Risultati e discussione
L’uscita di un laser verde (532 nm) Coherent Verdi operante a 4-W di potenza ottica è stata trasformata con ottiche sferiche e cilindriche in un foglio luminoso spesso ∼1 mm e alto 150 mm. Questo foglio di luce è passato attraverso delle fessure centrate sui lati opposti di un contenitore cubico da 226-L. Quando viene attivato, un ventilatore da 40 mm e 12 V all’interno dell’involucro omogeneizza spazialmente la distribuzione delle particelle nell’involucro. Un filmato che mostra la disposizione è disponibile (17). Filmati di nuclei di gocce di discorso sono stati registrati ad un frame rate di 24 Hz con risoluzione ad alta definizione (1.920 × 1.080 pixel). L’obiettivo della telecamera ha fornito un campo visivo orizzontale di ∼20 cm. Pertanto, il volume intercettato dal foglio luminoso e visto dalla telecamera è di ∼30 cm3. Il numero totale di particelle nel recinto può essere approssimato moltiplicando il numero medio di particelle rilevate in un singolo fotogramma del filmato per il rapporto di volume del recinto rispetto al foglio visualizzato, che è ∼7.300. Correnti di convezione lente, a velocità di qualche centimetro al secondo, sono rimaste per tutta la durata della registrazione. Queste correnti convettive sono attribuite a un gradiente di temperatura di 0,5 °C nel recinto (dal basso verso l’alto) che presumibilmente è dovuto al calore dissipato dalla fotocamera iPhone11, che era attaccata al lato anteriore del recinto. Dal momento che il flusso d’aria netto attraverso qualsiasi piano orizzontale del recinto è zero, questa convezione non ha un impatto sul tasso medio in cui i nuclei di goccioline cadono sul fondo del recinto.
Con il ventilatore di circolazione interna acceso, il recinto è stato spurgato con aria filtrata HEPA per diversi minuti. Poi, l’otturatore di spurgo è stato chiuso, il filmato è stato avviato, la porta dell’altoparlante è stata aperta, e il recinto è stato “riempito” con goccioline di discorso da qualcuno ripetendo la frase “stay healthy” per 25 s. Questa frase è stata scelta perché la fonazione “th” nella parola “healthy” è stata trovata per essere un generatore efficiente di gocce di discorso fluido orale. Il ventilatore interno è stato spento 10 s dopo la fine del discorso, e la telecamera ha continuato a registrare per 80 min. Il filmato è stato analizzato fotogramma per fotogramma per determinare il numero di macchie/strisce la cui intensità massima di un singolo pixel ha superato un valore di soglia di 30. La Fig. 1 mostra la diminuzione in funzione del tempo del numero di particelle di dispersione rilevate. Non siamo ancora in grado di collegare quantitativamente l’intensità della luce diffusa osservata alla dimensione della particella di diffusione perché l’intensità della luce varia attraverso il foglio. Tuttavia, il più luminoso 25% sono stati trovati a decadere più rapidamente rispetto alla frazione più tenue, con le due curve ragionevolmente ben descritto da tempi di decadimento esponenziale di 8 e 14 min, rispettivamente (Fig. 1A). Questi adattamenti indicano che, vicino al tempo 0, c’erano, in media, circa nove nuclei di goccioline nella finestra di osservazione 30-cm3, con i nuclei più grandi e più luminosi (in media) che cadono sul fondo del recinto a velocità più veloce di quelli più piccoli e più fiochi.
Con l’ipotesi che il contenuto della scatola sia omogeneizzato dal ventilatore di muffin al tempo 0, il numero medio di goccioline trovate in un singolo fotogramma vicino al tempo 0 corrisponde a circa 66.000 piccole gocce emesse nel recinto 226-L, o ca. 2.600 piccoli nuclei di goccioline per secondo di conversazione. Se la distribuzione delle dimensioni delle particelle fosse una funzione delta e le particelle fossero distribuite uniformemente nel recinto, il conteggio delle particelle dovrebbe rimanere costante fino a quando le particelle dalla parte superiore del recinto scendono fino alla parte superiore del foglio luminoso, dopo di che il conteggio delle particelle decadrebbe linearmente al livello di fondo. L’osservazione che i profili di decadimento sono circa esponenziale punti di una sostanziale eterogeneità nelle dimensioni delle particelle, anche dopo il binning in due gruppi separati.
Il tasso di decadimento medio ponderato (0.085 min-1) delle frazioni luminose e dim di particelle (Fig. 1A) si traduce in una emivita nel recinto di circa 8 min. Supponendo che questa emivita corrisponda al tempo necessario a una particella per cadere 30 cm (metà dell’altezza della scatola), la sua velocità terminale è solo 0,06 cm⋅s-1, che corrisponde a un diametro del nucleo della goccia di ∼4 μm. All’umidità relativa (27%) e alla temperatura (23 °C) del nostro esperimento, ci aspettiamo che le goccioline si disidratino in pochi secondi. Una particella disidratata di 4 μm corrisponde a una gocciolina idratata di circa 12-21 μm di diametro, o un volume totale idratato di ∼60 nL a 320 nL per 25 s di conversazione ad alta voce. Con una carica virale media di 7 × 106 per millilitro (7), stimiamo che 1 minuto di conversazione ad alta voce generi almeno 1.000 nuclei di goccioline contenenti virioni che rimangono nell’aria per più di 8 minuti. Questi potrebbero quindi essere inalati da altri e, secondo l’IAH, innescare una nuova infezione da SARS-CoV-2.
La costante di decadimento più lunga da noi osservata corrisponde a goccioline con un diametro idrato di ≥12 μm quando escono dalla bocca. L’esistenza di goccioline ancora più piccole è stata stabilita dalle misurazioni dell’aerodynamic particle sizer (APS) (2). L’APS è ampiamente utilizzato per rilevare le particelle di aerosol ed è più adatto per le particelle nella gamma da 0,5 a 5 μm. Morawska et al. (2) hanno rilevato fino a 330 particelle al secondo nella gamma da 0,8 a 5,5 μm su una vocalizzazione sostenuta “aah”. Considerando il breve tempo di viaggio (0,7 s) tra l’uscita dalla bocca e il rivelatore APS, e l’alta umidità relativa (59%) utilizzata in quello studio, la disidratazione delle gocce potrebbe essere stata incompleta. Se fosse stato disidratato al 75% al rivelatore, una particella osservata 5.5-μm avrebbe iniziato come una gocciolina 8.7-μm quando esce dalla bocca, ben al di fuori della gamma 12- a 21-μm osservata sopra dalla diffusione della luce. Questo risultato suggerisce che le misure APS e la diffusione della luce formano un complemento perfetto. Tuttavia, abbiamo anche notare che, anche se i più piccoli nuclei di gocciolina effettivamente rimangono in aria a tempo indeterminato e hanno emivite che sono dominati dal tasso di ventilazione, a un carico virale di saliva di 7 × 106 copie per millilitro, la probabilità che un nucleo di gocciolina 1μm (scalato indietro alla sua dimensione originariamente idratata 3μm) contiene un virione è solo 0.01%.
Il nostro setup attuale non rileva ogni piccola particella in ogni fotogramma del filmato, e i nostri valori riportati sono quindi stime conservative limite inferiore. Notiamo anche che la carica virale della saliva mostra una grande variazione da paziente a paziente. Alcuni pazienti hanno titoli virali che superano il titolo medio di Wölfel et al da più di due ordini di grandezza (7, 18), aumentando così il numero di virioni nelle goccioline emesse a ben oltre 100.000 per minuto di parlare. I nuclei di goccioline osservati nel nostro studio attuale e precedentemente da APS (2, 9) sono sufficientemente piccoli per raggiungere il tratto respiratorio inferiore, che è associato con un aumento dell’esito avverso della malattia (19, 20).
Il nostro metodo di dispersione della luce laser non solo fornisce prove visive in tempo reale per l’emissione di goccioline del discorso, ma valuta anche la loro durata in aria. Questa visualizzazione diretta dimostra come il discorso normale genera goccioline sospese nell’aria che possono rimanere sospese per decine di minuti o più e sono eminentemente in grado di trasmettere malattie in spazi ristretti.
Data Availability Statement.
Tutti i dati grezzi utilizzati per l’analisi sono disponibili in rif. 17.