Mentre i vuoti scientifici vanno, sarebbe difficile in questo momento trovare una domanda più pressante:come viaggiano nell'aria gli aerosol che trasportano il coronavirus invisibile dopo aver lasciato una persona infetta?

6 piedi di distanza sociale sono sufficienti?

In quel vuoto, Lo scienziato dell'Università della Florida S. "Bala" Balachandar è a capo di un team internazionale di esperti. La scienza ha assolutamente bisogno di un aggiornamento. Alcuni degli studi su cui si basano i 6 piedi di orientamento sul distanziamento sociale sono vecchi di decenni.

Balachandar e la sua squadra, però, stanno lavorando a un nuovo quadro teorico progettato per modellare il comportamento della trasmissione aerea da host a host. Il compito è enorme perché molte variabili sono in gioco per capire come un respiro infetto da virus, starnuti o tosse potrebbero viaggiare da una persona all'altra.

La fisica potrebbe essere in grado di offrire risposte che sono sfuggite agli specialisti della salute pubblica. L'esperienza di Balachandar consiste nel prendere complessi, fenomeni turbolenti multifase che non possono essere testati in un laboratorio:esplosioni nucleari o eruzioni vulcaniche, per esempio, e sviluppando modelli computazionali del loro comportamento. Anche un colpo di tosse o uno starnuto producono turbolenze multifase e sono più complicati di quanto potrebbero sembrare.

"È sempre più chiaro che la trasmissione per via aerea è un importante contributo alla rapida diffusione della malattia, "dice Balachandar, un professore di ingegneria meccanica e aerospaziale con finanziamenti della US Navy per studiare l'atomizzazione di spray liquidi. "Non abbiamo le conoscenze fondamentali di cui abbiamo bisogno in questo momento. Il nostro compito è sviluppare quel tipo di conoscenza, e questo è un punto di partenza».

Un problema di fisica

In qualità di ricercatore affermato con finanziamenti federali per studiare il flusso multifase, Bala si sentiva in grado di affrontare la questione. Ha riunito un team internazionale di scienziati affermati:Stéphane Zaleski alla Sorbona è un esperto di generazione di goccioline; Balachandar, e Alfredo Soldati dell'Università tecnica di Vienna sono esperti su come si comportano i flussi turbolenti multifase; Goodarz Ahmadi della Clarkson University è un esperto di inalazione di particelle; e Lydia Bourouiba al MIT studia l'intersezione tra fluidodinamica ed epidemiologia.

"Il flusso multifase non è altro che flussi contenenti particelle, goccioline o bolle che sono in genere molto turbolente, e appaiono ovunque, da un'eruzione vulcanica a come si forma un litorale a processi industriali, "dice Bala, che con Soldati cura The International Journal of Multiphase Flow.

"Si dà il caso che starnuti e tosse siano esempi favolosi di flusso multifase, dove espelli molte goccioline e poi il flusso le porta avanti, e la turbolenza nelle stanze li sparge tutt'intorno. Così, abbiamo lo sfondo giusto per guardare a questo problema".

Altri scienziati, pure, sono interessati. I minuscoli aerosol che trasportano il virus hanno ricevuto maggiore attenzione a luglio, quando 239 scienziati di tutto il mondo hanno chiesto all'Organizzazione mondiale della sanità in una lettera aperta di riconoscere il ruolo della trasmissione aerea nella diffusione del virus.

Quindi, il 4 agosto un team interdisciplinare UF ha pubblicato i risultati di un test in una stanza d'ospedale con due pazienti affetti da coronavirus. Il team ha isolato il coronavirus vivo in campioni di aria raccolti a circa 7 piedi e circa 16 piedi da un paziente con un'infezione attiva, ma non fuori dalla stanza, grazie a molteplici pratiche di controllo delle infezioni.

Il team di Balachandar ha seguito questo sforzo di campionamento con grande interesse.

"Il passo successivo è essere in grado di dire come è arrivato lì; è stato un evento occasionale?" dice Balachandar. "È qui che entriamo in gioco noi. Vogliamo mostrare come e perché gli aerosol possono viaggiare così lontano.

"Per fermare il virus, devi sapere come viaggia, " dice Balachandar.

Il team di Balachandar ha fatto gli straordinari nel laboratorio modellando vari scenari (vedi la grafica di accompagnamento). Il gruppo ha anche pubblicato un position paper, "Trasmissione aerea da host a host come problema di flusso multifase per linee guida sulla distanza sociale basate sulla scienza, " su ArXiv.

Il problema della trasmissione è piuttosto semplice:per essere infettati dal coronavirus, le goccioline cariche di virus devono lasciare una persona mentre vengono espirate, essere trasportato in aria, poi inalato da un'altra persona. Goccioline più grandi, grazie alla gravità, cadere rapidamente, stabilendosi sulle superfici. La trasmissione avviene quando le persone toccano le superfici, poi tocca il loro viso, portando particelle virali alle superfici delle mucose nella loro bocca, naso o occhi. I protocolli di sicurezza ora ampiamente utilizzati - pulizia profonda di uffici o palestre o creazione di distributori di disinfettante per le mani un punto fermo - offrono protezione dalla trasmissione superficiale.

Protezione dalla trasmissione aerea, però, è più complicato:è più facile evitare una maniglia icky, touchscreen o pulsante dell'ascensore che per evitare di respirare. Mentre inspiriamo ed espiriamo, non possiamo vedere il piccolo, particelle virali invisibili nell'aria che condividiamo.

Aggiornare la scienza

I tentativi di quantificare gli agenti patogeni nel respiro esalato hanno una lunga storia che risale al 1897. Le linee guida sul distanziamento sociale che raccomandano 6 piedi di spazio per la protezione sono nate da uno studio degli anni '30 che classificava le goccioline umide espirate in categorie grandi e piccole, e l'evaporazione delle goccioline più piccole non è stata considerata. Negli anni Quaranta e Sessanta, sono stati condotti studi più approfonditi, ma la tecnologia di quel tempo non consentiva ancora agli scienziati di spiegare con precisione le goccioline più piccole. Inoltre, gli strumenti necessari per studiare l'atomizzazione delle goccioline in aerosol sono solo ora in fase di sviluppo.

Altre variabili complicano anche la ricerca di risposte sulla generazione, trasporto e inalazione di goccioline.

La forza dell'espirazione, la respirazione, parlando, tosse, starnuti:varia così come il numero di goccioline espirate in ciascuna condizione e la loro dimensione. Anche la stessa condizione, uno starnuto per esempio, può variare da persona a persona. Queste esalazioni, nuvole che i fisici chiamano sbuffi, generalmente sono più calde della temperatura ambiente quando lasciano il corpo, e così più vivace, lasciandoli lievitare.

Le goccioline più grandi si muovono più velocemente e fuoriescono dal soffio, e la loro evaporazione dipende dalle condizioni ambientali. In Arizona, un ambiente arido, evaporano rapidamente. In Florida, un ambiente umido, evaporano lentamente. Non volatili all'interno delle goccioline:muco, virus, batteri, particelle di cibo e così via, influenzano l'evaporazione.

Anche le goccioline si comportano diversamente a seconda della ventilazione. all'interno, le goccioline possono essere intrappolate e rimanere nell'aria. All'aperto, possono circolare più lontano e disperdersi più rapidamente.

La fase finale, inalazione, è influenzato dalla filtrazione, tramite maschere o nel naso o nelle vie respiratorie. Al punto di inalazione, la carica virale diventa importante, ma Balachandar, un ingegnere, afferma che il suo team lascerà le domande sulla carica virale agli epidemiologi.

Il quadro teorico sviluppato dal team si avvicina a tutte queste variabili come un problema di flusso turbolento multifase, che porta a più equazioni.

"Come qualsiasi altro problema di scienza o ingegneria, alla fine si riduce a qualche rappresentazione matematica, che cerchiamo di rendere semplice e facile, ma allo stesso tempo, abbastanza accurato da consentire alle persone di trovare risposte rapide, "dice Bala.

Usando le equazioni, esperimenti e simulazioni possono essere condotti per modellare vari scenari. Per esempio, una compagnia aerea che vuole modellare il potenziale per la trasmissione aerea nella cabina di un aereo può utilizzare le equazioni, come può una società che vuole modellare le condizioni degli uffici, o un promotore musicale che vuole modellare un evento in una sala da concerto.

Modellazione della trasmissione aerea

Balachandar e il team hanno iniziato alcuni dei loro esperimenti, simulando tosse e starnuti.

Una tosse espirata esce in una turbolenta nube di gas multifase, o puff. Il soffio contiene gocce di varie dimensioni che si mescolano con l'aria ambiente, che cattura le goccioline e le porta avanti. Le goccioline evaporano in base alla loro dimensione, la velocità del soffio e le condizioni ambientali.

Goccioline più grandi (50 micron o più) cadono, mentre le goccioline parzialmente evaporate rimangono sospese nell'aria. Quando le goccioline evaporano completamente, il soffio perde slancio e si dissipa. I minuscoli aerosol, però, restare e restare in alto per ore, la loro portata estesa dal flusso d'aria, come una brezza in spiaggia o un ventilatore oscillante su una scrivania. Ciò significa che le attuali linee guida sul distanziamento sociale potrebbero sottovalutare la distanza percorsa dagli aerosol e il tempo in cui persistono nell'aria, e in alcuni casi, con un margine abbastanza ampio.

"È qui che conta la differenza tra un piccolo ambiente chiuso come un ascensore o una cabina di un aereo o un campo aperto, insieme a fattori come la brezza incrociata e la ventilazione, " dice Balachandar.

Il lavoro di Bourouiba all'inizio di quest'anno al MIT mostra una nuvola di gas da uno starnuto che viaggia da 7 a 8 metri, un segno che è necessario più studio, dice Bala.

"Ci sono posti, ambienti confinati con scarsa ventilazione, dove lo sbuffo poteva diffondersi ben più di due metri, proprio come in un ambiente aperto, come una spiaggia con una vigorosa brezza incrociata, potrebbe diluire molto più rapidamente, "dice Balachandar.

Filtrare l'aria

La quantità di virus che una persona inala dipende dalla concentrazione di particelle cariche di virus, o carica virale, nella zona di respirazione intorno a quella persona, così come per età e livello di attività. Dipende anche dalla filtrazione. La respirazione attraverso il naso offre una protezione maggiore rispetto alla respirazione attraverso la bocca, grazie ai filtri naturali dell'apparato respiratorio. E le maschere forniscono filtrazione, pure.

L'efficacia delle maschere varia ampiamente a seconda del tipo, con le mascherine per le professioni sanitarie le più efficienti:la N95 è la migliore, poi mascherine chirurgiche, poi maschere procedurali.

Le comuni maschere di cotone possono ridurre l'inalazione di goccioline più grandi di 10 micron, ma la maggior parte delle goccioline evapora a una dimensione inferiore a 10 micron entro circa un secondo e dopo aver percorso diversi centimetri. Le goccioline espulse in una nuvola espirata vengono aerosolizzate a una dimensione inferiore a 1 micron tra 1 e 10 metri.

L'assunto convenzionale, che l'evaporazione delle goccioline riduca la carica virale, deve essere riesaminato. Balachandar afferma che è chiaro che il numero di particelle virali emesse in goccioline più piccole rimane quasi invariato all'interno della nuvola, rappresenta una fonte di trasmissione più pericolosa di quanto precedentemente considerato e che non tutte le maschere possono catturare.

Le equazioni del team prevedono anche un numero molto maggiore di gocce nell'intervallo micron e submicron, "forse il più pericoloso sia per l'efficienza di inalazione che per l'inefficienza di filtrazione, "secondo il documento di posizione.

Sebbene Balachandar affermi che inizialmente era riluttante ad intraprendere un nuovo progetto, la necessità di una conoscenza più quantitativa lo intrigava.

"Prima pensavo che il COVID sarebbe passato, quindi non volevo reindirizzare il mio interesse, "Dice Balachandar. "Ma poi è diventato molto chiaro che il COVID non sta andando da nessuna parte.

"Questo non è un problema facile da risolvere, " dice Balachandar. "Ma dobbiamo provare. Anche se risolviamo il COVID, è solo questione di tempo prima che arrivi qualcos'altro".