物理团队用定量的方法模拟了空气中携带病毒的气溶胶的距离

摘要 一个跨学科的用友团队公布了医院病房两名患者的检测结果。由于各种感染控制措施,研究小组分离了从一名活跃的受感染患者(约7英尺至16英尺)

一个跨学科的用友团队公布了医院病房两名患者的检测结果。由于各种感染控制措施,研究小组分离了从一名活跃的受感染患者(约7英尺至16英尺)收集的空气样本,但该患者不在户外。

Balachandar的团队对采样非常感兴趣。

“下一步是能够说出它是如何到达的;发生过一次吗?”巴拉昌达说。“这就是我们进来的地方。我们想展示气溶胶是如何以及为什么会传播如此之远。

巴拉钱德尔说:“要阻止这种病毒,你必须知道它是如何传播的。”

Balachandar的团队一直在实验室加班加点地模拟各种场景(见附图)。该组织还在ArXiv上发布了一份立场文件,“基于科学社会距离指南,从主机到主机的空气传播是一个多相流问题”。

传播的问题很简单:要被感染,携带病毒的飞沫必须在呼气时离开一个人,然后通过空气传播,被另一个人吸入。由于重力的作用,较大的水滴会迅速下落并沉淀在表面。当一个人接触表面,然后再接触面部时,它就会扩散,从而将病毒颗粒带到口腔、鼻子或眼睛的粘膜表面。现在广泛使用的安全协议-在办公室或健身房深度清洁,或使用洗手液分配器作为固定装置-可以防止表面传播。

然而,对空气传播的保护更复杂:避免令人讨厌的门把手、触摸屏或电梯按钮比避免呼吸更容易。当我们吸气和呼气时,我们看不到我们共享的空气中微小的看不见的病毒颗粒。

更新科学

试图量化呼出气体中病原体的漫长历史可以追溯到1897年。19英尺空间防护的社会隔离推荐标准源于20世纪30年代的一项研究,该研究将呼出的湿气液滴分为大液滴和小液滴,较小的液滴不被蒸发液滴占据。在20世纪40年代和60年代,进行了更详细的研究,但当时的技术仍未能使科学家准确计算更小的液滴。此外,研究液滴雾化成气溶胶所需的工具也刚刚开发出来。

其他变量也使寻找液滴的产生、运输和吸入的答案的过程变得复杂。

在每种情况下,呼气(呼吸、说话、咳嗽、打喷嚏)的强度随着呼出飞沫的数量和大小而变化。即使是同样的情况,比如打喷嚏,也会因人而异。物理学家称这些呼气为吹气。当它们离开人体时,通常比环境温度更热,因此浮力更大,使它们上升。

较大的液滴移动得更快,并从粉扑中去除,它们的蒸发取决于环境条件。在干旱的亚利桑那州,它们蒸发得很快。在潮湿的佛罗里达,它们会慢慢蒸发。非挥发性物质(粘液、病毒、细菌、食物颗粒等。)会影响蒸发。

根据通风情况的不同,水滴的行为也不同。在室内,水滴会被捕获并留在空气中。在室外,它们可能传播得更远更快。

吸入的最后阶段将受到过滤的影响,例如通过面罩或在鼻子或呼吸道中。当吸入时,病毒载量变得非常重要,但工程师Balachandar表示,他的团队将把病毒载量问题留给流行病学家。

该团队开发的理论框架将所有这些变量视为多相湍流问题,从而产生多个方程。

Bala说:“就像任何其他科学或工程问题一样,它归结为某种数学表示。我们试图让它变得简单易行,但同时又足够准确,人们可以用它来快速给出答案。”

使用这些方程,可以进行实验和模拟来模拟各种情况。例如,想要对机舱中的空气传播潜力进行建模的航空公司可以使用这些方程,能够对办公室条件进行建模的公司和能够对音乐厅事件进行建模的音乐推广人可以使用这些方程。

机载传输建模

Balachandar和他的团队已经开始了一些模拟咳嗽和打喷嚏的实验。

呼出的咳嗽声会以多相湍流气云或粉扑的形式发出。在抽吸过程中,有各种大小的液滴,会与周围的空气混合,从而捕获液滴并向前输送。水滴根据其大小、吸入速度和环境条件而蒸发。

较大的液滴(50微米或更大)将下落,而部分蒸发的液滴将留在空气中。随着液滴的完全蒸发,粉扑失去动量并消散。但微小的气溶胶会残留,在空气中停留数小时,其范围会因气流的变化而扩大,如沙滩上的微风或书桌上摆动的风扇。这意味着,目前的社会异化标准可能低估了气溶胶的传播距离和在空气中停留的时间,甚至在某些情况下大大低估了气溶胶。

Balachandar说:“在这里,较小的封闭环境(如电梯、飞机客舱或开放空间)之间的差异以及侧风和通风等因素之间的差异至关重要。”

Balouiba说,Bourouiba今年早些时候在麻省理工学院的工作表明,从打喷嚏到7到8米的距离形成了一种气体云。

Balachandar说:“在狭窄、通风不良的环境中,粉扑可能会蔓延两米以上,就像在开放的环境中,比如充满强烈侧风的海滩,它可能会迅速稀释。”

过滤空气

一个人吸入多少病毒,取决于这个人周围呼吸区域的病毒颗粒浓度或病毒载量,以及年龄和活动水平。也要看过滤。有了呼吸系统的天然过滤器,用鼻子呼吸比用嘴呼吸提供了更多的保护。还可以过滤遮罩。

口罩的功效因类型而异,其中医疗行业的口罩功效最高:N95最好,其次是外科口罩,再其次是外科口罩。

普通的棉质口罩可以减少吸入大于10微米的雾滴,但大多数雾滴会在大约一秒钟内,移动几厘米后蒸发到小于10微米的尺寸。从呼出的云喷射出的液滴范围从1到1。

10米之间被雾化成小于1微米的大小。

传统的假设(液滴的蒸发会降低病毒载量)需要重新检查。Balachandar说,很明显,较小的液滴中散发的病毒颗粒的数量几乎保持不变,这是比以前考虑的更危险的传播来源,并不是所有口罩都能捕获的。

研究小组的方程还预测了微米级和亚微米级范围内的液滴数量将大大增加,“对于吸入效率和过滤效率低下,可能是最危险的”。

尽管Balachandar说他最初不愿接受一个新项目,但对更多定量知识的需求吸引了他。

Balachandar说:“我最初以为COVID会消失,所以我不想改变我的兴趣。” “但是后来很清楚,COVID并没有到任何地方。

Balachandar说:“这不是一个容易解决的问题。” “但是我们需要尝试。即使我们解决了COVID问题,其他事情的出现也只是时间问题。”

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