Hemmeligheder ved COVID-19-transmission afsløret i turbulente pust

Turbulens er overalt - i vindens bevægelse, havets bølger og endda magnetfelter i rummet. Det kan også ses i mere forbigående fænomener, som røg, der bølger fra en skorsten, eller hoste.

At forstå denne sidstnævnte type turbulens - kaldet pustturbulens - er ikke kun vigtig for den grundlæggende videnskabs fremskridt, men også for praktiske sundheds- og miljøforanstaltninger, som at beregne, hvor langt hostedråber vil rejse, eller hvordan forurenende stoffer fra en skorsten eller cigaret kan sprede sig i omgivelserne. Men at skabe en komplet model for, hvordan turbulente pust af gasser og væsker opfører sig, har hidtil vist sig undvigende.

"Turbulensens natur er kaotisk, så det er svært at forudsige, "sagde professor Marco Edoardo Rosti, der leder Complex Fluids and Flows Unit ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST). "Puff turbulens, som opstår, når udsivning af en gas eller væske til miljøet forstyrres, frem for kontinuerlig, har mere komplicerede egenskaber, så det er endnu mere udfordrende at studere. Men det er af vital betydning-især lige nu for at forstå luftbåren transmission af vira som SARS-CoV-2. "

Indtil nu, den seneste teori blev udviklet i 1970'erne, og fokuserede kun på et pusts dynamik i omfanget af selve pusten, ligesom hvor hurtigt den bevægede sig og hvor bred den spredte sig.

Den nye model, udviklet i et samarbejde mellem Prof. Rosti fra OIST, Japan og prof. Andrea Mazzino fra University of Genova i Italien, bygger på denne teori for at inkludere, hvordan små udsving i pusten opfører sig, og hvordan både dynamik i stor skala og lille skala påvirkes af ændringer i temperatur og fugtighed. Deres resultater blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve den 25. august 2021.

Interessant nok, forskerne fandt ud af, at ved køligere temperaturer (15 ° C eller lavere), deres model afveg fra den klassiske model for turbulens.

I den klassiske model, turbulens hersker - bestemmer hvordan alle de små hvirvler og virvler i strømmen opfører sig. Men når temperaturen faldt, opdrift begyndte at få større indflydelse.

"Virkningen af ​​opdrift var oprindeligt meget uventet. Det er en helt ny tilføjelse til teorien om turbulente pust, "sagde prof. Rosti.

Opdrift udøver en effekt, når gas eller flydende pust er meget varmere end temperaturen i de umiddelbare omgivelser, det frigives til. Varm gas eller væske er meget mindre tæt end miljøets kolde gas eller væske, og derfor stiger pusten, gør det muligt at rejse videre.

"Opdrift genererer en meget anden form for turbulens-du ser ikke kun ændringer i den store bevægelse af pusten, men også ændringer i de små bevægelser inden i pusten, "sagde prof. Rosti.

Forskerne brugte en kraftfuld supercomputer, i stand til at løse pustens adfærd i storstil og i lille skala, at køre simuleringer af turbulente pust, som bekræftede deres nye teori.

Den nye model kunne nu give forskere mulighed for bedre at forudsige bevægelsen af ​​dråber i luften, der frigives, når nogen hoster eller taler umaskeret.

Mens større dråber falder hurtigt til jorden, når afstande på omkring en meter, mindre dråber kan forblive i luften i meget længere tid og rejse videre.

"Hvor hurtigt dråberne fordamper - og derfor hvor små de er - afhænger af turbulens, som igen påvirkes af omgivelsernes fugtighed og temperatur, "forklarede prof. Rosti." Vi kan nu begynde at tage disse forskelle i miljøforhold, og hvordan de påvirker turbulens, i betragtning ved undersøgelse af luftbåren viral transmission. "

Næste, forskerne planlægger at studere, hvordan puffer opfører sig, når de er lavet af mere komplicerede ikke-newtoniske væsker, hvor let væsken strømmer kan ændre sig afhængigt af de kræfter, den er under.

"For COVID, dette kan være nyttigt til at studere nys, hvor ikke-newtonske væsker som spyt og slim udvises kraftigt, sagde Dr. Rosti.