Каждый раз, когда вы спускаете воду в унитазе, в воздух вокруг вас выбрасываются шлейфы мельчайших капель воды. Эти капли, называемые аэрозольными шлейфами, могут распространять болезнетворные микроорганизмы из отходов жизнедеятельности человека и подвергать людей в общественных туалетах риску заражения заразными заболеваниями.
Научному пониманию распространения аэрозольных шлейфов и осведомленности общественности об их существовании препятствует тот факт, что обычно они невидимы. Мои коллеги Аарон Тру, Карл Линден, Марк Эрнандес, Ларс Ларсон и Анна Паулс и я смогли использовать мощные лазеры для освещения этих шлейфов, что позволило нам отобразить и измерить местоположение и движение распространяющихся аэрозольных шлейфов от смыва коммерческих туалетов в яркая деталь.
Аэрозольные шлейфы поднимаются, а не опускаются
Унитазы предназначены для эффективного опорожнения содержимого чаши посредством движения вниз в водосточную трубу. В цикле промывки вода вступает в сильный контакт с содержимым внутри чаши и создает мелкодисперсную струю частиц, взвешенных в воздухе.
Мы обнаружили, что типичный коммерческий туалет генерирует сильную восходящую струю воздуха со скоростью, превышающей 6,6 футов в секунду (2 метра в секунду), быстро перенося эти частицы на высоту до 5 футов (1,5 метра) над чашей в течение восьми секунд начала сброса.
Чтобы визуализировать эти шлейфы, мы установили в нашей лаборатории типичный коммерческий туалет без крышки с клапаном в виде смывомера, который можно найти по всей Северной Америке. Клапаны расходомера используют давление вместо гравитации, чтобы направить воду в чашу.
Мы использовали специальную оптику, чтобы создать тонкий вертикальный слой лазерного света, который освещал область от вершины чаши до потолка. После смыва унитаза с помощью удаленного электрического триггера частицы аэрозоля рассеивают достаточно лазерного света, чтобы стать видимыми, что позволяет нам использовать камеры, чтобы запечатлеть шлейф частиц.
Несмотря на то, что мы ожидали увидеть эти частицы, мы все равно были удивлены силой струи, выбрасывающей частицы из чаши.
В родственном исследовании использовалась компьютерная модель идеализированного туалета для прогнозирования образования аэрозольных шлейфов с восходящим переносом частиц над чашей со скоростью, приближающейся к 3,3 фута в секунду (1 метр в секунду), что составляет около половина того, что мы наблюдали в настоящем туалете.
Испытание на наличие аэрозольных шлейфов с помощью лазеров
Ученым уже несколько десятилетий известно, что смыв туалетов может привести к выбросу аэрозольных частиц в воздух. Тем не менее, экспериментальные исследования в основном полагались на устройства, которые брали пробы воздуха в фиксированных местах, чтобы определить количество и размер частиц, производимых туалетами.
Хотя эти более ранние подходы могут подтвердить присутствие аэрозолей, они дают мало информации о физике шлейфов: как они выглядят, как распространяются и как быстро перемещаются. Эта информация имеет решающее значение для разработки стратегий по уменьшению образования аэрозольных шлейфов и снижению их способности передавать болезни.
Как профессор инженерного дела, чьи исследования сосредоточены на взаимодействии между физикой жидкости и экологическими или биологическими процессами, моя лаборатория специализируется на использовании лазеров для определения того, как различные объекты переносятся сложными потоками жидкости. Во многих случаях эти вещи невидимы, пока мы не подсветим их лазерами.
Преимущество использования лазерного света для измерения потоков жидкости заключается в том, что, в отличие от физического датчика, свет не изменяет и не разрушает то, что вы пытаетесь измерить. Кроме того, использование лазеров для того, чтобы сделать невидимые вещи видимыми, помогает людям как визуальным существам лучше понимать сложности изменчивой среды, в которой они живут.
Шлейфы аэрозолей могут привести к заболеванию
Аэрозольные частицы, содержащие патогены, являются важными переносчиками болезней человека. Более мелкие частицы, которые остаются взвешенными в воздухе в течение определенного периода времени, могут подвергать людей респираторным заболеваниям, таким как грипп и COVID-19, при вдыхании. Более крупные частицы, которые быстро оседают на поверхности, могут распространять кишечные заболевания, такие как норовирус, через контакт с руками и ртом.
Загрязненная фекалиями вода в унитазе может иметь концентрации патогенов, которые сохраняются после десятков смывов. Но все еще остается открытым вопрос о том, представляют ли шлейфы туалетного аэрозоля риск передачи вируса.
Хотя мы смогли визуально и количественно описать, как аэрозольные шлейфы движутся и рассеиваются, наша работа напрямую не касается того, как шлейфы туалетов передают болезни, и это остается продолжающимся аспектом исследований.
Ограничение распространения туалетного шлейфа
Наша экспериментальная методология обеспечивает основу для будущей работы по тестированию ряда стратегий по минимизации риска заражения болезнями при смыве туалетов. Это может включать оценку изменений в аэрозольных шлейфах, исходящих от новых конструкций унитазов или смывных клапанов, которые изменяют продолжительность или интенсивность цикла смыва.
Между тем, есть способы уменьшить воздействие на человека туалетных шлейфов. Очевидная стратегия - закрыть крышку перед промывкой. Однако это не устраняет полностью аэрозольные шлейфы, и многие туалеты в общественных, коммерческих и медицинских учреждениях не имеют крышек. Системы вентиляции или УФ-дезинфекции также могут уменьшить воздействие аэрозольных шлейфов в ванной комнате.
Джон Кримальди - профессор гражданской, экологической и архитектурной инженерии Колорадского университета в Боулдере. Он получает финансирование от Национального научного фонда, Национальных институтов здравоохранения и Химико-биологического центра DEVCOM армии США.