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。

图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

3月26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米”。

图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。

图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., 2^nd edition, Chap. 18. Coagulation of Particles, pp 301-314

 

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