Generasi aerosol setelah tumbukan jatuh pada media berpori adalah proses tiga langkah, yang terdiri dari pembentukan gelembung, pertumbuhan gelembung, dan ledakan gelembung.
MIT adalah singkatan dari Massachusetts Institute of Technology. Ini adalah universitas riset swasta bergengsi di Cambridge, Massachusetts yang didirikan pada tahun 1861. Ini diatur dalam lima Sekolah: arsitektur dan perencanaan; rekayasa; humaniora, seni, dan ilmu sosial; pengelolaan; dan sains. Dampak MIT mencakup banyak terobosan ilmiah dan kemajuan teknologi. Tujuan mereka menyatakan adalah untuk membuat dunia yang lebih baik melalui pendidikan, penelitian, dan inovasi.
Ilmuwan MIT menggunakan kamera berkecepatan tinggi untuk menunjukkan bahwa saat tetesan hujan menyentuh permukaan, ia menjebak gelembung udara kecil pada titik kontak dan melepaskan aerosol ke lingkungan.
Pernah merasakan bau tanah di udara setelah hujan ringan? Sekarang para ilmuwan di MIT yakin mereka mungkin telah mengidentifikasi mekanisme yang melepaskan aroma ini, serta aerosol lainnya, ke lingkungan.
Dengan menggunakan kamera berkecepatan tinggi, para peneliti mengamati bahwa ketika tetesan hujan mengenai permukaan berpori, gelembung udara kecil terperangkap di titik kontak. Seperti dalam segelas sampanye, gelembung-gelembung itu kemudian melesat ke atas, akhirnya meledak dari tetesan itu menjadi desisan aerosol.
Tim juga dapat memprediksi jumlah aerosol yang dilepaskan, berdasarkan kecepatan tetesan hujan dan permeabilitas permukaan kontak.
Para peneliti menduga bahwa di lingkungan alami, aerosol dapat membawa unsur aromatik, bersama dengan bakteri dan virus yang tersimpan di dalam tanah. Aerosol ini dapat dilepaskan selama curah hujan ringan atau sedang, dan kemudian menyebar melalui hembusan angin.
“Hujan terjadi setiap hari — sekarang hujan, di suatu tempat di dunia,” kata Cullen R. Buie, asisten profesor teknik mesin di MIT. “Ini adalah fenomena yang sangat umum, dan menarik bagi kami bahwa tidak ada yang pernah mengamati mekanisme ini sebelumnya.”
Youngsoo Joung, seorang pascadoktoral di laboratorium Buie, menambahkan bahwa sekarang kelompok tersebut telah mengidentifikasi mekanisme pembentukan aerosol yang diinduksi air hujan, hasilnya dapat membantu menjelaskan bagaimana penyakit berbasis tanah tertentu menyebar.
“Sampai sekarang, orang tidak mengetahui bahwa aerosol dapat dihasilkan dari tetesan air hujan di tanah,” kata Joung. “Temuan ini harus menjadi referensi yang baik untuk pekerjaan di masa depan, menyinari mikroba dan bahan kimia yang ada di dalam tanah dan bahan alami lainnya, dan bagaimana mereka dapat dikirimkan ke lingkungan, dan mungkin ke manusia.”
Buie dan Joung telah mempublikasikan hasilnya minggu ini di jurnal Nature Communications.
Rekaman berkecepatan tinggi yang ditangkap oleh para peneliti MIT menunjukkan bagaimana curah hujan dapat melepaskan aerosol ke lingkungan, menyebarkan unsur aromatik, serta bakteri dan virus, yang tersimpan di dalam tanah. Video: Melanie Gonick/MIT (rekaman berkecepatan tinggi milik Youngsoo Joung)
Menangkap kegilaan, dalam mikrodetik
Buie dan Joung melakukan sekitar 600 percobaan pada 28 jenis permukaan: 12 bahan rekayasa dan 16 sampel tanah. Selain memperoleh tanah komersial, Joung mengambil sampel tanah dari sekitar kampus MIT dan sepanjang Sungai Charles. Dia juga mengumpulkan tanah berpasir dari Pantai Nahant di Nahant, Massachusetts.
Di laboratorium, para peneliti mengukur permeabilitas setiap sampel tanah dengan terlebih dahulu menuangkan bahan ke dalam tabung panjang, kemudian menambahkan air ke dasar setiap tabung dan mengukur seberapa cepat air naik melalui tanah. Semakin cepat kenaikan kapiler ini, semakin permeabel tanah.
Dalam percobaan terpisah, tim menyimpan satu tetes air di setiap permukaan, mensimulasikan berbagai intensitas curah hujan dengan menyesuaikan ketinggian tempat tetesan dilepaskan. Semakin tinggi pelepasan droplet, semakin cepat kecepatan utamanya.
Joung dan Buie menyiapkan sistem kamera berkecepatan tinggi untuk menangkap tetesan air hujan saat jatuh. Gambar yang mereka hasilkan mengungkapkan mekanisme yang sebelumnya tidak terdeteksi: Saat tetesan hujan menyentuh permukaan, ia mulai merata; secara bersamaan, gelembung-gelembung kecil muncul dari permukaan, dan melalui tetesan, sebelum meledak ke udara. Bergantung pada kecepatan tetesan, dan sifat permukaannya, awan “aerosol yang hiruk pikuk” dapat tersebar.
“Hingar bingar berarti Anda dapat menghasilkan ratusan tetesan aerosol dalam waktu singkat — beberapa mikrodetik,” jelas Joung. “Dan kami menemukan bahwa Anda dapat mengontrol kecepatan pembuatan aerosol dengan berbagai media berpori dan kondisi benturan.”
Dari percobaan mereka, tim mengamati bahwa lebih banyak aerosol diproduksi dalam hujan ringan dan sedang, sementara aerosol jauh lebih sedikit dilepaskan selama hujan lebat.
Buie mengatakan mekanisme ini mungkin menjelaskan petrichor – sebuah fenomena yang pertama kali dicirikan oleh para ilmuwan Australia sebagai bau yang dilepaskan setelah hujan ringan.
“Mereka berbicara tentang minyak yang dipancarkan oleh tumbuhan, dan bahan kimia tertentu dari bakteri, yang menyebabkan bau yang Anda dapatkan setelah hujan setelah musim kering yang panjang,” kata Buie. “Menariknya, mereka tidak membahas mekanisme bagaimana bau itu bisa sampai ke udara. Satu hipotesis yang kami miliki adalah bahwa bau itu berasal dari mekanisme yang kami temukan ini.
Dari bawah ke atas
Buie dan Joung melihat lebih jauh hubungan antara kecepatan tetesan hujan, sifat permukaan, dan generasi aerosol, dan menghasilkan dua parameter tak berdimensi yang dapat digunakan untuk menggambarkan hubungan tersebut: bilangan Weber, yang merupakan fungsi dari kecepatan tumbukan tetesan. , dan nomor Péclet yang dimodifikasi, yang digunakan untuk membedakan kecepatan tumbukan dan keterbasahan permukaan.
Berdasarkan perhitungan mereka, para peneliti menemukan bahwa generasi aerosol paling besar ketika rasio antara bilangan Weber dan Péclet seimbang, sekitar 1 — rasio yang Buie dan Joung nyatakan sebagai bilangan Washburn-Reynolds. Ketika rasio ini seimbang, tetesan hujan tidak terlalu cepat atau terlalu lambat, dan permukaannya tidak terlalu basah atau terlalu kering.
“Saat hujan sedang atau ringan menghantam tanah berpasir atau tanah liat, Anda dapat mengamati banyak aerosol, karena tanah liat berpasir memiliki sifat pembasahan sedang,” kata Joung. “Hujan lebat [memiliki] kecepatan tumbukan yang tinggi, yang berarti tidak cukup waktu untuk membuat gelembung di dalam tetesan.”
James Bird, asisten profesor teknik mesin di Universitas Boston, mengatakan bahwa para ilmuwan telah lama mengamati bahwa tetesan air hujan dapat menjebak dan melepaskan aerosol saat jatuh ke air. Makalah ini, katanya, adalah yang pertama menunjukkan efek ini pada tanah.
“Saya terkesan dengan sejauh mana [sejauh mana] penulis telah mengurai fisika yang mendasarinya,” kata Bird, yang tidak terlibat dalam penelitian. “Aspek dari makalah ini yang menurut saya paling menarik adalah membawa percakapan tentang pembentukan aerosol yang diinduksi gelembung dari laut ke daratan. Mikroba dari tanah telah diamati tinggi di atmosfer; makalah ini memberikan mekanisme yang elegan di mana mikroba ini dapat didorong melewati lapisan udara yang stagnan di sekitar mereka ke tempat di mana angin dapat membawa mereka ke tempat lain.
Joung dan mahasiswa pascasarjana Zhifei Ge sekarang melakukan percobaan serupa, dengan permukaan yang mengandung bakteri tanah dan patogen seperti E. coli, untuk mengamati apakah kontaminan tersebut dapat menyebar secara signifikan melalui curah hujan. Dalam makalah saat ini, dia dan Buie melakukan eksperimen awal menggunakan tetesan cairan yang diwarnai pada p
ermukaan tertentu yang mengandung pewarna fluoresen. Dalam percobaan tersebut, mereka mengamati melalui mikroskop bahwa aerosol yang dilepaskan dari tetesan hujan mengandung pewarna – sebuah temuan yang menunjukkan bahwa aerosol semacam itu juga dapat membawa kontaminan lain, seperti virus dan bakteri berbasis tanah.
“Aerosol di udara pasti bisa dihasilkan dari fenomena ini,” kata Buie. “Mungkin bukan hujan, tapi hanya sistem penyiram yang dapat menyebabkan penyebaran kontaminan di dalam tanah, mungkin untuk area yang lebih luas dari yang biasanya Anda perkirakan.”
Tambah Joung: “Untuk mencegah penularan mikroorganisme dari alam ke manusia, kita perlu mengetahui mekanisme yang tepat. Dalam karya ini, kami menyediakan satu kemungkinan cara penularan.”
Publikasi : Young Soo Joung & Cullen R. Buie, “Aerosol dihasilkan oleh dampak rintik hujan pada tanah,” <em>Nature Communications</em> adalah peer-review, open-access, jurnal ilmiah multidisiplin yang diterbitkan oleh Nature Portfolio. Ini mencakup ilmu-ilmu alam, termasuk fisika, biologi, kimia, kedokteran, dan ilmu bumi. Itu mulai diterbitkan pada tahun 2010 dan memiliki kantor editorial di London, Berlin, Kota New York, dan Shanghai.
Nature Communications 6, Nomor artikel: 6083, 2015; doi:10.1038/ncomms7083
Gambar: Young Soo Joung
