每年全球有810万人因空气污染而死亡，其中包含的纳米颗粒小到可以避开人体的防御机制。
对此，英国华威大学的一个团队开发了一种数学工具，能够精确预测这些空气中的颗粒的运动方式。
这一进展至关重要，因为它可能改变研究大气污染和保护公共健康的基础。
这项由华威大学工程学院的Duncan Lockerby领导的研究发表在Journal of Fluid Mechanics Rapids，提出了一种创新的数学模型。
该模型估算了任何形状的纳米颗粒在空气中的轨迹和行为。
测量空气污染模型的应用
该模型现已作为Matlab代码提供，可应用于全球的实验室和工业中。
其实用影响多种多样：可以预测城市中污染物的扩散，火山灰、火灾烟雾的移动，以及基于纳米颗粒的药物行为。
该方法还为监测空气质量的系统提供了新的答案。
此外，华威大学开设了一个实验室，允许在控制条件下实验不同形状的颗粒。
研究人员建议在环境研究、安全技术开发和制定清洁空气法规中使用该模型。
然而，他们澄清说，该方法仍需针对形状更极端的颗粒以及多颗粒相互作用的情况进行测试。
Lockerby强调，这些结果“代表了对环境健康和气溶胶科学的重要进展”。
为什么颗粒的形状很重要
每天有数百万纳米颗粒漂浮在空气中：烟灰、灰尘、花粉、微塑料和病毒。
它们的微小尺寸使其能够到达肺部深处并进入血液循环。
到目前为止，科学计算假设所有颗粒都是球形的，因为这样数学模型更简单。
但这种观点忽略了现实生活中几乎所有的形状多样性，其中颗粒具有边缘、表面和不规则几何形状。
这些简化阻碍了对最令人担忧的污染物如何分布和积累的精确预测，这些污染物对公共健康构成威胁。
“动机很简单：如果我们能精确预测任何形状的颗粒如何移动，我们就能显著改进空气污染模型，”Lockerby说。
用于测量空气污染的百年公式
该模型基于物理学家John Cunningham在1910年创建的数学公式，称为“Cunningham修正因子”。
该方程允许计算空气阻力如何影响微小颗粒。
诺贝尔物理学奖得主Robert Millikan将该方程应用于球体，但忽略了其他形状。
Lockerby的团队恢复了原始概念，并将其扩展为适用于任何几何形状。
该模型使用“修正张量”，这是一种数学公式，允许计算所有形状颗粒所面临的力和阻力，无需依赖先前的实验数据或耗时昂贵的模拟。
团队通过与实验室数据比较来验证方法的稳健性。
对于球形颗粒，误差范围小于4%。Lockerby指出，“它提供了第一个框架，可以精确预测非球形颗粒如何在空气中传播”。
因此，这一发展正值关键时刻，空气污染仍然是全球公共健康的主要关注点之一，根据2021年联合国的数据。
