物理小组采用定量方法来模拟载有病毒的物理气溶胶在空中传播的距离

2022-01-19 20:12:00任秋东导读随着科学空缺的发展，现在很难找到一个更紧迫的小组问题：携带无形的气溶胶在离开感染者后如何在空中传播?6英尺的社交距离够吗?佛罗里达大学

随着科学空缺的发展，现在很难找到一个更紧迫的采用传播问题：携带无形的气溶胶在离开感染者后如何在空中传播?

6英尺的社交距离够吗?

佛罗里达大学的科学家S.“ Bala” Balachandar正带领这一国际专家团队进入这个空白。科学迫切需要更新。定量的气的距6英尺社会疏远指导所依据的模拟一些研究已有数十年历史。

但是病毒，Balachandar和他的溶胶团队正在研究一种新的理论框架，该模型旨在对宿主之间的空中空中传播行为进行建模。这项任务之所以艰巨，物理是小组因为要弄清受病毒感染的呼吸，打喷嚏或咳嗽如何从一个人传播到另一个人，采用传播许多变量都在起作用。定量的气的距

物理学也许能够提供公共卫生专家无法解决的模拟答案。Balachandar的病毒专长在于处理无法在实验室中进行测试的复杂的多相湍流现象(例如核爆炸或火山喷发)，并开发其行为的溶胶计算模型。咳嗽或打喷嚏还会产生多相湍流，并且比看起来更复杂。

机械和航空航天工程学教授Balachandar表示：“越来越明显的是，机载传播是疾病快速传播的重要因素。” “目前我们没有所需的基本知识。我们的工作是发展这种知识，这是一个起点。”

物理问题

作为获得联邦资金研究多相流的著名研究人员，Bala感到他有能力解决这个问题。他组建了一支由科学家组成的国际团队：Sorbonne的StéphaneZaleski是液滴产生的专家;Balachandar和维也纳工业大学的Alfredo Soldati是多相湍流行为的专家。克拉克森大学(Clarkson University)的Goodarz Ahmadi是吸入颗粒的专家。麻省理工学院的Lydia Bourouiba和Lydia Bourouiba研究了流体动力学与流行病学的交集。

“多相流只不过是含有通常非常湍流的颗粒，液滴或气泡而形成的流，它们从火山喷发到海岸线形成到工业过程的任何地方都出现，”巴拉说。与Soldati流。

“碰巧的是，打喷嚏和咳嗽是多相流的绝妙例子，在这种情况下，您会喷出很多小滴，然后这些小流将它们向前推进，而室内的湍流将它们散布到各处。因此，我们有正确的背景去看这个问题。”

其他科学家也对此感兴趣。七月份，携带这种病毒的微小气溶胶引起了更多关注，当时全世界有239位科学家在一封公开信中要求世界卫生组织承认空中传播在传播病毒中的作用。

然后，在8月4日，一个跨学科的UF小组在医院的病房中公布了两名患者的测试结果。由于采取了多种感染控制措施，该小组从一名活跃感染患者(约7英尺至16英尺)采集的空气样本中分离了活，但该患者并非在室外。

Balachandar的团队非常感兴趣地进行了采样工作。

“下一步是能够说出它是如何到达的;那是一次发生吗?” Balachandar说。“这就是我们进来的地方。我们想展示气雾剂如何以及为什么能够传播那么远。

Balachandar说：“要阻止这种病毒，您必须知道其传播方式。”

Balachandar的团队一直在实验室中加班，为各种场景建模(请参见附图)。该小组还发布了关于ArXiv的立场文件“基于科学的社会距离指南的主机到主机空中传输作为多相流问题”。

传播问题非常简单：要被感染，载有病毒的飞沫在呼出时必须离开一个人，然后通过空中运输，然后再被另一个人吸入。由于重力的作用，较大的水滴会迅速掉落并沉降在表面上。当人们触摸表面然后触摸面部时，就会发生传播，从而将病毒颗粒带到其口，鼻或眼的粘膜表面。现在广泛使用的安全协议-深度清洁办公室或体育馆，或将洗手液分配器用作钉书钉-可防止表面传播。

但是，防止空中传播的保护更加复杂：避免讨厌的门把手，触摸屏或电梯按钮比避免呼吸要容易。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隐形病毒颗粒。

更新科学

尝试对呼出气中的病原体进行量化的悠久历史可以追溯到1897年。推荐19英尺空间进行保护的社会隔离准则源自1930年代的一项研究，该研究将呼出的湿气飞沫分为大，小两类，较小的则蒸发液滴未占。在1940年代和1960年代，进行了更详细的研究，但当时的技术仍然无法使科学家准确地计算出较小的液滴。此外，研究液滴雾化成气溶胶所需的工具才刚刚开发。

其他变量也使寻求有关生成，运输和吸入飞沫的答案的过程变得复杂。

呼气的力量(呼吸，说话，咳嗽，打喷嚏)随每种情况呼出的飞沫数量及其大小而变化。即使是相同的情况，例如打喷嚏，也会因人而异。这些呼气，物理学家称之为吹气，通常在离开人体时会比环境温度热，因此浮力更大，让它们升起。

较大的液滴移动得更快并从粉扑中移出，它们的蒸发取决于环境条件。在干旱的亚利桑那州，它们迅速蒸发。在潮湿的佛罗里达州，它们缓慢蒸发。液滴中的非挥发性物质(粘液，病毒，细菌，食物颗粒等)会影响蒸发。

根据通风情况，液滴的行为也有所不同。在室内，水滴会被捕获并保留在空气中。在户外，它们可能传播更远并且散布得更快。

吸入的最终阶段会受到过滤的影响，例如通过口罩或在鼻子或呼吸道中。在吸入时，病毒载量变得很重要，但是工程师Balachandar说，他的团队将把病毒载量的问题留给流行病学家。

团队开发的理论框架将所有这些变量视为多相湍流问题，从而产生了多个方程。

Bala说：“像其他任何科学或工程问题一样，最终它归结为某种数学表示，我们试图使它变得简单易行，但同时又足够准确，人们可以使用它来快速给出答案。”

使用这些方程式，可以进行实验和模拟以对各种情况进行建模。例如，想要对机舱中机载传播潜力进行建模的航空公司，可以使用这些方程式，可以对办公室条件进行建模的公司，也可以对音乐厅事件进行建模的音乐推广人，可以使用这些方程式。

机载传输建模

Balachandar及其小组已开始进行一些自己的实验，以模拟咳嗽和打喷嚏。

呼出的咳嗽会在多相湍流的气体云或粉扑中散发出来。抽吸过程中包含各种大小不一的液滴，这些液滴会与周围的空气混合，从而捕获液滴并将其向前运送。液滴根据其大小，抽吸速度和环境条件而蒸发。

较大的液滴(50微米或更大)会掉落，而部分蒸发的液滴会留在空气中。随着液滴的完全蒸发，粉扑失去动量并消散。但是，微小的气溶胶会保留下来并可以在空中停留数小时，其范围会因气流的变化而扩大，例如海滩上的微风或书桌上的摆动风扇。这意味着当前的社会疏离准则可能会低估气溶胶的传播距离以及它们在空中停留的时间，在某些情况下甚至会大大低估。

Balachandar说：“在这里，较小的封闭环境(如电梯，飞机机舱或开放场地)之间的差异以及交叉微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所做的工作显示，从打喷嚏到7米到8米的距离，形成了气体云。

Balachandar说：“在狭窄，通风不佳的狭窄环境中，粉扑可能传播超过两米，就像在开放的环境中，如充满强烈的交叉微风的海滩一样，它可能会迅速稀释。”

过滤空气

一个人吸入多少病毒取决于该人周围呼吸区域中病毒颗粒的浓度或病毒载量，以及年龄和活动水平。它还取决于过滤。借助呼吸系统的天然过滤器，通过鼻子呼吸比通过嘴呼吸提供更多的保护。口罩也可以过滤。

口罩的功效因类型而异，其中医疗行业的口罩效率最高：N95是最好的，其次是手术口罩，然后是手术口罩。

普通的棉质口罩可以减少大于10微米的液滴的吸入，但是大多数液滴会在大约一秒钟内和移动几厘米后蒸发成小于10微米的尺寸。呼出的云中喷射的液滴在1至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。”