Каждый раз, когда вы смываете воду в туалете, в воздух вокруг вас выбрасывается шлейф мельчайших капель воды. Эти капли, называемые аэрозольными шлейфами, могут распространять патогенные микроорганизмы из отходов жизнедеятельности человека и подвергать людей в общественных туалетах риску заражения инфекционными заболеваниями.
Научное понимание распространения аэрозольных шлейфов - и осведомленность общественности об их существовании - было затруднено тем, что они обычно невидимы. Мои коллеги Аарон Тру, Карл Линден, Марк Эрнандес, Ларс Ларсон, Анна Паулс и я смогли использовать мощные лазеры для подсветки этих шлейфов, что позволило нам получить изображение и измерить расположение и движение распространяющихся аэрозольных шлейфов от смывных коммерческих туалетов в ярких деталях.
Идти вверх, а не вниз
Унитазы разработаны для эффективного опорожнения содержимого чаши путем нисходящего движения в сливную трубу. Во время цикла смыва вода вступает в интенсивный контакт с содержимым чаши и создает мелкий аэрозоль из взвешенных в воздухе частиц.
Мы обнаружили, что типичный коммерческий туалет создает сильную восходящую струю воздуха со скоростью более 6,6 футов в секунду (2 метра в секунду), которая быстро переносит эти частицы на высоту до 5 футов (1,5 метра) над чашей в течение восьми секунд после начала смыва.
Чтобы визуализировать эти шлейфы, мы установили в нашей лаборатории типичный коммерческий туалет без крышки с клапаном типа флушометра, который можно встретить по всей Северной Америке. Клапаны смывного устройства используют давление вместо силы тяжести, чтобы направить воду в чашу. Мы использовали специальную оптику для создания тонкого вертикального листа лазерного света, который освещал область от верхней части чаши до потолка. После смыва унитаза с помощью дистанционного электрического пускового устройства аэрозольные частицы рассеивают достаточно лазерного света, чтобы стать видимыми, что позволяет нам использовать камеры для получения изображения шлейфа частиц.
Хотя мы ожидали увидеть эти частицы, мы все равно были удивлены силой струи, выбрасывающей частицы из чаши.
В смежном исследовании использовалась вычислительная модель идеализированного туалета для прогнозирования образования аэрозольных шлейфов с восходящим переносом частиц со скоростью над чашей примерно 3,3 фута в секунду (1 метр в секунду), что примерно в два раза меньше того, что мы наблюдали в реальном туалете.
Почему именно лазеры?
Ученые уже несколько десятилетий знают, что при смыве унитазов в воздух попадают аэрозольные частицы. Однако экспериментальные исследования в основном опирались на приборы, которые брали пробы воздуха в фиксированных точках, чтобы определить количество и размер частиц, выделяемых туалетами.
Хотя эти более ранние подходы могут подтвердить наличие аэрозолей, они дают мало информации о физике шлейфов: как они выглядят, как распространяются и как быстро движутся. Эта информация крайне важна для разработки стратегий по смягчению образования аэрозольных шлейфов и снижению их способности передавать заболевания.
Как профессор инженерии, чьи исследования сосредоточены на взаимодействии между физикой жидкостей и экологическими или биологическими процессами, моя лаборатория специализируется на использовании лазеров для определения того, как различные вещи переносятся сложными потоками жидкости. Во многих случаях эти вещи невидимы, пока мы не осветим их лазером.
Преимуществом использования лазерного излучения для измерения потоков жидкости является то, что, в отличие от физического зонда, свет не изменяет и не нарушает саму вещь, которую вы пытаетесь измерить. Кроме того, использование лазеров для того, чтобы сделать невидимые вещи видимыми, помогает людям, как визуальным существам, лучше понять сложности в жидкой среде, в которой они живут.
Аэрозоли и болезни
Аэрозольные частицы, содержащие патогены, являются важными переносчиками заболеваний человека. Мелкие частицы, которые остаются взвешенными в воздухе в течение определенного периода времени, могут заразить людей респираторными заболеваниями, такими как грипп и COVID-19, при вдыхании. Более крупные частицы, которые быстро оседают на поверхностях, могут распространять кишечные заболевания, такие как норовирус, через контакт с руками и ртом.
Вода в унитазе, загрязненная фекалиями, может иметь концентрацию патогенов, сохраняющуюся после десятков смывов. Однако вопрос о том, представляют ли аэрозольные шлейфы в туалете риск передачи инфекции, остается открытым.
Хотя мы смогли визуально и количественно описать, как аэрозольные шлейфы перемещаются и рассеиваются, наша работа не касается непосредственно того, как туалетные шлейфы передают болезни, и это остается постоянным аспектом исследований.
Ограничение распространения туалетного шлейфа
Наша экспериментальная методология закладывает основу для будущей работы по тестированию ряда стратегий по минимизации риска заражения болезнями при смыве унитазов. Это может включать оценку изменений аэрозольных шлейфов, исходящих от новых конструкций унитазов или смывных клапанов, которые изменяют продолжительность или интенсивность цикла смыва.
Между тем, существуют способы уменьшить воздействие на человека туалетных струй. Очевидной стратегией является закрытие крышки перед смывом. Однако это не полностью устраняет аэрозольные шлейфы, и многие туалеты в общественных, коммерческих и медицинских учреждениях не имеют крышек. Вентиляция или системы ультрафиолетовой дезинфекции также могут уменьшить воздействие аэрозольных дымов в туалете.
Джон Крималди получает финансирование от Национального научного фонда, Национальных институтов здравоохранения и Химико-биологического центра DEVCOM армии США.