編譯 許林玉

當(dāng)你讀到這句話時(shí)，你已經(jīng)吸入了曾經(jīng)通過(guò)我們之前每個(gè)人肺部的空氣。這一事實(shí)提醒我們，空氣等流體具有驚人的傳播和擴(kuò)散其攜帶顆粒的能力。在新冠肺炎肆虐全球期間，我們都知道疾病可能會(huì)通過(guò)空氣傳播。但即便如此，如果處于空氣充分混合的戶外環(huán)境，我們?cè)谏缃换?dòng)中交換的懸浮顆粒（或稱氣溶膠顆粒）的數(shù)量相對(duì)較少。

然而，在通風(fēng)不良的密閉空間，情況卻截然不同。呼吸道疾病主要在室內(nèi)傳播，其途徑包括咳嗽、打噴嚏或大聲說(shuō)話時(shí)急速噴出的大量空氣和飛沫。即使是正常的呼吸，呼出的每升空氣中所含的懸浮顆粒多達(dá)1 000個(gè)。在蒸發(fā)或沉積于物體表面之前，這些微滴可以在空中懸浮幾分鐘，而我們周?chē)切┛床灰?jiàn)的漂浮熱卷流也可以將它們帶到很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)的地方。

對(duì)于與家人以外的人一起乘坐乘用車(chē)（如出租車(chē)或拼車(chē)）上下班的人來(lái)說(shuō)，這尤其令人擔(dān)憂?？梢哉f(shuō)，這種場(chǎng)景是親密社會(huì)互動(dòng)的縮影。但普通汽車(chē)的內(nèi)部體積只有4立方米，因此不可能保持社交距離。

座艙微氣候

大多數(shù)大城市每天的拼車(chē)總量超過(guò)100萬(wàn)次，平均行車(chē)時(shí)間約為15分鐘。世界各地的出租車(chē)和拼車(chē)公司不得不實(shí)施各種措施降低風(fēng)險(xiǎn)，如要求佩戴口罩、設(shè)置防護(hù)屏障和手部消毒等。然而，對(duì)于懸浮顆粒而言，這些措施只能起到部分防護(hù)作用。即使一個(gè)人戴著口罩，氣溶膠也可以通過(guò)口罩織物和臉之間最小的縫隙滲透。我們被告知，要與他人保持6英尺（約1.8米）的距離，但氣溶膠的傳播距離卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出這一距離。幾分鐘之內(nèi)，這些微滴就會(huì)遍布座艙空間，使乘客暴露于病毒粒子中。

臨界值和安全暴露時(shí)間尚不清楚，很可能是取決于生物、性能和環(huán)境等多重因素的變量。我們能知道與陌生人共乘一輛汽車(chē)時(shí)空氣傳染的風(fēng)險(xiǎn)嗎？在最簡(jiǎn)單的近似法中，度量標(biāo)準(zhǔn)是以每小時(shí)換氣次數(shù)（ACH）表示的座艙空氣質(zhì)量。另外，乘客數(shù)量也是重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)疾病控制與預(yù)防中心建議，1個(gè)人的通風(fēng)量應(yīng)達(dá)到至少10 L/s。

但對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估來(lái)說(shuō)，空調(diào)開(kāi)啟或車(chē)窗搖下時(shí)形成的特定氣流模式也很重要。為此，在過(guò)去一年中，我和我的三位同事阿希曼蘇?達(dá)斯（Asimanshu Das）、杰夫?貝利（Jeff Bailey）及肯尼?布魯爾（Kenny Breuer）一起研究了乘用車(chē)內(nèi)部的流體動(dòng)力路徑。

我們并非首個(gè)開(kāi)展此項(xiàng)研究的團(tuán)隊(duì)。此前，還有其他研究人員對(duì)這些最常見(jiàn)的氣流模式進(jìn)行過(guò)研究，旨在確定如何降低座艙噪音或如何稀釋香煙煙霧。在研究過(guò)程中，布魯爾率先提出了自己的想法。他認(rèn)為，當(dāng)空氣在汽車(chē)周?chē)鲃?dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)側(cè)窗產(chǎn)生壓力，而前側(cè)窗的壓力要低于后側(cè)窗。從18世紀(jì)開(kāi)始，流體力學(xué)家就意識(shí)到了這種效應(yīng)的存在。當(dāng)時(shí)，丹尼爾?伯努利（Daniel Bernoulli）推斷，當(dāng)氣流流動(dòng)速度增加時(shí)，壓力通常會(huì)下降。如果是這樣的話，我們希望弄清楚，如果打開(kāi)車(chē)窗，前后窗戶之間的壓力梯度是否也會(huì)導(dǎo)致座艙內(nèi)的氣流從后往前流動(dòng)？

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試同時(shí)采用了煙霧可視化和流動(dòng)棒技術(shù)，并驗(yàn)證了這一假設(shè)。為了解決有關(guān)座艙內(nèi)氣流和具有潛在傳染性的氣溶膠的傳播等更詳細(xì)的問(wèn)題，我們采用了計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)。特別的是，我們得出了簡(jiǎn)化（時(shí)間平均）版納維斯托克斯方程的答案，而這些方程幾乎適用于我們周?chē)辛黧w的運(yùn)動(dòng)。

計(jì)算機(jī)模擬乘用車(chē)以每小時(shí)50英里的速度行駛時(shí)的氣流模式和氣溶膠濃度，并將右前側(cè)和左后側(cè)的車(chē)窗均打開(kāi)。（a）氣流通過(guò)左后窗進(jìn)入座艙，然后繞過(guò)后座，在乘客身后的右后角急轉(zhuǎn)彎，從右前窗出。一小部分進(jìn)入的空氣在離開(kāi)座艙前也會(huì)在車(chē)內(nèi)循環(huán)。（b）汽車(chē)的橫截面顯示出座艙內(nèi)的氣溶膠濃度，上面的車(chē)輛顯示的是駕駛員呼出的氣溶膠濃度，其中只有一小部分到達(dá)乘客；下面的車(chē)輛顯示乘客呼出的氣溶膠到達(dá)司機(jī)的比例也很小

氣流模式

我們大致以豐田普銳斯為原型設(shè)計(jì)了汽車(chē)的幾何外觀，并在右后座上安排了一名乘客。在這個(gè)共2名乘員的配置中，我們以時(shí)速50英里模擬了幾個(gè)車(chē)窗開(kāi)啟和關(guān)閉的組合。正如預(yù)期的那樣，最佳方案是開(kāi)啟所有四扇車(chē)窗，讓新鮮空氣從后窗進(jìn)入后在座艙內(nèi)流通，最后從前窗排出。結(jié)果如下：有效空氣交換率為250 ACH，或每人50 L/s。如果汽車(chē)速度減半，有效空氣交換率也會(huì)降低一半左右。無(wú)論哪種情況，其數(shù)值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)中推薦的通氣量。不過(guò)，很明顯，在不良天氣條件下，由于寒冷、炎熱或潮濕的空氣會(huì)給乘員帶來(lái)不適，這種極端的做法不會(huì)被采用。

幸運(yùn)的是，我們發(fā)現(xiàn)了一些其他的設(shè)置，它們所代表的折中方案更具有實(shí)際意義。例如，只打開(kāi)兩扇車(chē)窗，一扇在后部，另一扇在前部，形成一條從后部到前部的交叉通風(fēng)通道。令人驚訝的是，我們注意到打開(kāi)離兩名駕乘人員最遠(yuǎn)的窗戶（即前右窗和后左窗）的幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。如圖（a）所示，這種情況下會(huì)產(chǎn)生一股氣流，從左后窗進(jìn)入座艙，經(jīng)過(guò)后座乘客，最后從右前窗排出。進(jìn)入汽車(chē)的新鮮空氣大部分在后側(cè)右下角急轉(zhuǎn)彎，只有一小部分滯留在座艙內(nèi)循環(huán)。

讓我們驚訝的是，我們注意到在駕乘人員之間形成了一道氣流屏障。屏障氣流可以保護(hù)駕乘人員，使他們免于交叉感染，就像超市和購(gòu)物中心門(mén)口的空氣幕可以防止室外空氣與控制溫度下的室內(nèi)空氣混合一樣。該氣流還可以減輕快速流動(dòng)的空氣直接吹向駕乘人員時(shí)產(chǎn)生的不適感，但仍能確保150 ACH的良好空氣交換率，或每人30 L/s。

直徑小于10μm的顆粒沿該路徑運(yùn)動(dòng)，并被進(jìn)入座艙的氣流稀釋。在模擬過(guò)程中，我們考慮了平流和湍流擴(kuò)散兩種效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)乘員呼出的氣溶膠大約有5%會(huì)到達(dá)另一個(gè)乘員所在的位置，如前述圖（b）所示。

現(xiàn)在，您覺(jué)得拼車(chē)安全嗎？要回答這個(gè)問(wèn)題，我們不僅要考慮物理隔離措施和通風(fēng)量，還要考慮實(shí)際的乘坐時(shí)間。對(duì)于SARS-CoV-2等新型病原體，我們只能評(píng)估其相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)。盡管疫苗正在發(fā)揮作用，但這種病毒仍在不斷進(jìn)化。事實(shí)上，科學(xué)家們最初可能低估了傳染病在人與人之間傳播時(shí)存在的巨大生物變異性。在COVID-19這種疾病中，20%最具傳染性的感染者造成了80%的疫情傳播。保險(xiǎn)起見(jiàn)，我們現(xiàn)在還不能放松警惕。

資料來(lái)源 Physics Today