تاثیر هوا در انتشار ذرات آلوده بیماری و سرفه

به گزارش مجله خبری نگار،بیشتر این ذرات آن‌قدر کوچک هستند که با چشم دیده نمی‌شوند. اما پس از خروج از بدن ناپدید نمی‌شوند. آنها در هوا حرکت می‌کنند، با هوای محیط ترکیب می‌شوند، گاهی نیز بیشتر از آنچه تصور می‌کنیم در فضا باقی می‌مانند.

همه‌گیری کووید-۱۹ باعث شد بسیاری از مردم برای نخستین بار به این ابر نامرئی فکر کنند. دانشمندان از قبل می‌دانستند که ویروس‌ها می‌توانند از طریق ذرات معلق در هوا منتقل شوند، اما همچنان پرسش‌های زیادی بی‌پاسخ مانده بود.

این ذرات تا چه فاصله‌ای حرکت می‌کنند؟ چه مدت در کنار هم باقی می‌مانند؟ آیا اتاق گرم مسیر حرکت آنها را تغییر می‌دهد؟ آیا هوای سرد باعث رفتار متفاوت آنها می‌شود؟

گروهی از پژوهشگران در دانشگاه روویرا‌ای ویرجیلی در شهر تاراگونا اسپانیا تصمیم گرفتند با استفاده از دستگاهی که می‌توانست به شکل کنترل‌شده «سرفه» کند، به این پرسش‌ها پاسخ دهند.

هر فرد به شیوه‌ای متفاوت سرفه می‌کند

مطالعه سرفه‌های واقعی در نگاه اول ساده به نظر می‌رسد، اما در عمل چنین نیست. هر فرد به شکل متفاوتی سرفه می‌کند.

برخی افراد هوا را با نیروی بیشتری خارج می‌کنند. بعضی ریه‌های بزرگ‌تری دارند. برخی دهان خود را بیشتر باز می‌کنند. حتی شکل بینی، گلو و دهان هر فرد نیز می‌تواند بر نحوه خروج هوا از بدن تأثیر بگذارد.

همین موضوع مقایسه نتایج را برای دانشمندان دشوار می‌کند. اگر یک سرفه مسافت بیشتری را طی کند، آیا دلیل آن دمای اتاق است یا اینکه فرد با قدرت بیشتری سرفه کرده است؟

شبیه‌ساز سرفه برای بررسی دقیق‌تر

برای حل این مشکل، پژوهشگران یک شبیه‌ساز مکانیکی بازدم ساختند. این دستگاه از یک مدل چاپ سه‌بعدی مسیر تنفسی فوقانی انسان شامل بینی، گلو، نای و یک صورت چاپ سه‌بعدی تشکیل شده بود.

این دستگاه هوای گرم حاوی ذرات بسیار ریز آئروسل را از میان مدل عبور می‌داد؛ درست مشابه هوایی که از بدن انسان خارج می‌شود.

تیم تحقیقاتی از یک صفحه لیزری برای روشن کردن ابر آئروسل و از یک دوربین پرسرعت برای ثبت مسیر حرکت آن استفاده کرد.

دمای اتاق مسیر حرکت ذرات معلق را تغییر می‌دهد

پژوهشگران ابر‌های شبیه‌سازی‌شده سرفه را درون محفظه‌ای تقریباً هم‌اندازه یک اتاق نشیمن بزرگ آزمایش کردند.

دمای محیط روی ۲۷ درجه سانتی‌گراد، ۱۷ درجه سانتی‌گراد و ۷ درجه سانتی‌گراد تنظیم شد. در مقابل، دمای هوای بازدمی روی ۳۷ درجه سانتی‌گراد باقی ماند که نزدیک به دمای طبیعی بدن انسان است.

نیکولاس کاتالان، پژوهشگر دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه URV و یکی از نویسندگان این مطالعه، توضیح داد:

«هدف ما این بود که بفهمیم دمای محیط تا چه اندازه می‌تواند پویایی ابر‌های ذرات را تغییر دهد.»

هوای سرد ابر‌های آئروسل را منسجم‌تر نگه می‌دارد

نتایج آزمایش‌ها نشان داد که دما نقش مهمی دارد. زمانی که هوای گرم خارج‌شده از بدن با هوای خنک‌تر محیط برخورد می‌کند، این دو به شکل ساده‌ای با یکدیگر ترکیب نمی‌شوند.

میزان اختلاف دما تعیین می‌کند که ابر آئروسل تا چه حد منسجم باقی بماند و چگونه حرکت کند.

هرچه اختلاف دما بیشتر بود، ابر ذرات فشرده‌تر باقی می‌ماند. این ابر کمتر با هوای اطراف مخلوط می‌شد و شکل خود را برای مدت طولانی‌تری حفظ می‌کرد.

این موضوع اهمیت زیادی دارد، زیرا یک ابر متراکم می‌تواند تعداد بیشتری از ذرات را به صورت گروهی حمل کند، به جای اینکه آنها به سرعت در محیط پراکنده شوند.

کاتالان در این باره گفت:

«مشاهده کردیم که با افزایش اختلاف دمای میان هوای بازدمی و هوای محیط، ابر ذرات انسجام بیشتری پیدا می‌کند و مسافت بیشتری را طی می‌کند.»

اختلاط هوا بر انتشار ذرات تأثیر می‌گذارد

ابر حاصل از سرفه تا حدی شبیه دود رفتار می‌کند. گاهی دود به سرعت در هوا پخش می‌شود.

در موارد دیگر، دود برای مدتی به صورت یک جریان مشخص باقی می‌ماند و سپس از هم می‌پاشد. ذرات آئروسل ناشی از سرفه نیز رفتاری مشابه دارند، با این تفاوت که اغلب آنها نامرئی هستند.

زمانی که هوای بازدمی به شدت با هوای اتاق ترکیب شود، ابر ذرات گسترش یافته و رقیق می‌شود. در نتیجه غلظت ذرات کاهش پیدا می‌کند.

اما هنگامی که اختلاط هوا کمتر باشد، ابر ذرات ساختار منظم‌تری حفظ می‌کند و به شکل یک گروه متراکم‌تر حرکت می‌کند.

این فرایند برای فضا‌های بسته اهمیت فراوانی دارد. اتاق تنها یک محیط پس‌زمینه نیست، بلکه دمای آن می‌تواند نحوه حرکت ذرات تنفسی را شکل دهد.

نقش مهم بینی در جهت حرکت هوا

این مطالعه نشان داد که بینی نقش بسیار مهم‌تری از آنچه بسیاری تصور می‌کنند در جریان هوا دارد.

پژوهشگران شرایطی را بررسی کردند که در آن سوراخ‌های بینی مدل چاپ سه‌بعدی باز یا بسته بودند.

وقتی سوراخ‌های بینی بسته بودند، تمام هوا از دهان خارج می‌شد. در این حالت ابر ذرات حدود ۱۶ درجه پایین‌تر از خط افقی مستقیم حرکت می‌کرد.

اما زمانی که سوراخ‌های بینی باز بودند، حدود ۳۹ درصد از هوا از مسیر بینی عبور می‌کرد. این موضوع جهت حرکت و شکل کلی ابر ذرات را تغییر می‌داد.

این یافته نشان می‌دهد که مدل‌های ساده ممکن است جزئیات مهمی را نادیده بگیرند. یک لوله ساده نمی‌تواند رفتار واقعی صورت انسان را که هوا را از دهان و بینی به طور همزمان عبور می‌دهد، بازسازی کند. شکل مجاری تنفسی نقش مهمی در مسیر حرکت ذرات دارد.

شدت سرفه تعیین‌کننده میزان انتشار ذرات

پژوهشگران همچنین تعادل میان دو نیروی مهم را بررسی کردند؛ نیروی ناشی از خود سرفه و نیروی شناوری که باعث بالا رفتن هوای گرم می‌شود.

در لحظات اولیه، قدرت سرفه عامل اصلی کنترل‌کننده ابر ذرات است. هوا مانند یک جت به سمت جلو پرتاب می‌شود. در چند ثانیه نخست، این نیرو از تأثیر دما مهم‌تر است.

با کاهش سرعت ابر ذرات، شناوری اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. هوای گرم شروع به بالا رفتن و جابه‌جایی می‌کند. در این مرحله دما تأثیر بیشتری بر مسیر حرکت ذرات خواهد داشت.

این نتایج نشان می‌دهد که شدت سرفه اهمیت زیادی دارد. سرفه‌های قوی‌تر ذرات را به مسافت‌های بیشتری، به‌ویژه در جهت افقی، منتقل می‌کنند. پژوهشگران ارتباط مستقیمی میان جریان هوای قوی‌تر و افزایش فاصله حرکت افقی مشاهده کردند.

پیش‌بینی ارتفاع حرکت ذرات پیچیده‌تر بود، زیرا به دما، جریان هوا از بینی، میزان نیروی اولیه بازدم وابسته بود.

شرایط محیط‌های داخلی بر انتقال بیماری تأثیر می‌گذارد

این یافته‌ها برای بیمارستان‌ها، مدارس، دفاتر کاری، اتوبوس‌ها، رستوران‌ها، مراکز عمومی و سایر فضا‌های مشترک اهمیت زیادی دارند.

تهویه مناسب تنها به معنای ورود هوای تازه نیست. بلکه شامل درک نحوه تعامل دما، جریان هوا، طراحی فضا و شرایط محیطی نیز می‌شود.

یک فضای داخلی گرم یا دارای توزیع نامتعادل دما می‌تواند حرکت آئروسل‌ها را به شکل غیرمنتظره‌ای تغییر دهد. جیب‌های هوایی، سیستم‌های گرمایشی، گردش ضعیف هوا می‌توانند باعث شوند ذرات در کنار هم باقی بمانند یا به سمت افراد دیگر حرکت کنند.

تهویه بهتر، گردش مناسب هوا، اختلاط یکنواخت‌تر جریان‌های هوایی می‌توانند به شکستن ابر‌های متراکم ذرات کمک کنند.

این پژوهش همچنین توضیح می‌دهد که چرا بیماری‌های تنفسی در فصل‌های سرد سال به‌راحتی گسترش پیدا می‌کنند. افراد زمان بیشتری را در محیط‌های بسته سپری می‌کنند، پنجره‌ها بسته می‌مانند، میزان تهویه کاهش می‌یابد.

زمانی که افراد در فضا‌های داخلی گرد هم می‌آیند، شرایط هوای محیط می‌تواند بر مسافت حرکت ذرات تنفسی تأثیر بگذارد.

نتایج این پژوهش در مجله علمی Physics of Fluids منتشر شده است.

جمع‌بندی

این مطالعه نشان می‌دهد که هوای سرد می‌تواند باعث شود ابر‌های آئروسل ناشی از سرفه منسجم‌تر باقی بمانند و مسافت بیشتری را طی کنند. در نتیجه، دما، تهویه مناسب، طراحی محیط‌های داخلی نقش مهمی در کاهش انتقال بیماری‌های تنفسی دارند.

منبع: فوت وفن