苏澄宇，动物科学 / 动物营养 / 冷门问题收割者 阅读原文 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？ 是直接通过人与人之间的接触感染疾病的吗？比如握手，或者通过门把手等受污染的表面接触到疾病？ 又或通过较大液滴从一人的呼吸道进入空气后，在进入另一人的呼吸道，还是通过更小的悬浮在空气中的悬浮颗粒，在被吸入之前可以传播更远？ 或者是以上途径的组合？ 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 Lydia Bourouiba 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！ 喷嚏和咳嗽的时候喷出来的是什么？ 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（具体取决于湿度，室温和室内通风变化）。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。 科学家是如何观察咳嗽、喷嚏的气体流动的呢？ 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，站在摄影机前方大约，然后刺激他们，他们忍不住打喷嚏、咳嗽，通过高速摄像机中，捕捉到喷嚏、咳嗽时的瞬间。 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。 喷嚏和咳嗽到底能飞多远？ 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。 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。 通过大量地测量，然后将数据输入她的数学模型后，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，一些颗粒较小的液滴会飞的很远（具体取决于湿度，室温和室内通风变化），甚至有可能会在空中一直漂浮（所以室内通风很重要），而这些飘在空中的到底能飘多久这就很难说了。 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。 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。 有个新加披的科学家就做了这么一个实验，用彩色纹影法呈像，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体自然地涌入周围的空气中。 而戴上普通外科口罩之后，虽然咳嗽产生绝大多数气体已从口罩过滤出来，但仍会有少量从口罩上方边缘渗透出来。 而 N95 口罩边缘则不会透出气体，都会从正前方透出口罩。 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，大家出门都赶紧戴上口罩吧。 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. 出品：科普中国 @中国科普博览 监制：中国科学院计算机网络信息中心（本文中标明来源的图片已获得授权） 阅读原文
