人在说话时,飞沫是怎么传播的?
2020-11-05 15:00

人在说话时,飞沫是怎么传播的?

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:糖兽,题图来自:视觉中国


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肆虐全球近一年的COVID-19的其中一种传播方式,就是通过说话时喷出的飞沫进行传播,但在口中产生飞沫的确切机制尚不清楚。最近,一项新的研究首次展示了在日常说话时,口腔内的液滴是如何产生的。


10月2日,法国蒙彼利埃大学的Manouk Abkarian和普林斯顿大学的Howard Stone将他们的研究结果发表在了《流体物理评论》上。在这项研究中,他们利用高速成像技术,首次直观地捕捉到了人们在说话时产生飞沫,并将这些飞沫喷向空气中的画面。


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今年4月,Abkarian和Stone撰写了一份提案,他们从流体力学角度分析了说话在无症状传播中所扮演的角色。无症状传播指的是病毒由那些不咳嗽、不打喷嚏、没有明显感染症状,但与他人保持了正常交流的人进行传播的情况。


为了进行实验,他们得到普林斯顿大学的许可,进入学校的实验室进行这项紧急的研究工作。他们在严格地遵守了“安全社交距离”的情况下进行了研究。大部分实验是在Abkarian自己身上进行的。


研究人员用激光照射唾液滴,从左边发出的激光被扩展成一个从左到右的“薄片”,大约有一米高。研究人员站在激光平面的前面或旁边,说话或呼吸时所产生的液滴会穿激光平面,产生可被记录的闪光。| 图片来源:Manouk Abkarian / princeton.edu


在实验中,Abkarian在一个充满了雾气的房间里,他对着一张“激光平面”说话,发出各种不同的音节。激光平面是一个由激光构成的又平又薄的平面。任何离开Abkarian嘴巴的颗粒,都可以在穿过这个激光平面时,在光的散射效应下被显现出来。


接着,他用高速摄像机捕捉到了这种散射,从而可以对每一个音节所产生的液滴过程进行记录。这台高速摄像机被聚焦并放大在说话者的嘴部,它能在强光照下以每秒5000帧的分辨率摄像记录细节。


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这种毫秒级的逐帧画面清楚地显示了,当我们张嘴准备说话时,最先会在嘴唇间隙上产生一层薄薄的润滑的唾液膜;当嘴唇分开时,这层液体会在垂直方向被拉成一层薄膜;仅在一毫秒之内,这层薄膜就会变得不稳定,它会扩展成一毫米的宽度,然后分裂成许多细丝。这些细丝很薄,很快就延伸到几厘米长,最后变成液滴,以飞沫的形式被气流带出说话者的嘴巴。


在这个过程中,唾液的一种被称为“黏弹性”的特性扮演了至关重要的角色。当来自肺部的向外气流经过嘴唇时,这些细丝会因此得到拉伸。然后在表面张力的作用下,被拉伸的细丝分裂成一系列极小的液滴,飘散在空中。整个过程发生所持续的时间非常短。



发“Pa”这个音节时嘴唇边所产生的唾沫液滴。| 视频来源:M. Abkarian and H. A. Stone / physics.aps.org


在发出“p”和“t”这类需要将嘴唇碰在一起才能发出的爆破音时,这些液滴可以最有效地产生。另外,“t”和“d”这类需要舌头碰触上牙的音节,也会以较大速度产生大量液滴,因为在发出这两个音节时,在嘴唇之间或舌头和上颚之间的狭窄且充满唾液的空间里会产生一股空气。


相比之下,如m一类主要通过鼻子输送空气的音节(比如“妈妈”),产生的飞沫就很少。元音音节所产生的飞沫也非常少。 



发“Ma”这个音节时嘴唇边所产生的唾沫液滴。| 视频来源:M. Abkarian and H. A. Stone / physics.aps.org


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在这项研究之前,人们曾普遍假设液滴的形成有两种方式:一种是产生自肺部深处的薄膜破裂,另一种是气流将液滴从上气道(包括咽喉和口腔)的被唾液包裹的表面剪切下来。现在,除了Stone和Abkarian清楚记录的机制之外,我们还尚无法判断其他那些机制是否也在发挥着作用。


在分析了唾液的物理特性及其与嘴唇之间的相互作用后。研究人员认为,佩戴口罩是一种有效阻挡一部分飞沫排出的手段;另外,使用润唇膏这一简单措施,能破坏嘴唇上细丝的形成,可将说话时的飞沫产生量降低至1/4。


值得一提的是,Stone和Abkarian认为,那些说话时会产生很多唾沫的人,并不一定就是COVID-19或其他唾液传播疾病的超级传播者。这是因为,任何飞沫的传染性都可能取决于它所含的病毒数量,而一个能产生大量飞沫的COVID-19感染者,并不意味着其唾液或呼吸道中的病毒含量就很高。


他们推测,COVID-19的超级传播者可能是一些唾液具有较强黏弹性的人,这能够优化说话时所产生的飞沫量。此外,他们还进一步地在思考,病毒是否也会引发了唾液产生流变性改变,从而增强病毒的传播。能够更好、更深层地了解这些微小液滴的形成和传播,对当前的COVID-19疫情,以及未来疫情爆发的预防,具有重要参考意义。


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研究人员希望,待当地的疫情趋于稳定时,他们可以邀请更多的人来参与这项研究,以证实他们所记录的液滴产生机制是人类语言的一个普遍特征。他们还感兴趣与研究语言之间的差异,因为在不同语言的发音中,不同音节所出现的频率也有所不同。比如在有的语言具有更多爆破音,这可能会比说那些有着更多元音的语言的人产生更多液滴。


研究人员认为,想要从各个层面了解COVID-19究竟是如何传播的,还有大量的研究需要进行。他们希望这项研究对于抗击目前仍在肆虐的流行病能起到一定帮助作用。


参考来源:

https://www.princeton.edu/news/2020/10/12/how-exactly-do-we-spread-droplets-we-talk-engineers-found-out

https://physics.aps.org/articles/v13/157


本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:糖兽

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