No início de abril de 2021, o número de pessoas infectadas durante a pandemia COVID-19 aumentou para mais de 130 milhões de pessoas, das quais mais de 2,8 milhões morreram. O vírus SARS-CoV-2 responsável pelo COVID-19 é transmitido principalmente por gotículas ou aerossóis emitidos quando uma pessoa infectada fala, espirra ou tosse. É assim que os vírus e outros patógenos se espalham pelo meio ambiente e transmitem doenças infecciosas quando inalados por outra pessoa.

A capacidade dessas partículas de permanecerem suspensas no ar e se espalharem no ambiente depende muito do tamanho e da natureza do fluxo de ar gerado pela expiração do ar. Tal como acontece com outras doenças infecciosas transmitidas pelo ar, como a tuberculose, gripe comum ou sarampo, o papel desempenhado pela dinâmica dos fluidos é fundamental para prever o risco de infecção pela inalação dessas partículas em suspensão.

Em um evento de tosse que dura 0,4 segundos e tem uma velocidade máxima do ar exalado de 4,8 m / s, o fluxo primeiro gera um fluxo turbulento de ar que é mais quente e mais úmido do que o ambiente. Assim que a expiração terminar, o fluxo se transforma em uma lufada de ar que sobe por causa da flutuação e sua falta de peso enquanto se dissipa.

As partículas transportadas por este fluxo formam nuvens, cujas trajetórias dependem de seu tamanho. A dinâmica das partículas maiores é governada pela gravidade e descreve parábolas com um limite horizontal claro. Apesar de sua capacidade limitada de permanecer em suspensão e do escopo horizontal limitado, a carga viral pode ser alta porque eles são grandes (diâmetros maiores que 50 mícrons).

Em contraste, as menores partículas (com diâmetros menores que 50 mícrons) são transportadas pela ação do fluxo de ar. Esses aerossóis são capazes de permanecer em suspensão por mais tempo e se espalham por uma área maior. As partículas maiores permanecem no ar por alguns segundos, enquanto as menores podem permanecer suspensas por até alguns minutos, Mesmo que sua carga viral seja menor, esses aerossóis podem passar através das máscaras faciais e ser movidos de uma sala para outra, por exemplo, através de sistemas de ventilação. A porcentagem de retenção das máscaras faciais diminui quando as partículas são menores.

O comportamento da nuvem de partículas depende do tamanho das partículas e pode ser complicado pelos efeitos da evaporação, o que reduz gradualmente o diâmetro das gotas.

Com o apoio do Consórcio de Serviços Universitários da Catalunha, o grupo de pesquisa do Departamento de Engenharia Mecânica da URV, liderado por Alexandre Fabregat e Jordi Pallarés, em conjunto com pesquisadores da Universidade do Estado de Utah e da Universidade de Illinois, usou simulações numéricas de alto desempenho para estudar com detalhes sem precedentes o processo de dispersão de aerossol gerado por uma tosse ou espirro. O nível de detalhe era tão alto que eles precisavam de considerável poder de cálculo e vários processadores de um supercomputador trabalhando ao mesmo tempo.

Os resultados indicam que a pluma de ar produzida pela expiração carrega partículas menores que 32 mícrons acima da altura de emissão, o que gera uma nuvem que tem grande capacidade de permanecer em suspensão e se dispersar por correntes de ar em uma distância significativa. As partículas maiores têm um alcance limitado que não é alterado pelo efeito da evaporação durante o deslocamento para o solo. Assumindo as cargas virais habituais para doenças infecciosas, os resultados foram usados ​​para traçar um mapa da concentração de partículas virais ao redor da pessoa infectada depois que ela tossiu ou espirrou.

Esta pesquisa foi publicada como dois artigos científicos na revista. Física dos Fluidos com os títulos "Simulação numérica direta do fluxo turbulento gerado durante um evento expiratório violento" e "Simulação numérica direta da dispersão turbulenta de nuvens de aerossol evaporativas produzidas por um evento expiratório intenso". Ambos os artigos foram destaque na capa devido ao seu impacto científico.