Mejoran una ecuación centenaria para predecir el movimiento de contaminantes atmosféricos peligrosos

Un enfoque revisado sobre el estudio de partículas atmosféricas podría transformar el pronóstico de la contaminación y el análisis de riesgos para la salud pública, según reportó la Universidad de Warwick. El profesor Duncan Lockerby, líder del proyecto y docente de la Escuela de Ingeniería de dicha universidad, explicó a Journal of Fluid Mechanics Rapids que uno de los logros relevantes de esta investigación reside en un innovador método matemático capaz de calcular de manera precisa y sencilla el desplazamiento de nanopartículas irregulares a través del aire. Esto representa un avance con potencial de influir tanto en la vigilancia de la calidad ambiental como en la evaluación de la propagación de enfermedades y contaminantes.

Según consignó el medio, la solución planteada reformula la llamada corrección de Cunningham, una ecuación fundamental en la ciencia de los aerosoles creada en 1910 y perfeccionada por Robert Millikan en los años 1920. Históricamente, esta fórmula solo se aplicaba con validez a partículas esféricas, lo que restringía considerablemente la capacidad predictiva sobre las verdaderas partículas que están suspendidas en la atmósfera, ya que en su mayoría presentan formas irregulares. La limitación de los modelos existentes dificultaba tanto el seguimiento como las predicciones sobre cómo se dispersan contaminantes reales, los cuales resultan especialmente relevantes debido a su impacto sobre afecciones como enfermedades cardiovasculares, accidentes cerebrovasculares y cáncer.

La investigación destaca que, todos los días, las personas están en contacto con millones de partículas microscópicas, como hollín, polvo, polen, microplásticos, virus y nanopartículas sintéticas. Muchas de ellas ofrecen tamaños y formas que les permiten ingresar al torrente sanguíneo a través de los pulmones, aportando a riesgos sanitarios establecidos. El modelo empleado hasta ahora presumía que las partículas fueran esferas perfectas, una simplificación tomada solo por razones de facilidad matemática.

De acuerdo con la publicación de Journal of Fluid Mechanics Rapids, el nuevo enfoque desarrollado por el equipo de Warwick introduce lo que denominan un “tensor de corrección”, el cual posibilita tener en cuenta todas las variantes de fuerzas de arrastre y resistencia experimentadas por partículas de cualquier forma, desde esferas hasta discos delgados, y elimina la necesidad de ajustes empíricos adicionales. El propio Lockerby expresó para el medio: “Este artículo trata de recuperar el espíritu original del trabajo de Cunningham de 1910. Al generalizar su factor de corrección, ahora podemos hacer predicciones precisas para partículas de casi cualquier forma, sin necesidad de simulaciones intensivas ni ajustes empíricos. Proporciona el primer marco para predecir con precisión cómo las partículas no esféricas viajan a través del aire, y dado que estas nanopartículas están estrechamente relacionadas con la contaminación del aire y el riesgo de cáncer, este es un importante paso adelante tanto para la salud ambiental como para la ciencia de los aerosoles”.

La contribución de este método reside en proporcionar una base matemática más amplia y aplicable para monitorizar y proyectar el movimiento de partículas no esféricas, abarcando campos que van desde el modelado climático y la evaluación de la calidad del aire hasta la nanotecnología y los protocolos médicos relacionados con la administración de fármacos. Según el reporte, la técnica no depende de grandes simulaciones computacionales ni de pruebas de laboratorio continuas para cada nueva forma de partícula, lo que podría agilizar y abaratar los análisis en escenarios complejos.

El artículo detalló también que la Universidad de Warwick ha impulsado el desarrollo de esta línea de investigación mediante la creación de una nueva instalación destinada a la generación y análisis de aerosoles avanzados dentro de la Escuela de Ingeniería. Este sistema permite la producción controlada de una gama extensa de partículas irregulares, lo que proveerá de datos experimentales para validar y mejorar la propuesta matemática.

Entre las aplicaciones señaladas por los investigadores, se incluye la posibilidad de anticipar la propagación de cenizas volcánicas y humo de incendios forestales, así como la dinámica de nanopartículas diseñadas en procesos industriales y en portadores de medicamentos, ámbitos todos en los que la geometría de las partículas condiciona críticamente su trayecto y potencial toxicidad.

Lockerby remarcó según Journal of Fluid Mechanics Rapids que la motivación de este trabajo reside en la mejora de los modelos predictivos sobre contaminación, transmisión de enfermedades y química ambiental, partiendo de una base que hasta ahora se consideraba limitada. “Si podemos predecir con precisión cómo se mueven las partículas de cualquier forma, podemos mejorar significativamente los modelos de contaminación atmosférica, transmisión de enfermedades e incluso la química atmosférica. Este nuevo enfoque se basa en un modelo muy antiguo, simple pero eficaz, lo que lo hace aplicable a partículas complejas y de forma irregular”, declaró Lockerby al medio.

El avance científico presentado posibilita que futuros estudios sobre aerosoles atmosféricos incorporen de manera explícita la diversidad de formas presentes en las partículas reales, reduciendo los sesgos derivados del uso de aproximaciones esféricas y acercando a los investigadores a una comprensión más precisa del impacto de la contaminación en la salud humana y en los ecosistemas urbanos e industriales. Según agregó la publicación, la validación experimental y el perfeccionamiento del modelo matemático están planificados dentro del marco de los nuevos recursos técnicos de la Universidad de Warwick, previendo que los resultados contribuyan de modo transversal a diferentes disciplinas científicas.