Aerossol

 Nota: Para o recipiente pressurizado usado para dispersar produtos, veja Spray.

Poluição
Poluição atmosférica
Chuva ácida Índice de qualidade do ar Modelização de dispersão atmosférica CFC Escurecimento global Destilação global Aquecimento global Qualidade do ar interior Buraco do ozono PM10 Smog
Poluição da água
Eutrofização Hipóxia (Ambiente) Poluição marinha Detritos marinhos Acidificação oceânica Maré negra Poluição por barcos Poluição térmica Águas residuais Qualidade da água PFAS
Contaminação do solo
Poluição do solo Biorremediação Herbicida Pesticida
Contaminação radioactiva
Radioatividade ambiental Produtos da fissão Cinza nuclear Plutónio no ambiente Envenenamento radioativo Rádio no ambiente Urânio no ambiente
Outros tipos de Poluição
Poluição luminosa Poluição sonora Radiação electromagnética Poluição visual
v d e

Um aerossol é uma suspensão de partículas finas sólidas ou gotículas líquidas no ar ou em outro gás. Os aerossóis podem ter origem natural ou antropogênica. Na terminologia científica, aerossol é o sistema formado pelas partículas e pelo gás, e não apenas o material particulado. As partículas podem ter diâmetros inferiores ou superiores a 10 μm, sem um limite de tamanho único para todos os usos do termo. O tempo de suspensão depende do tamanho e da densidade das partículas, além do movimento do gás.

Entre os exemplos naturais estão a maresia, a névoa seca de origem biológica, a poeira transportada pelo vento, a fumaça de incêndios florestais naturais, partículas emitidas diretamente por vulcões ou formadas a partir de gases vulcânicos, além de nevoeiro, neblina e nuvens. Outros exemplos são pólens, esporos de fungos e partículas expelidas pela tosse ou por espirros.

Aerossóis antropogênicos incluem fumaça formada por partículas emitidas diretamente por fontes de combustão, inclusive a fumaça de cigarro, e aerossóis secundários, cujas partículas se formam por reações químicas no ar, como ocorre no smog fotoquímico. Também entram nessa categoria a poeira levantada pelo vento em solos perturbados, materiais fragmentados em processos de moagem, poeira de materiais ou de fontes industriais, névoa de irrigação, pesticidas pulverizados e névoa produzida por descargas de usinas hidrelétricas.

No uso comum, aerossol também pode designar um sistema de dispersão que libera um produto de consumo na forma de aerossol a partir de um recipiente pressurizado. Outros exemplos desse uso são perfumes lançados por atomizadores e tratamentos médicos para doenças respiratórias.

Efeitos dos aerossóis

A inalação de aerossóis pode depositar partículas no sistema respiratório. Os efeitos sobre a saúde dependem da composição, da concentração e do tamanho das partículas, além da duração da exposição.

A exposição prolongada e repetida à poluição por partículas aumenta o risco de morte cardiorrespiratória e de doenças respiratórias crônicas. A exposição de curta duração à poluição por partículas pode agravar doenças pulmonares e cardiovasculares preexistentes, elevando a morbidade e a mortalidade.

Episódios de concentrações excepcionalmente altas de material particulado em aerossol incluem o Grande Nevoeiro de 1952, em Londres, o episódio de poluição de Donora de 1948 e a grande névoa de Deli, na Índia, em 2016, tratada no artigo Poluição do ar em Deli.

Algumas infecções podem ser transmitidas pela inalação de partículas respiratórias que contêm agentes infecciosos. Essas partículas são emitidas durante a respiração, a fala, a tosse e o espirro e podem integrar bioaerossóis. Seu tamanho varia continuamente, sem uma fronteira única que separe a transmissão aérea das demais formas de transmissão por partículas respiratórias.

Certos tipos de aerossol atmosférico afetam o clima da Terra, entre eles os de origem vulcânica, a poeira de desertos e o sal marinho. Erupções que injetam dióxido de enxofre na estratosfera podem produzir gotículas de ácido sulfúrico que permanecem por anos e dispersam a radiação solar, resfriando a superfície. A poeira desértica dispersa e absorve radiação. O aquecimento do ar por partículas absorventes pode inibir a formação de nuvens, mas o efeito depende das propriedades das partículas e das condições atmosféricas.

Os aerossóis de sulfato de origem humana, produzidos principalmente a partir das emissões da queima de petróleo e carvão com enxofre, podem aumentar o número de núcleos de condensação disponíveis. Para uma mesma quantidade de água líquida, isso tende a produzir mais gotículas, de tamanho menor, e a aumentar a refletividade da nuvem. As mudanças na precipitação, na quantidade de água e na duração das nuvens dependem das condições meteorológicas e não implicam um aumento uniforme de sua persistência.

As trilhas de navios, visíveis em imagens de satélite, são faixas de nuvens modificadas pelas partículas presentes nos gases de exaustão de embarcações. Essas partículas podem aumentar o número de gotículas e tornar trechos de nuvens existentes mais refletivos. As faixas acompanham o percurso da embarcação e o transporte de sua exaustão pelo vento.

O aquecimento provocado por gases de efeito estufa de origem humana foi parcialmente compensado pelo efeito de resfriamento de aerossóis antropogênicos. A redução das emissões de dióxido de enxofre do transporte marítimo internacional após a mudança dos padrões de combustível em 2020 foi estimada em cerca de 80%, diminuindo parte desse efeito de resfriamento.

Aerossóis e gotículas de nuvens incorporam gases e participam de reações que transformam compostos de enxofre e de nitrogênio em substâncias ácidas. A deposição dessas substâncias, inclusive pela precipitação, pode causar chuva ácida e danos ambientais.

Definições

Aerossol é um sistema de suspensão de partículas sólidas ou líquidas em um gás. Ele abrange as partículas e o gás que as mantém suspensas, normalmente o ar. Meteorologistas e climatologistas costumam tratar essas partículas como material particulado. Classificações por faixas de tamanho, como PM_2,5 e PM₁₀, são úteis no estudo da poluição atmosférica porque essas faixas influenciam os efeitos nocivos sobre a saúde humana.

O uso do termo aerosol por Frederick G. Donnan durante a Primeira Guerra Mundial é mencionado por Hidy, com o sentido de uma aerosolução, ou nuvem de partículas microscópicas no ar. Em uma publicação de 1923, Robert Whytlaw-Gray, J. B. Speakman e J. H. P. Campbell agradeceram a Donnan pela sugestão do termo. O nome surgiu por analogia com hidrossol, um sistema coloidal em que a água é o meio de dispersão. Aerossóis primários contêm partículas introduzidas diretamente no gás. Aerossóis secundários, como o aerossol orgânico secundário, se formam pela conversão de gases em partículas.

Os principais grupos de aerossóis incluem sulfatos, carbono orgânico, carbono negro, nitratos, poeira mineral e sal marinho. Essas substâncias costumam se aglomerar em misturas complexas. Tipos de aerossol também podem ser classificados pela forma física e pelo modo como são gerados. A poeira é formada sobretudo pela fragmentação mecânica de sólidos. Fumos se formam pela condensação de vapores em partículas sólidas, em geral após processos térmicos. A fumaça contém partículas produzidas pela combustão, enquanto névoas consistem em gotículas líquidas formadas por condensação ou atomização. Esses termos não impõem fronteiras rígidas de tamanho e podem se sobrepor.

Há diferentes formas de medir a concentração de aerossóis. As ciências do ambiente e a saúde ambiental usam com frequência a concentração mássica (M), definida como a massa de material particulado por unidade de volume, em unidades como μg/m³. Também é comum a concentração numérica (N), ou seja, o número de partículas por unidade de volume, em unidades como partículas por m³ ou por cm³.

O tamanho das partículas altera muitas de suas propriedades. O raio e o diâmetro são usados para caracterizar um aerossol, e o diâmetro é indicado por d_p.

Os aerossóis variam quanto à dispersidade. Um aerossol monodisperso, que pode ser produzido em laboratório, contém partículas de tamanho uniforme. A maioria dos aerossóis, por ser um sistema coloidal polidisperso, apresenta uma faixa de tamanhos de partícula. Gotículas líquidas quase sempre são aproximadamente esféricas, mas, para sólidos de formatos diversos e por vezes muito irregulares, usa-se um diâmetro equivalente. Ele corresponde ao diâmetro de uma partícula esférica que apresenta o mesmo valor de determinada propriedade física da partícula irregular. O diâmetro volumétrico equivalente (d_e) é o diâmetro de uma esfera com o mesmo volume da partícula irregular. Outro parâmetro frequente é o diâmetro aerodinâmico, d_a.

Geração e aplicações

As pessoas geram aerossóis para diferentes finalidades, entre elas:

• produzir aerossóis de teste para calibrar instrumentos, realizar pesquisas e testar equipamentos de amostragem e filtros de ar.
• aplicar desodorantes, tintas e outros produtos de consumo por pulverização.
• dispersão e aplicação agrícola.
• tratamento médico de doenças respiratórias.
• sistemas de injeção de combustível e outras tecnologias de combustão.

Alguns dispositivos usados para gerar aerossóis são:

• Spray.
• Bico atomizador ou nebulizador.
• Eletropulverização.
• Cigarro eletrônico.
• Gerador de aerossol de orifício vibratório, abreviado como VOAG.
• Umidificadores ultrassônicos, que produzem uma névoa fina por vibrações ultrassônicas.

Na atmosfera

Certos tipos de aerossol atmosférico afetam o clima da Terra, entre eles os de origem vulcânica, a poeira desértica, o sal marinho e os provenientes de fontes biogênicas e humanas. Após uma erupção, a oxidação do dióxido de enxofre pode produzir gotículas de ácido sulfúrico na estratosfera. Essas partículas dispersam a luz solar e podem resfriar a superfície por anos. A poeira desértica altera o transporte de radiação e as propriedades das nuvens. Aerossóis de sulfato de origem humana, produzidos principalmente a partir das emissões da queima de petróleo e carvão, também alteram o comportamento das nuvens.

Gotículas de água e cristais de gelo suspensos em nuvens cabem na definição física ampla de aerossol. Na meteorologia, porém, costuma-se distinguir as partículas de aerossol das partículas de nuvem e de precipitação, que são hidrometeoros. A atmosfera da Terra contém aerossóis de diferentes tipos e concentrações, como:

• materiais inorgânicos naturais: poeira fina, sal marinho ou gotículas de água.
• partículas naturais que contêm matéria orgânica, como fumaça, pólen, esporos ou bactérias.
• produtos antropogênicos de combustão, como fumaça, cinzas ou poeiras.

Em ecossistemas urbanos, os aerossóis podem ocorrer de formas como:

• poeira.
• fumaça de cigarro.
• névoa de latas de spray.
• fuligem ou fumos dos gases de escapamento de automóveis.

A presença de aerossóis na atmosfera terrestre pode afetar o clima e a saúde humana.

Efeitos

Ver também: Material particulado

Vulcões emitem dióxido de enxofre, sulfeto de hidrogênio e ácido clorídrico, entre outros gases. Esses gases não são aerossóis, mas podem reagir na atmosfera e originar partículas ou dissolver-se em gotículas. A oxidação do dióxido de enxofre produz ácido sulfúrico e sulfatos, que podem ser removidos por deposição e precipitação.

Quando aerossóis incorporam poluentes, a deposição desses poluentes na superfície terrestre e em corpos d'água pode aumentar. Esse processo pode prejudicar o ambiente e a saúde humana.

Os aerossóis interagem com o orçamento energético da Terra por efeitos diretos e indiretos.

• Um efeito direto ocorre quando os aerossóis dispersam ou absorvem a radiação solar incidente. A dispersão de luz de volta ao espaço tende a resfriar a superfície. A absorção aquece a camada atmosférica que contém as partículas e pode, ao mesmo tempo, reduzir a radiação que chega ao solo. O efeito líquido depende da composição das partículas, de sua altitude e das nuvens e superfícies abaixo delas. Esses processos alteram o balanço de energia por mecanismos diferentes da absorção de radiação infravermelha pelos gases do efeito estufa.
• Os efeitos indiretos ocorrem quando o aerossol altera as nuvens, por exemplo, ao modificar o número e o tamanho das gotículas e, com isso, a reflexão da radiação solar. Mudanças na água líquida, na precipitação e na cobertura de nuvens podem ampliar ou reduzir o efeito radiativo inicial.
• Aerossóis antropogênicos também alteram a distribuição regional da absorção de calor. Em simulações de 1861 a 2005, a compensação entre o efeito dos aerossóis e o dos gases de efeito estufa no Hemisfério Norte fez com que a entrada de calor adicional ocorresse principalmente no Hemisfério Sul. O transporte oceânico para norte redistribuiu esse calor, reduzindo a diferença entre os hemisférios no armazenamento oceânico, após o ajuste pelo volume dos oceanos. Em escala global, o resfriamento produzido pelos aerossóis reduz o aquecimento causado pelos gases de efeito estufa, sem anulá-lo por completo.

As trilhas de navios se formam quando partículas dos gases de exaustão alteram nuvens marítimas. Sob supersaturação, moléculas de água condensam sobre partículas que atuam como núcleos de condensação. A exaustão pode gerar gotículas adicionais em uma camada de nuvens já existente, modificando seu tamanho e sua refletividade. O transporte das partículas pelo vento produz faixas alongadas sobre o oceano.

O aquecimento provocado por gases de efeito estufa de origem humana foi parcialmente compensado pelo resfriamento produzido por aerossóis antropogênicos. A queda das emissões marítimas de dióxido de enxofre após 2020 reduziu parte desse resfriamento. Yuan e colaboradores interpretaram a mudança como um "choque de cessação de geoengenharia involuntário". A magnitude do efeito radiativo e sua detecção nas observações dependem da resposta das nuvens e da variabilidade natural, o que dificulta separar esse efeito de outras causas das flutuações climáticas recentes.

Em simulações de quartos hospitalares com ar-condicionado, gotículas de cerca de 20 μm acompanharam inicialmente os jatos de ar e depois sedimentaram em regiões de escoamento mais lento. Hunziker chamou esse comportamento de "jet rider". O resultado depende da configuração do ambiente e do escoamento, e não estabelece um tempo de suspensão universal para esse tamanho de partícula. A deposição nasal depende do tamanho das partículas, do fluxo respiratório e da anatomia das vias aéreas. A inalação de partículas respiratórias com SARS-CoV-2 é uma via de transmissão da COVID-19, sem se limitar a uma única faixa de tamanho.

Partículas com diâmetros aerodinâmicos da ordem de 10 μm podem penetrar na região torácica, e partículas mais finas podem alcançar a região de troca gasosa dos pulmões. Os valores de 10 e 2,5 μm usados no monitoramento da poluição não são fronteiras anatômicas rígidas. A penetração e a deposição no sistema respiratório variam gradualmente com o tamanho e também dependem da respiração e das propriedades das partículas.

Distribuição de tamanho

Para um aerossol monodisperso, um único número, o diâmetro da partícula, basta para representar o tamanho das partículas. Em aerossóis polidispersos, distribuições de tamanho de partícula mais elaboradas representam os tamanhos presentes. A distribuição expressa as quantidades relativas de partículas separadas pelo tamanho. Uma forma de definir a distribuição seria listar o tamanho de cada partícula de uma amostra, mas isso é impraticável em aerossóis com milhões de partículas e pouco conveniente para análise. Outra forma é dividir a faixa de tamanhos em intervalos e determinar o número ou a proporção de partículas em cada intervalo. Os dados podem ser apresentados em um histograma, no qual a área de cada barra corresponde à proporção de partículas da classe de tamanho. Em geral, o número de partículas de uma classe é dividido pela largura do intervalo, de modo que a área da barra fique proporcional ao número de partículas naquela faixa. Se a largura das classes tende a zero, a função de frequência é:

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

em que

${\displaystyle d_{p}}$ é o diâmetro das partículas.

${\displaystyle \mathrm {d} f}$ é a fração de partículas com diâmetros entre ${\displaystyle d_{p}}$ e ${\displaystyle d_{p}+\mathrm {d} d_{p}}$.

${\displaystyle f(d_{p})}$ é a função de frequência.

A área sob a curva de frequência entre dois tamanhos, a e b, corresponde à fração total de partículas nessa faixa:

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

A distribuição também pode ser formulada em função da concentração numérica total N. Se ${\displaystyle N(d_{p})}$ é a concentração diferencial por unidade de diâmetro, então:

${\displaystyle \mathrm {d} N=N(d_{p})\,\mathrm {d} d_{p},\qquad N=\int _{0}^{\infty }N(d_{p})\,\mathrm {d} d_{p}}$

Para partículas esféricas, a área superficial do aerossol por unidade de volume (S) é dada pelo segundo momento:

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

O terceiro momento fornece a concentração volumétrica total (V) das partículas:

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

A distribuição de tamanho pode ser aproximada por funções estatísticas. A distribuição normal geralmente não representa bem a distribuição de tamanho de partículas em aerossóis por causa da assimetria associada a uma cauda longa de partículas maiores. Em grandezas que variam por uma faixa extensa, como ocorre com muitos tamanhos de aerossol, a largura de uma distribuição normal também implicaria tamanhos negativos, que não têm sentido físico. A distribuição normal, porém, pode ser adequada para alguns aerossóis, como aerossóis de teste, certos grãos de pólen e esporos.

A distribuição log-normal é usada com maior frequência. Em termos do diâmetro médio geométrico e do desvio padrão geométrico, a frequência numérica é:

${\displaystyle \mathrm {d} f={\frac {1}{d_{p}\ln(\sigma _{g}){\sqrt {2\pi }}}}\exp \left[-{\frac {\left[\ln(d_{p}/d_{g})\right]^{2}}{2\left[\ln(\sigma _{g})\right]^{2}}}\right]\mathrm {d} d_{p}}$

Nessa expressão, ${\displaystyle d_{g}}$ é o diâmetro médio geométrico, que também corresponde à mediana da distribuição numérica, e ${\displaystyle \sigma _{g}>1}$ é o desvio padrão geométrico, uma grandeza adimensional. O desvio padrão dos logaritmos dos diâmetros é ${\displaystyle \ln(\sigma _{g})}$. A média aritmética dos diâmetros é dada por:

${\displaystyle {\overline {d_{p}}}=d_{g}\exp \left[{\frac {\left[\ln(\sigma _{g})\right]^{2}}{2}}\right]}$

A distribuição log-normal só admite diâmetros positivos, pode cobrir uma grande faixa de valores e se ajusta razoavelmente bem a muitas distribuições observadas. Seus momentos também têm expressões analíticas simples em função de ${\displaystyle d_{g}}$ e ${\displaystyle \sigma _{g}}$, o que facilita os cálculos.

Outras distribuições usadas para caracterizar tamanhos de partículas incluem a distribuição de Rosin-Rammler, baseada na distribuição de Weibull e aplicada a poeiras e sprays grosseiramente dispersos, a distribuição de Nukiyama-Tanasawa, usada em sprays com faixas de tamanho muito amplas, a distribuição por lei de potência, ocasionalmente aplicada a aerossóis atmosféricos, a distribuição exponencial, usada para materiais pulverulentos, e a distribuição de Khrgian-Mazin, usada para gotículas de nuvem.

Física

Dinâmica

A discussão anterior trata de partículas isoladas. A dinâmica de aerossóis estuda a evolução de populações inteiras de partículas. A concentração muda com o tempo em consequência de diferentes processos. Entre os processos externos que retiram partículas de um volume de gás estão a difusão, a sedimentação gravitacional e a ação de cargas elétricas e outras forças externas que produzem migração. Entre os processos internos ao volume estão a formação de partículas por nucleação, a evaporação, reações químicas e a coagulação.

Uma equação diferencial chamada equação dinâmica geral de aerossóis, abreviada como GDE a partir do inglês General Dynamic Equation, expressa o balanço de partículas. Para uma classe de tamanho ${\displaystyle i}$, uma forma esquemática é:

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

Os termos do lado direito correspondem ao transporte pelo escoamento, à difusão browniana, ao crescimento ou à evaporação, à coagulação, à migração sob forças externas e à formação de novas partículas.

Nessa equação, ${\displaystyle n_{i}}$ é a concentração numérica da classe ${\displaystyle i}$, ${\displaystyle \mathbf {q} }$ é a velocidade do gás e ${\displaystyle D_{p,i}}$ é o coeficiente de difusão browniana das partículas, relacionado à mobilidade pela relação de Stokes-Einstein. A velocidade ${\displaystyle \mathbf {q} _{F,i}}$ é a deriva em relação ao gás causada por forças externas. O termo ${\displaystyle J_{i}}$ contabiliza a entrada de novas partículas na classe por nucleação. Crescimento, evaporação e coagulação transferem partículas entre classes de tamanho.

Coagulação

Quando partículas e gotículas de um aerossol colidem, podem coalescer ou se agregar. Quando as partículas que colidem permanecem unidas, o número total de partículas diminui e sua massa média aumenta, alterando a distribuição de tamanhos. Em alguns casos, partículas se fragmentam em muitas partículas menores, mas isso ocorre principalmente com partículas grandes demais para serem tratadas como aerossóis.

Regimes dinâmicos

O número de Knudsen da partícula distingue regimes de interação com o gás:

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

Nessa expressão, ${\displaystyle \lambda }$ é o percurso livre médio das moléculas do gás e ${\displaystyle d}$ é o diâmetro da partícula. No regime molecular livre, ${\displaystyle K_{n}\gg 1}$, a partícula é pequena em comparação com esse percurso e sua interação com o gás depende de colisões moleculares individuais. O movimento browniano e a resposta às correntes de ar também dependem da massa e da mobilidade da partícula.

Para a condensação de um vapor diluído sobre uma partícula esférica, em condições isotérmicas, a taxa líquida de transferência de massa no regime molecular livre pode ser escrita como:

${\displaystyle I_{\mathrm {livre} }=\pi a^{2}\alpha {\overline {c}}_{A}{\frac {m_{A}}{k_{\mathrm {B} }T}}\left(p_{A\infty }-p_{As}\right)}$

Aqui, ${\displaystyle a}$ é o raio da partícula, ${\displaystyle \alpha }$ é o coeficiente de acomodação de massa, ${\displaystyle {\overline {c}}_{A}}$ é a velocidade térmica média das moléculas do vapor, ${\displaystyle m_{A}}$ é a massa de uma dessas moléculas, ${\displaystyle k_{\mathrm {B} }}$ é a constante de Boltzmann e ${\displaystyle T}$ é a temperatura absoluta. As pressões parciais ${\displaystyle p_{A\infty }}$ e ${\displaystyle p_{As}}$ são, respectivamente, a pressão do vapor longe da partícula e a pressão de equilíbrio junto à sua superfície. A grandeza ${\displaystyle I}$ tem unidades de massa por tempo, como kg/s, e é positiva na condensação.

No regime contínuo, ${\displaystyle K_{n}\ll 1}$, o gás pode ser aproximado por um fluido contínuo ao redor da partícula. Para difusão estacionária de um vapor diluído, sem ventilação forçada, a taxa de transferência de massa é:

${\displaystyle I_{\mathrm {cont} }={\frac {4\pi aM_{A}D_{AB}}{RT}}\left(p_{A\infty }-p_{As}\right)}$

Nessa expressão, ${\displaystyle M_{A}}$ é a massa molar do vapor, ${\displaystyle D_{AB}}$ é seu coeficiente de difusão no gás de suspensão ${\displaystyle B}$ e ${\displaystyle R}$ é a constante universal dos gases perfeitos. As duas formas usam a mesma conversão entre pressão e massa, pois ${\displaystyle M_{A}/R=m_{A}/k_{\mathrm {B} }}$.

O regime de transição, com ${\displaystyle K_{n}}$ da ordem de 1, fica entre os limites molecular livre e contínuo. A fórmula de interpolação de Fuchs-Sutugin, para acomodação completa, ${\displaystyle \alpha =1}$, fornece a aproximação:

${\displaystyle I=I_{\mathrm {cont} }{\frac {1+K_{n}}{1+1{,}71K_{n}+1{,}33K_{n}^{2}}}}$

Na aplicação dessa fórmula à transferência de vapor, usa-se o percurso livre médio efetivo ${\displaystyle \lambda _{A}=3D_{AB}/{\overline {c}}_{A}}$, de modo que ${\displaystyle K_{n}=\lambda _{A}/a}$. Esse parâmetro não precisa coincidir com o percurso livre médio do gás de suspensão usado em problemas de arrasto. As expressões pressupõem temperatura uniforme e não incluem o aquecimento da gotícula pela liberação de calor latente.

Partição

A partição entre o gás e as partículas envolve a condensação sobre as partículas e a evaporação a partir delas. A condensação aumenta sua massa e seu tamanho, enquanto a evaporação os reduz. Ocorre mais condensação que evaporação quando a pressão parcial do vapor supera a pressão de equilíbrio sobre a superfície da partícula. Essa pressão de equilíbrio depende da temperatura, da composição e da curvatura da superfície.

O desequilíbrio favorável à condensação pode ocorrer quando:

1. A temperatura diminui, reduzindo a pressão de vapor de equilíbrio.
2. Reações químicas produzem compostos menos voláteis ou aumentam a quantidade de vapor disponível.
3. A introdução de vapor eleva sua pressão parcial.

A presença de solutos na fase líquida também pode reduzir a pressão de equilíbrio de um componente. Para uma solução ideal, a lei de Raoult relaciona essa pressão à fração molar do componente no líquido. Esse efeito é distinto do aumento da pressão parcial causado pela adição de vapor.

A nucleação é a formação de núcleos de uma nova fase capazes de crescer. Na nucleação heterogênea, uma superfície preexistente facilita essa formação. Na nucleação homogênea, os núcleos se formam sem esse suporte, o que pode acrescentar partículas muito pequenas à distribuição. O crescimento por condensação de partículas já existentes aumenta seu tamanho sem, por si só, aumentar seu número.

Ativação

Partículas de aerossol podem captar água e crescer mesmo abaixo de 100% de umidade relativa. Na formação de nuvens, ativação é a passagem para o crescimento de uma gotícula após a supersaturação ambiente ultrapassar o valor crítico previsto pela teoria de Köhler. A simples presença de água sobre uma partícula não significa que ela tenha sido ativada. Aerossóis formados a partir de compostos emitidos por florestas podem fornecer núcleos de condensação para esse processo.

Para uma gotícula de líquido puro, a equação de Kelvin expressa o efeito da curvatura: gotículas menores exigem pressão de vapor mais alta para permanecer em equilíbrio. No caso da água, a umidade relativa de equilíbrio é:

${\displaystyle \mathrm {UR} _{\mathrm {eq} }={\frac {p_{s}}{p_{0}}}\times 100\%=S_{\mathrm {eq} }\times 100\%}$

Nessa expressão, ${\displaystyle p_{s}}$ é a pressão de vapor de equilíbrio sobre a superfície curva, ${\displaystyle p_{0}}$ é a pressão de saturação sobre uma superfície plana do mesmo líquido à mesma temperatura e ${\displaystyle S_{\mathrm {eq} }}$ é a razão de saturação de equilíbrio. A equação de Kelvin fornece:

${\displaystyle \ln \left({\frac {p_{s}}{p_{0}}}\right)={\frac {2\sigma M}{RT\rho r_{p}}}}$

Aqui, ${\displaystyle r_{p}}$ é o raio da gotícula, ${\displaystyle \sigma }$ é a tensão superficial, ${\displaystyle \rho }$ é a densidade do líquido, ${\displaystyle M}$ é sua massa molar, ${\displaystyle T}$ é a temperatura e ${\displaystyle R}$ é a constante universal dos gases. Para gotículas de solução, a teoria de Köhler combina o efeito da curvatura com a redução da pressão de vapor causada pelos solutos. O máximo da curva de equilíbrio determina a supersaturação crítica de ativação.

Solução da equação dinâmica geral

Não há uma solução analítica geral em forma fechada para a equação dinâmica geral de aerossóis. Entre os métodos usados para resolvê-la estão:

• método dos momentos.
• método modal/seccional.
• método de quadratura dos momentos ou método dos momentos por expansão em série de Taylor.
• método de Monte Carlo.

Detecção

Aerossóis podem ser medidos in situ ou por técnicas de sensoriamento remoto, realizadas no solo ou a partir de plataformas aéreas.

Sensoriamento remoto

Uma grandeza usada na observação atmosférica é a profundidade óptica de aerossóis, ou AOD, um número adimensional relacionado à extinção do feixe solar por absorção e espalhamento ao longo da coluna atmosférica. A rede AERONET da NASA calcula a AOD espectral a partir de medições da radiação solar direta feitas com fotômetros solares em diferentes comprimentos de onda. Radiômetros de banda sombreada podem inferir a intensidade do feixe direto por medições sucessivas das componentes global e difusa da radiação solar.

Entre as técnicas de sensoriamento remoto estão:

• fotômetro solar.
• lidar.
• espectroscopia de imagem.

Ver também

• Aerogel, sólido poroso produzido pela substituição da fase líquida de um gel por gás
• Aeroplâncton, organismos e material biológico microscópico transportados pelo ar
• Escurecimento global, redução da radiação solar que alcança a superfície, em parte causada por aerossóis
• Material particulado, partículas sólidas e líquidas suspensas no ar estudadas na poluição atmosférica
• Nebulizador, dispositivo que produz aerossóis para administração por inalação
• Monoterpeno, classe de compostos biogênicos que pode participar da formação de aerossóis orgânicos secundários
• Capa de ar saariana, camada de ar que transporta poeira mineral do Saara sobre o oceano Atlântico
• Injeção de aerossol na estratosfera, proposta de intervenção climática baseada na introdução de partículas ou seus precursores na estratosfera

Referências

Fontes

• Ian Colbeck; Mihalis Lazaridis, eds. (2014). Aerosol Science: Technology and Applications (em inglês). [S.l.]: John Wiley & Sons. ISBN 978-1-119-97792-6. doi:10.1002/9781118682555 
• Friedlander, Sheldon K. (2000). Smoke, Dust, and Haze: Fundamentals of Aerosol Dynamics (em inglês) 2.ª ed. New York: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-512999-1 
• Hinds, William C. (1999). Aerosol Technology: Properties, Behavior, and Measurement of Airborne Particles (em inglês) 2.ª ed. [S.l.]: Wiley-Interscience. ISBN 978-0-471-19410-1 
• Hidy, George M. (1984). Aerosols: An Industrial and Environmental Science (em inglês). [S.l.]: Academic Press. ISBN 978-0-12-347260-1. doi:10.1016/B978-0-12-347260-1.X5001-6 

Ligações externas

O Commons possui uma categoria com imagens e outros ficheiros sobre Aerossol

• International Aerosol Research Assembly
• American Association for Aerosol Research
• NIOSH Manual of Analytical Methods, com capítulos sobre amostragem de aerossóis

• Portal da química
• Portal do ambiente
• Portal da meteorologia