Como vão os vazios científicos, seria difícil agora encontrar uma pergunta mais urgente:como os aerossóis que carregam o coronavírus invisível viajam no ar depois de deixarem uma pessoa infectada?

6 pés de distanciamento social são suficientes?

Nesse vazio, O cientista da Universidade da Flórida S. "Bala" Balachandar está liderando uma equipe internacional de especialistas. A ciência precisa urgentemente de uma atualização. Alguns dos estudos em que se baseia a orientação de 6 pés de distanciamento social têm décadas.

Balachandar e sua equipe, Contudo, estão trabalhando em uma nova estrutura teórica projetada para modelar o comportamento da transmissão aerotransportada de host para host. A tarefa é enorme porque muitas variáveis ​​estão em jogo para descobrir como uma respiração infectada por vírus, espirro ou tosse podem passar de uma pessoa para outra.

A física pode ser capaz de oferecer respostas que enganaram os especialistas em saúde pública. A experiência de Balachandar está em tomar complexos, fenômenos turbulentos multifásicos que não podem ser testados em laboratório - explosões nucleares ou erupções vulcânicas, por exemplo - e desenvolver modelos computacionais de seu comportamento. Uma tosse ou espirro também produzem turbulência multifásica e são mais complicados do que podem parecer.

"Está cada vez mais claro que a transmissão aérea é um importante contribuinte para a rápida disseminação da doença, "diz Balachandar, um professor de engenharia mecânica e aeroespacial com financiamento da Marinha dos EUA para estudar a atomização de spray líquido. “Não temos o conhecimento fundamental de que precisamos neste momento. Nosso trabalho é desenvolver esse tipo de conhecimento, e este é um ponto de partida. "

Um problema de física

Como um pesquisador estabelecido com financiamento federal para estudar o fluxo multifásico, Bala sentiu que estava em posição de lidar com a questão. Ele reuniu uma equipe internacional de cientistas consagrados:Stéphane Zaleski, da Sorbonne, é um especialista em geração de gotículas; Balachandar, e Alfredo Soldati, da Universidade Técnica de Viena, são especialistas em como os fluxos multifásicos turbulentos se comportam; Goodarz Ahmadi, da Clarkson University, é especialista em inalação de partículas; e Lydia Bourouiba, do MIT, estuda a interseção da dinâmica dos fluidos com a epidemiologia.

"O fluxo multifásico nada mais é do que fluxos contendo partículas, gotas ou bolhas que são normalmente muito turbulentas, e eles aparecem em qualquer lugar, desde uma erupção vulcânica até como uma linha costeira é formada até processos industriais, "diz Bala, que coedita o The International Journal of Multiphase Flow com Soldati.

"Acontece que espirros e tosse são exemplos fabulosos de fluxo multifásico, onde você ejeta muitas gotas e, em seguida, o fluxo apenas as carrega para a frente, e a turbulência nas salas espalha-os por todo o lado. Então, temos o pano de fundo certo para analisar esse problema. "

Outros cientistas, também, estão interessados. Os minúsculos aerossóis que carregam o vírus chamaram mais atenção em julho, quando 239 cientistas de todo o mundo pediram à Organização Mundial da Saúde em uma carta aberta que reconhecesse o papel da transmissão aérea na disseminação do vírus.

Então, em 4 de agosto, uma equipe interdisciplinar da UF publicou os resultados de um teste em um quarto de hospital com dois pacientes com coronavírus. A equipe isolou coronavírus vivo em amostras de ar coletadas a cerca de 7 pés e cerca de 16 pés de um paciente com uma infecção ativa, mas não fora da sala, graças a várias práticas de controle de infecção.

A equipe de Balachandar acompanhou esse esforço de amostragem com grande interesse.

"O próximo passo é ser capaz de dizer como foi parar lá; foi uma ocorrência única?" Balachandar diz. “É aí que entramos. Queremos mostrar como e por que os aerossóis podem viajar tão longe.

"Para parar o vírus, você tem que saber como ele viaja, "Balachandar diz.

A equipe de Balachandar tem trabalhado horas extras no laboratório, modelando vários cenários (veja os gráficos anexos). O grupo também divulgou um documento de posicionamento, "Host-to-Host Airborne Transmission as a Multiphase Flow Problem for Science-Based Social Distance Guidelines, "no ArXiv.

O problema de transmissão é bastante simples:para se infectar com o coronavírus, gotículas carregadas de vírus devem deixar uma pessoa ao serem exaladas, ser transportado pelo ar, então inalado por outra pessoa. Gotículas maiores, graças à gravidade, cair rapidamente, assentamento em superfícies. A transmissão ocorre quando as pessoas tocam as superfícies, então toque seu rosto, trazendo partículas virais para superfícies mucosas em sua boca, nariz ou olhos. Os protocolos de segurança agora amplamente utilizados - limpeza profunda em escritórios ou academias ou tornando os dispensadores de desinfetante para as mãos um grampo - oferecem proteção contra a transmissão superficial.

Proteção contra transmissão aérea, Contudo, é mais complicado:é mais fácil evitar uma maçaneta nojenta, tela sensível ao toque ou botão do elevador do que para evitar a respiração. À medida que inspiramos e expiramos, não podemos ver o minúsculo, partículas virais invisíveis no ar que compartilhamos.

Atualizando Ciência

As tentativas de quantificar patógenos no ar exalado têm uma longa história que remonta a 1897. As diretrizes de distanciamento social que recomendam 6 pés de espaço para proteção surgiram de um estudo da década de 1930 que classificou as gotículas úmidas exaladas em grandes e pequenas categorias, e a evaporação das gotículas menores não foi contabilizada. Nas décadas de 1940 e 1960, estudos mais detalhados foram feitos, mas a tecnologia da época ainda não permitia aos cientistas contabilizar com precisão gotículas menores. Além disso, as ferramentas necessárias para estudar a atomização de gotículas em aerossóis só agora estão sendo desenvolvidas.

Outras variáveis ​​também complicam a busca por respostas sobre como gerar, transportar e inalar gotículas.

A força da expiração - respiração, falando, tosse, espirros - varia assim como o número de gotículas exaladas em cada condição e seu tamanho. Mesmo a mesma condição, um espirro, por exemplo, pode variar de pessoa para pessoa. Essas exalações, nuvens que os físicos chamam de puffs, geralmente são mais quentes do que a temperatura ambiente quando saem do corpo, e tão mais flutuante, deixando-os subir.

Gotículas maiores se movem mais rápido e saem da nuvem, e sua evaporação depende das condições ambientais. No Arizona, um ambiente árido, eles evaporam rapidamente. Na Flórida, um ambiente úmido, eles evaporam lentamente. Não voláteis dentro das gotículas - muco, vírus, bactérias, partículas de alimentos e assim por diante - afetam a evaporação.

As gotas também se comportam de maneira diferente dependendo da ventilação. Dentro de casa, as gotas podem ficar presas e permanecer no ar. Ao ar livre, eles podem circular mais longe e se dispersar mais rapidamente.

O estágio final, inalação, é afetado pela filtração, via máscaras ou no nariz ou no trato respiratório. No ponto de inalação, a carga viral se torna importante, mas Balachandar, um engenheiro, diz que sua equipe vai deixar as questões da carga viral para os epidemiologistas.

A estrutura teórica que a equipe desenvolveu aborda todas essas variáveis ​​como um problema de fluxo turbulento multifásico, levando a várias equações.

"Como qualquer outro problema de ciência ou engenharia, em última análise, tudo se resume a alguma representação matemática, que tentamos tornar simples e fácil, mas ao mesmo tempo, precisos o suficiente para as pessoas usarem para encontrar respostas rápidas, "Bala diz.

Usando as equações, experimentos e simulações podem ser realizados para modelar vários cenários. Por exemplo, uma companhia aérea que deseja modelar o potencial de transmissão aerotransportada na cabine de um avião pode usar as equações, assim como uma empresa que deseja modelar as condições do escritório, ou um promotor de música que deseja modelar um evento de sala de concertos.

Modelando Transmissão Aerotransportada

Balachandar e a equipe começaram alguns de seus próprios experimentos, simulando tosses e espirros.

Uma tosse exalada sai em uma nuvem de gás turbulenta multifásica, ou puff. O sopro contém vários tamanhos de gotículas que se misturam com o ar ambiente, que captura as gotas e as carrega para frente. As gotículas evaporam com base em seu tamanho, a velocidade do sopro e as condições ambientais.

Gotículas maiores - 50 mícrons ou mais - caem, enquanto as gotas parcialmente evaporadas permanecem no ar. À medida que as gotículas evaporam totalmente, o sopro perde força e se dissipa. Os minúsculos aerossóis, Contudo, permanecem e podem ficar no ar por horas, seu alcance estendido pelo fluxo de ar, como uma brisa na praia ou um ventilador oscilante em uma mesa. Isso significa que as diretrizes atuais de distanciamento social podem subestimar a distância que os aerossóis percorrem e o tempo que persistem no ar, e em alguns casos, por uma margem bastante grande.

"É aqui que a diferença entre um pequeno ambiente fechado, como um elevador, uma cabine de aeronave ou um campo aberto, é importante, junto com fatores como brisa cruzada e ventilação, "Balachandar diz.

Trabalho de Bourouiba no início deste ano no MIT mostra uma nuvem de gás de um espirro viajando de 7 a 8 metros, um sinal de que mais estudos são necessários, Bala diz.

"Existem lugares, ambientes confinados com pouca ventilação, onde a nuvem pode se espalhar muito mais do que dois metros, assim como em um ambiente aberto, como uma praia com uma forte brisa cruzada, poderia se diluir muito mais rapidamente, "Balachandar diz.

Filtrando o Ar

A quantidade de vírus que uma pessoa inala depende da concentração de partículas carregadas de vírus - ou carga viral - na zona de respiração ao redor dessa pessoa, bem como na idade e nível de atividade. Também depende da filtragem. Respirar pelo nariz oferece mais proteção do que respirar pela boca, graças aos filtros naturais do sistema respiratório. E as máscaras fornecem filtragem, também.

A eficácia das máscaras varia amplamente dependendo do tipo, com máscaras para profissionais de saúde sendo as mais eficientes:o N95 é o melhor, então máscaras cirúrgicas, em seguida, máscaras de procedimento.

Máscaras de algodão comuns podem reduzir a inalação de gotículas maiores que 10 mícrons, mas a maioria das gotículas evaporam até um tamanho menor que 10 mícrons em cerca de um segundo e após viajar vários centímetros. As gotículas ejetadas em uma nuvem exalada tornam-se aerossolizadas a um tamanho menor que 1 mícron entre 1 e 10 metros.

A suposição convencional - que a evaporação das gotículas reduz a carga viral - precisa ser reexaminada. Balachandar diz que está claro que o número de partículas virais emitidas em gotículas menores permanece dentro da nuvem quase inalterado, representando uma fonte de transmissão mais perigosa do que considerada anteriormente e que nem todas as máscaras podem capturar.

As equações da equipe também prevêem um número muito maior de quedas na faixa mícron e submicrônica, "possivelmente o mais perigoso para a eficiência de inalação e ineficiência de filtração, "de acordo com o documento de posição.

Embora Balachandar diga que inicialmente estava relutante em assumir um novo projeto, a necessidade de mais conhecimento quantitativo o intrigou.

"A princípio pensei que COVID iria embora, então eu não queria redirecionar meu interesse, "Balachandar diz." Mas então ficou muito claro que a COVID não vai a lugar nenhum.

"Este não é um problema fácil de resolver, "Balachandar diz." Mas precisamos tentar. Mesmo se resolvermos COVID, é apenas uma questão de tempo até que algo mais apareça. "