Холодный воздух способствует более широкому распространению вирусов и кашля 

Фото из открытых источников

Кашель или чихание кажутся незначительными, потому что происходят очень быстро. Люди чувствуют легкое покалывание, тело реагирует, и в течение секунды мельчайшие капельки и частицы покидают рот и нос.

Большинство из них слишком малы, чтобы их увидеть. Но они не просто исчезают. Они перемещаются по воздуху, смешиваются с окружающей средой и иногда остаются там дольше, чем мы ожидаем.

Пандемия COVID-19 заставила многих людей впервые задуматься об этом невидимом облаке. Учёные уже знали, что вирусы могут распространяться в аэрозолях, но у них всё ещё оставалось много вопросов.

На какое расстояние распространяются эти частицы? Как долго они остаются вместе? Изменяет ли тёплое помещение их траекторию? Изменяет ли холодное помещение их поведение?

Исследовательская группа из Университета Ровира и Виргили (URV) в Таррагоне, Испания, поставила перед собой задачу ответить на эти вопросы с помощью аппарата, способного «кашлять» контролируемым образом. Результаты исследования опубликованы в журнале Physics of Fluids.

Изучение настоящего кашля кажется простым делом, но это не так. Каждый человек кашляет по-своему. У одних людей выдох с большей силой. У других легкие больше. У третьих рот открывается шире. Даже форма носа, горла и рта человека может влиять на то, как воздух выходит из организма.

Это затрудняет сравнение результатов учеными. Если один кашель распространяется дальше, чем другой, то это из-за температуры в помещении или потому, что человек кашлял сильнее?

Для решения этой проблемы исследователи создали механический симулятор выдоха. В нем использовалась напечатанная на 3D-принтере модель верхних дыхательных путей человека, включая нос, горло и трахею, прикрепленная к напечатанному на 3D-принтере человеческому лицу.

Аппарат пропускал через модель теплый воздух, наполненный мельчайшими аэрозольными частицами, подобно тому, как воздух выходит из настоящего человеческого тела.

Команда использовала лазерный луч для подсветки аэрозольного облака и высокоскоростную камеру для фиксации его перемещения.

Исследователи протестировали облака, похожие на кашель, в камере размером примерно с большую гостиную.

Они установили температуру в помещении на уровне 27°C, 17°C и 7°C. Температура выдыхаемого воздуха оставалась на уровне 37°C , что близко к нормальной температуре тела.

«Мы хотели понять, в какой степени температура окружающей среды может изменять динамику облаков частиц», — сказал соавтор исследования Николас Каталан из Университета Равалпинди.

Эксперименты показали, что температура имеет значение. Когда теплый воздух от тела встречается с более холодным воздухом в помещении, они не смешиваются простым образом.

Величина разницы температур влияет на то, насколько плотно держится аэрозольное облако и как оно перемещается. При большей разнице температур облако оставалось более компактным. Оно меньше смешивалось с окружающим воздухом и дольше сохраняло свою форму.

Это важно, потому что компактное облако может собирать больше частиц вместе, а не быстро рассеивать их.

«Мы заметили, что по мере увеличения разницы температур между выдыхаемым воздухом и окружающим воздухом облако оставалось более сплошным и перемещалось на большие расстояния», — отметил Каталан.

Облако дыма, выделяемое при кашле, ведет себя немного как дым. Иногда дым распространяется быстро. В других случаях частицы остаются видимыми, прежде чем распасться. Аэрозоли, образующиеся при кашле, ведут себя аналогично, за исключением того, что большинство частиц невидимы.

Когда выдыхаемый воздух сильно смешивается с воздухом в помещении, облако распространяется и рассеивается. Это означает, что концентрация частиц снижается. Когда в облаке происходит меньше смешивания элементов, оно остается более организованным и может перемещаться как более концентрированная группа.

Этот процесс важен для помещений. Комната — это не просто фон. Ее температура может влиять на перемещение респираторных частиц в ней.

Исследование также показало, что нос играет гораздо большую роль, чем многие могли бы предположить.

Исследователи проверили, что происходит, когда ноздри напечатанного на 3D-принтере лица открыты и когда они закрыты. Когда ноздри были закрыты, весь воздух выходил через рот. Облако двигалось вниз примерно на 16 градусов ниже прямой горизонтальной линии.

Когда ноздри были открыты, около 39 процентов воздуха проходило через нос. Это изменило направление и форму всего облака. 

Это открытие показывает, почему простые модели могут упускать важные детали. Простая трубка не может воспроизвести то, как реальное человеческое лицо направляет воздух через рот и нос. Форма дыхательных путей влияет на то, куда попадают частицы.

Исследователи также изучили баланс между двумя силами: силой самого кашля и плавучестью, которая заставляет теплый воздух подниматься.

Вначале сила кашля контролирует облако воздуха. Воздух устремляется вперед, как реактивная струя. В первые секунды это усилие имеет большее значение, чем температура.

По мере замедления движения облака, плавучесть приобретает всё большее значение. Тёплый воздух начинает подниматься и дрейфовать. Температура начинает играть более важную роль в определении дальнейшего направления движения частиц.

Это означает, что сила кашля имеет значение. Более сильный кашель разносит частицы дальше, особенно в стороны. Исследование выявило четкую связь между более сильным потоком воздуха и большей длиной его горизонтального распространения.

Прогнозирование роста оказалось более сложной задачей, поскольку зависело от температуры, носового потока и первоначальной силы выдоха.

Эти выводы имеют значение для больниц, школ, офисов, автобусов, ресторанов и других мест общего пользования. Вентиляция – это не только приток свежего воздуха. Это также понимание того, как температура, циркуляция воздуха и конструкция помещения взаимодействуют друг с другом.

Теплая или неравномерно теплая температура в помещении может неожиданным образом влиять на движение аэрозолей. Воздушные карманы, системы отопления и плохая циркуляция воздуха могут способствовать тому, что частицы остаются вместе или движутся в сторону других людей. Улучшенная вентиляция и более равномерное перемешивание воздуха могут помочь рассеять концентрированные облака.

Исследование также помогает объяснить, почему в холодное время года болезни так легко распространяются в помещениях. Люди проводят больше времени в помещении, окна остаются закрытыми, а вентиляция часто снижается.

Когда люди собираются в помещении, условия воздуха в комнате могут влиять на то, на какое расстояние распространяются респираторные частицы.