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


每当我们冲马桶时,周围的空气中就会充斥着大量随着冲水而释放的微小液滴。这些液滴被称为气溶胶羽流。众所周知,气溶胶可以传播包括SARS-CoV-2、流感和诺如病毒等传染性疾病。


过去的一些研究表明,当马桶的坐便池中的水受到病原体感染时,即便冲刷数十次,这些病原体也仍然可能残留在马桶内。如此一来,冲水马桶所释放的气溶胶,便有可能让使用公共卫生间的人陷入暴露在病原体中的风险。


然而,一直以来,由于气溶胶羽流通常肉眼不可见,这使得人们对于气溶胶羽流的时空演变、传播速度等科学信息都知之甚少。


现在,一个工程师团队在近期的《科学报告》上发表了一项研究,报告了他们通过使用强激光和摄影机,对从冲水马桶中扩散出的气溶胶羽流的位置和运动进行的成像和测量,揭示了当一个没有盖子的马桶在冲水时,肉眼所不能看见的微小水滴是如何迅速喷射到空气中的。


有激光加入的马桶实验


按照设计,马桶能通过向下的运动,有效地将坐便池中的物体排入排水管。早在60多年前,科学家就已经知道在冲水时,虽然固体和液体会按照设计的那样被冲下去,但同时还会有一些微小的、看不见的颗粒被释放到空气中。


在冲水时,水流强劲地流入马桶。(图/SouthHamsian/Wikimedia Commons, CC BY-NC-SA)


虽然早期的一些研究通过科学仪器已经证实了这些气溶胶的存在,但它们所能提供的关于羽流的物理信息却很少:它们是什么样子的,它们是如何扩散的,它们的移动速度有多快……


为了能直接可视化这些气溶胶羽流,研究人员在实验室里设置了一个常见的商用无盖冲水阀式马桶。冲水阀会利用压力将水导入马桶的坐便池中。


在实验中,他们使用一套特殊的光学设备制造了一片垂直的激光,能够从马桶坐便池的顶部一直照射到天花板。


实验使用强激光帮助观测马桶冲水时喷出的气溶胶。(图/Patrick Campbell/CU Boulder)


研究人员使用了两种激光:一种是连续照射在马桶和马桶上方的激光;另一种则是在同一区域发出的快速脉冲光。连续的激光可以揭示气溶胶在空间中的位置,而脉冲光可以测量它们的速度和方向。

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与此同时,他们还设置了两台摄像机来拍摄高分辨率图像。


超出预期的“高能”场面


尽管在实验开始之前,研究人员就已经预测到会看到许多气溶胶颗粒,但他们仍然对从坐便池中涌出的粒子的喷射强度感到惊讶。这些气溶胶羽流比预计的更有活力、蔓延得更加迅速。他们原本以为气溶胶颗粒会漂浮起来,却发现它们实际上是像火箭一样飞溅出来的。


在实验中,马桶产生了一股强劲的向上气流,这些气溶胶颗粒在空气中以每秒2米的速度迅速喷射出来,在8秒内达到马桶上方1.5米的高度。这些能量充沛、漂浮在空气中的颗粒主要是向上或向后移动,但它们的运动是不可预测的。羽流会升至实验室的天花板,当再无去路时,就会从墙壁向外扩散,进入房间。



视频来源:University of Colorado Boulder


此外,了解颗粒的数量和大小也很重要。通过使用一个光学粒子计数器,研究人员对空气中的粒子进行了计数和测量。他们发现,那些较大的液滴往往会在几秒钟内沉降下来,然后附着在表面上。但较小的颗粒( < 5µm)可以在空气中悬浮几分钟甚至更长时间,而且它们可以逃离鼻毛的束缚,深入肺部,对人体健康造成更大的危害。


盖盖子、勤通风


在实验中,马桶的坐便池内没有任何固体废物或厕纸,周围也没有人走动。研究人员表示,现实生活中存在的更多的变量,都可能使问题加剧。


这样的结果或许会令你感到不安,但它也有着较为直观简单的解决方法,比如在冲水之前盖上马桶盖子!不过,这种方法并不能完全消除气溶胶羽流,而且许多公共场所的厕所都是没有盖的。此外,加强通风,采用紫外线消毒系统,也可以减少暴露在厕所的气溶胶羽流中的风险。


未来,研究人员还将通过一系列测试来研究如何最大限度地减少因冲水马桶而暴露于疾病的风险。新的实验方法为未来的这些工作提供了基础,它让科学家能够直观地描述气溶胶羽流是如何移动并分散的。这些信息对于制定减轻气溶胶羽流的形成和降低其传播疾病能力的战略至关重要。


参考来源

https://theconversation.com/toilets-spew-invisible-aerosol-plumes-with-every-flush-heres-the-proof-captured-by-high-powered-lasers-195717

https://www.colorado.edu/today/2022/12/08/cu-scientists-shine-light-what-comes-when-you-flush

https://www.nature.com/articles/s41598-022-24686-5


本文来自微信公众号:原理 (ID:principia1687),作者:小雨

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