Ein kaltes Sprudelwasser. Wellen, die am Strand zusammenbrechen. Das Knistern eines Lagerfeuers. Dampf aus einem Wasserkocher.
Diese sind nicht nur die Voraussetzungen für ein entspanntes Wochenende, sondern auch Aerosolquellen in unserer Umwelt. Obwohl einige dieser Aerosolquellen kein großes Problem darstellen, können Aerosole, die aus industriellen Quellen wie Kläranlagen und sogar aus natürlichen Quellen wie Meeresgischt und -staub stammen, einen größeren Einfluss auf die haben Umwelt und sogar die öffentliche Gesundheit.
Ein Aerosol ist eine Suspension aus Flüssigkeitströpfchen oder feinen Feststoffpartikeln, die in der Luft schweben. Obwohl Aerosole auf vielfältige Weise erzeugt werden, ist eine der wichtigsten Quellen das Platzen von Blasen an der Grenzfläche zwischen einer Flüssigkeit und der Luft. Die meisten früheren Forschungen haben sich auf „saubere“ Blasen konzentriert, obwohl kontaminierte Grenzflächen häufiger vorkommen.
Neue Forschungsergebnisse der Assistenzprofessorin Jie Feng für Mechanik und Ingenieurwesen an der University of Illinois Urbana-Champaign und des Doktoranden Zhengyu Yang haben gezeigt, dass platzende Blasen, die mit einer dünnen Ölschicht überzogen sind, Tropfen mit kleineren Größen und einer größeren Gesamtzahl von Tropfen erzeugen und bei a ausgestoßen werden höhere Geschwindigkeit als in sauberem Wasser erzeugte Blasen. Diese Studie wurde kürzlich in veröffentlicht Naturphysik.
Aerosole sind in unserer Umwelt ziemlich allgegenwärtig und können natürlicher oder anthropogener Natur sein. Blasenplatzende Aerosole spielen eine Schlüsselrolle beim Massentransfer über flüssige Grenzflächen. Meeresgischt-Aerosole werden zum Beispiel hauptsächlich durch das Platzen von Blasen an der Meeresoberfläche erzeugt. Die Tropfen, die beim Platzen von Blasen entstehen, können die Luftverschmutzung, das globale Klima und sogar die Übertragung von Infektionskrankheiten beeinflussen. Ein wichtiger Parameter dieser Tröpfchen ist ihre Größe, da diese Aufschluss über die Verweilzeit und den Transport in der Atmosphäre gibt – kleine Tropfen werden leichter vom Wind angehoben und können sich viel weiter bewegen.
Hochgeschwindigkeits-Seitenansicht eines singulären Strahls aus einer ölbeschichteten Blase, die mit μo = 4,6 mPa s und ψo = 10 % platzt. R = 2,0 mm. Kredit: Naturphysik (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-01958-z
Feng sagt: „Wir haben überall kontaminiertes Wasser. Wenn die Blase aus tieferem Wasser an die Oberfläche steigt, sammelt sie Verunreinigungen und bildet eine organische Schicht um sie herum. Wir nennen dies eine kontaminierte Blase. Wenn sie die Oberfläche erreicht und platzt, kann sie das diese Verunreinigungen tatsächlich in kleine Tröpfchen aerosolieren.“
Als Modellsystem für kontaminierte Blasen untersuchten Feng und Yang, wie sich eine dünne Ölschicht auf platzende Blasen auswirkt. Das Platzen einer millimetergroßen bloßen Blase an einer wässrigen Oberfläche erzeugt Tropfen mit einer typischen Größe von etwa 100 Mikrometern (µm) (ein typisches menschliches Haar hat etwa 100-200 µm). In dieser Arbeit fanden sie heraus, dass Tropfen nur wenige µm klein sein können, wenn die platzende Blase mit einer dünnen Ölschicht überzogen ist. Darüber hinaus erzeugt das Platzen von bloßen Blasen Tropfen mit einer typischen Ausstoßgeschwindigkeit von 1 Meter pro Sekunde (m/s), während das Platzen von ölbeschichteten Blasen Tropfen mit einer Ausstoßgeschwindigkeit von bis zu 10 m/s erzeugt.
Feng fasst zusammen: „Die wichtigste Schlussfolgerung unserer Arbeit ist, dass wir festgestellt haben, dass diese kontaminierten Blasen die Verunreinigungen ziemlich effektiv in mikrometergroße Tröpfchen aerosolieren können.“
In einer industriellen Umgebung wie einer Kläranlage können kleinere kontaminierte Tropfen ein erhebliches Risiko für die Arbeiter in der Anlage darstellen. Das Platzen von Blasen in diesen Umgebungen kann säurehaltige Nebel und Bioaerosole erzeugen. Das Verständnis der Auswirkungen kontaminierter Blasen auf die Größenverteilung und Ausstoßgeschwindigkeit ist entscheidend für die Entwicklung effektiver persönlicher Schutzausrüstung und die Umsetzung zusätzlicher Richtlinien zur Luft- und Wasserqualität in der Nähe solcher Einrichtungen.
Aerosole wirken sich im weiteren Sinne auf Wetter, Klima und sogar die menschliche Gesundheit aus.
„Diese Tröpfchen können Krankheitserreger, Bakterien und Viren transportieren“, sagte Yang. „Wenn Sie diese kleinen Aerosole haben und sie höher ausgestoßen werden können, können die geringe Größe und die höhere Ausstoßgeschwindigkeit ihnen helfen, länger in der Atmosphäre zu bleiben.“ Das Verständnis der Größe und Zusammensetzung von Aerosolen ist wichtig, um die globalen Modellierungsbemühungen zu verbessern. Darüber hinaus können diese kontaminierten Tropfen ein größeres Risiko der Schadstoffausbreitung sowie der Infektion darstellen, da kleinere Aerosole weiter in die Atemwege eindringen können als größere Aerosole.
Weitere Mitwirkende an dieser Arbeit sind Bingqiang Ji (Co-Autor, Postdoc, MechSE, UIUC) und Jesse T. Ault (Assistenzprofessor, School of Engineering, Brown University).
Mehr Informationen:
Zhengyu Yang et al, Verbesserte singuläre Strahlbildung beim Platzen von ölbeschichteten Blasen, Naturphysik (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-01958-z