[논문 리뷰] Lifetime of virion-containing droplets diffusing and evaporating in air

Netz Rr|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 27.

Infection Control and Ventilation인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 공기 중의 바이러스를 함유한 물방울의 증발과 침강을 모델링하여, 증발이 큰 물방울이 공기 중에 머무는 시간을 크게 연장함으로써 바이러스 부하를 증가시킨다는 것을 보여준다. 확산 제한 증발과 냉각 효과를 고려하여, 마스크를 착용하지 않은 한 명의 사람이 말을 할 경우 약 10⁴개 이상의 바이러스 입자를 방출할 수 있으며, 이는 일반 실내 환경에서 바이러스를 흡입하는 빈도가 분당 최소 2.5회에 이를 수 있음을 예측한다.

ABSTRACT

The effect of evaporation on droplet sedimentation times is crucial for estimating the risk of infection from virus-containing airborne droplets. For droplet radii in the range 100 nm < R < 60 {\mu}m, evaporation can be described in the stagnant-flow approximation and is diffusion limited. Analytical equations are presented for the droplet evaporation rate, the time-dependent droplet size and the sedimentation time, including the significant effect of evaporation cooling. Evaporation makes the time for large droplets to sediment much longer and thus significantly increases the viral air load. Using recent estimates for SARS-CoV-2 concentrations in sputum and droplet production rates while speaking, a single infected person that constantly speaks without a mouth cover produces a total air load of more than 10^4 virions. In a mid-size closed room, this leads to a viral inhalation frequency of at least 2.5 per minute. Low relative humidity, as encountered inside buildings in winter and in airliners, speeds evaporation and thus keeps initially larger droplets suspended in air.

연구 동기 및 목표

• 실내 환경에서 바이러스를 함유한 물방울의 공기 중 지속 시간에 증발이 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 100 nm에서 60 µm 범위의 물방울에 대해 증발, 냉각, 침강 시간 간의 상호작용을 모델링하는 것.
• 감염된 사람이 지속적으로 말할 경우, 밀폐된 실내 공간에서 개인이 흡입하는 누적 바이러스 부하를 추정하는 것.
• 겨울철과 항공기 객실에서 흔한 낮은 상대습도가 물방울의 정착 및 전파 위험에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 공기 중에서의 확산 제한 증발을 모의하기 위해 정체된 유동 근사법을 사용한다.
• 물방울 증발 속도, 시간에 따른 크기 변화, 침강 시간에 대한 분석식을 적용하며, 증발 냉각 효과를 포함한다.
• 물방울 크기 변화를 중력에 의한 침강과 통합하여 공기 중 지속 시간을 계산한다.
• 최근에 확보된 SARS-CoV-2의 기침 및 말할 때 방출되는 분비물 내 바이러스 농도와 물방울 방출 빈도를 입력 파rameter로 사용한다.
• 일반적인 실내 조건에서 중간 크기의 밀폐된 실내 공간에서 바이러스 부하 축적을 시뮬레이션한다.
• 상대습도가 증발 속도와 물방울의 공기 중 정착 시간에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정지된 공기 중에서 큰 바이러스 함유 물방울(100 nm ~ 60 µm)의 공기 중 지속 시간이 증발으로 인해 얼마나 연장되는가?
• RQ2 증발 냉각이 물방울의 증발 속도와 침강 역학에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 일반적인 실내 환경에서 마스크를 착용하지 않은 한 명의 사람이 말을 지속할 경우, 공기 중으로 방출되는 총 바이러스 부하는 얼마인가?
• RQ4 이러한 조건에서 중간 크기의 밀폐된 실내 공간에서 바이러스 흡입이 얼마나 자주 발생할 가능성이 있는가?
• RQ5 겨울철과 항공기 객실에서 흔한 낮은 상대습도는 물방울의 증발과 공기 중 지속 시간에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 증발은 큰 물방울(약 10 µm 이상)의 침강 시간을 크게 증가시켜 공기 중에 머무는 시간을 연장시킨다.
• 증발 냉각은 물방울의 열역학적 특성을 변화시키며, 정확한 증발과 크기 변화를 반영하기 위해 분석 모델에 명시적으로 포함되었다.
• 감염된 한 명의 사람이 마스크를 착용하지 않은 채 지속적으로 말할 경우, 중간 크기의 실내 공간에 10⁴개 이상의 바이러스 입자를 방출한다.
• 이 바이러스 부하로 인해 실내에 있는 개인이 분당 최소 2.5회 이상 바이러스를 흡입할 가능성이 있다.
• 낮은 상대습도는 증발 속도를 가속화시켜 초기에는 더 큰 물방울이 더 오랫동안 공기 중에 떠 있게 하고, 실내 환경에서 전파 위험을 증가시킨다.