Två grupper av forskare vid Sandia National Laboratories har publicerat artiklar om vätskedroppar som sprayas av hosta eller nysningar och hur långt de kan resa under olika förhållanden.

Båda teamen använde Sandias decenniers erfarenhet av avancerade datorsimuleringar för att studera hur vätskor och gaser rör sig för sitt uppdrag som förvaltare av kärnkraftslager.

Deras resultat förstärker vikten av att bära masker, upprätthålla social distans, undvika dåligt ventilerade inomhusutrymmen och tvätta händerna ofta, särskilt med uppkomsten av nya, mer överförbara varianter av SARS-CoV-2, viruset som orsakar covid-19.

En studie använde Sandia-utvecklade högpresterande datorsimuleringsverktyg för att modellera hosta med och utan vind och med och utan skyddsbarriärer. Detta arbete publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Finfördelning och sprayer .

Stefan Domino, den ledande datavetaren på tidningen, sa att hans team fann att medan skyddsbarriärer, såsom skiljeväggar i plexiglas i livsmedelsbutiker, ger skydd mot större droppar, mycket små partiklar kan finnas kvar i luften under en längre tid och resa en bit beroende på miljöförhållandena.

Separat datormodelleringsforskning vid Sandia tittade på vad som händer med de mindre aerosoldropparna under olika förhållanden, inklusive när en person bär ansiktsskydd. Den studien visade att ansiktsmasker och sköldar hindrar även de små dropparna från en hosta från att spridas stora avstånd, sa forskaren Cliff Ho, vem leder den ansträngningen. Detta arbete publicerades i tidskriften Tillämpad matematisk modellering den 24 feb.

Simulering av hosta visar ihållande partiklar

I simuleringar som drivs av Dominos team genom Sandias högpresterande datorer, större droppar från en hosta utan sidvind och utan ansiktsbeläggning föll högst cirka tre meter, eller ungefär nio fot bort. De fann också att de torra "droppkärnorna, " eller aerosoler, kvar efter att vätskan avdunstat från en droppe som rest ungefär samma sträcka men fastnat i luften under de två minuter som de modellerade.

Lägg till en plexiglaspartition i blandningen, och deras datorsimuleringar visade att större droppar klamrar sig fast vid barriären, vilket minskar risken för direkt överföring, men de mindre droppkärnorna finns kvar i luften, sa Domino.

När de lade till en vind på 10 meter per sekund från baksidan till simuleringen utan barriär, de större dropparna färdades upp till 11 1/2 fot och droppkärnorna färdades längre.

Denna studie ifrågasätter inte den sociala distanseringsstandarden på 6 fot som rekommenderas av Centers for Disease Control and Prevention utformad för att förhindra direktkontakt från majoriteten av större droppar. I en typisk hosta från en smittad person, ungefär 35 % av dropparna kan ha viruset närvarande, men modeller för hur mycket SARS-CoV-2 och dess varianter som behövs för att infektera en annan person utvecklas fortfarande, sa Domino.

"Ett nyligen granskat dokument om överföring av SARS-CoV-2 som dök upp i Annals of Internal Medicine antyder att luftvägsöverföring är den dominerande smittvägen. Som sådan, vi anser att inrättandet av ett trovärdigt modellerings- och simuleringsverktyg för att modellera transport av patogenhaltiga droppar som härrör från hosta och hur de kvarstår i offentliga utrymmen som vi alla bebor representerar en kritisk del av den nödvändiga vetenskapen, " sa han. Skiljeväggar, masker, social distansering, att stanna hemma när man mår dåligt och att vaccinera sig är fortfarande viktigt för att minska överföringen, speciellt med de nya mer överförbara varianterna.

Domino genomförde även datormodellering av öppna ytor utomhus och fann att stående personer utsatta för hosta från någon i en knästående hade relativt låg risk för exponering jämfört med personer som satt. Detta berodde på hur dropparna och aerosolarna interagerar med de komplexa vindarna som rör sig runt människor. Detta arbete publicerades i International Journal of Computational Fluid Dynamics den 1 april. Dominos simuleringar använde över fyra miljoner timmars datorbehandlingstid och kördes på många datorprocessorer samtidigt.

Simuleringar stödjer social distansering, masker

Ho använde en kommersiellt tillgänglig datormodell för vätskedynamik för att simulera olika händelser som driver ut fuktig vätska, såsom hosta, nysning, prata och till och med andas, att förstå hur de påverkar transport och överföring av luftburna patogener. Han antog att virala patogener aerosoliserades i små droppar och att patogenfördelningen och koncentrationen kunde representeras av koncentrationen av den simulerade utandningsångan.

"Jag introducerade rumsliga och tidsmässiga koncentrationer i modelleringen för att utveckla kvantifierade risker för exponering baserat på separationsavstånd, exponeringstid och miljöförhållanden, såsom luftflöde och ansiktsbeläggningar, " sa Ho. "Jag kunde sedan bestämma sannolikheten för infektion baserat på rumsliga och tidsmässiga aerosolkoncentrationer, virusmängd, smittsamhet, viral livsduglighet, sannolikhet för lungavlagring och inandningshastighet."

Modellen bekräftade också att bärandet av en ansiktsmask eller ansiktsskydd avsevärt minskade den framåtriktade färden av utandad ånga och exponeringsrisken med ungefär tio gånger. Dock, ångkoncentrationerna nära ansiktet kvarstod längre än utan ansiktsbeläggning.

Övergripande, modellen visade att social distansering signifikant minskade exponeringsrisken från aerosoler med minst tio gånger och gav tid för utspädning och spridning av den utandade virala plymen. Andra modeller kvantifierade graden av att vara motvind eller sidvind från källan till hostan minskade exponeringsriskerna, och graden av hostans direkt motvind ökade exponeringsriskerna.

Exponeringsriskerna minskade med ökande avstånd, men den största ökningen av nyttan var tre fot. Ho:s modeller kvantifierade också graden av att bära en mask minskar exponeringsriskerna på olika avstånd.

Kortfattat, datormodelleringen bekräftade vikten av social distansering och att bära masker. Dessutom, hålla sig i vinden och öka friskluftsventilationen på platser som livsmedelsbutiker, restauranger och skolor kan bidra till att minska exponeringsrisken.

Ho genomförde också datormodellering av skolbussar och fann att öppning av fönster på skolbussar ökade ventilationen och minskade exponeringsriskerna. Specifikt, för att uppnå tillräcklig ventilation, minst två uppsättningar fönster bör öppnas, en nära bussens framsida och en nära bussens baksida.

Sandias lagerstyrningsarbete underlättar simuleringar

Sandia-forskare kunde använda många av samma beräkningsverktyg som användes i deras kärnkraftslageruppdrag för att simulera droppar från hosta och nysningar, samt Sandias avancerade högpresterande datorresurser. För det nukleära avskräckningsuppdraget, dessa verktyg studerar sådant som hur turbulenta jetstrålar, plymer och drivmedelsbränder reagerar under olika förhållanden.

"Vi kan distribuera vår simuleringsverktygskapacitet till andra applikationer, " sa Domino. "Om du tittar på fysiken i en hosta eller en nysning, det inkluderar attribut för denna fysik som vi normalt studerar på Sandia. Vi kan simulera dropparnas bana och hur de interagerar i miljön."

Dessa miljöförhållanden kan innefatta variabler, såsom temperatur, fuktighet, lanseringsbana, och sidvindens styrka och riktning. De kan också inkludera naturliga och konstgjorda barriärer.

Tillsammans med studier gjorda av andra på hostspray, Sandias datorsimuleringsmöjligheter tillför värdet av att se hur droppar från en hosta kommer att reagera på olika tillstånd. Sandias simuleringsverktyg kombinerar massan, dropparnas momentum och energi för att fånga detaljerad förångningsfysik som stödjer förmågan att skilja mellan droppar som avsätts och de som finns kvar i miljön.