Wells kurva
.png)
Wells -kurvan (eller Wells evaporation falling curve of droplets ) är ett diagram, utvecklat av WF Wells 1934, som beskriver vad som förväntas hända med små droppar när de väl har andats ut i luften. Hosta, nysningar och andra våldsamma utandningar producerar ett stort antal andningsdroppar som härrör från saliv och/eller andningsslem, med storlekar från cirka 1 µm till 2 mm. Wells insikt var att sådana droppar skulle ha två distinkta öden, beroende på deras storlek. Samspelet mellan gravitation och avdunstning gör att droppar större än en fuktighetsbestämd tröskelstorlek skulle falla till marken på grund av gravitationen, medan droppar mindre än denna storlek snabbt skulle avdunsta och lämna kvar en torr rest som driver i luften. Eftersom droppar från en infekterad person kan innehålla smittsamma bakterier eller virus, påverkar dessa processer överföring av luftvägssjukdomar.
En traditionell hård storleksgräns på 5 μm mellan luftburna och andningsdroppar har kritiserats som en falsk dikotomi som inte är grundad i vetenskapen, eftersom utandningspartiklar bildar ett kontinuum av storlekar vars öden beror på miljöförhållanden utöver deras ursprungliga storlekar. Den har dock informerat sjukhusbaserade överföringsbaserade försiktighetsåtgärder i årtionden.
Bakgrund
Tyst andning ger få droppar, men påtvingade utandningar som nysningar, hosta, skrik och sång kan producera många tusen eller till och med miljoner små droppar. Droppar från friska människor består av saliv från munnen och/eller slemmet som kantar luftvägarna. Saliv är >99% vatten, med små mängder salter, proteiner och andra molekyler. Andningsslem är mer komplext, 95 % vatten med stora mängder mucinproteiner och varierande mängder andra proteiner, särskilt antikroppar, samt lipider och nukleinsyror, både utsöndrade och härledda från döda luftvägsceller. Storleken på andningsdroppar varierar stort, från större än 1 mm till mindre än 1 µm, men storleksfördelningen är ungefär likadan mellan olika droppgenererande aktiviteter.
Wells-kurvan: effekterna av gravitation och avdunstning
I ostörd fuktmättad luft faller alla andningsdroppar på grund av gravitationen tills de når marken eller annan horisontell yta. För alla utom de största dropparna Stokes Law att fallhastigheter snabbt når en gräns som sätts av förhållandet mellan massa och tvärsnittsarea, med små droppar som faller mycket långsammare än stora.
| Droppens storlek (mm) | Dags att falla 2 m |
|---|---|
| ≥1,0 | ≤0,6 sek |
| 0,1 | 6 sek |
| 0,01 | 10 minuter |
| 0,001 | 16,6 timmar |
Om luften inte är mättad med vattenånga utsätts även alla droppar för avdunstning när de faller, vilket gradvis minskar deras massa och därmed saktar ned hastigheten med vilken de faller. Tillräckligt stora droppar når fortfarande marken eller en annan yta, där de fortsätter att torka och lämnar potentiellt smittsamma rester som kallas fomites . Men det höga förhållandet mellan yta och volym hos små droppar gör att de avdunstar så snabbt att de torkar ut innan de når marken. De torra resterna av sådana droppar (kallade "droppkärnor" eller "aerosolpartiklar") upphör sedan att falla och driver med den omgivande luften. Således producerar den kontinuerliga fördelningen av droppstorlekar snabbt bara två dikotoma utfall, fomites på ytor och droppkärnor som svävar i luften.
Wells sammanfattade detta förhållande grafiskt, med droppstorlek på X-axeln och tid att avdunsta eller falla till marken på Y-axeln. Resultatet är ett par kurvor som skär varandra vid droppstorleken som avdunstar exakt när den träffar marken.
Implikationer för epidemiologi
Wells insikt antogs allmänt på grund av dess relevans för spridningen av luftvägsinfektioner. Effektiviteten av överföringen av specifika virus och bakterier beror både på de typer av droppar och droppkärnor de orsakar och på deras förmåga att överleva i droppar, droppkärnor och fomites. Sjukdomar som mässling , vars orsakande virus förblir mycket smittsamma i droppkärnor, kan spridas utan personlig kontakt, över ett rum eller genom ventilationssystem och sägs ha luftburen överföring. Även om senare studier visade att droppstorleken vid vilken avdunstning överskrider fallande är mindre än den som beskrevs av Wells, och avsättningstiden är längre, är hans arbete fortfarande viktigt för att förstå fysiken hos andningsdroppar.
Komplicerande faktorer
Relativ luftfuktighet: Den effektiva skillnaden mellan "stora" och "små" droppar beror på luftfuktigheten. Utandad luft har blivit mättad med vattenånga under dess passage genom andningsvägarna, men inomhus- eller utomhusluften är vanligtvis mycket mindre fuktig. Under 0 % luftfuktighet kommer endast droppar 125 µm eller större att nå marken, men tröskeln sjunker till 60 µm för 90 % luftfuktighet. Eftersom de flesta andningsdroppar är mindre än 75 µm kommer de flesta droppar att torka ut och bli luftburna även vid hög luftfuktighet.
Rörelse av utandnings- och omgivningsluft: Luft som har skjutits ut våldsamt av hosta eller nysning rör sig som ett turbulent moln genom den omgivande luften. Sådana moln kan resa upp till flera meter, med stora droppar som faller från molnet och små som gradvis sprids och avdunstar när de blandas med omgivande luft. Den interna turbulensen hos sådana moln kan också fördröja fallet av stora droppar, vilket ökar chansen att de kommer att avdunsta innan de når marken. Eftersom utandningsluften vanligtvis är varmare och därmed mindre tät än den omgivande luften, brukar sådana moln också stiga. Droppar och torra partiklar i utandningsluften sprids också genom rörelse av den omgivande luften, på grund av vindar och konvektionsströmmar.
Effekter av ansiktsskydd, masker och andningsskydd
En ansiktsskärm skyddar bäraren mot stötar av stora droppar som kan drivas ut horisontellt av en infekterad persons hosta eller nysning eller under medicinska behandlingar. Eftersom skölden är en ogenomtränglig barriär som luft måste färdas runt ger den lite skydd mot små droppar och torra partiklar som färdas med luften. Kirurgiska masker och hemmagjorda masker kan filtrera bort stora och små droppar, men deras porer är för stora för att blockera passage av små aerosolpartiklar. De anses vara mer effektiva när de bärs av en infekterad person, vilket förhindrar utsläpp av smittsamma droppar, än när de bärs av en oinfekterad person för att skydda mot infektion. Luft som färdas runt en dåligt passande mask filtreras inte, och inte heller våldsamt utstött luft som produceras av en hosta eller nysning. N-95 andningsskydd är utformade för att filtrera bort även små torra partiklar, men de måste monteras individuellt och kontrolleras för att förhindra läckage av luft runt sidorna.