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8000帧高速摄像机记录下打喷嚏的瞬间

2016/06/26 来源:知识分子/廖晴云
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导读
美国MIT学者莉迪亚·鲍瑞芭(Lydia Bourouiba)是一名数学家、流体力学家,最近她有了一个新称号——“喷嚏女神”。这个称号源于一段打喷嚏的视频——莉迪亚和她的团队用每秒8000帧的高速摄像机记录下打喷嚏的瞬间。她希望借此来研究打喷嚏和咳嗽所产生的飞沫是如何携带病原体寻找下一个宿主。
刚打完喷嚏时,较大的唾沫和痰液(绿线)很快下落,而较小的唾沫和痰液形成“云团”(红色),经久不散,甚至可以飘到8米之外。来源:MIT/Bourouiba

美国MIT学者莉迪亚·鲍瑞芭(Lydia Bourouiba)是一名数学家、流体力学家,最近她有了一个新称号——“喷嚏女神”。这个称号源于一段打喷嚏的视频——莉迪亚和她的团队用每秒8000帧的高速摄像机记录下打喷嚏的瞬间。她希望借此来研究打喷嚏和咳嗽所产生的飞沫是如何携带病原体寻找下一个宿主。

传统的观点认为,在打喷嚏和咳嗽所产生的飞沫中,较大的飞沫会在1-2米内掉落在地面,只有较小的会以气溶胶的形式停留在空气中。莉迪亚的实验反驳了这个观点——飞沫的传播距离比人们想象得要远得多。

2014年,莉迪亚招募了10位健康志愿者,并拍摄了他们喷嚏和咳嗽的过程。至于怎样让志愿者正好在预计的时间打喷嚏,莉迪亚的秘诀是一根细长的挠痒痒棒:挠挠鼻孔,然后,“阿嚏!”——唾液从口中喷出,像是漂浮的云团。在空气的作用下,云团逐渐变大,速度逐渐变慢,并开始上升,向远离志愿者的方向飘去。通过测量,莉迪亚将液滴尺寸、速度等数据代入相关的数学模型,并推断得到:在实验条件下,打喷嚏产生的飞沫可传播到8米远,而咳嗽是6米,并且这些飞沫可悬浮在空中长达10分钟。这已经足够让飞沫从房间的一角传播至另一角,更不用说天花板的通风系统,所以坐在教室第一排的你得了感冒,说不定就是最后一排同学的喷嚏感染的。

莉迪亚的另一实验,是在靠近嘴的地方放大录制打喷嚏的视频。高达8000帧每秒的视频展示了喷出液体逐步分散的过程,这就像是好莱坞制作的慢动作爆破电影片段一样:液体呈薄片状地从口中喷出,然后被气流刺破并形成环状,不断延伸,犹如细丝,最终形成了飞沫。这意味着飞沫的形成可以被环境因素影响,比如湿度和温度。而这也许能解释为什么流感等传染病的爆发具有明显的季节性。

下一步,莉迪亚准备以实际感冒和流感患者为样本,进行病毒在空气中传播机制的研究,并进一步探索不同环境因素对飞沫形成及传播的影响。

莉迪亚的最终目标是建立一个病原体传播方式的数据库,并构建一个数学模型,用于指导阻断传染的方案。比如对于一种已知传播途径的传染病,模型可计算出怎样改变温度和湿度等环境因素,来将传染风险最小化;同时,模型还能用于预测一个人是否是“超级传染源”,是否需要安置于隔离病房中。而对于一种尚不清楚其传播途径的疾病,模型也可以帮助相关部门分辨最危险的环境,比如飞机,从而帮助人们有针对地避开这些环境。

我们期待着莉迪亚早日完善这个模型的设计,这不仅是数学和流体力学在流行病学和公共卫生领域的全新应用,也是对传染病预测和防护更优秀、更全面的指导。

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