喷嚏和咳嗽到底能飞多远?
公布时间:2020-01-28
出品:科普趣多吧安卓app下载地址
制作:苏澄宇
监制:趣多吧安卓app下载地址科学院计算机网络信息中心

你是否想过,一个喷嚏能“打”多远?

虽然我们都知道,呼吸道疾病患者很可能通过咳嗽或打喷嚏传染他人,但具体到底能传多远,多大的范围?而每次在呼吸道流行病高发时期,专家呼吁戴口罩、勤洗手、勤通风,也都有人不以为然。

基本原因是我们对病毒的流传细节知之甚少,之前关于病毒的感染操纵指南大多是基于模型研究和专家推测,而不是实测数据。

2014年,终于有数学家做了这样的实验。

数学家 Lydia Bourouiba使用高速视频解析了喷嚏和咳嗽时的发生的流场,并用数学模型计算出了两者的流传距离。结果可能让你大吃一惊!

 

趣多吧安卓app下载地址用的高速摄影机 图源:nature video

 

喷嚏和咳嗽的时刻喷出来的是什么?

 

摄影机下喷嚏时喷射出的唾液 图源:nature video

 

喷嚏和咳嗽的发生开头于深呼吸,然后肺部的气氛被压缩,最后被吸入的气氛在几分之一秒内被肺压出来。

咳嗽喷出的东西不止有气体,还伴随着液滴(气溶胶),液滴的大小在100微米以下,相当于人类头发丝的宽度。这些液滴发生于气体喷射的进程中,将肺部、支气管、气管黏附的体液一并带出,喷涌出数万个小液滴。

在重力的作用下,一些较大的液滴很快落到地板上,较小的液滴(直径小于或等于5微米的颗粒)就飞得比较远,而且会随着气流扩散开来。而这时刻,大批的病毒和细菌就乘着这些小液滴一起流传了出来。

如何观察咳嗽、喷嚏的气体流动?

前面说了,气溶胶是很小东西,人的肉眼是很难看清的。所以趣多吧安卓app下载地址用了什么方法来进行观察呢?具体来说,趣多吧安卓app下载地址用2个摄影机和多个光源,在高帧率下拍摄喷嚏下的大批细节,最后用慢动作播放观察,树立数学模型计算。

实验中,趣多吧安卓app下载地址招募来10名健康志愿者,站在摄影机前方,然后刺激他们的呼吸道,让志愿者忍不住打喷嚏、咳嗽,通过高速摄像机捕捉到喷嚏、咳嗽时的瞬间。

 

实验方式 图源:文献1

 

通过这个能够每秒捕捉几千帧的高速摄影机,趣多吧安卓app下载地址能够观察到人们咳嗽或打喷嚏时发生的液滴。

 

喷嚏发生的雾状结构 图源:nature viedeo

喷嚏和咳嗽到底能飞多远?

 

高速视频捕捉到的喷嚏。打喷嚏后,较大的液滴(绿色)从口中喷出,下落速度相对较快。雾状的液滴”(红色),它们流传距离多达8米。图源:文献1

 

通过慢动作视频,我们能够看到喷嚏、咳嗽发生的进程。

在咳嗽、喷嚏的进程中,我们能够看到液滴组成的高密度喷射物,趣多吧安卓app下载地址将之称之为“云”

较大的液滴不受气相流动的影响,下坠速度较快,距离比较近,在1米范围内;而较小的液滴以不同程度的湍流气云悬浮,射程较远。

 

大液滴下降的轨迹 图源:文献1

 

这团“云”在喷射进程中,会将周围的气氛卷入,“云”的体积会不断增大,但速度也会逐渐减慢。

 

 

咳嗽中云的发生 图源:文献1

 

通过大批测量,然后将数据输入数学模型后,趣多吧安卓app下载地址得出结论:打喷嚏发生的较大液滴能够最远到达8米远的地方,而咳嗽则到达6米远。并且依据不同的环境条件,喷嚏和咳嗽最多能够在空中停留长达10分钟。

由此可见,咳嗽和喷嚏不论在流传距离还是停留空中的时间方面,都足够长,如果是在室内打喷嚏或咳嗽的话,“云”肯定能够从房间一端飘到另一端,这是完全没问题的。

所以是不是人站在患者10米开外就没问题了呢?并不是

前面说了,实验的计算结果的是均值,并不是一切的数据,一些颗粒较小(5微米以下)的液滴会飞得很远,甚至有可能会在空中一直漂浮,而这些飘在空中的到底能飘多久这就很难说了,所以室内通风很重要

另外,有的人肺活量大,流传距离会更远,人与人之间能呼出的距离是有肯定差异的。

最终小液滴落了下来,有的落在了桌子上,有的落在了彩博888官方下载上,有的落在了你的键盘上,有的落在了把柄上,有的落在了你的手上……而你无意中触摸了这些液滴,最后又不洗手,就在不知不觉中染上了病毒,所以勤洗手也很重要。。

戴口罩到底有什么用?

既然咳嗽和喷嚏流传病毒、细菌的能力那么强,那我们就得戴口罩了。不过问题又来了,口罩到底能阻挡多少病毒、细菌的流传。

有个新加坡的趣多吧安卓app下载地址就做了这么一个实验,用彩色纹影法成像,观察戴不同类型口罩,会对病毒的流传有什么影响。

纹影法是力学实验中一种常用的光学观察方法。使用光在被测流场中的折射率梯度正比于流场的气流密度的原理,将流场中密度梯度的变化改变为记载平面上相对光强的变化,使可压缩流场中的激波、压缩波等密度变化剧烈的区域成为可观察、可分辨的图像,从而记载下来。

趣多吧安卓app下载地址选择了标准外科口罩、N95口罩作为实验原料,在规范戴口罩的前提下,看看不同口罩对呼出物有怎样的阻止效果

在不戴口罩的情况下,人咳嗽从嘴中呼出的气溶胶自然地涌入周围的气氛中。

 

正常呼吸下的气氛流动 图源:文献2

 

而戴上一般外科口罩之后,虽然咳嗽发生绝大多数气溶胶已从口罩过滤出来,但仍会有少量从口罩上方边缘渗透出来。

 

一般外科口罩咳嗽的气体流动 图源:文献2

 

N95口罩边缘则不会侧漏,都会从正前方透出口罩,也就是说都被过滤了。

 

 

N95口罩下咳嗽的气体流动 图源:文献2

 

由此可见,口罩能降低咳嗽发生的气溶胶的流传效率,标准外科口罩和N95口罩都有很好的保护效果,N95口罩的保护效率更高一些。但不论怎么样,不戴口罩肯定是最糟糕的,特别是当你已经出现咳嗽等症状时,更加需要戴上口罩阻断流传。

在这特别的时期,请大家出门都肯定戴上口罩呀!

 

 

参考文献:

Bourouiba L, Dehandschoewercker E, Bush J W M. Violent expiratory events: on coughing and sneezing[J]. Journal of Fluid Mechanics, 2014, 745: 537-563.

Tang J W, Liebner T J, Craven B A, et al. A schlieren optical study of the human cough with and without wearing masks for aerosol infection control[J]. Journal of the Royal Society Interface, 2009, 6(suppl_6): S727-S736.

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