Aerozole w kolejce i fizyka 2 metrów dystansu pod lupą. Czyli dlaczego 2 metry odstępu mogą nie chronić przed zakażeniem

Wszyscy pamiętamy zalecenie wielokrotnie powtarzane w czasie pandemii COVID-19: zachowuj 2 metry odstępu od innych osób podczas oczekiwania w kolejce, aby zmniejszyć ryzyko transmisji wirusa. Choć zalecenie to wydawało się rozsądne, nie uwzględniało ono złożonej dynamiki płynów, determinującej sposób przemieszczania się cząsteczek unoszących się w powietrzu, gdy ludzie chodzą i zatrzymują się. Zespół badaczy kierowany przez dwóch studentów fizyki z Uniwersytetu Massachusetts w Amherst opracował model rozprzestrzeniania się aerozoli w czasie oczekiwania i przemieszczania się w kolejce.

Wyniki badań, opublikowane niedawno w czasopiśmie Science Advances, powstały z pytania, które wielu z nas mogło sobie zadawać, stojąc w oznaczonych miejscach co 2 metry – w oczekiwaniu na szczepienie, zapłatę za zakupy czy kawę: jaka jest naukowa podstawa tego dystansu? Fizyk mógłby dodatkowo zapytać: „Co dzieje się fizycznie z aerozolami, które wszyscy wydychamy w kolejce, i czy zasada 2 metrów jest najlepszym sposobem projektowania takiego ustawienia?”

Badanie studentów fizyki

Aby znaleźć odpowiedź, studenci Ruixi Lou i Milo Van Mooy podjęli się prowadzenia badań.

„Chcieliśmy dowiedzieć się, jak transportowane są aerozole, które wydychamy, ale w praktyce bardzo trudno jest to zmierzyć w prawdziwej, poruszającej się kolejce” – mówi Lou, obecnie doktorant na Uniwersytecie Chicagowskim.

Idealnym rozwiązaniem byłoby przeprowadzenie eksperymentu z udziałem prawdziwych ludzi w realnych warunkach, jednak takie badanie wiązałoby się z nadmiernym ryzykiem. Zamiast tego Lou i Van Mooy wydrukowali w technologii 3D zestaw cylindrów i modeli w kształcie człowieka, które umieszczono na ruchomej taśmie, aby obserwować ruch „chmur” aerozolu. Modele „wydychały” barwniki symulujące kichanie, kaszel oraz normalny oddech. Badacze przeprowadzili także symulacje komputerowe we współpracy z zespołem Rodolfo Ostilli z Uniwersytetu w Kadyksie w Hiszpanii.

Zaskakujące odkrycie

„To, co odkryliśmy, naprawdę nas zaskoczyło” – przyznaje Van Mooy.

Ponieważ ciepłe powietrze unosi się ku górze, zespół spodziewał się, że aerozole będą wznosić się nad głowami osób w kolejce. Tymczasem zaobserwowano efekt „downwash” – prosty ruch chodzenia i stania w kolejce powodował opadanie cząsteczek w dół.

Jeszcze bardziej zaskakujące było to, że:

• jeśli temperatura otoczenia jest zbliżona do temperatury ciała – jak ma to miejsce latem w nieklimatyzowanych pomieszczeniach – aerozole mogą być kierowane w stronę podłogi przez prądy powietrzne,
• w pomieszczeniach klimatyzowanych różnica temperatur między wydychanym powietrzem a otoczeniem powoduje unoszenie się aerozoli,
• przy temperaturze pośredniej aerozole mogą utrzymywać się na wysokości twarzy kolejnej osoby, co zwiększa ryzyko ich wdychania, gdy kolejka przesuwa się do przodu.

Wnioski dla zdrowia publicznego

„Ostatecznie nie istnieją proste, uniwersalne zasady dystansu społecznego, które jednoznacznie zapewnią nam bezpieczeństwo lub jego brak” – podkreśla główny autor, dr Varghese Mathai, adiunkt fizyki na Uniwersytecie Massachusetts w Amherst.
„Dynamika powietrza jest niezwykle złożona, a intuicja często zawodzi, nawet w przypadku tak prozaicznej sytuacji jak stanie w kolejce. Musimy uwzględniać zarówno przestrzeń, jak i czas, opracowując wytyczne zdrowia publicznego”.

Źródło: Science Advances, Waiting in line: Why six feet of social distancing may not be enough
DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adl2255