När vetenskapliga tomrum försvinner, det skulle vara svårt just nu att hitta en mer angelägen fråga:Hur reser aerosolarna som bär det osynliga coronaviruset i luften efter att de lämnat en smittad person?

Är 6 fot av social distansering tillräckligt?

in i det tomrummet, University of Florida forskare S. "Bala" Balachandar leder ett internationellt team av experter. Vetenskapen är i stort behov av en uppdatering. Några av de studier som ligger till grund för vägledningen på 6 fot av social distansering är decennier gamla.

Balachandar och hans team, dock, arbetar på ett nytt teoretiskt ramverk utformat för att modellera beteendet hos värd-till-värd luftburen överföring. Uppgiften är enorm eftersom många variabler spelar in för att ta reda på hur ett virusinfekterat andetag, nysningar eller hosta kan gå från en person till en annan.

Fysiken kanske kan erbjuda svar som har gäckat folkhälsospecialister. Balachandars expertis är att ta komplexa, flerfasiga turbulenta fenomen som inte kan testas i ett labb – kärnkraftsexplosioner eller vulkanutbrott, till exempel – och utveckla beräkningsmodeller för deras beteende. En hosta eller en nysning ger också flerfas turbulens och är mer komplicerade än de kan verka.

"Det blir allt tydligare att luftburen överföring är en viktig bidragande orsak till snabb spridning av sjukdomen, säger Balachandar, en professor i maskin- och rymdteknik med finansiering från den amerikanska flottan för att studera finfördelning av vätskespray. "Vi har inte den grundläggande kunskap vi behöver för närvarande. Vårt jobb är att utveckla den typen av kunskap, och det här är en utgångspunkt."

Ett fysikproblem

Som en etablerad forskare med federal finansiering för att studera flerfasflöde, Bala kände att han var i en position att ta itu med frågan. Han samlade ett internationellt team av etablerade forskare:Stéphane Zaleski vid Sorbonne är expert på droppgenerering; Balachandar, och Alfredo Soldati vid tekniska universitetet i Wien är experter på hur turbulenta flerfasflöden beter sig; Goodarz Ahmadi vid Clarkson University är expert på inandning av partiklar; och Lydia Bourouiba vid MIT studerar skärningspunkten mellan vätskedynamik och epidemiologi.

"Flerfasflöde är inget annat än flöden som innehåller partiklar, droppar eller bubblor som vanligtvis är mycket turbulenta, och de visas var som helst från ett vulkanutbrott till hur en strandlinje bildas till industriella processer, säger Bala, som medredigerar The International Journal of Multiphase Flow med Soldati.

"Det råkar vara så att nysningar och hosta är fantastiska exempel på flerfasflöde, där du skjuter ut många droppar och sedan för flödet dem bara framåt, och turbulensen i rummen sprider dem överallt. Så, vi har rätt bakgrund för att titta på det här problemet."

Andra forskare, för, är intresserade. De små aerosoler som bär viruset fick mer uppmärksamhet i juli när 239 forskare från hela världen bad Världshälsoorganisationen i ett öppet brev att erkänna den roll som luftburen överföring spelar för att sprida viruset.

Sedan, den 4 augusti, ett tvärvetenskapligt UF-team publicerade resultat från ett test i ett sjukhusrum med två coronaviruspatienter. Teamet isolerade levande coronavirus i luftprover som tagits cirka 7 fot och cirka 16 fot från en patient med en aktiv infektion, men inte utanför rummet, tack vare flera metoder för infektionskontroll.

Balachandars team följde den provtagningsinsatsen med stort intresse.

"Nästa steg är att kunna säga hur det kom dit; var det en engångsföreteelse?" säger Balachandar. "Det är där vi kommer in. Vi vill visa hur och varför aerosolarna kan färdas så långt.

"För att stoppa viruset, du måste veta hur den reser, " säger Balachandar.

Balachandars team har arbetat övertid i labbet med att modellera olika scenarier (se medföljande grafik). Gruppen har också släppt ett positionsdokument, "Värd-till-värd luftburen överföring som ett flerfasflödesproblem för vetenskapsbaserade riktlinjer för social distans, " på ArXiv.

Problemet med överföring är ganska enkelt:att bli infekterad med coronavirus, virusladdade droppar måste lämna en person när de andas ut, transporteras genom luften, sedan inandas av en annan person. Större droppar, tack vare gravitationen, faller snabbt, sätter sig på ytor. Överföring sker när människor rör vid ytorna, rör sedan vid deras ansikte, föra viruspartiklar till slemhinneytor i munnen, näsa eller ögon. Säkerhetsprotokoll som nu används flitigt – djuprengöring av kontor eller gym eller gör dispensrar för handsprit till en häftklammer – erbjuder skydd mot ytöverföring.

Skydd mot luftburen överföring, dock, är mer komplicerat:det är lättare att undvika en knasig dörrhandtag, pekskärm eller hissknapp än att undvika andning. När vi andas in och andas ut, vi kan inte se den lilla, osynliga viruspartiklar i luften vi delar.

Uppdaterar Science

Försök att kvantifiera patogener i utandningsandning har en lång historia som går tillbaka till 1897. Riktlinjer för social distansering som rekommenderar 6 fot utrymme för skydd växte fram ur en 1930-talsstudie som klassificerade utandade fuktiga droppar i stora och små kategorier, och avdunstning av de mindre dropparna togs inte hänsyn till. På 1940- och 1960-talen mer detaljerade studier gjordes, men den tidens teknik tillät fortfarande inte forskare att exakt redogöra för mindre droppar. Dessutom, De verktyg som behövs för att studera atomiseringen av droppar till aerosoler håller på att utvecklas först.

Andra variabler komplicerar också jakten på svar om att generera, transportera och andas in droppar.

Kraften av utandning - andning, talande, hosta, nysningar – varierar liksom antalet droppar som andas ut i varje tillstånd och deras storlek. Till och med samma tillstånd, en nysning till exempel, kan variera från person till person. Dessa utandningar, moln som fysiker kallar puffar, i allmänhet är varmare än omgivningstemperaturerna när de lämnar kroppen, och så mer flytande, låta dem stiga.

Större droppar rör sig snabbare och går ut ur puffen, och deras avdunstning beror på miljöförhållandena. I Arizona, en torr miljö, de avdunstar snabbt. I florida, en fuktig miljö, de avdunstar långsamt. Icke-flyktiga ämnen i dropparna - slem, virus, bakterie, matpartiklar och så vidare – påverkar avdunstning.

Även dropparna beter sig olika beroende på ventilation. Inomhus, droppar kan fångas och stanna kvar i luften. Utomhus, de kan cirkulera längre och skingras snabbare.

Slutskedet, inandning, påverkas av filtrering, via masker eller i näsan eller luftvägarna. Vid punkten för inandning, viral belastning blir viktig, men Balachandar, en ingenjör, säger att hans team kommer att lämna frågor om viral belastning till epidemiologer.

Den teoretiska ram som teamet har utvecklat närmar sig alla dessa variabler som ett flerfas turbulent flödesproblem, leder till flera ekvationer.

"Som alla andra vetenskaps- eller ingenjörsproblem, i slutändan kokar det ner till någon matematisk representation, som vi försöker göra enkelt och lätt, men samtidigt, tillräckligt korrekt för att människor ska kunna komma med snabba svar, säger Bala.

Med hjälp av ekvationerna, experiment och simuleringar kan utföras för att modellera olika scenarier. Till exempel, ett flygbolag som vill modellera potentialen för luftburen överföring i en flygplanskabin kan använda ekvationerna, liksom ett företag som vill modellera kontorsförhållanden, eller en musikpromotor som vill förebilda ett konserthusevenemang.

Modellering av luftburen transmission

Balachandar och teamet har börjat med några av sina egna experiment, simulerar hosta och nysningar.

En utandad hosta kommer ut i ett flerfas turbulent gasmoln, eller puff. Puffen innehåller olika droppstorlekar som blandas med den omgivande luften, som fångar upp dropparna och för dem framåt. Dropparna avdunstar beroende på deras storlek, blossens hastighet och miljöförhållanden.

Större droppar – 50 mikron eller mer – faller, medan delvis förångade droppar förblir luftburna. När dropparna avdunstar helt, blossen tappar fart och försvinner. De små aerosolerna, dock, stanna kvar och kan hålla sig uppe i timmar, deras räckvidd utökas med luftflöde, som en bris på en strand eller en oscillerande fläkt på ett skrivbord. Detta innebär att de nuvarande riktlinjerna för social distansering kan underskatta avståndet som aerosoler färdas och den tid de finns kvar i luften, och i vissa fall, med ganska stor marginal.

"Det är här skillnaden mellan en liten sluten miljö som en hiss eller en flygplanshytt eller ett öppet fält spelar roll, tillsammans med faktorer som korsvind och ventilation, " säger Balachandar.

Arbete av Bourouiba tidigare i år vid MIT visar ett gasmoln från en nysning som reser sig 7 till 8 meter, ett tecken på att mer studier behövs, säger Bala.

"Det finns platser, trånga miljöer med dålig ventilation, där blossen kunde sprida sig mer än två meter, precis som i en öppen miljö, som en strand med en kraftig korsbris, det kan spädas ut mycket snabbare, " säger Balachandar.

Filtrera luften

Hur mycket virus en person andas in beror på koncentrationen av virusladdade partiklar – eller virusmängd – i andningszonen runt den personen, samt på ålder och aktivitetsnivå. Det beror också på filtrering. Att andas genom näsan ger mer skydd än att andas genom munnen, tack vare andningssystemets naturliga filter. Och masker ger filtrering, för.

Effekten av masker varierar mycket beroende på typ, med masker för hälso- och sjukvårdspersonal som den mest effektiva:N95 är den bästa, sedan kirurgiska masker, sedan procedur masker.

Vanliga bomullsmasker kan minska inandning av droppar större än 10 mikron, men de flesta droppar avdunstar till en storlek som är mindre än 10 mikron inom ungefär en sekund och efter att ha färdats flera centimeter. De utstötta dropparna i ett utandningsmoln blir aerosoliserade till en storlek mindre än 1 mikron på mellan 1 och 10 meter.

Det konventionella antagandet – att avdunstning av droppar minskar virusmängden – måste omprövas. Balachandar säger att det är tydligt att antalet viruspartiklar som släpps ut i mindre droppar förblir i molnet nästan oförändrat, representerar en farligare smittkälla än tidigare ansett och en som inte alla masker kan fånga upp.

Teamets ekvationer förutspår också ett mycket större antal fall i mikron- och submikronområdet, "möjligen den farligaste för både inandningseffektivitet och filtreringsineffektivitet, " enligt positionspappret.

Även om Balachandar säger att han från början var ovillig att ta sig an ett nytt projekt, behovet av mer kvantitativ kunskap fängslade honom.

"Jag trodde först att covid skulle försvinna, så jag ville inte omdirigera mitt intresse, " säger Balachandar. "Men sedan blev det väldigt tydligt att covid inte kommer någonstans.

"Det här är inte ett lätt problem att lösa, " säger Balachandar. "Men vi måste försöka. Även om vi löser covid, det är bara en tidsfråga innan något annat kommer."