出品：科普中国
制作：苏澄宇
监制：中国科学院计算机网络信息中心
你是否想过，一个喷嚏能"打"多远？
虽然我们都知道，呼吸道疾病患者很可能通过咳嗽或打喷嚏传染他人，但具体到底能传多远，多大的范围？而每次在呼吸道流行病高发时期，专家呼吁戴口罩、勤洗手、勤通风，也都有人不以为然。
根本原因是我们对病毒的传播细节知之甚少，之前关于病毒的感染控制指南大多是基于模型研究和专家推测，而不是实测数据。
2014年，终于有数学家做了这样的实验。
数学家 Lydia Bourouiba利用高速视频解析了喷嚏和咳嗽时的产生的流场，并用数学模型计算出了两者的传播距离。结果可能让你大吃一惊！
科学家用的高速摄影机 图源：nature video
喷嚏和咳嗽的时候喷出来的是什么？
摄影机下喷嚏时喷射出的唾液 图源：nature video
喷嚏和咳嗽的产生开始于深呼吸，然后肺部的空气被压缩，最后被吸入的空气在几分之一秒内被肺压出来。
咳嗽喷出的东西不止有气体，还伴随着液滴（气溶胶），液滴的大小在100微米以下，相当于人类头发丝的宽度。这些液滴产生于气体喷射的过程中，将肺部、支气管、气管黏附的体液一并带出，喷涌出数万个小液滴。
在重力的作用下，一些较大的液滴很快落到地板上，较小的液滴（直径小于或等于5微米的颗粒）就飞得比较远，而且会随着气流扩散开来。而这时候，大量的病毒和细菌就乘着这些小液滴一起传播了出来。
如何观察咳嗽、喷嚏的气体流动？
前面说了，气溶胶是很小东西，人的肉眼是很难看清的。所以科学家用了什么方法来进行观察呢？具体来说，科学家用2个摄影机和多个光源，在高帧率下拍摄喷嚏下的大量细节，最后用慢动作播放观察，建立数学模型计算。
实验中，科学家招募来10名健康志愿者，站在摄影机前方，然后刺激他们的呼吸道，让志愿者忍不住打喷嚏、咳嗽，通过捕捉到喷嚏、咳嗽时的瞬间。
实验方式 图源：文献1
通过这个可以每秒捕捉几千帧的高速摄影机，科学家可以观察到人们咳嗽或打喷嚏时产生的液滴。
喷嚏产生的雾状结构 图源：nature viedeo
喷嚏和咳嗽到底能飞多远？
△高速视频捕捉到的喷嚏。打喷嚏后，较大的液滴(绿色)从口中喷出，下落速度相对较快。雾状的液滴"云"(红色)，它们传播距离多达8米。图源：文献1
通过慢动作视频，我们可以看到喷嚏、咳嗽产生的过程。
在咳嗽、喷嚏的过程中，我们可以看到液滴组成的高密度喷射物，科学家将之称之为"云"。
较大的液滴不受气相流动的影响，下坠速度较快，距离比较近，在1米范围内；而较小的液滴以不同程度的湍流气云悬浮，射程较远。
大液滴下降的轨迹 图源：文献1
这团"云"在喷射过程中，会将周围的空气卷入，"云"的体积会不断增大，但速度也会逐渐减慢。
咳嗽中云的产生 图源：文献1
通过大量测量，然后将数据输入数学模型后，科学家得出结论：打喷嚏产生的较大液滴可以最远到达8米远的地方，而咳嗽则达到6米远。并且根据不同的环境条件，喷嚏和咳嗽最多可以在空中停留长达10分钟。
由此可见，咳嗽和喷嚏不管在传播距离还是停留空中的时间方面，都足够长，如果是在室内打喷嚏或咳嗽的话，"云"肯定可以从房间一端飘到另一端，这是完全没问题的。
所以是不是人站在患者10米开外就没问题了呢？并不是
前面说了，实验的计算结果的是均值，并不是所有的数据，一些颗粒较小（5微米以下）的液滴会飞得很远，甚至有可能会在空中一直漂浮，而这些飘在空中的到底能飘多久这就很难说了，所以室内通风很重要。
另外，有的人肺活量大，传播距离会更远，人与人之间能呼出的距离是有一定差异的。
最终小液滴落了下来，有的落在了桌子上，有的落在了手机上，有的落在了你的键盘上，有的落在了把柄上，有的落在了你的手上……而你无意中触摸了这些液滴，最后又不洗手，就在不知不觉中染上了病毒，所以勤洗手也很重要。。
戴口罩到底有什么用？
既然咳嗽和喷嚏传播病毒、细菌的能力那么强，那我们就得戴口罩了。不过问题又来了，口罩到底能阻挡多少病毒、细菌的传播。
有个新加坡的科学家就做了这么一个实验，用彩色纹影法成像，观察戴不同类型口罩，会对病毒的传播有什么影响。
纹影法是力学实验中一种常用的光学观测方法。利用光在被测流场中的折射率梯度正比于流场的气流密度的原理，将流场中密度梯度的变化转变为记录平面上相对光强的变化，使可压缩流场中的激波、压缩波等密度变化剧烈的区域成为可观察、可分辨的图像，从而记录下来。
科学家选择了标准外科口罩、N95口罩作为实验材料，在规范戴口罩的前提下，看看不同口罩对呼出物有怎样的阻止效果。
在不戴口罩的情况下，人咳嗽从嘴中呼出的气溶胶自然地涌入周围的空气中。
正常呼吸下的空气流动 图源：文献2
而戴上普通外科口罩之后，虽然咳嗽产生绝大多数气溶胶已从口罩过滤出来，但仍会有少量从口罩上方边缘渗透出来。
普通外科口罩咳嗽的气体流动 图源：文献2
而N95口罩边缘则不会侧漏，都会从正前方透出口罩，也就是说都被过滤了。
N95口罩下咳嗽的气体流动 图源：文献2
由此可见，口罩能降低咳嗽产生的气溶胶的传播效率，标准外科口罩和N95口罩都有很好的保护效果，N95口罩的保护效率更高一些。但不管怎么样，不戴口罩肯定是最糟糕的，尤其是当你已经出现咳嗽等症状时，更加需要戴上口罩阻断传播。
在这特殊的时期，请大家出门都一定戴上口罩呀！
参考文献：
Bourouiba L, Dehandschoewercker E, Bush J W M. Violent expiratory events: on coughing and sneezing[J]. Journal of Fluid Mechanics, 2014, 745: 537-563.
Tang J W, Liebner T J, Craven B A, et al. A schlieren optical study of the human cough with and without wearing masks for aerosol infection control[J]. Journal of the Royal Society Interface, 2009, 6(suppl_6): S727-S736.