还不戴口罩？看看喷嚏和咳嗽到底能飞多远

你是否想过，一个喷嚏能“打”多远？

虽然我们都知道，呼吸道疾病患者很可能通过咳嗽或打喷嚏传染他人，但具体到底能传多远，多大的范围？而每次在呼吸道流行病高发时期，专家呼吁戴口罩、勤洗手、勤通风，也都有人不以为然。
根本原因是我们对病毒的传播细节知之甚少，之前关于病毒的感染控制指南大多是基于模型研究和专家推测，而不是实测数据。
2014年，终于有数学家做了这样的实验。
数学家 Lydia Bourouiba利用高速视频解析了喷嚏和咳嗽时的产生的流场，并用数学模型计算出了两者的传播距离。结果可能让你大吃一惊！

科学家用的高速摄影机（图片来源：nature video）

喷嚏和咳嗽的时候喷出来的是什么？

摄影机下喷嚏时喷射出的唾液（图片来源：nature video）

喷嚏和咳嗽的产生开始于深呼吸，然后肺部的空气被压缩，最后被吸入的空气在几分之一秒内被肺压出来。

咳嗽喷出的东西不止有气体，还伴随着液滴（气溶胶），液滴的大小在100微米以下，相当于人类头发丝的宽度。这些液滴产生于气体喷射的过程中，将肺部、支气管、气管黏附的体液一并带出，喷涌出数万个小液滴。

在重力的作用下，一些较大的液滴很快落到地板上，较小的液滴（直径小于或等于5微米的颗粒）就飞得比较远，而且会随着气流扩散开来。而这时候，大量的病毒和细菌就乘着这些小液滴一起传播了出来。

如何观察咳嗽、喷嚏的气体流动？

前面说了，气溶胶是很小东西，人的肉眼是很难看清的。所以科学家用了什么方法来进行观察呢？具体来说，科学家用2个摄影机和多个光源，在高帧率下拍摄喷嚏下的大量细节，最后用慢动作播放观察，建立数学模型计算。

实验中，科学家招募来10名健康志愿者，站在摄影机前方，然后刺激他们的呼吸道，让志愿者忍不住打喷嚏、咳嗽，通过高速摄像机捕捉到喷嚏、咳嗽时的瞬间。

实验方式（图片来源：文献1）

通过这个可以每秒捕捉几千帧的高速摄影机，科学家可以观察到人们咳嗽或打喷嚏时产生的液滴。

喷嚏产生的雾状结构（图片来源：nature viedeo）

喷嚏和咳嗽到底能飞多远？

高速视频捕捉到的喷嚏。打喷嚏后，较大的液滴(绿色)从口中喷出，下落速度相对较快。雾状的液滴“云”(红色)，它们传播距离多达8米（图片来源：文献1）

通过慢动作视频，我们可以看到喷嚏、咳嗽产生的过程。

在咳嗽、喷嚏的过程中，我们可以看到液滴组成的高密度喷射物，科学家将之称之为“云”。

较大的液滴不受气相流动的影响，下坠速度较快，距离比较近，在1米范围内；而较小的液滴以不同程度的湍流气云悬浮，射程较远。

大液滴下降的轨迹（图片来源：文献1）

这团“云”在喷射过程中，会将周围的空气卷入，“云”的体积会不断增大，但速度也会逐渐减慢。

咳嗽中云的产生（图片来源：文献1）

通过大量测量，然后将数据输入数学模型后，科学家得出结论：打喷嚏产生的较大液滴可以最远到达8米远的地方，而咳嗽则达到6米远。并且根据不同的环境条件，喷嚏和咳嗽最多可以在空中停留长达10分钟。
由此可见，咳嗽和喷嚏不管在传播距离还是停留空中的时间方面，都足够长，如果是在室内打喷嚏或咳嗽的话，“云”肯定可以从房间一端飘到另一端，这是完全没问题的。
所以是不是人站在患者10米开外就没问题了呢？并不是。
前面说了，实验的计算结果的是均值，并不是所有的数据，一些颗粒较小（5微米以下）的液滴会飞得很远，甚至有可能会在空中一直漂浮，而这些飘在空中的到底能飘多久这就很难说了，所以室内通风很重要。
另外，有的人肺活量大，传播距离会更远，人与人之间能呼出的距离是有一定差异的。
最终小液滴落了下来，有的落在了桌子上，有的落在了手机上，有的落在了你的键盘上，有的落在了把柄上，有的落在了你的手上……而你无意中触摸了这些液滴，最后又不洗手，就在不知不觉中染上了病毒，所以勤洗手也很重要。

戴口罩到底有什么用？

既然咳嗽和喷嚏传播病毒、细菌的能力那么强，那我们就得戴口罩了。不过问题又来了，口罩到底能阻挡多少病毒、细菌的传播。

有个新加坡的科学家就做了这么一个实验，用彩色纹影法成像，观察戴不同类型口罩，会对病毒的传播有什么影响。（作者注：纹影法是力学实验中一种常用的光学观测方法。利用光在被测流场中的折射率梯度正比于流场的气流密度的原理，将流场中密度梯度的变化转变为记录平面上相对光强的变化，使可压缩流场中的激波、压缩波等密度变化剧烈的区域成为可观察、可分辨的图像，从而记录下来。）
科学家选择了标准外科口罩、N95口罩作为实验材料，在规范戴口罩的前提下，看看不同口罩对呼出物有怎样的阻止效果。
在不戴口罩的情况下，人咳嗽从嘴中呼出的气溶胶自然地涌入周围的空气中。

正常呼吸下的空气流动（图片来源：文献2）

而戴上普通外科口罩之后，虽然咳嗽产生绝大多数气溶胶已从口罩过滤出来，但仍会有少量从口罩上方边缘渗透出来。

普通外科口罩咳嗽的气体流动（图片来源：文献2）

而N95口罩边缘则不会侧漏，都会从正前方透出口罩，也就是说都被过滤了。

N95口罩下咳嗽的气体流动（图片来源：文献2）

由此可见，口罩能降低咳嗽产生的气溶胶的传播效率，标准外科口罩和N95口罩都有很好的保护效果，N95口罩的保护效率更高一些。但不管怎么样，不戴口罩肯定是最糟糕的，尤其是当你已经出现咳嗽等症状时，更加需要戴上口罩阻断传播。
在这特殊的时期，大家出门都赶紧戴上口罩吧。

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编辑：何颖瑜

审阅：马丹丽、黄璐翎

来源：科普中国

本文由科普中国融合创作出品，苏澄宇制作，中国科学院计算机网络信息中心监制，“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。