العلماء يحلون لغزًا عمره قرن في تلوث الهواء، ويحدثون ثورة في التنبؤ بحركة الجسيمات

المملكة المتحدة - وكالة أنباء إخباري

العلماء يحلون لغزًا عمره قرن في تلوث الهواء، ويحدثون ثورة في التنبؤ بحركة الجسيمات

وارويك، المملكة المتحدة – في إنجاز علمي كبير له آثار عميقة على الصحة العامة والعلوم البيئية، نجح باحثون في جامعة وارويك في فك شفرة لغز استمر قرنًا من الزمان يتعلق بحركة الجسيمات النانوية المحمولة جوًا. يعد هذا التطور المحوري بثورة في كيفية نمذجة العلماء لتلوث الهواء، حيث يقدم مستوى غير مسبوق من الدقة في التنبؤ بسلوك الجسيمات الدقيقة غير المنتظمة الشكل التي تشكل مخاطر صحية خطيرة.

لعقود من الزمن، واجه المجتمع العلمي تحدي التتبع الدقيق للجسيمات النانوية أثناء انجرافها في الغلاف الجوي. من المعروف أن هذه الملوثات الدقيقة المحمولة جوًا، والتي تتراوح من السخام الصناعي والجسيمات البلاستيكية الدقيقة المنتشرة إلى الفيروسات المعدية، تخترق عمق الرئتين البشرية وحتى تدخل مجرى الدم، مما يساهم في مجموعة واسعة من الحالات الصحية الخطيرة، بما في ذلك أمراض الجهاز التنفسي، وأمراض القلب والأوعية الدموية، وحتى الاضطرابات العصبية. على الرغم من الآثار الصحية الحرجة، اعتمدت معظم نماذج جودة الهواء الحالية تاريخيًا على افتراض مبسط: معالجة هذه الجسيمات المعقدة ككرات مثالية. هذا التقريب، على الرغم من أنه يسهل الأعباء الحسابية، إلا أنه أثر بشكل كبير على دقة التنبؤات، خاصة بالنسبة للجسيمات ذات الأشكال الهندسية غير المنتظمة للغاية.

يكمن جوهر هذه المشكلة طويلة الأمد في قيود صيغة تم تطويرها قبل أكثر من قرن من الزمان بواسطة ألبرت أينشتاين وتم تنقيحها لاحقًا من قبل آخرين، صُممت لوصف الحركة البراونية للجسيمات. على الرغم من أنها أساسية، إلا أن هذا النهج الكلاسيكي عانى من التعقيدات التي تفرضها الأشكال غير الكروية، مما أدى إلى اختلافات كبيرة بين التنبؤات النظرية والملاحظات الواقعية. شرع فريق وارويك، بقيادة البروفيسور ماثيو تورنر من قسم الفيزياء، في مهمة لمعالجة هذا الخلل الأساسي، إدراكًا للحاجة الملحة لأدوات تنبؤ أكثر تطورًا في عصر تتصاعد فيه مخاوف جودة الهواء.

تضمن بحثهم المبتكر إعادة تقييم شاملة وإعادة صياغة معقدة للصيغة القديمة التي يبلغ عمرها قرنًا. فبدلاً من محاولة إجبار الجسيمات غير المنتظمة الشكل على قالب كروي، طور العلماء إطارًا رياضيًا جديدًا يأخذ في الاعتبار الأشكال الهندسية الحقيقية والمعقدة لهذه الجسيمات النانوية. تضمن هذا الاختراق دمج ديناميكيات السوائل الحاسوبية المتقدمة مع الميكانيكا الإحصائية المتطورة، مما سمح لهم بتوصيف الانتشار الدوراني والانتقالي للجسيمات من أي شكل تقريبًا. من خلال نمذجة دقيقة لكيفية تقلب هذه الجسيمات وانجرافها، توفر الطريقة الجديدة تمثيلاً أكثر واقعية بكثير لرحلتها في الغلاف الجوي.

أكد البروفيسور تورنر على أهمية نتائجهم، قائلاً: "هذا ليس مجرد تمرين أكاديمي؛ بل له عواقب ملموسة في العالم الحقيقي. من خلال القدرة أخيرًا على التنبؤ بدقة بحركة الجسيمات النانوية غير المنتظمة الشكل، يمكننا تطوير استراتيجيات أكثر فعالية بكثير لمكافحة تلوث الهواء، وتصميم أنظمة ترشيح أفضل، وفي النهاية حماية الصحة العامة بشكل أكثر قوة." يفصل البحث، المنشور في مجلة علمية رائدة، كيف يمكن تطبيق نهجهم عالميًا، مما يوفر أداة بسيطة ولكنها قوية للباحثين على مستوى العالم.

الآثار المترتبة على هذا الاكتشاف واسعة ومتعددة الأوجه. في مجال الصحة العامة، ستمكن قدرات النمذجة المحسنة السلطات الصحية من إصدار تحذيرات أكثر دقة خلال أحداث التلوث، وفهم أفضل لمسارات انتقال الأمراض (خاصة للفيروسات المحمولة جوًا)، وتوجيه قرارات السياسة الرامية إلى تقليل التعرض للجسيمات الضارة. بالنسبة للوكالات البيئية، يعني الإطار الجديد تقييمات أكثر دقة لمصادر التلوث وأنماط انتشاره، مما يسهل التدخلات المستهدفة والإجراءات التنظيمية الأكثر فعالية.

بالإضافة إلى مراقبة التلوث، يحمل هذا الاختراق وعدًا بالعديد من التطورات التكنولوجية. يمكن أن يؤدي إلى تطوير أنظمة تنقية هواء أكثر كفاءة، قادرة على التقاط طيف أوسع من أشكال الجسيمات. قد يؤثر أيضًا على تصميم المواد المتقدمة، حيث يعد فهم سلوك الجسيمات على نطاق النانو أمرًا بالغ الأهمية، أو حتى في أنظمة توصيل الأدوية، حيث تعد حركة الجسيمات النانوية العلاجية داخل الجسم عاملاً حاسمًا. إن القدرة على التنبؤ بسلوك هذه الجسيمات المتنوعة، من الشظايا البلاستيكية المجهرية إلى الهباء الجوي البيولوجي، تفتح آفاقًا جديدة للبحث والابتكار متعدد التخصصات.

يؤكد هذا البحث على الالتزام المستمر للمؤسسات مثل جامعة وارويك بمعالجة التحديات العالمية من خلال البحث العلمي الأساسي. من خلال حل مشكلة حيرت العلماء لأكثر من مائة عام، لم يقم الفريق فقط بتطوير فهمنا لفيزياء الغلاف الجوي، بل قدم أيضًا أداة حاسمة في المعركة العالمية من أجل هواء أنظف وسكان أكثر صحة. مع استمرار التحضر والتصنيع في المساهمة في قضايا جودة الهواء المعقدة في جميع أنحاء العالم، تصبح هذه التطورات العلمية حيوية بشكل متزايد في حماية مستقبلنا الجماعي.

وكالة أنباء إخباري