الهباء الجوي

الهباء الجوي هو عبارة عن تعليق لجزيئات صلبة دقيقة أو قطرات سائلة في الهواء أو غاز آخر . ^[1] يمكن أن تتولد الهباء الجوي من أسباب طبيعية أو بشرية . يشير مصطلح الهباء الجوي عادةً إلى خليط من الجسيمات في الهواء، وليس إلى الجسيمات وحدها. ^[2] ومن أمثلة الهباء الجوي الطبيعي الضباب أو الرذاذ أو الغبار . تشمل أمثلة الهباء الجوي الناجم عن الإنسان ملوثات الهواء الجسيمية ، والضباب الناتج عن تصريف السدود الكهرومائية ، وضباب الري، والعطور من البخاخات ، والدخان ، والغبار ، والمبيدات الحشرية المرشوشة ، والعلاجات الطبية لأمراض الجهاز التنفسي. ^[3]

تؤثر عدة أنواع من الهباء الجوي بشكل كبير على مناخ الأرض: البركاني، وغبار الصحراء، وملح البحر، والتي تنشأ من مصادر حيوية ومن صنع الإنسان. يتكون الهباء الجوي البركاني في طبقة الستراتوسفير بعد ثوران بركاني على شكل قطرات من حمض الكبريتيك والتي يمكن أن تستمر لمدة تصل إلى عامين، وتعكس ضوء الشمس، مما يؤدي إلى خفض درجة الحرارة. يمتص غبار الصحراء، والجسيمات المعدنية التي يتم نفخها إلى ارتفاعات عالية، الحرارة وقد تكون مسؤولة عن تثبيط تكوين السحب العاصفة. تؤثر الهباء الجوي الكبريتي من صنع الإنسان ، في المقام الأول من حرق النفط والفحم، على سلوك السحب. ^[4] عندما يمتص الهباء الجوي الملوثات، فإنه يسهل ترسب الملوثات على سطح الأرض وكذلك على المسطحات المائية. ^[5] هذا لديه القدرة على الإضرار بالبيئة والصحة البشرية.

مسارات السفن هي سحب تتكون حول العادم الذي تطلقه السفن في الهواء الساكن في المحيط. تتجمع جزيئات الماء حول الجسيمات الدقيقة ( الهباء الجوي ) من العادم لتكوين بذرة سحابة . يتراكم المزيد والمزيد من الماء على البذرة حتى تتشكل سحابة مرئية. في حالة مسارات السفن، تمتد بذور السحابة على مسار ضيق طويل حيث نفخت الرياح عادم السفينة، لذلك تشبه السحب الناتجة خيوطًا طويلة فوق المحيط.

لقد تم تعويض الاحترار الناجم عن الغازات المسببة للانحباس الحراري التي ينتجها الإنسان إلى حد ما من خلال التأثير المبرد للهباء الجوي الذي ينتجه الإنسان. في عام 2020، أدت اللوائح الخاصة بالوقود إلى خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكبريت من الشحن الدولي بشكل كبير بنحو 80٪، مما أدى إلى صدمة إنهاء الهندسة الجيولوجية العالمية غير المتوقعة. ^[6]

الجسيمات السائلة أو الصلبة في الهباء الجوي لها أقطار أقل من 1 ميكرومتر عادة . الجسيمات الأكبر ذات سرعة الترسيب الكبيرة تجعل الخليط معلقًا ، لكن التمييز غير واضح. في اللغة اليومية، يشير الهباء الجوي غالبًا إلى نظام توزيع يسلم منتجًا للمستهلك من علبة رذاذ .

يمكن أن تنتشر الأمراض عن طريق قطرات صغيرة في التنفس ، ^[7] تسمى أحيانًا بالهباء الجوي الحيوي . ^[8]

يُعرَّف الهباء الجوي بأنه نظام تعليق من الجسيمات الصلبة أو السائلة في غاز. يشمل الهباء الجوي كلًا من الجسيمات والغاز المعلق، والذي يكون عادةً الهواء. ^[1] يشير علماء الأرصاد الجوية إليها عادةً باسم المادة الجسيمية - PM2.5 أو PM10، اعتمادًا على حجمها. ^{[9] من المفترض أن} فريدريك جي دونان استخدم مصطلح الهباء الجوي لأول مرة أثناء الحرب العالمية الأولى لوصف محلول الهباء الجوي ، وهو سحب من الجسيمات المجهرية في الهواء. تطور هذا المصطلح بشكل مشابه لمصطلح محلول مائي ، وهو نظام غرواني مع الماء كوسيط مشتت. ^{[10] تحتوي} الهباء الجوي الأولية على جزيئات يتم إدخالها مباشرة في الغاز؛ تتشكل الهباء الجوي الثانوي من خلال تحويل الغاز إلى جسيم. ^[11]

تشمل مجموعات الهباء الجوي الرئيسية الكبريتات والكربون العضوي والكربون الأسود والنترات والغبار المعدني وملح البحر، وعادة ما تتكتل معًا لتكوين خليط معقد. ^[9] تشمل الأنواع المختلفة من الهباء الجوي، المصنفة وفقًا للشكل الفيزيائي وكيفية توليدها، الغبار والأبخرة والضباب والدخان والضباب. ^[12]

هناك عدة مقاييس لتركيز الهباء الجوي. غالبًا ما يستخدم علم البيئة والصحة البيئية تركيز الكتلة ( M )، والذي يُعرَّف بأنه كتلة الجسيمات لكل وحدة حجم، بوحدات مثل μg/m ^3. كما يُستخدم أيضًا تركيز العدد ( N )، وهو عدد الجسيمات لكل وحدة حجم، بوحدات مثل العدد لكل م ³ أو العدد لكل سم ^{3. [13} ]

يؤثر حجم الجسيمات بشكل كبير على خصائص الجسيمات، ويعتبر نصف قطر جسيم الهباء الجوي أو قطره ( dp ₎ خاصية أساسية تستخدم لوصف الهباء الجوي.

تختلف الهباء الجوي في تشتتها . يحتوي الهباء الجوي أحادي التشتت ، الذي يمكن إنتاجه في المختبر، على جزيئات ذات حجم موحد. ومع ذلك، فإن معظم الهباء الجوي، كأنظمة غروانية متعددة التشتت ، تظهر مجموعة من أحجام الجسيمات. ^[11] تكون القطرات السائلة دائمًا تقريبًا كروية الشكل، لكن العلماء يستخدمون قطرًا مكافئًا لوصف خصائص الأشكال المختلفة للجسيمات الصلبة، بعضها غير منتظم للغاية. القطر المكافئ هو قطر الجسيم الكروي بنفس قيمة بعض الخصائص الفيزيائية للجسيم غير المنتظم. ^[14] يُعرف قطر الحجم المكافئ ( d _e ) بأنه قطر كرة بنفس حجم الجسيم غير المنتظم. ^[15] كما يستخدم بشكل شائع القطر الديناميكي الهوائي،  d _a .

ينتج الناس الهباء الجوي لأغراض مختلفة، بما في ذلك:

• كهباء جوي اختباري لمعايرة الأجهزة وإجراء البحوث واختبار معدات أخذ العينات ومرشحات الهواء؛ ^[16]
• لتوصيل مزيلات العرق والدهانات وغيرها من المنتجات الاستهلاكية في البخاخات؛ [ ^17]
• للتوزيع والتطبيق الزراعي
• للعلاج الطبي لأمراض الجهاز التنفسي ؛ ^[18] و
• في أنظمة حقن الوقود وتقنيات الاحتراق الأخرى . ^[19]

بعض الأجهزة المستخدمة في توليد الهباء الجوي هي: ^[3]

• رذاذ الهباء الجوي
• فوهة الرذاذ أو البخاخة
• رذاذ كهربائي
• السجائر الالكترونية
• مولد الهباء الجوي ذو الفتحة المهتزة (VOAG)

تؤثر عدة أنواع من الهباء الجوي بشكل كبير على مناخ الأرض: البركاني، وغبار الصحراء، وملح البحر، والتي تنشأ من مصادر حيوية ومن صنع الإنسان. يتكون الهباء الجوي البركاني في طبقة الستراتوسفير بعد ثوران بركاني على شكل قطرات من حمض الكبريتيك التي يمكن أن تستمر لمدة تصل إلى عامين، وتعكس ضوء الشمس، مما يؤدي إلى خفض درجة الحرارة. يمتص غبار الصحراء، والجسيمات المعدنية التي يتم نفخها إلى ارتفاعات عالية، الحرارة وقد تكون مسؤولة عن تثبيط تكوين السحب العاصفة. تؤثر الهباء الجوي الكبريتي من صنع الإنسان ، في المقام الأول من حرق النفط والفحم، على سلوك السحب. ^[4]

على الرغم من أنه يمكن وصف جميع المياه الجوية الصلبة والسائلة بأنها هباء جوي، إلا أنه من الشائع التمييز بين مثل هذه التشتتات (أي السحب) التي تحتوي على قطرات وبلورات نشطة، وجزيئات الهباء الجوي. يحتوي الغلاف الجوي للأرض على هباء جوي من أنواع وتركيزات مختلفة، بما في ذلك كميات من:

• المواد غير العضوية الطبيعية : الغبار الناعم، أو ملح البحر، أو قطرات الماء
• المواد العضوية الطبيعية : الدخان، حبوب اللقاح ، الجراثيم ، أو البكتيريا
• المنتجات البشرية الناتجة عن الاحتراق مثل: الدخان أو الرماد أو الغبار

يمكن العثور على الهباء الجوي في النظم البيئية الحضرية بأشكال مختلفة، على سبيل المثال:

• تراب
• دخان السجائر
• ضباب من علب الرش
• السخام أو الأبخرة في عوادم السيارات

يمكن أن يؤثر وجود الهباء الجوي في الغلاف الجوي للأرض على مناخها، وكذلك على صحة الإنسان.

تطلق الانفجارات البركانية كميات كبيرة من حمض الكبريتيك وكبريتيد الهيدروجين وحمض الهيدروكلوريك في الغلاف الجوي. تمثل هذه الغازات الهباء الجوي وتعود في النهاية إلى الأرض على شكل أمطار حمضية ، مما يؤدي إلى عدد من الآثار الضارة على البيئة والحياة البشرية. ^[21]

عندما يمتص الهباء الجوي الملوثات، فإنه يسهل ترسب الملوثات على سطح الأرض وكذلك على المسطحات المائية. ^[5] وهذا من الممكن أن يكون ضارًا بالبيئة والصحة البشرية.

يتفاعل الهباء الجوي مع ميزانية الطاقة الخاصة بالأرض بطريقتين، مباشرة وغير مباشرة.

• على سبيل المثال، من التأثيرات المباشرة أن الهباء الجوي يشتت ويمتص الإشعاع الشمسي الوارد. ^[22] وهذا من شأنه أن يؤدي بشكل أساسي إلى تبريد السطح (حيث يتناثر الإشعاع الشمسي مرة أخرى إلى الفضاء) ولكن قد يساهم أيضًا في ارتفاع درجة حرارة السطح (بسبب امتصاص الطاقة الشمسية الواردة). ^[23] وهذا سيكون عنصرًا إضافيًا لتأثير الاحتباس الحراري وبالتالي يساهم في تغير المناخ العالمي. ^[5]
• تشير التأثيرات غير المباشرة إلى تداخل الهباء الجوي مع التكوينات التي تتفاعل بشكل مباشر مع الإشعاع. على سبيل المثال، فهي قادرة على تعديل حجم جزيئات السحب في الغلاف الجوي السفلي، وبالتالي تغيير الطريقة التي تعكس بها السحب الضوء وتمتصه وبالتالي تعديل ميزانية طاقة الأرض. ^[21]
• هناك أدلة تشير إلى أن الهباء الجوي الناتج عن الأنشطة البشرية يعوض في الواقع عن آثار الغازات المسببة للانحباس الحراري في بعض المناطق، وهذا هو السبب في أن نصف الكرة الشمالي يظهر ارتفاعًا أبطأ في درجات الحرارة السطحية مقارنة بنصف الكرة الجنوبي، على الرغم من أن هذا يعني فقط أن نصف الكرة الشمالي سوف يمتص الحرارة لاحقًا من خلال التيارات المحيطية التي تجلب المياه الأكثر دفئًا من الجنوب. ^[24] ومع ذلك، على نطاق عالمي، يعمل تبريد الهباء الجوي على تقليل الاحترار الناجم عن الغازات المسببة للانحباس الحراري دون تعويضه تمامًا. ^[25]

مسارات السفن هي سحب تتكون حول العادم الذي تطلقه السفن في الهواء الساكن في المحيط. تتجمع جزيئات الماء حول الجسيمات الدقيقة ( الهباء الجوي ) من العادم لتكوين بذرة سحابة . يتراكم المزيد والمزيد من الماء على البذرة حتى تتشكل سحابة مرئية. في حالة مسارات السفن، تمتد بذور السحابة على مسار ضيق طويل حيث نفخت الرياح عادم السفينة، لذلك تشبه السحب الناتجة خيوطًا طويلة فوق المحيط. ^[26]

لقد تم تعويض الاحترار الناجم عن الغازات المسببة للانحباس الحراري التي ينتجها الإنسان إلى حد ما من خلال التأثير المبرد للهباء الجوي الذي ينتجه الإنسان. في عام 2020، أدت اللوائح الخاصة بالوقود إلى خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكبريت من الشحن الدولي بشكل كبير بنحو 80٪، مما أدى إلى صدمة إنهاء الهندسة الجيولوجية العالمية غير المتوقعة. ^[6]

تظهر الهباء الجوي في نطاق 20 ميكرومتر وقت ثبات طويل بشكل خاص في الغرف المكيفة بسبب سلوك "راكب الطائرة النفاثة" (التحرك مع نفاثات الهواء، والسقوط جاذبيًا في الهواء الذي يتحرك ببطء)؛ ^[27] نظرًا لأن حجم الهباء الجوي هذا يتم امتصاصه بشكل أكثر فعالية في الأنف البشري، ^[28] موقع العدوى البدائي في كوفيد-19 ، فقد تساهم مثل هذه الهباء الجوي في الوباء. ^[29]

يمكن لجزيئات الهباء الجوي ذات القطر الفعال الأصغر من 10 ميكرومتر أن تدخل الشعب الهوائية، بينما يمكن للجسيمات ذات القطر الفعال الأصغر من 2.5 ميكرومتر أن تدخل حتى منطقة تبادل الغازات في الرئتين، ^[30] مما قد يشكل خطراً على صحة الإنسان.

بالنسبة للهباء الجوي أحادي التشتت، يكفي رقم واحد - قطر الجسيمات - لوصف حجم الجسيمات. ومع ذلك، تصف توزيعات حجم الجسيمات الأكثر تعقيدًا أحجام الجسيمات في الهباء الجوي متعدد التشتت. يحدد هذا التوزيع الكميات النسبية للجسيمات، مرتبة وفقًا للحجم. ^[31] يستخدم أحد الأساليب لتحديد توزيع حجم الجسيمات قائمة بأحجام كل جسيم في العينة. ومع ذلك، يثبت أن هذا النهج مرهق للتأكد منه في الهباء الجوي الذي يحتوي على ملايين الجسيمات ويصعب استخدامه. يقسم نهج آخر نطاق الحجم إلى فترات ويجد عدد (أو نسبة) الجسيمات في كل فترة. يمكن تقديم هذه البيانات في رسم بياني مع مساحة كل شريط يمثل نسبة الجسيمات في صندوق الحجم هذا، وعادةً ما يتم تطبيعها عن طريق تقسيم عدد الجسيمات في الصندوق على عرض الفترة بحيث تكون مساحة كل شريط متناسبة مع عدد الجسيمات في نطاق الحجم الذي يمثله. ^[32] إذا كان عرض الصناديق يميل إلى الصفر ، فإن دالة التردد تكون: ^[33]

${\displaystyle \mathrm {d} f=f(d_{p})\,\mathrm {d} d_{p}}$

أين

${\displaystyle d_{p}}$هو قطر الجسيمات

${\displaystyle \,\mathrm {d} f}$هو جزء من الجسيمات التي يبلغ قطرها بين و +${\displaystyle d_{p}}$${\displaystyle d_{p}}$${\displaystyle \mathrm {d} d_{p}}$

${\displaystyle f(d_{p})}$هي دالة التردد

لذلك، فإن المساحة الواقعة أسفل منحنى التردد بين الحجمين أ و ب تمثل الكسر الإجمالي للجسيمات في نطاق الحجم هذا: ^[33]

${\displaystyle f_{ab}=\int _{a}^{b}f(d_{p})\,\mathrm {d} d_{p}}$

يمكن أيضًا صياغتها من حيث كثافة العدد الإجمالي N : ^[34]

${\displaystyle dN=N(d_{p})\,\mathrm {d} d_{p}}$

بافتراض وجود جسيمات الهباء الجوي الكروية، فإن مساحة سطح الهباء الجوي لكل وحدة حجم ( S ) تُعطى باللحظة الثانية : [ ^34]

${\displaystyle S=\pi /2\int _{0}^{\infty}N(d_{p})d_{p}^{2}\,\mathrm {d} d_{p}}$

والعزم الثالث يعطي تركيز الحجم الكلي ( V ) للجسيمات: ^[34]

${\displaystyle V=\pi /6\int _{0}^{\infty}N(d_{p})d_{p}^{3}\,\mathrm {d} d_{p}}$

يمكن تقريب توزيع حجم الجسيمات. لا يصف التوزيع الطبيعي عادةً توزيعات حجم الجسيمات في الهباء الجوي بشكل مناسب بسبب الانحراف المرتبط بالذيل الطويل للجسيمات الأكبر. أيضًا بالنسبة للكمية التي تختلف على نطاق كبير، كما تفعل العديد من أحجام الهباء الجوي، فإن عرض التوزيع يعني أحجام جسيمات سلبية، وهو أمر غير واقعي من الناحية الفيزيائية. ومع ذلك، يمكن أن يكون التوزيع الطبيعي مناسبًا لبعض الهباء الجوي، مثل الهباء الجوي الاختباري وحبوب اللقاح والجراثيم معينة . ^[35]

يعطي التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي المختار على نطاق أوسع تردد العدد على النحو التالي: ^[35]

${\displaystyle \mathrm {d} f={\frac {1}{d_{p}\sigma {\sqrt {2\pi }}}}e^{-{\frac {(ln(d_{p}) -{\ بار {د_{ص}}})^{2}}{2\سيجما ^{2}}}}\mathrm {d} d_{p}}$

أين:

${\displaystyle \sigma }$هو الانحراف المعياري لتوزيع الحجم و

${\displaystyle {\bar {d_{p}}}}$هو المتوسط ​​الحسابي للقطر .

لا يحتوي التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي على قيم سلبية، ويمكنه تغطية نطاق واسع من القيم، ويناسب العديد من توزيعات الحجم المرصودة بشكل جيد إلى حد معقول. ^[36]

تشمل التوزيعات الأخرى المستخدمة أحيانًا لتوصيف حجم الجسيمات ما يلي: توزيع روزين-راملر ، المطبق على الغبار والرذاذ المتفرق بشكل خشن؛ وتوزيع نوكياما-تاناساوا، للرذاذ ذي النطاقات الواسعة للغاية من الحجم؛ وتوزيع دالة القدرة ، المطبق أحيانًا على الهباء الجوي؛ والتوزيع الأسي ، المطبق على المواد المسحوقة؛ وبالنسبة لقطرات السحب، توزيع خراجيان-مازين. ^[37]

بالنسبة للقيم المنخفضة لرقم رينولدز (<1)، وهو صحيح بالنسبة لمعظم حركات الهباء الجوي، يصف قانون ستوكس قوة المقاومة على جسيم كروي صلب في سائل. ومع ذلك، فإن قانون ستوكس صالح فقط عندما تكون سرعة الغاز على سطح الجسيم صفرًا. ومع ذلك، بالنسبة للجسيمات الصغيرة (< 1 ميكرومتر) التي تميز الهباء الجوي، فإن هذا الافتراض يفشل. لتفسير هذا الفشل، يمكن للمرء أن يقدم عامل تصحيح كانينجهام ، دائمًا أكبر من 1. بما في ذلك هذا العامل، نجد العلاقة بين قوة المقاومة على الجسيم وسرعته: ^[38]

${\displaystyle F_{D}={\frac {3\pi \eta Vd}{C_{c}}}}$

أين

${\displaystyle F_{D}}$هي القوة المقاومة المؤثرة على الجسيم الكروي

${\displaystyle \eta }$هي اللزوجة الديناميكية للغاز

${\displaystyle V}$هي سرعة الجسيم

${\displaystyle C_{c}}$هو عامل تصحيح كانينغهام.

وهذا يسمح لنا بحساب السرعة النهائية لجسيم يخضع للاستقرار الجاذبي في الهواء الساكن. وبإهمال تأثيرات الطفو ، نجد: ^[39]

${\displaystyle V_{TS}={\frac {\rho _{p}d^{2}gC_{c}}{18\eta }}}$

أين

${\displaystyle V_{TS}}$هي سرعة الاستقرار النهائية للجسيم.

يمكن أيضًا اشتقاق السرعة النهائية لأنواع أخرى من القوى. إذا كان قانون ستوكس صحيحًا، فإن مقاومة الحركة تتناسب طرديًا مع السرعة. ثابت التناسب هو الحركة الميكانيكية ( B ) لجسيم: ^[40]

${\displaystyle B={\frac {V}{F_{D}}}={\frac {C_{c}}{3\pi \eta d}}}$

يقترب الجسيم الذي يسافر بأي سرعة أولية معقولة من سرعته النهائية بشكل أسي مع زمن طي e يساوي زمن الاسترخاء: ^[41]

${\displaystyle V(t)=V_{f}-(V_{f}-V_{0})e^{-{\frac {t}{\tau }}}}$

أين:

${\displaystyle V(t)}$هي سرعة الجسيم في الزمن t

${\displaystyle V_{f}}$هي سرعة الجسيم النهائية

${\displaystyle V_{0}}$هي سرعة الجسيم الأولية

ولتوضيح تأثير شكل الجسيمات غير الكروية، يتم تطبيق عامل تصحيح يُعرف باسم عامل الشكل الديناميكي على قانون ستوكس. ويُعرَّف بأنه نسبة القوة المقاومة للجسيم غير المنتظم إلى قوة الجسيم الكروي بنفس الحجم والسرعة: ^[15]

${\displaystyle \chi ={\frac {F_{D}}{3\pi \eta Vd_{e}}}}$

أين:

${\displaystyle \chi }$هو عامل الشكل الديناميكي

يتم تعريف القطر الديناميكي الهوائي للجسيم غير المنتظم على أنه قطر الجسيم الكروي بكثافة 1000 كجم / م ³ ونفس سرعة الترسيب للجسيم غير المنتظم. ^[42]

بإهمال تصحيح الانزلاق، يستقر الجسيم عند السرعة النهائية المتناسبة مع مربع القطر الديناميكي الهوائي ، d _a : ^[42]

${\displaystyle V_{TS}={\frac {\rho _{0}d_{a}^{2}g}{18\eta }}}$

أين

${\displaystyle \ \rho _{0}}$= كثافة الجسيمات القياسية (1000 كجم/م ³ ).

تعطي هذه المعادلة القطر الديناميكي الهوائي: ^[43]

${\displaystyle d_{a}=d_{e}\left({\frac {\rho _{p}}{\rho _{0}\chi }}\right)^{\frac {1}{2}}}$

يمكن تطبيق القطر الديناميكي الهوائي على الملوثات الجسيمية أو على الأدوية المستنشقة للتنبؤ بالمكان الذي تترسب فيه هذه الجسيمات في الجهاز التنفسي. تستخدم شركات الأدوية عادةً القطر الديناميكي الهوائي، وليس القطر الهندسي، لتوصيف الجسيمات في الأدوية المستنشقة. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

ركزت المناقشة السابقة على جزيئات الهباء الجوي الفردية. وعلى النقيض من ذلك، تشرح ديناميكيات الهباء الجوي تطور مجموعات الهباء الجوي الكاملة. ستتغير تركيزات الجسيمات بمرور الوقت نتيجة للعديد من العمليات. تشمل العمليات الخارجية التي تحرك الجسيمات خارج حجم الغاز قيد الدراسة الانتشار والترسيب الجاذبي والشحنات الكهربائية والقوى الخارجية الأخرى التي تسبب هجرة الجسيمات. تتضمن مجموعة ثانية من العمليات الداخلية لحجم معين من الغاز تكوين الجسيمات (التبلور) والتبخر والتفاعل الكيميائي والتخثر. ^[44]

تتميز المعادلة التفاضلية التي تسمى معادلة الديناميكية العامة للهباء الجوي (GDE) بتطور كثافة عدد الجسيمات في الهباء الجوي بسبب هذه العمليات. ^[44]

${\displaystyle {\frac {\partial {n_{i}}}{\partial {t}}}=-\nabla \cdot n_{i}\mathbf {q} +\nabla \cdot D_{p}\nabla _{i}n_{i}+\left({\frac {\partial {n_{i}}}{\partial {t}}}\right)_{\mathrm {growth} }+\left({\frac {\partial {n_{i}}}{\partial {t}}}\right)_{\mathrm {coag} }-\nabla \cdot \mathbf {q} _{F}n_{i}}$

التغير في الزمن = النقل الحملي + الانتشار البراوني + تفاعلات الغاز والجسيمات + التخثر + الهجرة بواسطة القوى الخارجية

أين:

${\displaystyle n_{i}}$هو عدد كثافة الجسيمات من فئة الحجم${\displaystyle i}$

${\displaystyle \mathbf {q} }$هي سرعة الجسيم

${\displaystyle D_{p}}$هل الجسيم هو انتشار ستوكس-أينشتاين؟

${\displaystyle \mathbf {q} _{F}}$هي سرعة الجسيم المرتبطة بقوة خارجية

عندما تصطدم الجسيمات والقطرات في الهباء الجوي ببعضها البعض، فقد تخضع للاندماج أو التجمع. تؤدي هذه العملية إلى تغيير في توزيع حجم جسيمات الهباء الجوي، مع زيادة قطر النمط مع انخفاض العدد الإجمالي للجسيمات. ^[45] في بعض الأحيان، قد تتحطم الجسيمات إلى العديد من الجسيمات الأصغر؛ ومع ذلك، تحدث هذه العملية عادةً في المقام الأول في الجسيمات الكبيرة جدًا بحيث لا يمكن اعتبارها هباءً جويًا.

يحدد رقم كنودسن للجسيم ثلاثة أنظمة ديناميكية مختلفة تحكم سلوك الهباء الجوي:

${\displaystyle K_{n}={\frac {2\lambda }{d}}}$

أين هو متوسط ​​المسار الحر للغاز المعلق و هو قطر الجسيم. ^[46] بالنسبة للجسيمات في النظام الجزيئي الحر ، K _n >> 1؛ جسيمات صغيرة مقارنة بمتوسط ​​المسار الحر للغاز المعلق. ^[47] في هذا النظام، تتفاعل الجسيمات مع الغاز المعلق من خلال سلسلة من الاصطدامات "الباليستية" مع جزيئات الغاز. وعلى هذا النحو، فإنها تتصرف بشكل مشابه لجزيئات الغاز، وتميل إلى اتباع خطوط الانسياب والانتشار بسرعة من خلال الحركة البراونية. معادلة تدفق الكتلة في النظام الجزيئي الحر هي: ${\displaystyle \lambda }$${\displaystyle d}$

${\displaystyle I={\frac {\pi a^{2}}{k_{b}}}\left({\frac {P_{\infty }}{T_{\infty }}}-{\frac {P_{A}}{T_{A}}}\right)\cdot C_{A}\alpha }$

حيث a هو نصف قطر الجسيم، P _∞ و P _A هما الضغوط البعيدة عن القطرة وعلى سطح القطرة على التوالي، k _b هو ثابت بولتزمان، T هي درجة الحرارة، C _A هي السرعة الحرارية المتوسطة و α هو معامل استيعاب الكتلة. ^{[ بحاجة لمصدر ]} يفترض اشتقاق هذه المعادلة ضغطًا ثابتًا ومعامل انتشار ثابتًا.

تكون الجسيمات في نظام متصل عندما تكون قيمة K _n << 1. ^[47] وفي هذا النظام، تكون الجسيمات كبيرة مقارنة بالمسار الحر المتوسط ​​للغاز المعلق، مما يعني أن الغاز المعلق يعمل كسائل مستمر يتدفق حول الجسيم. ^[47] التدفق الجزيئي في هذا النظام هو:

${\displaystyle I_{cont}\sim {\frac {4\pi aM_{A}D_{AB}}{RT}}\left(P_{A\infty }-P_{AS}\right)}$

حيث a هو نصف قطر الجسيم A ، M _A هي الكتلة الجزيئية للجسيم A ، D _AB هو معامل الانتشار بين الجسيمين A و B ، R هو ثابت الغاز المثالي، T هي درجة الحرارة (بالوحدات المطلقة مثل كلفن)، و P _A∞ و P _AS هما الضغوط عند اللانهاية وعند السطح على التوالي. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

يحتوي نظام الانتقال على جميع الجسيمات الموجودة بين الأنظمة الجزيئية الحرة والمتصلة أو K _n ≈ 1. والقوى التي يتعرض لها الجسيم عبارة عن مزيج معقد من التفاعلات مع جزيئات الغاز الفردية والتفاعلات العيانية. المعادلة شبه التجريبية التي تصف تدفق الكتلة هي:

${\displaystyle I=I_{cont}\cdot {\frac {1+K_{n}}{1+1.71K_{n}+1.33{K_{n}}^{2}}}}$

حيث I _cont هو تدفق الكتلة في نظام الاستمرارية. ^{[ بحاجة لمصدر ]} تسمى هذه الصيغة صيغة الاستيفاء فوكس-سوتوجين. لا تأخذ هذه المعادلات في الاعتبار تأثير إطلاق الحرارة.

تحكم نظرية تقسيم الهباء الجوي التكثيف على سطح الهباء الجوي والتبخر منه على التوالي. يتسبب تكثيف الكتلة في زيادة نمط توزيع حجم الجسيمات في الهباء الجوي؛ وعلى العكس من ذلك، يتسبب التبخر في انخفاض النمط. التبلور هو عملية تكوين كتلة الهباء الجوي من تكثيف مادة أولية غازية، وتحديدًا بخار . يتطلب التكثيف الصافي للبخار التشبع الفائق، وهو ضغط جزئي أكبر من ضغط بخاره . يمكن أن يحدث هذا لثلاثة أسباب: ^{[ بحاجة لمصدر ]}

1. يؤدي خفض درجة حرارة النظام إلى خفض ضغط البخار.
2. قد تؤدي التفاعلات الكيميائية إلى زيادة الضغط الجزئي للغاز أو خفض ضغط بخاره.
3. إن إضافة بخار إضافي إلى النظام قد يؤدي إلى خفض ضغط البخار المتوازن وفقًا لقانون راؤول .

هناك نوعان من عمليات التبلور. تتكثف الغازات بشكل تفضيلي على أسطح جسيمات الهباء الجوي الموجودة مسبقًا، والمعروفة باسم التبلور غير المتجانس . تتسبب هذه العملية في زيادة القطر عند وضع توزيع حجم الجسيمات مع تركيز عدد ثابت. ^[48] مع التشبع الفائق العالي بدرجة كافية وعدم وجود أسطح مناسبة، قد تتكثف الجسيمات في غياب سطح موجود مسبقًا، والمعروف باسم التبلور المتجانس . يؤدي هذا إلى إضافة جزيئات صغيرة جدًا وسريعة النمو إلى توزيع حجم الجسيمات. ^[48]

يغطي الماء الجسيمات في الهباء الجوي، مما يجعلها نشطة ، وعادةً ما يكون ذلك في سياق تكوين قطرة سحابة (مثل تلقيح السحب الطبيعي بواسطة الهباء الجوي من الأشجار في الغابة). ^[49] باتباع معادلة كلفن (بناءً على انحناء قطرات السائل)، تحتاج الجسيمات الأصغر إلى رطوبة نسبية محيطة أعلى للحفاظ على التوازن مقارنة بالجسيمات الأكبر. تعطي الصيغة التالية الرطوبة النسبية في حالة التوازن:

${\displaystyle RH={\frac {p_{s}}{p_{0}}}\times 100\%=S\times 100\%}$

حيث هو ضغط بخار التشبع فوق الجسيم في حالة التوازن (حول قطرة سائلة منحنية)، p ₀ هو ضغط بخار التشبع (السطح المسطح لنفس السائل) و S هي نسبة التشبع. ${\displaystyle p_{s}}$

معادلة كلفن لضغط بخار التشبع فوق سطح منحني هي:

${\displaystyle \ln {p_{s} \over p_{0}}={\frac {2\sigma M}{RT\rho \cdot r_{p}}}}$

حيث نصف قطر القطرة r _p ، والتوتر السطحي للقطرة σ ، وكثافة السائل ρ ، والكتلة المولية M ، ودرجة الحرارة T ، وثابت الغاز المولي R.

لا توجد حلول عامة لمعادلة الديناميكية العامة (GDE)؛ ^[50] تشمل الطرق الشائعة المستخدمة لحل معادلة الديناميكية العامة ما يلي: ^[51]

• طريقة اللحظة ^[52]
• الطريقة النمطية/القسمية، ^[53] و
• طريقة التربيع للعزوم ^{[54] [55]} / طريقة توسيع سلسلة تايلور للعزوم، ^{[56] [57]} و
• طريقة مونت كارلو. ^[58]

يمكن قياس الهباء الجوي إما في الموقع أو باستخدام تقنيات الاستشعار عن بعد .

تتضمن بعض تقنيات القياس المتوفرة في الموقع ما يلي:

• مطياف كتلة الهباء الجوي (AMS)
• محلل الحركة التفاضلية (DMA)
• مطياف الهباء الجوي الكهربائي (EAS)
• مقياس الجسيمات الديناميكي الهوائي (APS)
• تصنيف الهباء الجوي الديناميكي (AAC)
• مطياف الجسيمات واسع النطاق (WPS)
• جهاز تأثير الرواسب المنتظمة ذو الفتحات الدقيقة (MOUDI)
• عداد جسيمات التكثيف (CPC)
• مقياس الرؤيا
• المؤثر الكهربائي المنخفض الضغط (ELPI)
• جهاز تحليل كتلة جسيمات الهباء الجوي (APM)
• محلل كتلة الجسيمات الطاردة المركزية (CPMA)

تشمل أساليب الاستشعار عن بعد ما يلي:

• مقياس ضوء الشمس
• ليدار
• التصوير الطيفي

يمكن أن تترسب الجسيمات في الأنف والفم والبلعوم والحنجرة (منطقة مجرى الهواء في الرأس)، أو في أعماق الجهاز التنفسي (من القصبة الهوائية إلى القصيبات الطرفية )، أو في منطقة الحويصلات الهوائية . ^[59] يحدد موقع ترسب جزيئات الهباء الجوي داخل الجهاز التنفسي بقوة التأثيرات الصحية للتعرض لمثل هذه الهباء الجوي. ^[59] دفعت هذه الظاهرة الناس إلى اختراع أجهزة أخذ عينات الهباء الجوي التي تختار مجموعة فرعية من جزيئات الهباء الجوي التي تصل إلى أجزاء معينة من الجهاز التنفسي. ^[60]

تتضمن أمثلة هذه المجموعات الفرعية من توزيع حجم الجسيمات في الهباء الجوي، والتي تعد مهمة في مجال الصحة المهنية، الكسور القابلة للاستنشاق والصدرية والقابلة للاستنشاق. يعتمد الكسر الذي يمكن أن يدخل كل جزء من الجهاز التنفسي على ترسب الجسيمات في الأجزاء العلوية من مجرى الهواء. ^[61] يعتمد الكسر القابل للاستنشاق من الجسيمات، والذي يُعرَّف بأنه نسبة الجسيمات الموجودة أصلاً في الهواء والتي يمكن أن تدخل الأنف أو الفم، على سرعة الرياح الخارجية واتجاهها وعلى توزيع حجم الجسيمات حسب القطر الديناميكي الهوائي. ^[62] الكسر الصدري هو نسبة الجسيمات في الهباء الجوي المحيط التي يمكن أن تصل إلى منطقة الصدر أو الصدر. ^[63] الكسر القابل للاستنشاق هو نسبة الجسيمات في الهواء التي يمكن أن تصل إلى المنطقة السنخية. ^[64] لقياس الكسر القابل للاستنشاق من الجسيمات في الهواء، يتم استخدام جامع أولي مع مرشح أخذ العينات. يستبعد جامع أولي الجسيمات حيث تزيل مجاري الهواء الجسيمات من الهواء المستنشق. يقوم مرشح أخذ العينات بجمع الجسيمات للقياس. من الشائع استخدام الفصل الإعصاري للمجمع المسبق، ولكن التقنيات الأخرى تشمل المصادمات، والمصافي الأفقية ، ومرشحات الأغشية ذات المسام الكبيرة . ^[65]

هناك معياران بديلان لاختيار الحجم، يُستخدمان غالبًا في مراقبة الغلاف الجوي، وهما PM ₁₀ وPM _2.5 . تُعرَّف PM _{10 من قبل} المنظمة الدولية للمعايير على أنها جسيمات تمر عبر مدخل انتقائي الحجم مع حد كفاءة 50% عند قطر ديناميكي هوائي يبلغ 10 ميكرومتر وPM _2.5 على أنها جسيمات تمر عبر مدخل انتقائي الحجم مع حد كفاءة 50% عند قطر ديناميكي هوائي يبلغ 2.5 ميكرومتر . يتوافق PM ₁₀ مع "اتفاقية الصدر" كما هو محدد في ISO 7708:1995، البند 6؛ يتوافق PM _2.5 مع "اتفاقية الاستنشاق عالية الخطورة" كما هو محدد في ISO 7708:1995، 7.1. ^[66] استبدلت وكالة حماية البيئة الأمريكية المعايير القديمة للجسيمات التي تعتمد على إجمالي الجسيمات العالقة بمعيار آخر يعتمد على PM10 _في عام 1987 ^[67] ثم قدمت معايير لـ PM2.5 ₍ المعروفة أيضًا باسم الجسيمات الدقيقة) في عام 1997. ^[68]

• هلام هوائي
• العوالق الهوائية
• انتقال الهباء الجوي
• الهباء الجوي الحيوي
• الترسيب (فيزياء الهباء الجوي)
• التعتيم العالمي
• جهاز الاستنشاق
• مونوتربين
• حقن الهباء الجوي في طبقة الستراتوسفير

• الجمعية الدولية لأبحاث الهباء الجوي أرشيف 2020-01-21 على موقع واي باك مشين
• الجمعية الأمريكية لأبحاث الهباء الجوي
• دليل الأساليب التحليلية للمعهد الوطني للسلامة والصحة المهنية (انظر الفصول الخاصة بأخذ عينات الهباء الجوي)