حل معمایی صدساله درباره ذرات معلق در هوا
دانشمندان با ردیابی دقیق ذراتی که در هوا شناورند، راهی تازه برای مدلسازی حرکت ذرات نامنظم پیدا کردهاند؛ پیشرفتی که میتواند پیشبینی آلودگی هوا، انتقال بیماریها و حتی دود آتشسوزیها را متحول کند.
هوایی که هر روز تنفس میکنیم، فقط ترکیبی ساده از نیتروژن و اکسیژن نیست. ما روزانه میلیونها ذره میکروسکوپی را استنشاق میکنیم؛ از گردوغبار و گرده گیاهان گرفته تا ویروسها و ریزپلاستیکها. این ذرات میتوانند مشکلی جدی ایجاد کنند؛ نه فقط برای افرادی با آلرژی فصلی یا سیستم ایمنی ضعیف، بلکه برای همه. برخی از این ذرات قادرند به عمق ریهها نفوذ کنند یا حتی وارد جریان خون شوند و آسیبهای زیستی گستردهای بهوجود آورند.
دانشمندان مدتهاست میدانند چنین ترکیب پیچیدهای از ذرات در جو زمین وجود دارد، اما ردیابی و مدلسازی دقیق حرکت این ذرات—چه برای مدلهای اقلیمی، چه پایش کیفیت هوا و چه پیشبینی دقیق حرکت دود آتشسوزیهای جنگلی—کاری بسیار دشوار است.
ایدهای از سال ۱۹۱۰
در سال ۱۹۱۰، دانشمند بریتانیایی ابنزر کانینگهام (Ebenezer Cunningham) مفهومی را معرفی کرد که به «ضریب تصحیح کانینگهام» (Cunningham Correction Factor) معروف شد. این ضریب، یک رابطه در دینامیک سیالات است که امکان محاسبه ضریب پسا (Drag Coefficient) ذرات بسیار کوچک در یک گاز را فراهم میکند.
این فرمول برای ردیابی ذرات میکروسکوپی بسیار کاربردی است، اما یک ایراد اساسی دارد: این مدل فرض میکند ذرات کاملاً کروی هستند.
مشکل ذرات واقعی
در دنیای واقعی، این فرض بهندرت درست است. اگر تا به حال به یک تکه ریزپلاستیک یا نمای نزدیک یک ویروس با شکلهای عجیب نگاه کرده باشید، میدانید که بیشتر این ذرات نامنظم و غیرکروی هستند. همین فرض سادهانگارانه باعث میشود حتی بهترین تلاشها برای مدلسازی حرکت ذرات در هوا دچار خطا شوند.
بازنگری یک قرن بعد
در پژوهشی جدید که در مجله Journal of Fluid Mechanics منتشر شده، دانکن لاکربی (Duncan Lockerby)، ریاضیدان دانشگاه وارویک (University of Warwick) در بریتانیا، بار دیگر به معادلات کانینگهام بازگشته تا آنها را برای ذرات غیرکروی بهبود دهد.
لاکربی در بیانیهای گفت: «انگیزه ما ساده بود: اگر بتوانیم حرکت ذرات با هر شکلی را دقیق پیشبینی کنیم، میتوانیم مدلهای آلودگی هوا، انتقال بیماری و حتی شیمی جو (Atmospheric Chemistry) را بهطور چشمگیری بهبود دهیم. این رویکرد جدید بر پایه مدلی بسیار قدیمی—ساده اما قدرتمند—ساخته شده و آن را برای ذرات پیچیده و نامنظم قابل استفاده میکند.»
تلاشهای پیشین و یک نقص پنهان
این نخستین بار نیست که ضریب تصحیح کانینگهام مورد بازنگری قرار میگیرد. در دهه ۱۹۲۰، دانشمند آمریکایی رابرت میلیکان (Robert Millikan)—برنده جایزه نوبل فیزیک برای پژوهشهایش درباره اثر فوتوالکتریک (Photoelectric Effect)—این فرمول را اصلاح کرده بود.
اما لاکربی متوجه شد که یک تصحیح کلیتر در آن زمان نادیده گرفته شده است. به همین دلیل، او مفهومی تازه به نام «تنسور تصحیح» (Correction Tensor) معرفی کرد.
تنسور چیست و چرا مهم است؟
تنسور (Tensor) یک شیء ریاضی است که اغلب در نسبیت عام برای توصیف هندسه فضا-زمان به کار میرود. اما در این پژوهش، تنسور تصحیح لاکربی برای توصیف پسا و مقاومت وارد بر ذرات با هر شکل هندسی استفاده میشود.
به بیان ساده، این تنسور میتواند اثر شکلهای پیچیده و نامتقارن ذرات را در حرکت آنها در هوا لحاظ کند—چیزی که مدلهای قدیمی از انجام آن ناتوان بودند.
لاکربی میگوید: «این چارچوب، نخستین راهکار دقیق برای پیشبینی حرکت ذرات غیرکروی در هوا را فراهم میکند. از آنجا که این نانوذرات ارتباط نزدیکی با آلودگی هوا و خطر سرطان دارند، این پیشرفت گامی مهم برای سلامت محیطزیست و علم آئروسلها (Aerosol Science) به شمار میرود.»
گام بعدی: آزمایش در دنیای واقعی
لاکربی قصد دارد این تنسور را با استفاده از یک سامانه جدید تولید آئروسل (Aerosol Generation System) در دانشکده مهندسی دانشگاه وارویک (School of Engineering, University of Warwick) آزمایش کند. این سامانه امکان مطالعه ذرات غیرکروی را در محیطی کاملاً کنترلشده فراهم میکند.
هدف نهایی این پژوهش آن است که در آینده، مدلهای پیشبینی جوی (Atmospheric Predictive Models) در سراسر جهان دقیقتر شوند؛ مدلهایی که میتوانند به تصمیمگیری بهتر درباره آلودگی هوا، خطرات بهداشتی، و پیامدهای زیستمحیطی کمک کنند.
در مجموع، این تحقیق نشان میدهد که گاهی با بازنگری هوشمندانه یک ایده صدساله، میتوان به درکی نو و دقیقتر از جهانی رسید که هر روز—و با هر نفس—در آن زندگی میکنیم.
