在2月8日14：00舉行的上海市疫情防控工作領(lǐng)導(dǎo)小組新聞發(fā)布會上，上海市民政局副局長曾群介紹：衛(wèi)生防疫專家強調(diào)，目前可以確定的新冠肺炎傳播途徑主要為直接傳播、氣溶膠傳播和接觸傳播。
那么，什么是氣溶膠傳播？這種傳播方式有哪些特點？為什么要重視氣溶膠傳播？
撰文 | 鄧巍巍
噴嚏：唇齒間的小臺風(fēng)
在影視劇里，如果看見一個反派在害人之前發(fā)表長篇大論，這個壞蛋九成是要很快掛掉的。病毒傳播也類似：聲勢越引人注目，反而越容易預(yù)防。
比如我打噴嚏，在一番忍無可忍之后不僅要做仰天長嘯狀，還要配合肩帶肘、肘帶腕、腕帶手的遮擋動作，并且發(fā)出很大聲響。周圍幾米的人都可以隨之做出自我保護動作——遠離或捂臉。
從流體力學(xué)的角度看，打噴嚏是一個劇烈的霧化（atomization）過程。人的呼吸道、口腔、鼻腔內(nèi)都附著液體膜。微微清風(fēng)可以吹皺一池春水；但風(fēng)再劇烈些那些褶皺就更加深化，直至破碎、離開水面成為霧滴。噴嚏的氣流速度可達50米/秒，堪比15級臺風(fēng)，于是瞬間吹皺了腮幫子、吹碎了口水。
MIT的Lydia Bourouiba教授專門研究打噴嚏，被譽為 “噴嚏女皇”。下圖是女皇團隊拍攝噴嚏后的液滴軌跡。綠色代表上百微米的大液滴，慣性強，射程遠至兩米，但是很快沉降。紅色部分是幾微米的小液滴飛沫，慣性弱，被空氣粘性作用減速，并且瞬間蒸發(fā)成為微米級的顆粒，也叫飛沫核。
![噴嚏的高速攝影圖像（圖源：Bourouiba等[1]）](http://file.hubeitoday.com.cn/upload/image/20200209/1581222376686631.jpg)
噴嚏的高速攝影圖像（圖源：Bourouiba等[1]）
噴嚏和咳嗽都是人們呼吸活動的最劇烈形式。相比之下，說話屬于不那么劇烈的呼吸活動，但仍然會產(chǎn)生飛沫（唾沫星）和飛沫核?？梢韵胂?，針對說話產(chǎn)生飛沫的研究要更加復(fù)雜，不僅有語言、音量的區(qū)別，還與爆破、平滑等不同音節(jié)類型相關(guān)。
此外，研究的難點之一在于人與人的巨大個體差異（heterogeneity）。William D。 Ristenpart團隊發(fā)現(xiàn)，這世界真的有“噴子”（“speech superemitters”）存在——他們講話的時候釋放的飛沫是平常人的十倍以上，并且與所講的具體語言無關(guān)（Asadi等[2]）。
個頭小小，如漆似膠，能飛會飄
可能大家都有過這種經(jīng)歷：走在樓道里甚至路上，明明周圍幾十米之內(nèi)都沒有人，但仍然可以聞到煙味。我們聞到的就是煙草燃燒后形成的幾百納米左右的顆粒。
越小的顆粒，空氣的粘性作用就越明顯。微米級的顆粒在空氣中像是芝麻撒在蜂蜜里，幾乎不下沉。定量來說，靜止空氣中同一高度的小顆粒停留時間跟其表面積成反比。對于1微米的顆粒，在靜止空氣中沉降時間為1小時以上。而環(huán)境中總有風(fēng)吹草動，于是這些顆粒幾乎永遠不會沉降，始終停留在空氣中。這也是為什么抽煙的人可能早已經(jīng)消失不見，但余味還久久不散。
這種在氣體中穩(wěn)定分散懸浮的液態(tài)或固體小顆粒叫做氣溶膠（aerosol）[3]。之所以翻譯為 “膠”，大約就是取顆粒與媒介之間黏黏糊糊、難分難舍之意。
含有新冠病毒的飛沫核尺寸就在亞微米到微米的范圍，與煙草燃燒后的顆粒尺度類似。因此，飛沫核在空氣中可以懸浮很久，并且在空氣中湍流的推波助瀾下漂移到遠方。飛沫核中的冠狀病毒有蛋白質(zhì)膜殼的保護， 可能在相當(dāng)長的時間保持活性。若是被人吸入體內(nèi)，就有可能導(dǎo)致感染新型冠狀病毒。
2020年2月1日深圳第三人民醫(yī)院（南方科技大學(xué)第二附屬醫(yī)院）在某些新冠肺炎患者的糞便中檢測出新冠病毒核酸（RNA）陽性。雖然檢測出 RNA不等同于是有活性的病毒，但可能性是有的，這使 “糞口傳播” 引起關(guān)注。
不過，“糞口傳播” 不大可能通過吃，而主要可能是通過氣溶膠和呼吸傳播。這是因為與呼吸活動類似，排泄活動也可以產(chǎn)生氣溶膠。排泄活動也是牽扯到軟物質(zhì)和復(fù)雜流體（液體和氣體）的力學(xué)過程，這些過程甚至可能比較劇烈，因此產(chǎn)生氣溶膠是也很自然的。
2003年，香港淘大花園E座發(fā)生321人感染SARS病毒，致死42人，就被認為極大可能性是氣溶膠傳播。感染病毒的排泄物在上百米高的污水管道中下落，與氣流的相互作用也形成一個霧化過程。這些霧滴通過8樓的管道裂縫和幾家住戶沒有被水封好的U型管逃逸，最終蒸發(fā)成為氣溶膠形式的感染源。由此可見，公共衛(wèi)生是一個系統(tǒng)工程，容不得短板。
2003年SARS病毒在香港淘大花園E座傳播示意圖（其中的“水花”為氣溶膠）
氣溶膠的傳播距離之遠可能超過我們的想象。一個相關(guān)的研究證據(jù)是澳大利亞昆士蘭地區(qū)涉及437個馬場的馬流感傳播事件（Davis等 [4]）。這些馬場間距平均距離約為1公里，最遠達13公里。馬流感開始時，隔離政策的宣傳和執(zhí)行都很到位，沒有馬與馬的近距離直接接觸，但仍發(fā)現(xiàn)很多馬被感染。原來，感染區(qū)域與風(fēng)向也密切相關(guān)！這些證據(jù)說明馬流感在氣溶膠模式在固定風(fēng)向的作用下可能具備公里級的超長距離的傳播能力。
中國城市人口密度極高，比如深圳達到每平方公里1萬人，因此具有長距離傳播能力的氣溶膠不容忽視。
溫和的呼吸：防不勝防的危險
與噴嚏、咳嗽、說話相比，病毒攜帶者的正常呼吸是最溫和的活動，但也是最防不勝防的。這是因為，在呼吸的時候，肺部在做大量、長時間的霧化，并且霧化的顆粒極小。肺是神奇的器官，像一棵倒置的大樹，主干分成枝丫，支氣管在肺內(nèi)多次分支可達25級，最后形成基本單元肺泡，直徑跟頭發(fā)絲相當(dāng)。有種假說是：肺泡在一呼一吸之間，所夾的粘液分開，像一個小肥皂泡破裂，瞬間產(chǎn)生極小的小液滴。這些液滴完全沒有慣性，會隨著呼出的氣流出來進入空氣中（Tellier等 [5]）。此外，肺炎是下呼吸道感染，也就是說下呼吸道的病毒含量更高。而成人約有4億個肺泡，總表面積上百平米，并且我們每時每刻都在呼吸。通過RT-PCR測量甲流患者每分鐘排出3至20個RNA，其中近90%的呼出顆粒直徑小于1微米（Fabian等 [6]）。換算一下，大約15分鐘的呼吸，病毒數(shù)目即可達到甲流的感染劑量。也就是說，新冠病毒攜帶者哪怕不咳嗽、不打噴嚏，也會悄無聲息不間斷地釋放含病毒的氣溶膠。因此，確診和疑似的病人要堅決隔離。
科學(xué)家發(fā)展了動物模型來研究病毒在哺乳動物間的傳播途徑。值得注意的是甲流的幾內(nèi)亞豬（guinea pig）模型。感染了甲流的幾內(nèi)亞豬會有發(fā)熱癥狀，但是不咳嗽，這就排除了大飛沫傳染的可能性（Lowen等 [7]）。但研究發(fā)現(xiàn)，相距三英尺的兩個籠子中的幾內(nèi)亞豬仍然可以被感染，這是呼吸導(dǎo)致的氣溶膠傳染模式的有力證據(jù)。
得了流感也不會咳嗽的幾內(nèi)亞豬（guinea pig）
再來看中國疾病預(yù)防控制中心、國家衛(wèi)健委、人民衛(wèi)生出版社聯(lián)合出版的《新型冠狀病毒感染的肺炎公眾防護指南》中提出的傳播途徑，就可以理解為什么要重視氣溶膠傳播。在這三種傳播途徑里，“直接傳播”（即“飛沫傳播”）可以通過戴口罩有效防護，而且噴嚏基本上是聲勢浩大的一錘子買賣；并且通?？人缘念l率也較低（流感病人大約每小時咳嗽兩次左右）?！敖佑|傳播” 途徑可以靠勤洗手、勤消毒來切斷。早在1982年Bean等[8]就發(fā)現(xiàn)流感病毒在硬且光滑的表面可以存活24-48小時，但在皮膚上5分鐘內(nèi)病毒的感染性就減少100至1000倍；流感通過手口典型的感染概率僅為萬分之一至百分之一（Nicas & Best [9]）。也就是說手口接觸不大可能成為主要病毒傳播途徑。相比之下，我們對 “氣溶膠傳播” 途徑的認識還顯得薄弱。
有學(xué)者報道[10]，在氣溶膠狀態(tài)下，一小時后病毒都可能保持感染能力。他們認為呼吸道上皮細胞可能脫落并成為病毒離開人體的載體，為病毒保持活性提供條件。而這一小時內(nèi)氣溶膠憑借風(fēng)勢可以上青云也可以傳播到幾公里外的地方。當(dāng)然我們也不必過于擔(dān)心，因為長距離伴隨著病毒濃度的急劇下降，可能遠遠低于感染劑量。
但是這會引申出不少有意義亟待研究的科學(xué)問題。比如，以人流密集的火車站、傳染病醫(yī)院為中心，含病毒氣溶膠密度在幾公里之內(nèi)的擴散是怎樣的？相對恒定的風(fēng)向?qū)е碌木植坎《緷舛绕呤欠窨蛇_到感染閾值？樓宇的間隙是否有導(dǎo)致局部濃度升高的可能？地貌突變和建筑周圍產(chǎn)生的回流對氣溶膠是否有富集作用？這些研究可能成為城內(nèi)公共衛(wèi)生風(fēng)險評估提供定量依據(jù)，相應(yīng)的結(jié)果甚至對氣溶膠形式的恐怖襲擊也有借鑒意義。
官宣的新冠病毒傳播途徑
春天在哪里？
SARS也好，流感也好，都是在冬季肆虐，在春夏之交消亡。這種季節(jié)性特征人類早就意識到了，但是對流感季節(jié)性的成因至今還有爭議[8]，因為四季分明的地區(qū)與熱帶的地區(qū)的季節(jié)性無法用統(tǒng)一的理論解釋。而季節(jié)更替對應(yīng)的是溫度和濕度的變化，研究者就繼續(xù)深究這兩個因素。但究竟是溫度，還是濕度，抑或是相對濕度（實際濕度與飽和濕度之比）還是絕對濕度，仍然都沒有定論[5]。持不同意見的文章發(fā)表到Science的都有[11]。
一篇最近出爐的論文[11]指出還有一種可能，就是顆粒在過飽和水汽中的長大成感染性強的尺寸。氣管是個非常濕潤的環(huán)境，而呼入冷空氣，會讓氣管內(nèi)溫度降低，水汽冷凝在飛沫核上，長大成為非常適合深入到下呼吸道的尺寸，增大感染概率。反之，熱帶環(huán)境中濕度高、氣溫高，吸入的潮濕空氣也會使飛沫核長大。你如果沒看懂，一是怪我沒說清楚，二是因為病毒的傳播和感染是個非常復(fù)雜、跨越超長時空的復(fù)雜問題，需要跨越學(xué)科的精誠合作，從醫(yī)學(xué)、生物、流體力學(xué)等多個角度協(xié)作才會給出完整的答案。
對我個人而言，這場疫情也是一個反思自己科研態(tài)度和方向的機會。
我在讀博士期間文章主要發(fā)表在氣溶膠方向的兩大雜志Journal of Aerosol Science和Aerosol Science and Technology，它們的影響因子都只有3左右，在中科院也排不到一區(qū)。博士畢業(yè)后適逢美國接連經(jīng)歷伊拉克戰(zhàn)爭、反恐和次貸危機，科研經(jīng)費變得更加緊張，科研氛圍在不知不覺中變味。在州立大學(xué)做助理教授的時候，展示影響力（impact）最 “公平” 且無腦的方式就是去追逐文章的影響因子；而材料科學(xué)的許多雜志影響因子高很多，發(fā)表也顯得短平快。同樣研究霧化和液滴，可以為氣溶膠服務(wù)，也可以為材料處理（打印、噴涂）服務(wù)，于是去蹭鈣鈦礦的熱點，而逐漸遠離了氣溶膠。
寫這篇科普小文查閱文獻時，自己重拾了若干年前的熟悉，在感覺溫暖的同時也內(nèi)疚和汗顏。許多傳統(tǒng)的、樸實的學(xué)科都在逐漸讓位于時髦的、炫酷的方向?；A(chǔ)學(xué)科與實體經(jīng)濟的地位和處境相似，都太難了；但是基礎(chǔ)空心化之后迎來的很可能是大廈將傾。我盼望，疫情過后，我們的科研土壤可以滋養(yǎng)樸實無華的學(xué)科，可以催生百花百草百樹齊放的春天，在下一個風(fēng)暴來臨時有足夠充分、足夠多樣的準備去應(yīng)對。
作者簡介
鄧巍巍，南方科技大學(xué)力學(xué)與航空航天工程系教授，研究領(lǐng)域為微小液滴的流體力學(xué)過程與應(yīng)用。
