佛罗里达大学辛迪·斯宾塞著 学分:佛罗里达大学 随着科学空白的消失，现在很难找到一个更紧迫的问题:携带隐形冠状病毒的气溶胶在离开感染者后是如何在空气中传播的？ 6英尺的社交距离够不够？ 佛罗里达大学科学家S
“巴拉”巴拉昌达领导着一个国际专家团队
这门科学急需更新
6英尺社交距离指导所基于的一些研究已经有几十年的历史了
然而，Balachandar和他的团队正在研究一个新的理论框架，该框架旨在模拟主机对主机的空中传播行为
这项任务是巨大的，因为许多变量在计算病毒感染的呼吸、打喷嚏或咳嗽如何从一个人传播到另一个人的过程中起作用
物理学也许能够提供公共卫生专家们没有想到的答案
Balachandar的专长是研究无法在实验室测试的复杂多相湍流现象，例如核爆炸或火山爆发，并开发它们行为的计算模型
咳嗽或打喷嚏也会产生多相湍流，而且比它们可能出现情况更复杂
“越来越清楚的是，空气传播是疾病快速传播的一个重要因素，”Balachandar说，他是一名机械和航空工程教授，由美国政府资助
S
海军研究液体喷雾的雾化
“我们目前没有所需的基础知识
我们的工作是发展那种知识，这是一个起点
" 一个物理问题 作为一名在联邦资助下研究多相流的知名研究员，巴拉觉得自己有能力解决这个问题
他组建了一个由知名科学家组成的国际团队:索邦大学的斯特凡·扎莱斯基是液滴生成方面的专家；维也纳技术大学的Balachandar和Alfredo Soldati是研究多相湍流行为的专家；克拉克森大学的Goodarz Ahmadi是微粒吸入方面的专家；麻省理工学院的莉迪亚·布鲁瓦研究流体动力学和流行病学的交叉
“多相流只不过是包含颗粒、液滴或气泡的流，这些流通常非常湍流，它们出现在从火山爆发到海岸线形成到工业过程的任何地方，”巴拉说，他与索尔达蒂共同编辑了《国际多相流杂志》
“碰巧的是，打喷嚏和咳嗽是多相流的绝佳例子，你喷出大量的飞沫，然后这些飞沫就带着它们向前流动，房间里的湍流把它们扩散到四周
所以，我们有正确的背景来看待这个问题
" 其他科学家也对此感兴趣
携带病毒的微小气溶胶在7月份受到更多关注，当时来自世界各地的239名科学家在一封公开信中要求世界卫生组织承认空气传播在传播病毒中的作用
学分:佛罗里达大学 然后，在八月
4日，一个跨学科的佛罗里达大学团队公布了在医院病房对两名冠状病毒患者的测试结果
该小组从一名感染活跃的患者身上采集了大约7英尺和大约16英尺的空气样本，从中分离出活的冠状病毒，但由于采取了多种感染控制措施，这些样本不在房间外
Balachandar的团队非常感兴趣地关注着取样工作
“下一步是能够说出它是如何到达那里的；这是一次性事件吗？”Balachandar说
“那是我们进来的地方
我们想展示气溶胶是如何以及为什么能传播这么远
“为了阻止病毒，你必须知道它是如何传播的，”巴拉昌达说
Balachandar的团队一直在实验室加班模拟各种场景(见附图)
该小组还在ArXiv上发布了一份立场文件，“主机到主机的空中传输作为基于科学的社会距离指南的多相流问题”
传播的问题很简单:要感染冠状病毒，携带病毒的飞沫必须在呼出时离开一个人，通过空气传播，然后被另一个人吸入
由于重力作用，较大的水滴下落很快，落在表面
当人们触摸表面，然后触摸他们的脸，将病毒颗粒带到他们的嘴、鼻子或眼睛的粘膜表面时，就会发生传播
现在广泛使用的安全协议——深度清洁办公室或健身房或使洗手液分配器成为必需品——提供了防止表面传播的保护
然而，防止空气传播要复杂得多:避开讨厌的门把手、触摸屏或电梯按钮比避开呼吸更容易
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、看不见的病毒粒子
更新科学 量化呼出气体中病原体的尝试可以追溯到1897年
建议6英尺保护空间的社交距离指导方针源于20世纪30年代的一项研究，该研究将呼出的潮湿液滴分为大类和小类，小液滴的蒸发没有被考虑在内
在20世纪40年代和60年代，进行了更详细的研究，但当时的技术仍然不允许科学家准确地解释更小的液滴
此外，研究液滴雾化成气溶胶所需的工具只是刚刚开发出来
其他变量也使寻找关于产生、运输和吸入液滴的答案变得复杂
呼气的力量——呼吸、说话、咳嗽、打喷嚏——随着每种情况下呼出的水滴数量及其大小而变化
即使是同样的情况，比如打喷嚏，也会因人而异
物理学家称之为“喷流”的这些呼出的气体离开身体时通常比周围的温度更高，因此更容易漂浮，让它们上升
二维横截面模拟，显示咳嗽或打喷嚏后喷烟以及液滴/气溶胶云的速度轮廓
较大的水滴移动得更快，并从喷出物中流出，它们的蒸发取决于环境条件
在亚利桑那州这种干旱的环境中，它们会很快蒸发
在佛罗里达这个潮湿的环境中，它们会慢慢蒸发
液滴中的非挥发物——粘液、病毒、细菌、食物颗粒等等——会影响蒸发
水滴的行为也因通风而异
在室内，水滴会被截留并留在空气中
在室外，它们可能循环得更远，分散得更快
最后阶段，吸入，受到过滤的影响，通过口罩或在鼻子或呼吸道
在吸入的时候，病毒载量变得很重要，但是工程师巴拉昌达说，他的团队将把病毒载量的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一个多相湍流问题，导致多个方程
巴拉说:“像任何其他科学或工程问题一样，最终它归结为一些数学表示，我们试图使其简单易行，但同时又足够准确，人们可以用它来得出快速的答案。”
使用这些方程，可以进行实验和模拟来模拟各种场景
例如，一家航空公司想要模拟飞机机舱内空气传播的可能性，可以使用这些方程，一家公司想要模拟办公室条件，或者一家音乐推广公司想要模拟音乐厅事件
空中传输建模 Balachandar和他的团队已经开始了他们自己的一些实验，模拟咳嗽和打喷嚏
呼出的咳嗽以多相湍流气体云或喷烟的形式出现
粉扑包含不同大小的液滴，这些液滴与周围的空气混合在一起，被周围的空气捕获并携带向前
水滴根据其大小、喷出速度和环境条件蒸发
较大的液滴——50微米或更大——下落，而部分蒸发的液滴留在空气中
当水滴完全蒸发时，喷烟失去动量并消散
然而，微小的气溶胶仍然存在，并能在空中停留数小时，它们的活动范围因气流而扩大，如海滩上的微风或桌上的振荡风扇
这意味着当前的社交距离指南可能低估了气溶胶的传播距离和在空气中的停留时间，在某些情况下，低估幅度相当大
Balachandar说:“这就是一个小的封闭环境(如电梯或飞机机舱)和一个开阔的场地之间的区别，以及交叉风和通风等因素。”
咳嗽或打喷嚏后液滴/气溶胶云的三维模拟
巴拉说，今年早些时候，Bourouiba在麻省理工学院的工作显示，喷嚏产生的气体云传播了7到8米，这表明需要进行更多的研究
巴拉昌达说:“有些地方，封闭的环境通风不良，喷出的烟可能会扩散到两米多远，就像在开阔的环境中，比如有强劲的侧风的海滩，它可能会稀释得更快。”
过滤空气 一个人吸入多少病毒取决于该人周围呼吸区中携带病毒的颗粒的浓度——或病毒载量——以及年龄和活动水平
这也取决于过滤
由于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
口罩也提供过滤功能
口罩的功效因类型不同而差异很大，健康专业口罩的功效最高:N95最好，其次是外科口罩，最后是手术口罩
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蒸发到小于10微米的尺寸，并在几厘米后蒸发
呼出的云中喷出的液滴在1至10米处变成小于1微米的雾状
传统的假设——液滴蒸发减少病毒载量——需要重新检验
Balachandar说，很明显，云内以较小水滴形式散发的病毒粒子数量几乎没有变化，这是一个比以前认为的更危险的传播源，也不是所有口罩都能捕捉到的
根据立场文件，该小组的方程式还预测微米和亚微米范围内的大量液滴，“可能对吸入效率和过滤效率都是最危险的”
虽然巴拉昌达说他最初不愿意承担一个新项目，但对更多定量知识的需求引起了他的兴趣
“我最初以为COVID会消失，所以我不想转移我的兴趣，”巴拉昌达说
“但后来很明显，COVID不会去任何地方
“这不是一个容易解决的问题，”巴拉昌达说
“但我们需要尝试
即使我们解决了COVID，其他事情的出现也只是时间问题
"
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