Aerossol
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.
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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.
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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 PM2,5 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.
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As pessoas geram aerossóis para diferentes finalidades, entre elas: Alguns dispositivos usados para gerar aerossóis são:
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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:
Efeitos
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. 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.
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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:
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Velocidade terminal de uma partícula em um fluido
Para um número de Reynolds muito menor que 1, a lei de Stokes fornece a força de resistência sobre uma partícula esférica em movimento relativo a um fluido. Sua forma usual pressupõe um meio contínuo e ausência de deslizamento entre o gás e a superfície da partícula. Para partículas pequenas em relação ao percurso livre médio das moléculas do gás, o deslizamento reduz a resistência. Esse efeito é incorporado pelo fator de correção de Cunningham, que é maior que 1 e tende a 1 no limite contínuo. Nessa expressão, F D {\displaystyle F_{D}} é o módulo da força de resistência, η {\displaystyle \eta } é a viscosidade dinâmica do gás, V {\displaystyle V} é o módulo da velocidade da partícula em relação ao gás, d {\displaystyle d} é o diâmetro da partícula e C c {\displaystyle C_{c}} é o fator de Cunningham.
Diâmetro aerodinâmico
O diâmetro aerodinâmico de uma partícula irregular é definido como o diâmetro de uma partícula esférica com densidade de 1.000 kg/m3 e a mesma velocidade de sedimentação da partícula irregular. No regime de Stokes e desprezando a correção de deslizamento, a partícula sedimenta com velocidade terminal proporcional ao quadrado do diâmetro aerodinâmico, da: em que ρ 0 {\displaystyle \rho _{0}} é a densidade padrão da partícula, 1.000 kg/m3. A equação fornece o diâmetro aerodinâmico: O diâmetro aerodinâmico pode ser aplicado a poluentes particulados e a medicamentos inalados para prever em que parte do trato respiratório as partículas se depositam. Empresas farmacêuticas costumam usar o diâmetro aerodinâmico, e não o geométrico, para caracterizar partículas de medicamentos inaláveis.
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 i {\displaystyle i} , uma forma esquemática é:
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Aerossóis podem ser medidos in situ ou por técnicas de sensoriamento remoto, realizadas no solo ou a partir de plataformas aéreas.
Observações in situ
A amostragem gravimétrica recolhe partículas em filtros para determinar a massa coletada. Em amostradores ocupacionais, partículas depositadas nas paredes internas do dispositivo também podem integrar a amostra, e não apenas aquelas retidas no filtro. Algumas técnicas disponíveis para medições in situ são:
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:
Amostragem seletiva por tamanho
Partículas podem se depositar no nariz, na boca, na faringe e na laringe, na região extratorácica, em partes mais profundas do trato respiratório, da traqueia aos bronquíolos terminais, ou na região alveolar. O local em que as partículas de aerossol se depositam no sistema respiratório determina em grande medida os efeitos da exposição sobre a saúde. Isso levou ao desenvolvimento de amostradores de aerossol que selecionam subconjuntos das partículas capazes de alcançar determinadas partes do sistema respiratório. Entre esses subconjuntos da distribuição de tamanhos, relevantes para a saúde ocupacional, estão as frações inalável, torácica e respirável. A fração capaz de entrar em cada parte do sistema respiratório depende da deposição de partículas nas regiões superiores das vias aéreas. A fração inalável, definida como a fração da massa das partículas presentes no ar que pode entrar pelo nariz ou pela boca, depende da velocidade e da direção do vento e da distribuição de tamanhos por diâmetro aerodinâmico. A fração torácica é a fração da massa das partículas do aerossol ambiente que penetra além da laringe. A fração respirável é a fração da massa das partículas do ar que alcança as vias aéreas não ciliadas, na região de troca gasosa. Para medir a fração respirável, usa-se um pré-coletor em conjunto com um filtro de amostragem. O pré-coletor retém partículas de maneira semelhante à remoção que ocorre nas vias aéreas, enquanto o filtro recolhe as partículas que serão medidas. É comum usar um separador ciclônico como pré-coletor, embora também sejam empregados impactadores, elutriadores horizontais e filtros de membrana de poros grandes.
