Obraz otaczającego nas świata kształtują zarówno doznania zmysłowe gromadzone przez nas od najwcześniejszego dzieciństwa, jak również nabywana wiedza. W zdecydowanej większości przypadków oba  te elementy współgrają ze sobą dając spójny obraz rzeczywistości. Tworzą się pewne utarte schematy myślenia oraz rutyna w interpretacji nowych zjawisk w oparciu o dotychczas zdobyte doświadczenie. Z bogactwa świata i różnorodności zachodzących w nim zjawisk wyłonić można jednak obszary,  w których próba „zdroworozsądkowego”, opartego na empirii, opisu zdarzeń prowadzić może do błędnych wniosków.

Aerozoloterapia nie wymaga oczywiście znajomości zjawisk kwantowych ani uwzględniania w jej opisie efektów relatywistycznych, z drugiej strony pewne jej aspekty mogą być pułapką dla osób nawykłych do przenoszenia bezpośredniego stosowania twierdzeń poprawnych dla innych obszarów fizyki. W tym artykule zakreślone będą istotne cechy aerozolu, klasyfikujące go jako specyficzny układ dwufazowy, w którym drobiny cieczy lub ciała stałego (roztwór, zawiesina, proszek) zawieszone są w powietrzu. Wyjaśnienia podstawowych haseł dostępne są w odrębnym artykule. Obecnie rozwiniemy i dokonamy próby obrazowego i uproszczonego opisu tych zagadnień. Poziom merytoryczny przekazu jest z założenia kompromisem między poszanowaniem języka fizyki a możliwością odbioru przekazu przez użytkownika – humanistę.

Stopień rozdrobnienia aerozolu.

W życiu codziennym  układy, w których dwa rodzaje substancji współistnieją w określonym obszarze czy przestrzeni są łatwe do wskazania. Nie sposób omawiać wszystkich przykładów, skupimy się zatem na tych, które najlepiej posłużą do wskazania tych cech aerozolu, które wyróżniają go jako twór specyficzny i odrębny. Niechaj pierwszym przykładem będą typowe zachowania wody poruszającej się w powietrzu (płyn potrząsany w butelce, deszcz lub krople z sitka węża ogrodniczego). Woda w butelce nie jest rozdrobniona. Posiada jedną objętość i jedna masę, która to masa decyduje o bezwładności tej „globalnej kropli”. Wodą w butelce można potrząsać a wtedy uderzać będzie ona o ściany naczynia. Podlewając ogródek, nawet w czasie  silnego wiatru, bez problemu utrzymamy „kierunek podlewania” , czyli utrzymamy tor ruchu wszystkich kropli wypływających z sitka. Dzieje się tak z powodu dużej bezwładności kropel wody. Kolejnym przykładem, tym razem ciał stałych, mogą być drobiazgi w bagażniku samochodu czy kamyki w dziecięcej grzechotce. W czasie jazdy samochodem, przy hamowaniu, przyspieszaniu czy przy ostrych zakrętach, przedmioty uderzają o ściany bagażnika. Dziecko potrząsając grzechotka jest w stanie sprawić, by drobne ciała stałe uderzały o ścianki zabawki. Również w tym przypadku o zachowaniu takim decydowała ich masa i związana z masą bezwładność.

Co stanie się, gdy tę samą wodę z przykładu z butelką bardzo mocno rozdrobnimy? Okazuje się, że zależy to od stopnia rozdrobnienia. Jeśli wodę rozdrobnimy do poziomu cząsteczkowego (w rozumieniu chemicznym: dwa atomy wodoru połączone z jednym atomem tlenu) otrzymamy parę, która będzie miała cechy stanu gazowego. Parą zamkniętą na przykład w butelce, jak wiadomo, nie można skutecznie potrząsać jak grzechotką – dzięki rozdrobnieniu przestała się zachowywać jak ciecz, a masa i bezwładność cząstek chemicznych jest bez znaczenia. Ich rozmiary są porównywalne z rozmiarami atomów lub cząsteczek chemicznych otaczającego gazu. Zderzenia cząsteczek wody i cząsteczek gazu są „równoprawne” i można je obserwować jako tzw. ruchy Browna.

Cząsteczki (chemiczne) wody, nazwijmy je, (co fizyka kwantowego przyprawi o zawał !), „pozbawione masy”, mogą się ze sobą łączyć (zjawisko kondensacji) tworząc cząstki (fizyczne) mgły.  Mgła jest typowym przykładem aerozolu: faza ciekła (woda) zawieszona jest w fazie gazowej (w powietrzu). Kamyki z przykładu o grzechotce też mogą utworzyć aerozol: na przykład w czasie wybuchu wulkanów powstają dymy, czyli  forma aerozolu, w których faza stała (minerał) zawieszony jest w fazie gazowej (powietrzu).  Wracając do mgły: mikro-kropelki mgły powstałe w mechanizmie kondensacji mogą stykać się ze sobą i łączyć w większe krople.

 Ryc. 1. Koalescencja – łączenie się cząstek aerozolu. Łatwo zapamiętać.

Zjawisko to nosi nazwę koalescencji i prowadzi do destabilizacji aerozolu. Cząsteczki „rosną” a ich masy nie możemy już traktować beztrosko jako nieistotnej. Nadal wprawdzie nie zaobserwujemy żadnych fenomenów przy potrząsaniu naczyniem pełnym aerozolu (aerozol statyczny), jednak cząstki aerozolu wprawionego w ruch liniowy mogą podlegać zjawiskom inercyjnym, szczególnie przy gwałtownych zmianach kierunku przepływu jego strumienia. Ponadto w aerozolu „statycznym” pozostawionym w naczyniu zachodzić będą procesy sedymentacji, a zatem procesy grawitacyjne.

Wyobraźmy sobie, że  pojedyncze cząsteczki chemiczne wody przeszły proces kondensacji i koalescencji. Kropla docelowa ma teraz 1 mm³ i składa się z 334000000000000000000 cząstek chemicznych ( 3,34 x 10¹⁸). Nie sposób w tym wypadku skwitować problemu stwierdzeniem, że masę kropli można zaniedbać. W efekcie utraciliśmy aerozol a z jego chmury zaczyna padać deszcz. Tempo „zmian destrukcyjnych” określa parametr noszący nazwę połowicznego czasu zaniku aerozolu. Dzięki niemu możliwe jest oszacowanie, po jakim czasie „zniknie” 50% cząstek aerozolu, po jakim 75% a wreszcie, kiedy aerozolu po prostu już nie ma.

Aerozol „statyczny” i aerozol „dynamiczny”.

Dyskusja na temat cech aerozolu ma konkretny cel: usystematyzowanie pojęć i nakreślenie obrazu potrzebnego do poprawnego prowadzenia terapii inhalacyjnej. Na przykład myśląc o aerozolu zamkniętym w pewnej przestrzeni należy mieć na uwadze ten właśnie kontekst i przełożyć zdobytą wiedzę na zachowanie aerozolu w komorze inhalacyjnej czy drogach oddechowych chorego.

Zachowanie  stabilnego, pozostającego w bezruchu, drobnocząstkowego aerozolu przypomina zachowanie gazów: na przykład nie można sprawić, by w komorze inhalacyjnej aerozol trwale zajmował jedną jej połowę a druga połowa była trwale wypełniona powietrzem. Po pewnym czasie aerozol równomiernie wypełni naczynie. Kolejnym czynnikiem decydującym o jego zachowaniu będzie ciśnienie statyczne, zawsze  wywierające nacisk we wszystkich kierunkach, prostopadle do ścian, bez względu na kształt naczynia, w którym aerozol jest zamknięty.

Ryc. 2. Ciśnienie statyczne gazu lub aerozolu (ciecz zawieszona w gazie)
jest stałe we wszystkich kierunkach i prostopadłe do ścian naczynia.

Aerozol pozostający w bezruchu ze ścianami naczynia może oddziaływać dzięki wspomnianym wyżej ruchom Browna lub opadaniu grawitacyjnemu (sedymentacji). Procesy inercyjne nie odgrywają żadnej istotnej roli.

Jeśli jednak dokładnie przeanalizujemy sens tej części rozważań dochodzimy do przekonania, że aerozol pozostający w bezruchu jest w praktyce  wyjątkiem od reguły.  Niemal zawsze w jakiś sposób dociera on do miejsca docelowego i dopiero po osiągnięciu celu ma szansę na przejście w stan bezruchu, a skoro tak, to co najmniej wcześniej (w czasie wytwarzania aerozolu), ale również później (opuszczając „miejsce postoju”) musi być aerozolem przemieszczającym się, czyli aerozolem w ruchu. Dobrym przykładem jest stosowanie dozowników pMDI i komór inhalacyjnych. Strumień aerozolu rozpędzony propelentem zatrzymywany jest w komorze inhalacyjnej  a następnie ponownie przyspiesza dzięki przepływowi powietrza wdechowego. Dociekania te są o tyle ważne, że w czasie ruchu strumienia aerozolu podlega on nieco innym prawom rozkładu ciśnień a energia poruszających cząstek aerozolu zaczyna rosnąć wraz z kwadratem ich prędkości.

Ryc. 3. Ilustracja działania ciśnienia dynamicznego i statycznego na strumień aerozolu.

Niesie to ze sobą pewne konsekwencje, z których istotne w terapii wziewnej mogą być zarówno zjawiska inercyjne jak też zdeterminowanie kierunku przepływu. Pamiętając, że ciśnienie statyczne jest to ciśnienie wywierane prostopadle do kierunku przepływu, a ciśnienie dynamiczne równolegle do kierunku przepływu – rozumiemy, że strumień aerozolu, będzie wywierał ciśnienie na boczne ściany  naczynia tym mniejsze, im szybszy będzie jego przepływ. Konsekwencje takiego zachowania strumienia znamy z życia codziennego: ani strumień wody wypływający z węża ogrodniczego, ani dym z komina, ani gaz z palnika laboratoryjnego – nie przyjmują po wyjściu z dyszy kształtu kuli, lecz w mniejszym lub większym stopniu zachowują cechy przepływu liniowego. Dzieje się tak za sprawą niskiej wartości sił „odchylających”, skierowanych prostopadle do kierunku ruchu.

W praktyce oznacza to straty inercyjne aerozolu w miejscach zmiany przebiegu drogi strumienia (zagięcie, rozwidlenie), jak również  niezdolność strumienia aerozolu do penetracji struktur usytuowanych prostopadle do kierunku jego ruchu.

Ryc. 4. Konsekwencje ruchu aerozolu: niskie ciśnienie statyczne i zjawiska inercyjne.

Dwie dolne linie obrazujące kierunki ruchu cząstek na rycinie 4 ilustrują zjawisko inercji : cząstki pokolorowane na czerwono uderzają w ścianę naczynia i „znikają” z chmury aerozolu. Górna linia kierunku ruchu  oraz biegnące tym torem cząstki wyróżnione są kolorem zielonym.  Duży, czerwony znak „X” służy do zilustrowania problemów z docieraniem aerozolu w kierunkach prostopadłych do toru jego ruchu. Zgodnie z prawem Bernoulliego suma ciśnienia statycznego i dynamicznego jest stała. Na rycinie 4 wewnątrz przestrzeni obocznej , na przykład zatoki, wypełniający ją gaz jest nieruchomy, zatem ciśnienie dynamiczne jest równe zero co oznacza, że stan gazu w zatoce reprezentuje jedynie ciśnienie statyczne A oznaczone strzałką czerwoną skierowana do dołu. Gdy aerozol rozpoczyna ruch, pojawia się ciśnienie dynamiczne C, zilustrowane strzałką niebieską. Od tego momentu musimy pogodzić się z faktem, że ciśnienie globalne płynącego aerozolu składać się będzie z dwu części: zielonej strzałki ciśnienia statycznego, skierowanej ku górze, prostopadle do ścian oraz niebieskiej strzałki ciśnienia dynamicznego, skierowanej poziomo, równolegle do ścian. Cząstki aerozolu poruszać się będą zgodnie z gradientem  każdej składowej ciśnienia. Szybciej i łatwiej zgodnie z dużym gradientem dynamicznym, wzdłuż naczynia.  Trudniej, zgodnie z małym gradientem, w kierunku jego ścian, wywierając na nie oczywiście ciśnienie, jednak tym mniejsze, im szybszy jest przepływ. W okolicy ujścia zatoki, w pierwszej fazie, cząstki aerozolu napotkają przeciwbieżny strumień powietrza wypływający ze światła zatoki, bowiem chwilowo ciśnienie statyczne w zatoce (strzałka czerwona) jest wyższe od składowej statycznej ciśnienia płynącego aerozolu (strzałka zielona). Po chwili, gdy ciśnienie statyczne w zatoce spadnie i zrówna się ze składową statyczną płynącego aerozolu. Zniknie wprawdzie problem przechodzenia cząstek  „pod prąd”, ale jednocześnie zniknie gradient przewód <-> zatoka czy zatoka <-> przewód, a skoro nie ma gradientu ciśnienia, nie ma też ruchu aerozolu.