Химики смоделировали потоки воздуха и пересадили духовой оркестр

Американские химики смоделировали распределение воздушных потоков при игре духового оркестра в двух концертных залах штата Юта. В большом зале с современной системой кондиционирования снизить в тысячу раз концентрацию аэрозольных частиц помогла оптимальная рассадка музыкантов и открытые боковые двери, однако в малом зале с устаревшей системой кондиционирования открытых дверей оказалось недостаточно — требуются дополнительные воздуховодные каналы. Статья опубликована в журнале Science Advances.

10 марта 2020 года состоялась плановая репетиция хора округа Скаджит в штате Вашингтон. В течение двух с половиной часов в ней принимали участие 61 музыкант, из которых у 53 человек через несколько дней обнаружили ковид. Трое из них были госпитализированы, а двое умерли. К таким последствиям привело нахождение всего одного зараженного человека на репетиции, который за время репетиции ни разу не чихал или кашлял. Этот случай стал одним из примеров суперраспространения, о котором мы рассказывали в нашем материале «Самый страшный человек».

Распространение частиц коронавируса может происходить с помощью кашля, чихания, разговора, пения или игры на духовом инструменте, а также при прямом контакте с загрязненной поверхностью. При этом частицы вместе с аэрозолем могут улетать более, чем на восемь метров от источника, а по времени они могут находиться в воздухе вплоть до 14 минут. И если с помощью социального дистанцирования можно предупредить прямые контакты с зараженными поверхностями, то для борьбы с распространением вируса воздушно-капельным путем необходимо разобраться, как разлетаются частицы и можно ли этим управлять. Недавно ученые исследовали выделение аэрозольных частиц при игре на духовых инструментах — самой безопасной оказалась туба, а инструменты с высоким риском передачи аэрозольных частиц — это труба, басовый тромбон и гобой.

Чтобы узнать, как аэрозоль из духовых инструментов разлетается по сцене и как снизить его зоны поражения, Тони Саад (Tony Saad) и Джеймс Сазерленд (James C. Sutherland) с коллегами из университета Юты рассчитали динамику воздушных потоков аэрозольных частиц для случаев пения и игре на духовых инструментах. При этом в своей работе они сосредоточились только на участниках выступления, не рассматривая зрителей.

В качестве сцены ученые выбрали концертные залы Abravanel Hall и Capitol Theatre, в которых часто проходят мероприятия с участием духовых инструментов. Abravanel Hall обладает размерами, чтобы разместить 85 музыкантов с инструментами. На данный момент в здании есть система из пяти рядов воздуховодов, рассчитанных на пропускную способность 240 кубометров воздуха в минуту. В Capitol Theatre восемь воздуховодов расположены по краям сцены — они обеспечивают пропускание 550 кубометров воздуха в минуту.

Стратегия уменьшения рисков включает в себя перераспределение музыкантов по сцене и изменение траекторий воздушных потоков с помощью открытия дверей и введения дополнительных элементов. Всего ученые рассмотрели по три варианта для обоих концертных залов с разной емкостью музыкантов. В качестве уровня отсчета исследователи выбрали обычное расположение музыкантов с соблюдением социальной дистанции в два метра. Остальные два варианта представляли собой случай оптимальной рассадки музыкантов с открытыми или закрытыми дверями у сцены — для Abravanel Hall, и открытые двери с вытяжным вентиляционным каналом или без — для Capitol Theatre.

При рассмотрении потоков воздуха в Abravanel Hall ученые обнаружили два вихря — один вдоль задней стены сцены, а более слабый второй на границе сцены. Эти вихри ответственны за рециркуляцию аэрозольных частиц, что увеличивает время экспозиции. Открытые двери в начальной конфигурации музыкантов ослабили рециркулирующий поток в центре сцены — что помогло выбрать такую рассадку музыкантов, в которой поток наиболее эффективно будет отходить в вентиляционные отверстия.

В центр сцены ученые поместили музыкантов, чьи инструменты не выделяют аэрозольные частицы — фортепиано и перкуссию. При этом фаготы, которые в наибольшей степени выделяют аэрозольные частицы при игре, были расположены у дверей. Остальные инструменты располагались как можно ближе к вентиляционным установкам с учетом уровня эмиссии аэрозоля. И хотя новое расположение позволило на порядок снизить концентрацию аэрозольных частиц, даже при таком расположении деревянные духовые инструменты генерируют струи аэрозоля с концентрацией одна частица на литр, что достаточно для достижения окрестных соседей и выдержке их в данном воздушном потоке. Открытие дверей же позволяет снизить концентрацию в большинстве пространства еще на два порядка — до 0.001 частиц в литре. При оценке вероятности инфицирования ученые использовали приближение, в котором она линейно связана с концентрацией инфицирующего агента — а значит и вероятность заражения снижается практически в 1000 раз.

В концертном зале Capitol Theatre подобных рециркуляционных проблем обнаружено не было, однако вероятность заражения все еще была значительной. Даже при открытии дверей воздушный поток вокруг музыкантов практически не изменялся, так как двери находятся на 3 метра выше сцены. Для решения проблемы ученые добавили вытяжной канал позади музыкантов, который выдувает аэрозольные частицы, образующиеся во время игры. Такой подход может помочь сценам, находящимся в помещениях с устаревшей системой кондиционирования.

Некоторые размеры выходных отверстий духовых инструментов были меньше, чем разрешение решетки, а потому для расчетов они были увеличены. При этом скорость потока оставалась такой же за счет снижения скорости выдувания. В добавок ученые замечают, что их модель не учитывает эффектов температурного градиента, относительной влажности и подъемной силы струй. Эти детали существенно влияют на распространение вирусных частиц.Тем не менее новая работа позволила рассмотреть распределение потоков воздуха в больших помещениях и предложила оптимальные конфигурации, которые можно улучшить, если привлечь более точные расчеты или альтернативные методы — например, заменить инструменты туманогенераторами с разными скоростями генерации и наглядно увидеть распределение аэрозольных частиц.

Во времена пандемии места музыкантов могут быть заменены роботами. Несколько лет назад новозеландский музыкант научил промышленных роботов играть на фортепиано, бас-гитаре и барабанной установке В том же году робот YuMi смог повторить движения дирижера и успешно управлял филармоническим оркестром.

Артем Моськин