每次冲水时厕所都会喷出看不见的气溶胶羽流

每次您冲马桶时，它都会向您周围的空气中释放出细小的水滴。这些被称为气溶胶羽流的飞沫可以传播人类排泄物中的病原体，并使公共厕所里的人感染传染病。

由于气溶胶羽流通常不可见，因此阻碍了对气溶胶羽流传播的科学理解以及公众对其存在的认识。我的同事AaronTrue、KarlLinden、MarkHernandez、LarsLarson和AnnaPauls以及我能够使用高功率激光照亮这些羽流，使我们能够成像和测量从冲洗商业厕所传播的气溶胶羽流的位置和运动生动的细节。

上升而不是下降

马桶被设计成通过向下运动进入排水管有效地清空马桶内的内容物。在冲洗循环中，水与马桶内的物品强力接触，并产生悬浮在空气中的细小颗粒喷雾。

我们发现，典型的商用马桶会产生一股强烈的向上喷射气流，速度超过每秒6.6英尺(每秒2米)，在马桶开始后的8秒内迅速将这些颗粒带到马桶上方5英尺(1.5米)处同花顺。

为了可视化这些羽流，我们在我们的实验室中设置了一个典型的无盖商用马桶，该马桶带有冲洗阀式阀门，在整个北美地区随处可见。冲洗阀使用压力而不是重力将水导入便池。我们使用特殊光学器件制作了薄薄的垂直激光片，照亮了从碗顶到天花板的区域。在用远程电触发器冲洗马桶后，气溶胶颗粒会散射足够多的激光以变得可见，从而使我们能够使用相机对颗粒羽流进行成像。

该视频比较了在实验室中使用和不使用激光冲洗后气溶胶羽流的可见性。

尽管我们预计会看到这些颗粒，但我们仍然对从碗中喷出颗粒的射流强度感到惊讶。

一项相关研究使用理想化厕所的计算模型来预测气溶胶羽流的形成，颗粒以接近每秒3.3英尺(每秒1米)的速度向上传输，大约是我们观察到的速度的一半有一个真正的厕所。

为什么激光?

几十年来，科学家们已经知道抽水马桶会将气溶胶颗粒释放到空气中。然而，实验研究在很大程度上依赖于在固定位置对空气进行采样的设备，以确定厕所产生的颗粒数量和大小。

虽然这些较早的方法可以确认气溶胶的存在，但它们提供的有关羽流物理学的信息很少：它们的外观、传播方式以及移动速度。该信息对于制定减轻气溶胶羽流形成和降低其传播疾病能力的策略至关重要。

在冲洗循环期间，水会强力流入马桶。图片来源：SouthHamsian/WikimediaCommons，CCBY-NC-SA

作为一名工程教授，其研究重点是流体物理学与生态或生物过程之间的相互作用，我的实验室专门研究使用激光来确定复杂流体流动如何传输各种物质。在许多情况下，这些东西在我们用激光照亮它们之前是看不见的。

使用激光测量流体流动的一个优点是，与物理探头不同，光不会改变或破坏您要测量的东西。此外，使用激光使不可见的事物可见有助于人们作为视觉生物更好地理解他们所生活的流动环境中的复杂性。

气溶胶和疾病

含有病原体的气溶胶颗粒是重要的人类疾病载体。悬浮在空气中一段时间​​的较小颗粒可能会通过吸入使人们感染流感和COVID-19等呼吸道疾病。快速沉积在表面的较大颗粒可以通过接触手和嘴传播肠道疾病，如诺如病毒。

被粪便污染的马桶水的病原体浓度可能会在数十次冲水后持续存在。但是，厕所气溶胶羽流是否存在传播风险仍然是一个悬而未决的问题。

这段视频显示AaronTrue在电脑屏幕上监控冲水马桶羽流的实时图像数据。

虽然我们能够直观地和定量地描述气溶胶羽流如何移动和分散，但我们的工作并未直接解决厕所羽流如何传播疾病，这仍然是研究的一个持续方面。

限制厕所羽流扩散

我们的实验方法为未来的工作奠定了基础，以测试一系列策略，以最大限度地减少因冲水马桶而感染疾病的风险。这可能包括评估新马桶设计或冲洗阀产生的气溶胶羽流变化，这些变化会改变冲洗周期的持续时间或强度。

同时，有一些方法可以减少人类接触厕所羽流的机会。一个明显的策略是在冲洗前关闭盖子。然而，这并不能完全消除气溶胶羽流，而且公共、商业和医疗机构中的许多厕所都没有盖子。通风或紫外线消毒系统也可以减少暴露在浴室中的气溶胶羽流。

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