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病毒气溶胶传播–说说打喷嚏实验 精选

已有 4788 次阅读 2020-5-4 11:59 |个人分类:新冠病毒|系统分类:观点评述| 新冠病毒, 喷嚏, 视频, 气溶胶传播

病毒气溶胶传播–说说打喷嚏实验

在今年2月初讨论新冠病毒气溶胶传播时,看那张彩色新闻图片,印象深刻1,2。是一位健康人打喷嚏发出的粗液滴和细飞沫合成的飞行轨迹视图。显示在粗液滴迅速降落的同时,细小飞沫(或气溶胶)会形成湍流云团(turbulent gas cloud,并被喷射到接近8米之远。

1 新闻图片,绿色是粗液滴运动轨迹。红色是细小液滴形成云团的运动过程

326日,主持该研究的女博士又发表文章,附上打喷嚏视频3,4,再次阐述她提出飞沫运动的新模型:“呼吸、喷嚏和咳嗽不仅含吐液水滴,沿短距离半弹道轨迹降落,更重要的是会形成一个复相湍流云团(Puff),其中包含各种粒径细小液滴(此模型在她2014年在JFM杂志上文章首次提出5)。因为局部湿度和温度较高,使气团里面的细沫蒸发减慢,因此能够比较单个细沫保持长得多的持续时间,甚至1000倍,从不到1秒延长到几分钟。”又说:因为该湍流气团的动量,含病毒细小液滴能被喷射到的距离比它们被单独喷射远得多(保持湿度,少蒸发),甚至7~8

2,今年文章里展示的湍流云团运动过程。图中表示距离的线段是倾斜的,

应当和摆放的广角镜照相机有关,如图3

3,左侧部分是灯光和照相机安置情况,来自她 2014年文章图片

上面表示距离的虚线,右侧箭头和细虚线是我加的。

使用广角镜头的高速相机拍摄气团较长距离运动有困难,虚线是我猜想的下降轨迹。

 病人说话、咳嗽和喷嚏产生的飞沫会传播呼吸道疾病早已受到注意。上世纪30~40年代,已经有重要研究成果。进入新世纪,摄影和电子技术高度发展。特别在2003年非典疫情之后,这方面研究发展相当快。文中Bourouiba博士的新研究和新模型必定推动着这方面研究的发展。然而对于新冠疫情而言,研究成果还只是进一步证实除直接的飞沫和接触感染外,会发生病毒随气溶胶传播的第三个途径。但不能推测病毒因此在医院病房内的污染程度。如果发生在野外,在自然空气环境下,可能很快被稀释扩散。因此如果外出,在空旷地方,不戴口罩问题也不大。

 此外,这位学者的分析有几个重要缺陷和问题: 

1、  喷嚏的动能或动量,都是实验者一开始释放的。如果把喷嚏分成较粗液滴和细小液滴两部分,前者很快降落到地面,后者形成了湍流云团。则这湍流云团从开始就获得了部分动能或动量。湍流运动指流体内各个流体微团(细小液滴随同)相对其平均运动而言还有混乱的随机运动。这种混乱运动是能量或动量的耗散机制(比分子热运动耗散能力强得多),并不能加强。云团被喷射得远的主要原因在于实验者的强大能力,并非因为发生了湍流云团。

2、  实验中湍流云团的喷射过程是用广角镜拍摄的,图中展示的距离用一条斜线表示。这条斜线隐含了云团的下降过程,但在文章中没有说明。

3、  更重要的问题是她完全忽视细小液滴气溶胶的特殊性质:它们除能携带病毒和能蒸发外,在气溶胶族内属于能发生凝并的~Coagulation”一类6,7。即它们如果相遇了,有可能合并形成较大液滴。增大到一定程度就会因重力而下降离开云团。而且湍流强度越大,凝并作用越明显。因此实验中发现云团能被喷射到更远距离的解释应当是,部分地因为蒸发,部分地因为凝并,随云团运动的细小液滴不断减少,直至消失。

4、  打喷嚏的实验者是在MIT校园里招募的,健康并且强壮。新冠病人几乎都有呼吸困难和胸闷症状,不可能有强大喷嚏能力。

 

参考资料:

1.       张艳梅,2020,气溶胶传播冠状病毒,复工的你如何自保?科学网博文,http://blog.sciencenet.cn/blog-3420875-1217782.html 

2.      Corie Lok (2016), News/Feature Where sneezes go, NATURE, 534, 2 June

3.         Bourouiba L. (2020), Turbulent Gas Clouds and Respiratory Pathogen Emissions, Potential Implications for Reducing Transmission of COVID-19, JAMA, Published online March 26, 2020, https://jamanetwork.com/journals/jama/fullarticle/2763852, (accessed on 04/12/2020)

4.         Video Supplement to Bourouiba L. Turbulent gas clouds and respiratory pathogen emission potential implications for reducing transmission of COVID-19, JAMA,

5.      Bourouiba L. et al., (2014). Violent respiratory events: on coughing and sneezing. J Fluid Mech. 745, 537-563.

6.      Seinfeld, John H. (1986), Atmospheric Chemistry and Physics of Air Pollution, John Wiley & Sins, Inc., pp 400-401

7.      Parker C. Reist (1993), Aerosol Science and Technology, McGraw-Hill, Inc., 2nd edition, Chap. 18. Coagulation of Particles, pp 301-314

 



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