Abbildung: 3D-gedrucktes Partikel von 700 µm Breite, ähnlich einem Eiskristall, platziert auf der Spitze einer Injektionsnadel, bevor es in eine Absetzkammer gesendet wird.
© Johannes Seesing
Die Atmosphäre enthält eine sehr große Anzahl von winzigen festen Partikeln, Eiskristallen, Ruß, Aschen, Wind-sand, Sediment und Mikroplastiken sowie verschiedenen Schadstoffen, die eine nicht vernachlässigbare Umweltauswirkung haben und sogar die Physik des Klimas signifikant beeinflussen können (zum Beispiel durch Änderung der Albedo von Wolken). Diese Partikel werden aufgrund ihrer Größe sehr leicht vom Wind transportiert, obwohl ihre natürliche Tendenz darin besteht, zu sedimentieren, das heißt, sich langsam aufgrund der Schwerkraft abzulagern. Daher ist das Studium des dynamischen Verhaltens dieser Mikropartikel eine heikle, aber notwendige Aufgabe, wenn man ihre Transportdistanzen und Ablagerungsbereiche vorhersagen möchte, sobald ihr Emissionsort bekannt ist.
In einer kürzlich durchgeführten Arbeit hat eine französisch-deutsch-schwedische Zusammenarbeit, die das Physiklabor der ENS Lyon (LPENSL, CNRS / ENS de Lyon) einschließt, sowohl theoretisch als auch experimentell die Sedimentation von nicht sphärischen Modellpartikeln in der Luft untersucht.
Mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitskameras und einem neuen Mechanismus zur Injektion von Partikeln einiger Dutzend Mikrometer und kontrollierten Formen durch ihren Druck mittels eines sehr präzisen 3D-Druckers (siehe Abbildung) beobachteten die Forscher, dass diese nicht-sphärischen Partikel dazu neigen, beim Absetzen in der ruhigen Luft zu oszillieren. Da atmosphärische Partikel in der Regel nicht perfekt sphärisch sind, sondern abgeflachte oder längliche Strukturen haben, vermuten die Forscher, dass diese dynamische Eigenschaft ihre Eigenschaften erheblich beeinflussen könnte, beispielsweise die Distanz, die sie zurücklegen können, ihre Kollisionsrate und damit ihre Aggregationsfähigkeit oder auch ihre Interaktion mit der Sonnenstrahlung.
Die Wissenschaftler haben ein Modell entwickelt und getestet, um die Bewegung dieser Partikel zu beschreiben und vorherzusagen, das die experimentellen Ergebnisse sehr genau widerspiegelt. Dieses neue Modell kann verwendet werden, um die Dynamik und die Bildung von Partikelaggregaten sowie die daraus resultierenden Effekte in größerem Maßstab zu untersuchen. Diese Ergebnisse, die unter anderem dazu beitragen werden, die Verweildauer von Schadstoffen in der Atmosphäre oder den Beginn von Niederschlägen in Wolken besser vorherzusagen, werden in den Physical Review Letters veröffentlicht.
Referenzen:
Inertia Induces Strong Orientation Fluctuations of Nonspherical Atmospheric Particles,
T. Bhowmick, J. Seesing, K. Gustavsson, J. Guettler, Y. Wang, A. Pumir, B. Mehlig, und G. Bagheri, Physical Review Letters,
veröffentlicht am 19. Januar 2024.
Doi: 10.1103/PhysRevLett.132.034101
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