Новая модель связывает физику дыхательных капель с распространением Covid-19

По данным исследования, проведенного международной группой инженеров, капли дыхательных путей от кашля или чихания перемещаются дальше и длятся дольше в условиях влажного холодного климата, чем в жарком и сухом. Исследователи включили это понимание влияния факторов окружающей среды на распространение капель в новую математическую модель, которая может быть использована для прогнозирования раннего распространения респираторных вирусов, включая COVID-19, и роли дыхательных капель в этом распространении.

Команда разработала эту новую модель, чтобы лучше понять роль, которую играют капельные облака в распространении респираторных вирусов. Их модель является первой, основанной на фундаментальном подходе к изучению химических реакций, называемом теорией скорости столкновений, который рассматривает взаимодействие и частоту столкновений капельного облака, выдыхаемого зараженным человеком со здоровыми людьми. Их работа связывает взаимодействие людей в масштабе населения с их результатами по физике микромасштабных капелек о том, как далеко и быстро распространяются капли, и как долго они существуют.

Их результаты были опубликованы 30 июня в журнале Physics of Fluids .

«Основной фундаментальной формой химической реакции является столкновение двух молекул. Как часто они сталкиваются, даст вам понять, как быстро протекает реакция», — сказал Абхишек Саха, профессор машиностроения в Университете Калифорнии в Сан-Диего, и один из них. авторов статьи. «Здесь то же самое; как часто здоровые люди вступают в контакт с зараженным облаком капель, может быть мерой того, как быстро может распространяться болезнь».

Они обнаружили, что в зависимости от погодных условий некоторые респираторные капельки перед испарением перемещаются на расстояние от 8 до 13 футов от источника, даже не учитывая ветер. Это означает, что без масок шести футов социальной дистанции может быть недостаточно для того, чтобы выдыхаемые частицы одного человека не достигли кого-то другого.

«Физика капель в значительной степени зависит от погоды», — говорит Саха. «Если вы находитесь в более холодном и влажном климате, капли от чихания или кашля будут длиться дольше и распространяться дальше, чем если бы вы были в жарком сухом климате, где они испарятся быстрее. Мы включили эти параметры в наша модель распространения инфекции, насколько мы можем судить, они не включены в существующие модели «.

Исследователи надеются, что их более детальная модель скорости распространения инфекции и распространения капель поможет информировать политику общественного здравоохранения на более местном уровне и может быть использована в будущем для лучшего понимания роли факторов окружающей среды в распространении вируса.

Они обнаружили, что при 35 ° C (95 ° F) и 40% относительной влажности капля может перемещаться примерно на 8 футов. Однако при температуре 5 ° C (41 ° F) и влажности 80% капля может перемещаться до 12 футов. Команда также обнаружила, что капли в диапазоне 14-48 микрон обладают повышенным риском, так как им требуется больше времени для испарения и перемещения на большие расстояния. Меньшие капли, с другой стороны, испаряются в течение доли секунды, в то время как капли размером более 100 микрон быстро оседают на землю благодаря весу.

Это еще одно доказательство важности ношения масок, которые могли бы задерживать частицы в этом критическом диапазоне.

Команда инженеров из инженерной школы Калифорнийского университета в Сан-Диего Джейкобса, Университета Торонто и Индийского института науки — все они являются экспертами в области аэродинамики и физики капель для применений, включая двигательные установки, сжигание или тепловые распыления. Они обратили свое внимание и опыт на капли, выделяемые при чихании, кашле или разговоре, когда стало ясно, что COVID-19 распространяется через эти дыхательные капли. Они применили существующие модели химических реакций и принципы физики к каплям раствора соленой воды — слюны с высоким содержанием хлорида натрия — которую они изучали в ультразвуковом левитаторе для определения размера, распространения и продолжительности жизни этих частиц в различных условиях окружающей среды. ,

Многие современные модели пандемии используют подходящие параметры, чтобы иметь возможность применять данные ко всей совокупности. Новая модель стремится изменить это.

«Наша модель полностью основана на« первых принципах », соединяя хорошо понятые физические законы, поэтому в них нет необходимости в подгонке», — сказал Свитапрово Чаудхури, профессор Университета Торонто и соавтор. «Конечно, мы делаем идеализированные предположения, и есть некоторые различия в некоторых параметрах, но, поскольку мы совершенствуем каждую из подмоделей с помощью конкретных экспериментов и с учетом нынешних передовых методов в эпидемиологии, возможно, станет возможной модель пандемии из первых принципов с высокой прогнозирующей способностью «.

Эта новая модель имеет ограничения, но команда уже работает над повышением универсальности модели.

«Наш следующий шаг — ослабить несколько упрощений и обобщить модель, включив различные способы передачи», — сказал Саптарши Басу, профессор Индийского института науки и соавтор. «Также проводится ряд экспериментов по исследованию респираторных капель, которые оседают на обычно затрагиваемых поверхностях».

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Калифорнийским университетом в Сан-Диего . Примечание: содержимое может быть отредактировано по стилю и длине.

---

Ссылка на журнал :

1. Светапрово Чаудхури, Саптарши Басу, Прасенджит Каби, Вишну Р. Унни, Абхишек Саха. Моделирование роли дыхательных капель при пандемиях типа Covid-19 . Физика Жидкостей , 2020; 32 (6): 063309 DOI: 10.1063 / 5.0015984