Científicos desarrollan un modelo matemático para predecir el avance de la contaminación del aire

Las muertes causadas por la contaminación del aire preocupan a la comunidad científica y a las autoridades de salud pública en todo el planeta.

De acuerdo con los últimos datos divulgados por la ONU, en 2021 se registraron 8,1 millones de fallecimientos en el mundo, asociados en gran parte a la inhalación de nanopartículas tan pequeñas que logran esquivar las defensas del cuerpo humano.

Ahora, un grupo de investigadores de la Universidad de Warwick, en el Reino Unido, aportó una herramienta valiosa para enfrentar este problema global.

Desarrollaron un modelo matemático que es capaz de estimar la trayectoria y el comportamiento en el aire de nanopartículas. Esa innovación podría redefinir las bases para estudiar la contaminación, la salud ambiental y la dinámica atmosférica.

La investigación fue liderada por Duncan Lockerby, científico de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Warwick en Reino Unido, y publicada en la revista Journal of Fluid Mechanics Rapids.

Cuál es el viaje de las nanopartículas en el aire

Millones de nanopartículas flotan en el aire todos los días, entre ellas hollín, polvo, polen, microplásticos y virus. Como son tan pequeñas, pueden llegar a zonas profundas de los pulmones y acceder al torrente sanguíneo.

Hasta ahora, la mayoría de los cálculos científicos suponía que todas las partículas eran esferas, ya que así los modelos matemáticos resultan más simples.

Esta visión deja fuera casi toda la diversidad de formas presentes en la vida real, donde las partículas tienen bordes, superficies y geometrías irregulares.

Estas simplificaciones impiden anticipar con precisión cómo se distribuyen y acumulan los contaminantes que más preocupan a la salud pública. No reflejan de manera fiable los riesgos de inhalar partículas no esféricas.

El nuevo enfoque de los investigadores de Warwick nació de la convicción de que la ciencia necesitaba otra visión.

“La motivación era simple: si podemos predecir con precisión cómo se mueven partículas de cualquier forma, podemos mejorar significativamente los modelos de contaminación del aire, transmisión de enfermedades e incluso química atmosférica”, afirmó Lockerby.

Una herramienta matemática renovada

La herramienta que desarrollaron toma en cuenta la fórmula matemática creada en 1910 y la transforma para el siglo XXI.

El físico John Cunningham creó una fórmula. Se conoce como el “factor de corrección de Cunningham” y permite calcular cómo la resistencia del aire afecta a partículas diminutas. Es clave para entender cómo se mueven en la atmósfera y en el cuerpo humano las partículas de contaminación y otras nanopartículas.

Robert Millikan, Nobel de Física, adaptó esa ecuación para esferas, pero dejó fuera a otras formas. El equipo de Lockerby ahora recuperó el concepto original y lo expandió para que sirva para cualquier geometría.

El modelo usa un “tensor de corrección”, un tipo de fórmula matemática que permite calcular las fuerzas y la resistencia que enfrentan las partículas de todas las formas, sin depender de datos experimentales previos o simulaciones largas y costosas.

El equipo comprobó la solidez del método al comparar los resultados del modelo con datos de laboratorio y cálculos conocidos para esferas, discos delgados y esferoides.

Con partículas esféricas, el margen de error fue inferior al 4%. Lockerby señaló que “aporta el primer marco para predecir con precisión cómo viajan las partículas no esféricas por el aire”.

El modelo, que ya está disponible como código para Matlab, puede aplicarse en laboratorios e industrias en todo el mundo.

El impacto práctico de la herramienta es variado: se podrá anticipar la dispersión de contaminantes en ciudades, el desplazamiento de cenizas, humo de incendios y el comportamiento de medicamentos basados en nanopartículas.

El método aporta también nuevas respuestas a los sistemas que monitorean la calidad del aire.

Además de la publicación del estudio, la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Warwick abrió un laboratorio que permitirá experimentar con partículas de diferentes formas bajo condiciones controladas.

Se busca comprobar el modelo y facilitar su uso para comunidades científicas de otros países.

Los investigadores sugirieron usar el modelo que desarrollaron en estudios ambientales, desarrollo de tecnologías seguras y elaboración de regulaciones sobre aire limpio.

Aunque aclararon que el método aún debe probarse para partículas con formas más extremas y para casos donde interactúan muchas partículas.

Lockerby resaltó que los resultados de su investigación “representan un avance importante tanto para la salud ambiental como para la ciencia de aerosoles”.