[论文解读] 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 1

一句话总结

本研究模拟了含病毒飞沫在空气中的蒸发与沉降过程，表明蒸发显著延长了大飞沫在空气中悬浮的时间，从而增加了病毒载量。通过采用扩散控制的蒸发模型并考虑冷却效应，研究估算出一名未戴口罩的说话者在典型室内环境中可释放超过10⁴个病毒颗粒，导致个体每分钟至少吸入2.5次病毒。

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.

研究动机与目标

• 量化蒸发对室内环境中含病毒飞沫在空气中悬浮时间的影响。
• 模拟100 nm至60 µm范围内飞沫在蒸发、冷却与沉降之间的相互作用。
• 估算在密闭房间内，由于感染者持续说话，个体吸入的累积病毒载量。
• 评估低相对湿度（冬季及飞机客舱中常见）对飞沫悬浮时间与传播风险的影响。

提出的方法

• 采用静止气流近似方法，模拟飞沫在空气中的扩散控制蒸发过程。
• 应用飞沫蒸发速率、随时间变化的尺寸以及沉降时间的解析方程，同时考虑蒸发冷却效应。
• 将飞沫尺寸演化过程与重力沉降相结合，计算其在空气中持续悬浮的时间。
• 以近期获得的唾液中SARS-CoV-2浓度估计值及说话相关飞沫排放速率作为输入参数。
• 在典型室内条件下，模拟中等大小密闭空间内病毒载量的累积过程。
• 评估相对湿度对蒸发速率及飞沫悬浮时间的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在静止空气中，蒸发如何延长大尺寸含病毒飞沫（100 nm至60 µm）的空中悬浮时间？
• RQ2 蒸发冷却对飞沫蒸发速率及沉降动力学有何影响？
• RQ3 一名未戴口罩的感染者在典型室内环境中持续说话，会向空气中释放多少总病毒颗粒？
• RQ4 在这些条件下，中等大小密闭空间内病毒吸入的发生频率如何？
• RQ5 低相对湿度（常见于冬季及飞机客舱）如何影响飞沫蒸发与空中悬浮时间？

主要发现

• 蒸发显著延长了大飞沫（直径超过约10 µm）的沉降时间，使其在空气中停留更久。
• 蒸发冷却改变了飞沫的热力学特性，该效应在解析模型中被明确纳入，以准确描述蒸发过程与尺寸演化。
• 一名感染者在未戴口罩的情况下持续说话，可在中等大小的房间内向空气中释放超过10⁴个病毒颗粒。
• 该病毒载量导致估算的个体病毒吸入频率至少为每分钟2.5次。
• 低相对湿度会加速蒸发，使初始尺寸较大的飞沫在空气中悬浮更长时间，从而增加室内环境中的传播风险。