Aerosol, hay khí dung, là một hệ thống keo phân tán dị thể gồm các hạt vật chất ở thể rắn hoặc thể lỏng lơ lửng trong môi trường khí quyển hoặc một chất khí mang, có kích thước hạt dao động từ vài nanomet đến hàng trăm micromet. Aerosol hiện diện khắp mọi nơi trong khí quyển Trái Đất, từ các hạt muối biển tự nhiên bắn lên từ đại dương đến các hạt bồ hóng sinh ra từ quá trình đốt nhiên liệu công nghiệp.
Tính chất kích thước hạt và cơ học chuyển động
Kích thước hạt là thông số vật lý quan trọng nhất quyết định động học và thời gian lưu chuyển của aerosol trong không gian, thường nằm trong dải kích thước đặc trưng:
Dựa trên đường kính khí động học, cơ học chuyển động của hạt aerosol tuân theo các quy luật vật lý khác nhau:
| Chế độ kích thước | Cơ chế chuyển động chi phối | Hiện tượng vật lý và loại bỏ |
|---|---|---|
| Hạt siêu mịn (Dưới 0.1 micromet) | Khuếch tán Brown do va chạm với phân tử khí | Đông tụ nhanh chóng với các hạt khác tạo thành hạt lớn hơn |
| Hạt tích tụ (0.1 đến 2.5 micromet) | Chuyển động theo dòng khí quyển, tốc độ lắng chậm | Thời gian lưu trong khí quyển rất dài, gây ô nhiễm diện rộng |
| Hạt thô (Trên 2.5 micromet) | Lắng đọng trọng trường và quán tính va đập | Lắng nhanh xuống bề mặt đất hoặc bị giữ lại ở đường hô hấp trên |
Vật lý khí dung và phân bố điện tích
Trong nghiên cứu năm 2000 của William Hinds trên Aerosol Science and Technology, sự tương tác điện tích giữa các hạt aerosol đóng vai trò quyết định đến tốc độ đông tụ và bám dính bề mặt. Hinds đã phát triển các phương pháp tạo ion để đưa điện tích của hệ khí dung về trạng thái cân bằng Boltzmann, giúp các phép đo đạc kích thước hạt đạt độ chính xác cao.
Trong công trình năm 2002 trên cùng tạp chí, Hinds tiếp tục làm rõ cơ chế lắng đọng tập thể của các đám mây hạt khí dung dưới tác động của hiện tượng bất ổn định thủy động lực học Rayleigh-Taylor.
Hóa học khí quyển và cân bằng bức xạ khí hậu
Theo chuyên khảo kinh điển năm 1998 của Seinfeld và Pandis trên Physics Today, aerosol đóng vai trò then chốt trong biến đổi khí hậu toàn cầu:
- Tán xạ bức xạ mặt trời (Hiệu ứng trực tiếp): Hạt aerosol sunfat và muối biển phản xạ ánh sáng mặt trời trở lại không gian, tạo ra hiệu ứng làm mát bề mặt Trái Đất. Ngược lại, aerosol carbon đen (bồ hóng) hấp thụ bức xạ gây nóng ấm cục bộ tầng khí quyển.
- Hạt nhân ngưng tụ mây CCN (Hiệu ứng gián tiếp): Hạt aerosol đóng vai trò làm mầm mống để hơi nước ngưng tụ tạo thành các giọt mây, làm thay đổi độ phản xạ ánh sáng của mây và lượng mưa toàn cầu.
- Sức khỏe hô hấp: Các hạt mịn PM2.5 có thể xâm nhập sâu vào tận phế nang phổi và đi vào tuần hoàn máu, làm tăng nguy cơ mắc các bệnh tim mạch và ung thư phổi.