Au fur et à mesure des vides scientifiques, il serait difficile pour le moment de trouver une question plus urgente :comment les aérosols qui transportent le coronavirus invisible voyagent-ils dans les airs après avoir quitté une personne infectée ?

Est-ce que 6 pieds de distanciation sociale sont suffisants?

Dans ce vide, Le scientifique de l'Université de Floride, S. "Bala" Balachandar, dirige une équipe internationale d'experts. La science a cruellement besoin d'une mise à jour. Certaines des études sur lesquelles se basent les 6 pieds de directives de distanciation sociale datent de plusieurs décennies.

Balachandar et son équipe, cependant, travaillent sur un nouveau cadre théorique conçu pour modéliser le comportement de la transmission aéroportée d'hôte à hôte. La tâche est énorme car de nombreuses variables sont en jeu pour déterminer comment une haleine infectée par un virus, les éternuements ou la toux peuvent passer d'une personne à une autre.

La physique peut être en mesure d'offrir des réponses qui ont échappé aux spécialistes de la santé publique. L'expertise de Balachandar consiste à prendre des phénomènes turbulents multiphasiques qui ne peuvent pas être testés en laboratoire - explosions nucléaires ou éruptions volcaniques, par exemple, et développer des modèles informatiques de leur comportement. Une toux ou un éternuement produisent également des turbulences multiphasiques et sont plus compliquées qu'il n'y paraît.

« Il est de plus en plus clair que la transmission aérienne est un facteur important de la propagation rapide de la maladie, " dit Balachandar, un professeur de génie mécanique et aérospatial avec un financement de la marine américaine pour étudier l'atomisation de la pulvérisation de liquide. "Nous n'avons pas les connaissances fondamentales dont nous avons besoin en ce moment. Notre travail est de développer ce genre de connaissances, et c'est un point de départ."

Un problème de physique

En tant que chercheur établi avec un financement fédéral pour étudier l'écoulement polyphasique, Bala sentit qu'il était en mesure d'aborder la question. Il a réuni une équipe internationale de scientifiques confirmés :Stéphane Zaleski à la Sorbonne est un expert en génération de gouttelettes; Balachandar, et Alfredo Soldati de l'Université technique de Vienne sont des experts du comportement des écoulements multiphasiques turbulents; Goodarz Ahmadi de l'Université Clarkson est un expert en inhalation de particules; et Lydia Bourouiba au MIT étudie l'intersection de la dynamique des fluides et de l'épidémiologie.

"Un écoulement polyphasique n'est rien d'autre qu'un écoulement contenant des particules, des gouttelettes ou des bulles généralement très turbulentes, et ils apparaissent n'importe où, d'une éruption volcanique à la formation d'un rivage en passant par les processus industriels, " dit Bala, qui co-édite The International Journal of Multiphase Flow avec Soldati.

"Il se trouve que les éternuements et la toux sont de fabuleux exemples d'écoulement polyphasique, où vous éjectez beaucoup de gouttelettes, puis le flux les transporte simplement vers l'avant, et la turbulence dans les chambres les répand tout autour. Donc, nous avons le bon bagage pour examiner ce problème."

D'autres scientifiques, trop, sont intéressés. Les minuscules aérosols porteurs du virus ont attiré davantage l'attention en juillet lorsque 239 scientifiques du monde entier ont demandé à l'Organisation mondiale de la santé dans une lettre ouverte de reconnaître le rôle de la transmission aérienne dans la propagation du virus.

Puis, le 4 août, une équipe interdisciplinaire d'UF a publié les résultats d'un test dans une chambre d'hôpital avec deux patients atteints de coronavirus. L'équipe a isolé un coronavirus vivant dans des échantillons d'air prélevés à environ 7 pieds et environ 16 pieds d'un patient présentant une infection active, mais pas à l'extérieur de la pièce, grâce à de multiples pratiques de contrôle des infections.

L'équipe de Balachandar a suivi cet effort d'échantillonnage avec grand intérêt.

« La prochaine étape est de pouvoir dire comment cela est arrivé ; était-ce un événement unique ? » dit Balachandar. "C'est là que nous intervenons. Nous voulons montrer comment et pourquoi les aérosols peuvent voyager aussi loin.

"Pour arrêter le virus, il faut savoir comment il voyage, " dit Balachandar.

L'équipe de Balachandar a travaillé des heures supplémentaires dans le laboratoire pour modéliser divers scénarios (voir les graphiques ci-joints). Le groupe a également publié un document de position, "La transmission aéroportée d'hôte à hôte en tant que problème d'écoulement multiphasique pour les lignes directrices sur la distance sociale fondées sur la science, " sur ArXiv.

Le problème de la transmission est assez simple :être infecté par le coronavirus, les gouttelettes chargées de virus doivent quitter une personne lorsqu'elles sont expirées, être transporté dans les airs, puis inhalé par une autre personne. Des gouttelettes plus grosses, grâce à la gravité, tomber rapidement, s'installer sur les surfaces. La transmission se produit lorsque des personnes touchent les surfaces, puis touche leur visage, apporter des particules virales aux surfaces muqueuses dans leur bouche, nez ou yeux. Les protocoles de sécurité désormais largement utilisés (nettoyage en profondeur des bureaux ou des gymnases ou utilisation des distributeurs de désinfectant pour les mains) offrent une protection contre la transmission en surface.

Protection contre la transmission aérienne, cependant, est plus compliqué :il est plus facile d'éviter une poignée de porte dégueulasse, l'écran tactile ou le bouton de l'ascenseur que pour éviter de respirer. En inspirant et en expirant, on ne voit pas le petit, particules virales invisibles dans l'air que nous partageons.

Actualiser la science

Les tentatives pour quantifier les agents pathogènes dans l'haleine expirée ont une longue histoire qui remonte à 1897. Les directives de distanciation sociale qui recommandent 6 pieds d'espace pour la protection sont issues d'une étude des années 1930 qui classait les gouttelettes humides exhalées en grandes et petites catégories, et l'évaporation des plus petites gouttelettes n'a pas été prise en compte. Dans les années 40 et 60, des études plus détaillées ont été faites, mais la technologie de l'époque ne permettait toujours pas aux scientifiques de tenir compte avec précision des gouttelettes plus petites. En outre, les outils nécessaires à l'étude de l'atomisation des gouttelettes en aérosols sont tout juste en cours de développement.

D'autres variables compliquent également la recherche de réponses sur la génération, transport et inhalation de gouttelettes.

La force de l'expiration - la respiration, parlant, tousser, éternuements—varie tout comme le nombre de gouttelettes expirées dans chaque condition et leur taille. Même la même condition, un éternuement par exemple, peut varier d'une personne à l'autre. Ces expirations, des nuages ​​que les physiciens appellent des bouffées, sont généralement plus chaudes que les températures ambiantes lorsqu'elles quittent le corps, et donc plus dynamique, en les laissant monter.

Les gouttelettes plus grosses se déplacent plus rapidement et sortent de la bouffée, et leur évaporation dépend des conditions environnementales. En Arizona, un environnement aride, ils s'évaporent rapidement. En Floride, un environnement humide, ils s'évaporent lentement. Non volatils dans les gouttelettes — mucus, virus, bactéries, particules de nourriture et ainsi de suite—affectent l'évaporation.

Les gouttelettes se comportent également différemment selon la ventilation. À l'intérieur, les gouttelettes peuvent être piégées et rester dans l'air. En plein air, ils peuvent circuler plus loin et se disperser plus rapidement.

L'étape finale, inhalation, est affecté par la filtration, via des masques ou dans le nez ou les voies respiratoires. Au point d'inhalation, la charge virale devient importante, mais Balachandar, un ingénieur, dit que son équipe laissera les questions de charge virale aux épidémiologistes.

Le cadre théorique que l'équipe a développé aborde toutes ces variables comme un problème d'écoulement turbulent multiphasique, conduisant à plusieurs équations.

"Comme tout autre problème scientifique ou technique, en fin de compte, cela se résume à une représentation mathématique, que nous essayons de rendre simple et facile, mais en même temps, suffisamment précis pour que les gens l'utilisent pour trouver des réponses rapides, " dit Bala.

En utilisant les équations, des expériences et des simulations peuvent être menées pour modéliser divers scénarios. Par exemple, une compagnie aérienne qui souhaite modéliser le potentiel de transmission aéroportée dans une cabine d'avion peut utiliser les équations, tout comme une entreprise qui veut modéliser les conditions de bureau, ou un promoteur de musique qui veut modéliser un événement de salle de concert.

Modélisation de la transmission aéroportée

Balachandar et l'équipe ont commencé certaines de leurs propres expériences, simuler la toux et les éternuements.

Une toux expirée sort dans un nuage de gaz turbulent multiphasique, ou bouffée. La bouffée contient des gouttelettes de tailles variées qui se mélangent à l'air ambiant, qui capte les gouttelettes et les transporte vers l'avant. Les gouttelettes s'évaporent en fonction de leur taille, la vitesse de la bouffée et les conditions environnementales.

Des gouttelettes plus grosses, 50 microns ou plus, tombent, tandis que les gouttelettes partiellement évaporées restent en suspension dans l'air. Lorsque les gouttelettes s'évaporent complètement, la bouffée perd de son élan et se dissipe. Les minuscules aérosols, cependant, rester et peut rester en l'air pendant des heures, leur portée étendue par le flux d'air, comme une brise sur une plage ou un ventilateur oscillant sur un bureau. Cela signifie que les directives actuelles en matière de distanciation sociale peuvent sous-estimer la distance parcourue par les aérosols et le temps qu'ils persistent dans l'air, et dans certains cas, par une marge assez importante.

"C'est là que la différence entre un petit environnement clos tel qu'un ascenseur ou une cabine d'avion ou un champ ouvert compte, ainsi que des facteurs tels que la brise transversale et la ventilation, " dit Balachandar.

Les travaux de Bourouiba plus tôt cette année au MIT montrent un nuage de gaz provenant d'un éternuement voyageant de 7 à 8 mètres, un signe qu'une étude plus approfondie est nécessaire, dit Bala.

« Il y a des endroits, environnements confinés avec une mauvaise ventilation, où la bouffée pouvait s'étendre sur bien plus de deux mètres, comme dans un environnement ouvert, comme une plage avec une brise croisée vigoureuse, il pourrait se diluer beaucoup plus rapidement, " dit Balachandar.

Filtrer l'air

La quantité de virus qu'une personne inhale dépend de la concentration de particules chargées de virus - ou de la charge virale - dans la zone de respiration autour de cette personne, ainsi que sur l'âge et le niveau d'activité. Cela dépend aussi de la filtration. Respirer par le nez offre plus de protection que respirer par la bouche, grâce aux filtres naturels du système respiratoire. Et les masques assurent la filtration, trop.

L'efficacité des masques est très variable selon le type, les masques pour les professions de santé étant les plus performants :le N95 est le meilleur, puis des masques chirurgicaux, puis masques de procédure.

Les masques en coton courants peuvent réduire l'inhalation de gouttelettes de plus de 10 microns, mais la plupart des gouttelettes s'évaporent à une taille inférieure à 10 microns en une seconde environ et après avoir parcouru plusieurs centimètres. Les gouttelettes éjectées dans un nuage expiré deviennent aérosolisées à une taille inférieure à 1 micron entre 1 et 10 mètres.

L'hypothèse conventionnelle selon laquelle l'évaporation des gouttelettes réduit la charge virale doit être réexaminée. Balachandar dit qu'il est clair que le nombre de particules virales émises dans des gouttelettes plus petites reste presque inchangé dans le nuage, représentant une source de transmission plus dangereuse qu'on ne le pensait auparavant et que tous les masques ne peuvent pas attraper.

Les équations de l'équipe prédisent également un nombre beaucoup plus important de gouttes dans la gamme micron et submicronique, "peut-être le plus dangereux pour l'efficacité d'inhalation et l'inefficacité de filtration, " selon le document de position.

Bien que Balachandar dise qu'il était initialement réticent à entreprendre un nouveau projet, le besoin de connaissances plus quantitatives l'intriguait.

"J'ai d'abord pensé que COVID allait disparaître, donc je ne voulais pas rediriger mon intérêt, " dit Balachandar. " Mais ensuite, il est devenu très clair que COVID ne va nulle part.

"Ce n'est pas un problème facile à résoudre, " dit Balachandar. "Mais nous devons essayer. Même si nous résolvons COVID, ce n'est qu'une question de temps avant que quelque chose d'autre n'arrive."