Nature: 病毒传播不能忽视流体力学

来源:CFD界

针对目前中国武汉发生的病例,这种新型冠状病毒的直径约为0.1um,但因为其需要附着在唾液等飞沫上,所以载体的空气动力学直径要大于2.5um。

Bourouiba专注于研究流行性疾病的流体力学。

非典型肺炎SARS,在2003年在全球杀死了近800人,脊髓灰质炎正在卷土重来,禽流感正在蔓延到人类。

打喷嚏是呼吸道疾病传播的主要方式之一。但到底是怎么传播的呢?

流行病学研究人们感染疾病的传播方式。他们通过直接的人与人之间的接触?还是从污染的物体感染了疾病?

是较大的喷嚏液滴直接从一个呼吸道到另一个呼吸道?还是通过较小的悬浮颗粒在空气中形成可吸入的气溶胶?还是某种组合?

这些研究确定了麻疹通常是通过气溶胶传播的,而埃博拉病毒主要是通过直接接触被感染。

但是,许多病原体仍然存在很多不确定性。例如,SARS非典被认为主要通过近距离接触传播,但2003年的非典爆发至少显示出一些飞沫传播的证据。

在Bourouiba的课题组,流行性疾病与流体力学完美结合。他们通过疾病传播模型,与打喷嚏和咳嗽建立联系。

对于数学家和流体力学家Bourouiba来说,打喷嚏是非常有意思的。

Bourouiba特别想知道,从嘴里出来的液滴的大小分布,因为液滴大小可以影响携带多少微生物,以及在空气中传播多远。

上图是高速相机捕获的打喷嚏。打喷嚏后,大量的唾液和粘液(绿色)从嘴里射出,但掉落相对较快。空气射流形成的湍流,则携带较小的液滴(红色),并使它们最多漂移8米远。

她和她的同事,使用高速摄像机详细记录了打喷嚏的过程。视频以慢动作播放,显示出口腔中猛烈爆发的唾液,分解成小滴,全部悬浮在湍流的空气中的过程。

Bourouiba以此方式录制的视频,使她能够测量液滴直径以及液滴速度的所有数据,这些数据有助于了解病毒传播。

她已经证明,在一个房间内边边角角的人打的喷嚏,其小液滴可以传播到房间的大部分区域,即使在通风的过程中,甚至可以向上游传递。

录像证据与打喷嚏的传统思维相矛盾:传统思维认为较大的喷嚏液滴会在1-2米之内掉落到地面,只有较小的水滴会以气溶胶形式停留在空中。

然而录像结果表示,由于喷嚏引发的湍流动态变化,较大的喷嚏液滴传播远达8米,咳嗽的液滴可以传播6米,并保持悬浮状态。这些液滴最多可以悬浮10分钟。

这个结论对医护人员有重要意义。传统医学认为疾病传播发生在1-2米。然而未必。

Bourouiba还进行了一些其他的实验,录像表示,打喷嚏的时候,液体以阶梯状分解,就像好莱坞产生的慢动作爆炸一样:液体从口腔中形成片状,然后被刺穿并形成环状。它们被气流拉伸。环断裂,留下细丝。细丝上形成少量流体珠,它们会伸长并破碎,最终产生液滴。

这是一个重要发现,因为这意味着液滴的形成可能会受到湿度和温度等环境条件的强烈影响。他补充说,这可能有助于解释为什么某些疾病(例如流感)往往会在一年的某些时候更频繁地发生,这也许是因为环境条件有利于某些微生物的扩散和生存。

2003年的非典SARS最终的有效控制,也有人认为是由于5、6月份夏季高温的到来,导致不利于病毒的传播而被遏制。

Bourouiba说自己有严重的职业病… 每当听到教室里打喷嚏的声音时,她都会情不自禁的想象到到处的飞沫。但这确实使她想起了为什么她在大学时对流体力学如此着迷:流体无处不在。


评论

此博客中的热门博文

艾滋病可以通过蚊子传染吗?