Como van los vacíos científicos, Sería difícil en este momento encontrar una pregunta más urgente:¿cómo viajan por el aire los aerosoles que transportan el coronavirus invisible después de dejar a una persona infectada?

¿Es suficiente un distanciamiento social de 6 pies?

En ese vacío El científico de la Universidad de Florida S. "Bala" Balachandar dirige un equipo internacional de expertos. La ciencia necesita urgentemente una actualización. Algunos de los estudios en los que se basa la guía de 6 pies de distanciamiento social tienen décadas de antigüedad.

Balachandar y su equipo, sin embargo, están trabajando en un nuevo marco teórico diseñado para modelar el comportamiento de la transmisión aérea de host a host. La tarea es enorme porque hay muchas variables en juego para descubrir cómo un aliento infectado por virus, el estornudo o la tos pueden viajar de una persona a otra.

La física puede ofrecer respuestas que han eludido a los especialistas en salud pública. La experiencia de Balachandar consiste en tomar complejos, fenómenos turbulentos multifásicos que no se pueden probar en un laboratorio:explosiones nucleares o erupciones volcánicas, por ejemplo, y desarrollando modelos computacionales de su comportamiento. Una tos o un estornudo también producen turbulencias multifásicas y son más complicadas de lo que parecen.

"Cada vez está más claro que la transmisión aérea es un factor importante que contribuye a la rápida propagación de la enfermedad, "dice Balachandar, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial con fondos de la Marina de los EE. UU. para estudiar la atomización de aerosoles líquidos. "No tenemos el conocimiento fundamental que necesitamos en este momento. Nuestro trabajo es desarrollar ese tipo de conocimiento, y este es un punto de partida ".

Un problema de física

Como investigador establecido con fondos federales para estudiar el flujo multifásico, Bala sintió que estaba en condiciones de abordar la cuestión. Reunió un equipo internacional de científicos establecidos:Stéphane Zaleski en la Sorbona es un experto en generación de gotas; Balachandar, y Alfredo Soldati de la Universidad Técnica de Viena son expertos en cómo se comportan los flujos multifásicos turbulentos; Goodarz Ahmadi de la Universidad de Clarkson es un experto en inhalación de partículas; y Lydia Bourouiba del MIT estudia la intersección de la dinámica de fluidos y la epidemiología.

"El flujo multifásico no es más que flujos que contienen partículas, gotas o burbujas que suelen ser muy turbulentas, y aparecen en cualquier lugar, desde una erupción volcánica hasta cómo se forma una costa hasta procesos industriales, "dice Bala, quien co-edita The International Journal of Multiphase Flow con Soldati.

"Da la casualidad de que estornudar y toser son ejemplos fabulosos de flujo multifásico, donde expulsa muchas gotas y luego el flujo simplemente las lleva hacia adelante, y la turbulencia de las habitaciones las esparce por todos lados. Entonces, tenemos los antecedentes adecuados para analizar este problema ".

Otros científicos, también, estan interesados. Los diminutos aerosoles que transportan el virus recibieron más atención en julio cuando 239 científicos de todo el mundo pidieron a la Organización Mundial de la Salud en una carta abierta que reconociera el papel de la transmisión aérea en la propagación del virus.

Luego, el 4 de agosto un equipo interdisciplinario de la UF publicó los resultados de una prueba en una habitación de hospital con dos pacientes con coronavirus. El equipo aisló el coronavirus vivo en muestras de aire recolectadas a unos 7 pies y unos 16 pies de un paciente con una infección activa. pero no fuera de la habitación, gracias a múltiples prácticas de control de infecciones.

El equipo de Balachandar siguió ese esfuerzo de muestreo con gran interés.

"El siguiente paso es poder decir cómo llegó allí; ¿fue una ocurrencia única?" Balachandar dice. “Ahí es donde entramos nosotros. Queremos mostrar cómo y por qué los aerosoles pueden viajar tan lejos.

"Para detener el virus, tienes que saber como viaja, "Balachandar dice.

El equipo de Balachandar ha estado trabajando horas extras en el laboratorio modelando varios escenarios (ver gráficos adjuntos). El grupo también ha publicado un documento de posición, "Transmisión aérea de host a host como un problema de flujo multifásico para las pautas de distancia social basadas en la ciencia, "en ArXiv.

El problema de la transmisión es bastante sencillo:infectarse con coronavirus, las gotitas cargadas de virus deben dejar a una persona mientras se exhalan, ser transportado por el aire, luego inhalado por otra persona. Gotas más grandes, gracias a la gravedad, caer rapido, asentarse en superficies. La transmisión ocurre cuando las personas tocan las superficies, luego toca su cara, llevar partículas virales a las superficies mucosas de la boca, nariz u ojos. Los protocolos de seguridad que ahora se utilizan ampliamente (limpieza profunda de oficinas o gimnasios o hacer que los dispensadores de desinfectante de manos sean un elemento básico) ofrecen protección contra la transmisión superficial.

Protección contra la transmisión aérea, sin embargo, es más complicado:es más fácil evitar un picaporte asqueroso, pantalla táctil o botón del elevador que para evitar respirar. Mientras inhalamos y exhalamos, no podemos ver lo minúsculo, partículas virales invisibles en el aire que compartimos.

Actualización de la ciencia

Los intentos de cuantificar los patógenos en el aliento exhalado tienen una larga historia que se remonta a 1897. Las pautas de distanciamiento social que recomiendan 6 pies de espacio para la protección surgieron de un estudio de 1930 que clasificó las gotas húmedas exhaladas en categorías grandes y pequeñas. y no se tuvo en cuenta la evaporación de las gotitas más pequeñas. En las décadas de 1940 y 1960, se realizaron estudios más detallados, pero la tecnología de esa época todavía no permitía a los científicos explicar con precisión las gotas más pequeñas. Además, las herramientas necesarias para estudiar la atomización de gotitas en aerosoles apenas se están desarrollando ahora.

Otras variables también complican la búsqueda de respuestas sobre la generación, transportar e inhalar gotitas.

La fuerza de la exhalación:respiración, hablando, toser Estornudos:varía al igual que la cantidad de gotas exhaladas en cada condición y su tamaño. Incluso la misma condición, un estornudo por ejemplo, puede variar de persona a persona. Estas exhalaciones nubes que los físicos llaman bocanadas, generalmente son más calientes que la temperatura ambiente cuando salen del cuerpo, y así más optimista, dejándolos subir.

Las gotas más grandes se mueven más rápido y salen de la bocanada, y su evaporación depende de las condiciones ambientales. En arizona un ambiente árido, se evaporan rápidamente. En Florida, un ambiente húmedo, se evaporan lentamente. No volátiles dentro de las gotas:moco, virus bacterias partículas de alimentos, etc., afectan la evaporación.

Las gotitas también se comportan de manera diferente dependiendo de la ventilación. Adentro, las gotas pueden quedar atrapadas y permanecer en el aire. Al aire libre, pueden circular más lejos y dispersarse más rápidamente.

La etapa final inhalación, se ve afectado por la filtración, a través de máscaras o en la nariz o el tracto respiratorio. En el momento de la inhalación, la carga viral se vuelve importante, pero Balachandar, un ingeniero, dice que su equipo dejará las cuestiones de la carga viral a los epidemiólogos.

El marco teórico que el equipo ha desarrollado aborda todas estas variables como un problema de flujo turbulento multifásico, conduciendo a múltiples ecuaciones.

"Como cualquier otro problema científico o de ingeniería, en última instancia, se reduce a alguna representación matemática, que intentamos hacer simple y fácil, pero al mismo tiempo, lo suficientemente precisos como para que las personas lo utilicen para obtener respuestas rápidas, "Bala dice.

Usando las ecuaciones, Se pueden realizar experimentos y simulaciones para modelar varios escenarios. Por ejemplo, una aerolínea que quiera modelar el potencial de transmisión aérea en la cabina de un avión puede usar las ecuaciones, al igual que una corporación que quiere modelar las condiciones de la oficina, o un promotor musical que quiera modelar un evento en una sala de conciertos.

Modelado de la transmisión aérea

Balachandar y el equipo han comenzado algunos de sus propios experimentos, simulando toses y estornudos.

Una tos exhalada sale en una nube de gas turbulenta multifásica, o soplo. La bocanada contiene gotas de diferentes tamaños que se mezclan con el aire ambiental, que captura las gotas y las lleva hacia adelante. Las gotas se evaporan según su tamaño, la velocidad de la bocanada y las condiciones ambientales.

Gotas más grandes (50 micrones o más) caen, mientras que las gotas parcialmente evaporadas permanecen en el aire. A medida que las gotas se evaporan por completo, la bocanada pierde impulso y se disipa. Los diminutos aerosoles sin embargo, permanecen y pueden permanecer en el aire durante horas, su rango ampliado por el flujo de aire, como una brisa en la playa o un ventilador oscilante en un escritorio. Esto significa que las pautas actuales de distanciamiento social pueden subestimar la distancia que viajan los aerosoles y el tiempo que persisten en el aire. y en algunos casos, por un margen bastante amplio.

"Aquí es donde importa la diferencia entre un pequeño entorno cerrado, como un ascensor o la cabina de un avión, o un campo abierto, junto con factores como la brisa cruzada y la ventilación, "Balachandar dice.

El trabajo de Bourouiba a principios de este año en el MIT muestra una nube de gas de un estornudo que viaja de 7 a 8 metros, una señal de que se necesitan más estudios, Bala dice.

"Hay lugares, ambientes confinados con poca ventilación, donde la bocanada podría extenderse mucho más de dos metros, al igual que en un entorno abierto, como una playa con una vigorosa brisa cruzada, podría diluirse mucho más rápidamente, "Balachandar dice.

Filtrando el aire

La cantidad de virus que inhala una persona depende de la concentración de partículas cargadas de virus (o carga viral) en la zona de respiración alrededor de esa persona. así como por edad y nivel de actividad. También depende de la filtración. Respirar por la nariz ofrece más protección que respirar por la boca. gracias a los filtros naturales del sistema respiratorio. Y las mascarillas proporcionan filtración, también.

La eficacia de las mascarillas varía mucho según el tipo, siendo las máscaras para profesiones sanitarias las más eficientes:la N95 es la mejor, luego mascarillas quirúrgicas, luego procedimiento mascarillas.

Las mascarillas de algodón comunes pueden reducir la inhalación de gotas de más de 10 micrones, pero la mayoría de las gotas se evaporan a un tamaño menor de 10 micrones en aproximadamente un segundo y después de viajar varios centímetros. Las gotitas expulsadas en una nube exhalada se aerosolizan a un tamaño menor de 1 micrón entre 1 y 10 metros.

Es necesario volver a examinar la suposición convencional de que la evaporación de las gotitas reduce la carga viral. Balachandar dice que está claro que la cantidad de partículas virales emitidas en gotitas más pequeñas permanece dentro de la nube casi sin cambios. representa una fuente de transmisión más peligrosa de lo que se consideró anteriormente y que no todas las máscaras pueden atrapar.

Las ecuaciones del equipo también predicen un número mucho mayor de gotas en el rango de micrones y submicrones, "posiblemente el más peligroso tanto por la eficiencia de la inhalación como por la ineficiencia de la filtración, "según el documento de posición.

Aunque Balachandar dice que inicialmente se mostró reacio a emprender un nuevo proyecto, le intrigaba la necesidad de un conocimiento más cuantitativo.

"Primero pensé que COVID desaparecería, así que no quise redirigir mi interés, "Balachandar dice." Pero luego quedó muy claro que COVID no irá a ninguna parte.

"Este no es un problema fácil de resolver, "Balachandar dice." Pero tenemos que intentarlo. Incluso si resolvemos COVID, es sólo cuestión de tiempo antes de que surja algo más ".