喷嚏和咳嗽到底能飞多远?
发布时间:2020-01-28
出品:科普中国
制作:苏澄宇
监制:中国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。
  根本原因是我们对病毒的传播细节知之甚少,之前关于病毒的感染控制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。
  数学家利用高速视频解析了喷嚏和咳嗽时的产生的流场,并用数学模型计算出了两者的传播距离。结果可能让你大吃一惊! 
 
  科学家用的高速摄影机 图源:nature video

  喷嚏和咳嗽的时候喷出来的是什么?

 
  摄影机下喷嚏时喷射出的唾液 图源:nature video

  喷嚏和咳嗽的产生开始于深呼吸,然后肺部的空气被压缩,最后被吸入的空气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。这些液滴产生于气体喷射的过程中,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。而这时候,大量的病毒和细菌就乘着这些小液滴一起传播了出来。

  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。所以科学家用了什么方法来进行观察呢?具体来说,科学家用2个摄影机和多个光源,在高帧率下拍摄喷嚏下的大量细节,最后用慢动作播放观察,建立数学模型计算。

  实验中,科学家招募来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

  通过这个可以每秒捕捉几千帧的高速摄影机,科学家可以观察到人们咳嗽或打喷嚏时产生的液滴。

  

  喷嚏产生的雾状结构 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),它们传播距离多达8米。图源:文献1

  通过慢动作视频,我们可以看到喷嚏、咳嗽产生的过程。

  在咳嗽、喷嚏的过程中,我们可以看到液滴组成的高密度喷射物,科学家将之称之为“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”在喷射过程中,会将周围的空气卷入,“云”的体积会不断增大,但速度也会逐渐减慢。

  

  咳嗽中云的产生 图源:文献1

  通过大量测量,然后将数据输入数学模型后,科学家得出结论:打喷嚏产生的较大液滴可以最远到达8米远的地方,而咳嗽则达到6米远。并且根据不同的环境条件,喷嚏和咳嗽最多可以在空中停留长达10分钟。

  由此可见,咳嗽和喷嚏不管在传播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”肯定可以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,并不是所有的数据,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,传播距离会更远,人与人之间能呼出的距离是有一定差异的。

  最终小液滴落了下来,有的落在了桌子上,有的落在了手机上,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?

  既然咳嗽和喷嚏传播病毒、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、细菌的传播。

  有个新加坡的科学家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,会对病毒的传播有什么影响。

  纹影法是力学实验中一种常用的光学观测方法。利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转变为记录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,从而记录下来。

  科学家选择了标准外科口罩、N95口罩作为实验材料,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空气中。

  

  正常呼吸下的空气流动 图源:文献2

  而戴上普通外科口罩之后,虽然咳嗽产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。

  

  普通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,口罩能降低咳嗽产生的气溶胶的传播效率,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。但不管怎么样,不戴口罩肯定是最糟糕的,尤其是当你已经出现咳嗽等症状时,更加需要戴上口罩阻断传播。

  在这特殊的时期,请大家出门都一定戴上口罩呀!

  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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