Fysik-team anvender kvantitative metoder til at modellere, hvor langt virusbelastede aerosoler rejser gennem luften

Som videnskabelige tomrum går, det ville være svært lige nu at finde et mere presserende spørgsmål:Hvordan rejser aerosolerne, der bærer det usynlige coronavirus, i luften, når de forlader en inficeret person?

Er 6 fod social afstand nok?

Ind i det tomrum, University of Florida videnskabsmand S. "Bala" Balachandar leder et internationalt team af eksperter. Videnskaben har stort brug for en opdatering. Nogle af de undersøgelser, som de 6 fod social afstandsvejledning er baseret på, er årtier gamle.

Balachandar og hans team, imidlertid, arbejder på en ny teoretisk ramme, der er designet til at modellere adfærden ved vært-til-vært luftbåren transmission. Opgaven er enorm, fordi mange variabler er i spil med at finde ud af, hvordan et virus-inficeret åndedrag, nys eller hoste kan rejse fra en person til en anden.

Fysik kan muligvis tilbyde svar, der har unddraget folkespecialister. Balachandars ekspertise er i at tage komplekse, flerfasede turbulente fænomener, der ikke kan testes i et laboratorium - atomeksplosioner eller vulkanudbrud, for eksempel - og udvikle beregningsmodeller for deres adfærd. En hoste eller en nysen producerer også flerfaset turbulens og er mere kompliceret, end de måske ser ud.

"Det er stadig mere klart, at luftbåren transmission er en vigtig bidragyder til hurtig spredning af sygdommen, "siger Balachandar, en professor i mekanik og rumfartsteknik med finansiering fra den amerikanske flåde til at studere forstøvning af flydende spray. "Vi har ikke den grundlæggende viden, vi har brug for i øjeblikket. Vores opgave er at udvikle den slags viden, og dette er et udgangspunkt. "

Et fysikproblem

Som en etableret forsker med føderal finansiering til at studere flerfasestrøm, Bala følte, at han var i stand til at tackle spørgsmålet. Han samlede et internationalt team af etablerede forskere:Stéphane Zaleski ved Sorbonne er ekspert i dråbeudvikling; Balachandar, og Alfredo Soldati ved det tekniske universitet i Wien er eksperter i, hvordan turbulente flerfasestrømme opfører sig; Goodarz Ahmadi ved Clarkson University er ekspert i indånding af partikler; og Lydia Bourouiba ved MIT studerer skæringspunktet mellem væskedynamik og epidemiologi.

"Flerfasestrøm er intet andet end strømme, der indeholder partikler, dråber eller bobler, der typisk er meget turbulente, og de vises overalt fra et vulkanudbrud til hvordan en kystlinje dannes til industrielle processer, "siger Bala, der redigerer The International Journal of Multiphase Flow sammen med Soldati.

"Det er bare sådan, at nysen og hosten er fabelagtige eksempler på flerfasestrøm, hvor du skubber en masse dråber ud, og så flyder strømmen dem bare fremad, og turbulensen i værelserne spreder dem rundt. Så, vi har den rigtige baggrund til at se på dette problem. "

Andre forskere, også, er interesseret. De små aerosoler, der bærer virussen, fik mere opmærksomhed i juli, da 239 forskere fra hele verden bad World Health Organization i et åbent brev om at anerkende den rolle, luftbåren transmission har i spredningen af ​​virussen.

Derefter, den 4. august, et tværfagligt UF -team offentliggjorde resultater af en test på et hospitalsrum med to coronavirus -patienter. Holdet isolerede levende coronavirus i luftprøver indsamlet cirka 7 fod og cirka 16 fod fra en patient med en aktiv infektion, men ikke uden for rummet, takket være flere infektionsbekæmpelsesmetoder.

Balachandars team fulgte denne prøveudtagning med stor interesse.

"Det næste trin er at kunne sige, hvordan det kom derhen; var det en engangshændelse?" Siger Balachandar. "Det er der, vi kommer ind. Vi vil vise, hvordan og hvorfor aerosolerne kan rejse så langt.

"For at stoppe virussen, du skal vide, hvordan det kører, "Siger Balachandar.

Balachandars team har arbejdet overarbejde i laboratoriet og modelleret forskellige scenarier (se medfølgende grafik). Gruppen har også frigivet et positionspapir, "Luftbåren transmission fra vært til vært som et flerfasestrømsproblem for videnskabsbaserede retningslinjer for social afstand, "på ArXiv.

Problemet med transmission er ret ligetil:For at blive smittet med coronavirus, virus-ladede dråber skal forlade en person, når de udånder, transporteres gennem luften, derefter indåndet af en anden person. Større dråber, takket være tyngdekraften, falde hurtigt, sætter sig på overflader. Transmission opstår, når folk rører overfladerne, derefter røre ved deres ansigt, bringe virale partikler til slimhindeoverflader i deres mund, næse eller øjne. Sikkerhedsprotokoller, der nu er i vid udstrækning-dybt rengørende kontorer eller motionscentre eller gør håndsprit-dispensere til en hæfteklammer-giver beskyttelse mod overfladetransmission.

Beskyttelse mod luftbåren transmission, imidlertid, er mere kompliceret:Det er lettere at undgå en icky dørhåndtag, berøringsskærm eller elevatorknap end for at undgå vejrtrækning. Når vi indånder og udånder, vi kan ikke se det lille, usynlige virale partikler i luften, vi deler.

Opdatering af videnskab

Forsøg på at kvantificere patogener i udåndet åndedrag har en lang historie, der går tilbage til 1897. Retningslinjer for social afstand, der anbefaler 6 fod plads til beskyttelse, voksede ud af en undersøgelse fra 1930'erne, der klassificerede udåndede fugtige dråber i store og små kategorier, og fordampning af de mindre dråber blev ikke regnet med. I 1940'erne og 1960'erne, der blev foretaget mere detaljerede undersøgelser, men den tids teknologi tillod stadig ikke forskere nøjagtigt at redegøre for mindre dråber. Ud over, de værktøjer, der er nødvendige for at studere forstøvning af dråber til aerosoler, er først lige ved at blive udviklet.

Andre variabler komplicerer også søgen efter svar om generering, transport og indånding af dråber.

Udåndingskraften - vejrtrækning, taler, hoste, nysen - varierer, ligesom antallet af dråber, der udånder i hver tilstand og deres størrelse. Selv den samme tilstand, et nys f.eks. kan variere fra person til person. Disse udåndinger, skyer, som fysikere kalder pust, generelt er varmere end omgivelsestemperaturer, når de forlader kroppen, og så mere livlig, lad dem rejse sig.

Større dråber bevæger sig hurtigere og bevæger sig ud af pusten, og deres fordampning afhænger af miljøforholdene. I Arizona, et tørt miljø, de fordamper hurtigt. I Florida, et fugtigt miljø, de fordamper langsomt. Ikke-flygtige stoffer i dråberne-slim, vira, bakterie, madpartikler og så videre - påvirker fordampning.

Dråberne opfører sig også forskelligt afhængigt af ventilation. Indendørs, dråber kan fanges og forblive i luften. Udendørs, de kan cirkulere længere og spredes hurtigere.

Slutfasen, indånding, påvirkes af filtrering, via masker eller i næsen eller luftvejene. Ved indånding, viral belastning bliver vigtig, men Balachandar, en ingeniør, siger, at hans team vil overlade spørgsmål om viral belastning til epidemiologer.

Den teoretiske ramme, teamet har udviklet, nærmer sig alle disse variabler som et flerfaset turbulent flowproblem, fører til flere ligninger.

"Som ethvert andet videnskabeligt eller ingeniørproblem, i sidste ende bunder det i en matematisk fremstilling, som vi forsøger at gøre enkelt og let, men samtidig, præcis nok til at folk kan bruge til at komme med hurtige svar, "Siger Bala.

Ved hjælp af ligningerne, eksperimenter og simuleringer kan udføres for at modellere forskellige scenarier. For eksempel, et flyselskab, der ønsker at modellere potentialet for luftbåren transmission i en flykabine, kan bruge ligningerne, ligesom en virksomhed, der ønsker at modellere kontorbetingelser, eller en musikpromotor, der ønsker at modellere en koncertsalbegivenhed.

Modellering af luftbåren transmission

Balachandar og teamet er begyndt på nogle af deres egne eksperimenter, simulerer hoste og nys.

En udåndet hoste kommer ud i en flerfaset turbulent gassky, eller pust. Pusten indeholder forskellige dråbestørrelser, der blandes med den omgivende luft, som fanger dråberne og fører dem frem. Dråberne fordamper ud fra deres størrelse, pustens hastighed og miljøforhold.

Større dråber - 50 mikron eller mere - falder, mens delvist fordampede dråber forbliver i luften. Da dråberne fordamper fuldstændigt, pusten mister momentum og forsvinder. De små aerosoler, imidlertid, forblive og kan forblive højt i timevis, deres rækkevidde udvidet med luftstrøm, såsom en leg på en strand eller en oscillerende ventilator på et skrivebord. Det betyder, at de nuværende retningslinjer for social afstand kan undervurdere afstanden, aerosoler rejser og den tid, de forbliver i luften, og i nogle tilfælde, med ganske stor margin.

"Det er her forskellen mellem et lille lukket miljø såsom en elevator eller en flykabine eller et åbent felt er vigtigt, sammen med faktorer som krydsbrise og ventilation, "Siger Balachandar.

Arbejde af Bourouiba tidligere på året på MIT viser en gassky fra et nys, der kører 7 til 8 meter, et tegn på, at der er behov for mere undersøgelse, Siger Bala.

"Der er steder, trange omgivelser med dårlig ventilation, hvor pusten kunne sprede sig langt mere end to meter, ligesom i et åbent miljø, såsom en strand med en kraftig krydsbrise, det kunne fortyndes meget hurtigere, "Siger Balachandar.

Filtrering af luften

Hvor meget virus en person inhalerer afhænger af koncentrationen af ​​virusbelastede partikler-eller viral belastning-i åndedrætszonen omkring den pågældende person, samt på alder og aktivitetsniveau. Det afhænger også af filtrering. Vejrtrækning gennem næsen giver mere beskyttelse end vejrtrækning gennem munden, takket være åndedrætssystemets naturlige filtre. Og masker giver filtrering, også.

Virkningen af ​​masker varierer meget afhængigt af typen, med masker til sundhedsprofessioner som den mest effektive:N95 er den bedste, derefter kirurgiske masker, derefter proceduremasker.

Almindelige bomuldsmasker kan reducere indånding af dråber større end 10 mikron, men de fleste dråber fordamper til en størrelse mindre end 10 mikron inden for cirka et sekund og efter at have rejst flere centimeter. De udstødte dråber i en udåndet sky bliver aerosoliseret til en størrelse mindre end 1 mikron på mellem 1 og 10 meter.

Den konventionelle antagelse-at fordampning af dråber reducerer virusbelastningen-skal undersøges igen. Balachandar siger, at det er klart, at antallet af virale partikler, der udsendes i mindre dråber, forbliver i skyen næsten uændret, repræsenterer en farligere transmissionskilde end tidligere overvejet, og en som ikke alle masker kan fange.

Teamets ligninger forudsiger også et meget større antal dråber i mikron- og submikronområdet, "muligvis den farligste for både indåndingseffektivitet og filtreringseffektivitet, "ifølge positionspapiret.

Selvom Balachandar siger, at han oprindeligt var tilbageholdende med at påtage sig et nyt projekt, behovet for mere kvantitativ viden fascinerede ham.

"Jeg troede først, at COVID ville forsvinde, så jeg ville ikke omdirigere min interesse, "Siger Balachandar." Men så blev det meget klart, at COVID ikke går nogen steder.

"Dette er ikke et let problem at løse, "Siger Balachandar." Men vi skal prøve. Selvom vi løser COVID, det er bare et spørgsmål om tid, før der kommer noget andet. "