出品：科普中國
制作：蘇澄宇
監制：中國科學院計算機網絡信息中心
你是否想過，一個噴嚏能”打”多遠？
雖然我們都知道，呼吸道疾病患者很可能通過咳嗽或打噴嚏傳染他人，但具體到底能傳多遠，多大的範圍？而每次在呼吸道流行病高發時期，專家呼籲戴口罩、勤洗手、勤通風，也都有人不以爲然。
根本原因是我們對病毒的傳播細節知之甚少，之前關于病毒的感染控制指南大多是基于模型研究和專家推測，而不是實測數據。
2014年，終于有數學家做了這樣的實驗。
數學家 Lydia Bourouiba利用高速視頻解析了噴嚏和咳嗽時的産生的流場，並用數學模型計算出了兩者的傳播距離。結果可能讓你大吃一驚！
科學家用的高速攝影機 圖源：nature video
噴嚏和咳嗽的時候噴出來的是什麽？
攝影機下噴嚏時噴射出的唾液 圖源：nature video
噴嚏和咳嗽的産生開始于深呼吸，然後肺部的空氣被壓縮，最後被吸入的空氣在幾分之一秒內被肺壓出來。
咳嗽噴出的東西不止有氣體，還伴隨著液滴（氣溶膠），液滴的大小在100微米以下，相當于人類頭發絲的寬度。這些液滴産生于氣體噴射的過程中，將肺部、支氣管、氣管黏附的體液一並帶出，噴湧出數萬個小液滴。
在重力的作用下，一些較大的液滴很快落到地板上，較小的液滴（直徑小于或等于5微米的顆粒）就飛得比較遠，而且會隨著氣流擴散開來。而這時候，大量的病毒和細菌就乘著這些小液滴一起傳播了出來。
如何觀察咳嗽、噴嚏的氣體流動？
前面說了，氣溶膠是很小東西，人的肉眼是很難看清的。所以科學家用了什麽方法來進行觀察呢？具體來說，科學家用2個攝影機和多個光源，在高幀率下拍攝噴嚏下的大量細節，最後用慢動作播放觀察，建立數學模型計算。
實驗中，科學家招募來10名健康志願者，站在攝影機前方，然後刺激他們的呼吸道，讓志願者忍不住打噴嚏、咳嗽，通過捕捉到噴嚏、咳嗽時的瞬間。
實驗方式 圖源：文獻1
通過這個可以每秒捕捉幾千幀的高速攝影機，科學家可以觀察到人們咳嗽或打噴嚏時産生的液滴。
噴嚏産生的霧狀結構 圖源：nature viedeo
噴嚏和咳嗽到底能飛多遠？
△高速視頻捕捉到的噴嚏。打噴嚏後，較大的液滴(綠色)從口中噴出，下落速度相對較快。霧狀的液滴”雲”(紅色)，它們傳播距離多達8米。圖源：文獻1
通過慢動作視頻，我們可以看到噴嚏、咳嗽産生的過程。
在咳嗽、噴嚏的過程中，我們可以看到液滴組成的高密度噴射物，科學家將之稱之爲“雲”。
較大的液滴不受氣相流動的影響，下墜速度較快，距離比較近，在1米範圍內；而較小的液滴以不同程度的湍流氣雲懸浮，射程較遠。
大液滴下降的軌迹 圖源：文獻1
這團”雲”在噴射過程中，會將周圍的空氣卷入，”雲”的體積會不斷增大，但速度也會逐漸減慢。
咳嗽中雲的産生 圖源：文獻1
通過大量測量，然後將數據輸入數學模型後，科學家得出結論：打噴嚏産生的較大液滴可以最遠到達8米遠的地方，而咳嗽則達到6米遠。並且根據不同的環境條件，噴嚏和咳嗽最多可以在空中停留長達10分鍾。
由此可見，咳嗽和噴嚏不管在傳播距離還是停留空中的時間方面，都足夠長，如果是在室內打噴嚏或咳嗽的話，”雲”肯定可以從房間一端飄到另一端，這是完全沒問題的。
所以是不是人站在患者10米開外就沒問題了呢？並不是
前面說了，實驗的計算結果的是均值，並不是所有的數據，一些顆粒較小（5微米以下）的液滴會飛得很遠，甚至有可能會在空中一直漂浮，而這些飄在空中的到底能飄多久這就很難說了，所以室內通風很重要。
另外，有的人肺活量大，傳播距離會更遠，人與人之間能呼出的距離是有一定差異的。
最終小液滴落了下來，有的落在了桌子上，有的落在了手機上，有的落在了你的鍵盤上，有的落在了把柄上，有的落在了你的手上……而你無意中觸摸了這些液滴，最後又不洗手，就在不知不覺中染上了病毒，所以勤洗手也很重要。。
戴口罩到底有什麽用？
既然咳嗽和噴嚏傳播病毒、細菌的能力那麽強，那我們就得戴口罩了。不過問題又來了，口罩到底能阻擋多少病毒、細菌的傳播。
有個新加坡的科學家就做了這麽一個實驗，用彩色紋影法成像，觀察戴不同類型口罩，會對病毒的傳播有什麽影響。
紋影法是力學實驗中一種常用的光學觀測方法。利用光在被測流場中的折射率梯度正比于流場的氣流密度的原理，將流場中密度梯度的變化轉變爲記錄平面上相對光強的變化，使可壓縮流場中的激波、壓縮波等密度變化劇烈的區域成爲可觀察、可分辨的圖像，從而記錄下來。
科學家選擇了標准外科口罩、N95口罩作爲實驗材料，在規範戴口罩的前提下，看看不同口罩對呼出物有怎樣的阻止效果。
在不戴口罩的情況下，人咳嗽從嘴中呼出的氣溶膠自然地湧入周圍的空氣中。
正常呼吸下的空氣流動 圖源：文獻2
而戴上普通外科口罩之後，雖然咳嗽産生絕大多數氣溶膠已從口罩過濾出來，但仍會有少量從口罩上方邊緣滲透出來。
普通外科口罩咳嗽的氣體流動 圖源：文獻2
而N95口罩邊緣則不會側漏，都會從正前方透出口罩，也就是說都被過濾了。
N95口罩下咳嗽的氣體流動 圖源：文獻2
由此可見，口罩能降低咳嗽産生的氣溶膠的傳播效率，標准外科口罩和N95口罩都有很好的保護效果，N95口罩的保護效率更高一些。但不管怎麽樣，不戴口罩肯定是最糟糕的，尤其是當你已經出現咳嗽等症狀時，更加需要戴上口罩阻斷傳播。
在這特殊的時期，請大家出門都一定戴上口罩呀！
參考文獻：
Bourouiba L, Dehandschoewercker E, Bush J W M. Violent expiratory events: on coughing and sneezing[J]. Journal of Fluid Mechanics, 2014, 745: 537-563.
Tang J W, Liebner T J, Craven B A, et al. A schlieren optical study of the human cough with and without wearing masks for aerosol infection control[J]. Journal of the Royal Society Interface, 2009, 6(suppl_6): S727-S736.
