解空气传播颗粒在广泛科学领域的运动提供了更坚实的基础，包括空气质量监测、气候模型、纳米技术和医学。这种方法有望改进对污染如何在城市中扩散、野火烟雾或火山灰如何在大气中传播，以及人工纳米颗粒在工业和医疗应用中行为的预测。为扩展这项研究，华威大学工程学院投资建设了新的先进气溶胶生成系统。该设施将允许研究人员在受控条件下制造和仔细研究各种非球形颗粒，帮助验证和完善这种新的预测方法。与洛克比教授合作的华威大学工程学院朱利安·加德纳教授表示：“这个新设施将使我们能够在受控条件下探索现实世界空气传播颗粒的行为，帮助将这一理论突破转化为实用的环境工具。”