La fisica delle goccioline respiratorie è collegata alla diffusione del coronavirus Covid-19

Il nuovo studio sulla fisica delle goccioline condotto da un team internazionale di ingegneri, ha evidenziato che le goccioline respiratorie dovute alla tosse o allo starnuto viaggiano più lontano e durano più a lungo in climi umidi e freddi, piuttosto che in climi caldi e secchi. I ricercatori hanno integrato questa comprensione dell’impatto dei fattori ambientali sulla diffusione delle goccioline in un nuovo modello matematico che può essere utilizzato per prevedere la diffusione primaria dei virus respiratori, incluso il coronavirus Covid-19, e il ruolo delle goccioline respiratorie in tale diffusione.
Il team ha sviluppato questo nuovo modello per comprendere meglio il ruolo che le formazioni di goccioline giocano nella diffusione dei virus respiratori. Il loro modello è il primo a essere basato su un metodo fondamentale per lo studio delle reazioni chimiche chiamato “Teoria del tasso di collisione”, che guarda all’interazione e al tasso di collisione di una nube di goccioline espirata da una persona infetta con persone sane. Il loro lavoro collega l’interazione umana su larga scala con i risultati della fisica delle goccioline in microscala, osservando quanto le goccioline si diffondono lontano e veloce e quanto durano. I loro risultati sono stati pubblicati il 30 giugno 2020 nella rivista Physics of Fluids.
Abhishek Saha, professore di ingegneria meccanica all’Università della California San Diego, uno degli autori del documento, ha detto:
«La forma fondamentale di base di una reazione chimica è la collisione di due molecole. La frequenza con cui si scontrano indica la velocità con cui la reazione progredisce. Ciò che abbiamo evidenziato nel nostro studio è esattamente la stessa cosa, la frequenza con cui le persone sane vengono a contatto con una nube di goccioline infette può essere una misura della velocità con cui la malattia può diffondersi».
I ricercatori hanno scoperto che, a seconda delle condizioni meteorologiche, alcune goccioline respiratorie viaggiano fino a una distanza di 2 e 4 metri dalla loro fonte prima di evaporare, senza nemmeno tenere conto del vento. Ciò significa che senza mascherina, 2 metri di distanza sociale possono non essere sufficienti a impedire che le particelle emesse da una persona raggiungano qualcun altro.
Abhishek Saha ha detto:
«La fisica delle goccioline dipende in modo significativo dal tempo, se sei in un clima più freddo e umido, le goccioline di uno starnuto o di una tosse dureranno più a lungo e si diffonderanno più a lungo che in un clima caldo e secco, dove evaporeranno più velocemente. Abbiamo incorporato questi parametri nel nostro modello di diffusione dell’infezione, per quanto ne sappiamo, non sono inclusi nei modelli esistenti».
I ricercatori sperano che il loro modello più dettagliato per il tasso di diffusione dell’infezione e la diffusione delle goccioline contribuisca a informare le politiche di salute pubblica a livello più locale e possa essere utilizzato in futuro per comprendere meglio il ruolo dei fattori ambientali nella diffusione del coronavirus Covid-19.
I ricercatori hanno scoperto che a 35° C e 40% di umidità relativa, una gocciolina può viaggiare per circa 2,5 metri. Tuttavia, a 5° C e all’80% di umidità, una gocciolina può viaggiare fino a 3,6 metri. Il team ha anche scoperto che le goccioline nell’intervallo di 14-48 micron possiedono un rischio maggiore in quanto impiegano più tempo a evaporare e a percorrere distanze maggiori. Le goccioline più piccole, invece, evaporano in una frazione di secondo, mentre le goccioline più grandi di 100 micron si depositano rapidamente a terra a causa del peso. È questa un’ulteriore prova dell’importanza di indossare le mascherine, che intrappolerebbero le particelle in questo intervallo critico.
Il team di ingegneri della UC San Diego Jacobs School of Engineering, dell’Università di Toronto e dell’Indian Institute of Science sono tutti esperti in aerodinamica e fisica delle goccioline per applicazioni che includono sistemi di propulsione, combustione o spray termici, rivolgendo la loro attenzione e competenza alle goccioline rilasciate quando le persone starnutiscono, tossiscono o parlano quando è diventato chiaro che il coronavirus Covid-19 si diffonde attraverso queste goccioline respiratorie.
Hanno applicato modelli esistenti per le reazioni chimiche e i principi fisici alle goccioline di una soluzione di acqua salata (la saliva è ad alto contenuto di cloruro di sodio), che hanno studiato in un levitatore a ultrasuoni per determinare le dimensioni, la diffusione e la durata di vita di queste particelle in varie condizioni ambientali. Molti modelli pandemici attuali utilizzano parametri di adattamento per poter applicare i dati ad un’intera popolazione. Il nuovo modello mira a cambiare questa situazione.
Swetaprovo Chaudhuri, professore all’Università di Toronto, componente del team di ricercatori, ha detto:
«Il nostro modello è completamente basato sui “primi principi”, collegando leggi fisiche che sono ben comprese, quindi non c’è quasi nessun adattamento. Naturalmente, facciamo delle ipotesi idealizzate, ci sono delle variabilità in alcuni parametri ma man mano che miglioriamo ciascuno dei sottomodelli con esperimenti specifici e che includiamo le attuali migliori pratiche in epidemiologia, forse potrebbe essere possibile un modello pandemico dei primi principi con un’elevata capacità predittiva».
Ci sono dei limiti a questo nuovo modello, ma il team sta già lavorando per aumentare la sua versatilità. Saptarshi Basu, professore all’Indian Institute of Science, ha partecipato alla ricerca, ha detto:
«Il nostro prossimo passo è quello di allentare alcune semplificazioni e di generalizzare il modello includendo diverse modalità di trasmissione. Sono in corso anche una serie di esperimenti per indagare le goccioline respiratorie che si depositano sulle superfici comunemente toccate».

Pino Silvestri

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Pino Silvestri, blogger per diletto, fondatore, autore di Virtualblognews, presente su Facebook e Twitter.
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