[論文レビュー] Lifetime of virion-containing droplets diffusing and evaporating in air

Netz Rr|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2020

Infection Control and Ventilation被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、空気中を浮遊するウイルスを含む飛沫の蒸発と沈降をモデル化し、蒸発が大径飛沫の空中浮遊時間を顕著に延長すること、ウイルス負荷を増加させることを示している。拡散制限付き蒸発と冷却効果を用いて、マスクを着用しない1人の会話者が10⁴個を超えるウイルスを放出することが推定され、通常の屋内空間では1分間に少なくとも2.5回のウイルス吸入が発生する可能性がある。

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.

研究の動機と目的

• 屋内環境におけるウイルスを含む飛沫の空中浮遊時間に及ぼす蒸発の影響を定量化すること。
• 100 nm から 60 µm の範囲の飛沫について、蒸発、冷却、沈降時間の相互作用をモデル化すること。
• 感染した人物が連続して会話する場合、密閉された部屋内で個々の人物が吸入する累積ウイルス負荷を推定すること。
• 冬期や機内など一般的に見られる低相対湿度が、飛沫の浮遊および感染リスクに与える影響を評価すること。

提案手法

• 静止流近似を用いて、空気中における飛沫の拡散制限付き蒸発をモデル化する。
• 飛沫の蒸発速度、時間依存的サイズ、沈降時間の解析的式を用い、蒸発に伴う冷却効果を組み込む。
• 飛沫サイズの変化と重力による沈降を統合し、空中浮遊持続時間を計算する。
• 最近のSARS-CoV-2の唾液中濃度および会話に伴う飛沫放出レートを入力パラメータとして使用する。
• 通常の屋内条件下で中規模の密閉空間におけるウイルス負荷の蓄積をシミュレーションする。
• 相対湿度が蒸発速度および飛沫の浮遊時間に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静止した空気中で、蒸発が大径ウイルスを含む飛沫（100 nm から 60 µm）の空中浮遊時間をどの程度延長するか？
• RQ2 蒸発冷却が飛沫の蒸発速度および沈降ダイナミクスに与える影響は何か？
• RQ3 マスクを着用しない1人の会話者が、通常の屋内環境で放出する累積ウイルス数はどの程度か？
• RQ4 これらの条件下で、中規模の密閉空間内におけるウイルス吸入の頻度はどの程度か？
• RQ5 冬期や機内などに一般的に見られる低相対湿度は、飛沫の蒸発および空中浮遊持続時間にどのように影響するか？

主な発見

• 蒸発は大径飛沫（約10 µm 以上）の沈降時間を顕著に延長し、空中浮遊時間を延長する。
• 蒸発冷却が飛沫の熱力学的特性に影響を与え、解析的モデルに明示的に組み込まれており、蒸発およびサイズ変化の正確な評価が可能である。
• マスクを着用しない1人の感染者が連続して会話すると、中規模の部屋に10⁴個を超えるウイルスが放出される。
• このウイルス負荷により、同じ空間内にいる人物のウイルス吸入頻度は1分間に少なくとも2.5回と推定される。
• 低相対湿度は蒸発を促進し、初期段階でより大きな飛沫を長時間空中に保持するため、屋内環境における感染リスクが増加する。