La pandémie COVID-19 en cours est propagée par des aérosols respiratoires, dans lesquels de minuscules gouttelettes de salive et de mucus contenant le coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SRAS-CoV-2) sont expulsées des voies respiratoires supérieures. Bien que de nombreuses études aient examiné la charge virale de ces gouttelettes, on ne sait pas grand-chose sur la distance parcourue par ces gouttelettes ou sur la durée pendant laquelle elles persistent dans l'air, même si ces informations sont cruciales pour déterminer à quel point elles sont infectieuses.
Maintenant, une nouvelle étude réalisée par des chercheurs de l'Université de Twente et de l'Université de Rome Tor Vergata et publiée sur le serveur de pré-impression medRxiv* en août 2020 montre que les hypothèses précédentes concernant ces gouttelettes étaient fausses. En effet, sous 50% d'humidité relative, les plus petites gouttelettes survivent 50 fois plus longtemps, et à 90% d'humidité relative, jusqu'à 150 fois plus longtemps. En d'autres termes, la règle de distance sociale de deux mètres ou six pieds est manifestement inadéquate, étant donné la portée d'advection réelle des gouttelettes en une seconde. Et la portée, ainsi que la durée de vie de la gouttelette, n'augmente qu'avec une taille de gouttelette plus petite.
Visualisations de gouttelettes dans une toux abondante pour HR = 50%: a-d, instantanés de la simulation de toux chargée de gouttelettes. Au temps t = 100 ms, la toux contient de l'air chaud à haute teneur en humidité. L'air chaud et humide se propage (t ~ 200 ms) et se dissipe (t ~ 400 ms) dans l'environnement ambiant. À t ~ 400 ms, nous montrons des gouttelettes plus grosses tombant de la bouffée tandis que les gouttelettes plus petites restent protégées et sont entraînées par la bouffée.
Sommaire
Prévenir la transmission respiratoire
Les règles actuelles de distanciation sociale trouvent leur origine dans un article de 1919 traitant de la grippe espagnole de l'époque. Ceci, à son tour, était basé sur une théorie de la transmission par gouttelettes de virus développée par William F. Wells en relation avec la propagation de la tuberculose. Il pensait que le large éventail de particules produites par une toux ou un éternuement chez un patient tuberculeux déterminerait le comportement des gouttelettes. De petites gouttelettes s'évaporeraient rapidement et laisseraient des particules d'aérosol séchées moins infectieuses avec un risque de transmission moindre. Des gouttelettes plus grosses seraient comme des balles. Dans l'étude actuelle, les gouttelettes mesurant plus de 5 à 10 micromètres sont appelées gouttelettes respiratoires et peuvent provoquer une propagation d'hôte à hôte. De petites gouttelettes, ou gouttelettes respiratoires, transfèrent le virus par aérosols.
Malgré l'âge de ce principe, les preuves montrent qu'il est défectueux. Non seulement la propagation virale a continué à se produire, en particulier avec les super-épandeurs, mais les gouttelettes sont connues pour durer plus longtemps et se propager plus loin que quelques secondes et deux mètres, à savoir jusqu'à 8 mètres et jusqu'à 10 minutes, respectivement. En effet, les gouttelettes sont généralement expulsées sous forme de nuage, dans de l'air chaud et humide, ce qui retarde leur séchage et prolonge leur période infectieuse. En fait, la durée de vie des gouttelettes dépend du processus de mélange dans cet air turbulent, alors que le comportement de séchage antérieur est celui d'une seule gouttelette.
Transmission aéroportée
Ce changement d'hypothèses fondamentales est étayé par des études empiriques, des connaissances médicales et de la physique – «la transmission aérienne à longue distance par l'émission de nuages de gouttelettes turbulentes multiphases est un facteur essentiel». Certains chercheurs ont montré que des patients très infectieux peuvent propager le virus dans leurs aérosols sur de grandes distances. En fait, les résultats d'une telle propagation peuvent être une maladie encore plus grave en raison des minuscules gouttelettes de l'aérosol, ce qui conduit à leur entrée profondément dans les poumons.
Rapport de durée de vie pour les gouttelettes de 10 µm et 20 µm: a, Durée de vie prolongée en fonction de l'humidité relative jusqu'à HR = 90%. Les courbes de la figure sont ajustées selon la fonction y = a1 / (1 – x) + a2, où a1 et a2 sont les paramètres d'ajustement. Visualisations de la bouffée humide pour une HR ambiante = 50% et 90% au temps 600 ms: b, La bouffée humide maintient la cohérence pendant plus longtemps et à des distances beaucoup plus longues pour une HR ambiante plus grande. Notez les différentes échelles de couleur d'humidité pour deux cas illustrés.
Humidité et infectiosité
L'étude actuelle ne traite pas seulement de la nature accumulée des aérosols, qui restent infectieux à l'intérieur pendant des heures, mais aussi de la contribution peu comprise de l'humidité. En raison de l'immense difficulté à suivre le mouvement de milliers de minuscules gouttelettes dans l'espace et au fil du temps, tout en gardant une trace ou en ajustant les conditions telles que le débit, la largeur de distribution des gouttelettes, la température et l'humidité relative, les chercheurs ont choisi d'utiliser des simulations numériques à la place.
Évaluation de la physique des gouttelettes à petite échelle
Ils ont peaufiné les méthodes existantes pour s'assurer que la petite échelle du processus de mélange des gouttelettes, ainsi que le couplage de la température et de l'humidité, qui sont si essentiels à l'évaporation des gouttelettes et donc à leur durée de vie et à leurs effets, sont correctement capturés. Cela a impliqué le développement d'un outil numérique très efficace qui sera utile pour révéler la physique des flux d'un événement survenant avec la respiration, et aussi ce qui décide de l'énorme augmentation de la durée de vie d'une gouttelette respiratoire par rapport à la considération de la gouttelette isolée de son environnement. vitesse de bouffée, température et humidité. Cet outil peut également être utilisé pour simuler des événements respiratoires plus complexes, en particulier ceux qui ont lieu à l'intérieur.
Les conditions de l'expérience comprenaient une durée de 0,6 seconde, simulant une bouffée d'air turbulente dans l'air ambiant, pleine de 5000 gouttelettes d'eau, ainsi que de l'air chaud saturé de vapeur, afin de reproduire une forte toux. La température initiale était de 34 oC. La température de l'air ambiant a été fixée à 20oC, avec une humidité relative comprise entre 50% et 90%. La chaleur et la vapeur de la bouffée turbulente sont échangées avec l'air ambiant. Les chercheurs ont suivi les gouttelettes pendant plusieurs secondes pour comprendre la physique sous-jacente à leur évaporation en masse.
Schéma de chute des grandes et petites particules
Le premier résultat à une HR de 50% est la chute de gouttelettes plus grosses de plus de 100 μm de diamètre, de manière balistique, du fait de leur poids par rapport au flux d'air, à 0,1 m à 0,7 m de la source. Celles-ci s'évaporent plus rapidement, compromettant la survie des particules infectieuses. Cela concorde avec les premières prédictions (Wells, 1930) et les lignes directrices actuelles de distanciation sociale de l'Organisation mondiale de la santé (OMS), du Centre de prévention et de contrôle des maladies (CDC) et du Centre européen de prévention et de contrôle des maladies (ECDC).
Lorsqu'elles sont plus petites que cela, cependant, les gouttelettes forment des spirales traçant un chemin principalement horizontal, ce qui signifie qu'elles favorisent également la transmission par voie aérienne plutôt que par gouttelettes – contrairement à l'hypothèse actuelle de l'OMS. Cela est dû à leur vitesse de décantation plus lente par rapport à la vitesse du fluide dans lequel ils sont transportés, ce qui signifie une nouvelle convection par le courant d'air turbulent. Ce dernier est essentiel dans la transmission aérienne de l'infection.
Ce comportement de petites gouttelettes signifie qu'elles ont une durée de vie beaucoup plus élevée que les gouttelettes isolées. En fait, les gouttelettes de 10 μm à HR 50% et 90% ont 60 à 200 fois les temps de survie de la valeur Wells. Ceux-ci se déplacent plus lentement en fonction de l'écoulement du fluide, et donc rétrécissent moins en raison d'une convection et d'une évaporation réduites.
Par conséquent, avec des toux successives, la bouffée peut atteindre plus de 2 m de la source au bord d'attaque, la plupart des petites gouttelettes se trouvant dans un environnement humide et vivant ainsi plus longtemps.
Implications et recommandations
Ainsi, l'étude montre que le champ d'humidité autour de la gouttelette plus la vitesse de turbulence, et pas seulement le diamètre de la gouttelette, détermine la durée de vie de la gouttelette respiratoire. Cela augmente leur durée de vie de plusieurs ordres de grandeur. L'humidité relative ambiante prolonge encore la durée de vie, et les chercheurs commentent: « Cette découverte peut expliquer pourquoi de nombreux événements de super-propagation du COVID-19 ont été signalés dans des environnements intérieurs avec une humidité relative ambiante élevée. » Ils citent la forte diffusion dans les usines de transformation de la viande avec de l'air refroidi, ce qui augmente considérablement l'humidité relative à l'intérieur.
Cela signifie que la concentration des aérosols et des gouttelettes doit être contrôlée à l'intérieur, en particulier à l'automne et à l'hiver à venir. Encore une fois, des experts médicaux plus âgés comme Soper (1919) ont raison avec leur affirmation, qui concernait à l'origine la pandémie de grippe espagnole de ces années, selon laquelle «il y a un danger dans l'air dans lequel ils toussent et éternuent». De plus, selon l'étude actuelle, «nous devons aussi ajouter« parler »,« chanter »,« crier »et même« respirer ». En fait, Soper a recommandé des fenêtres ouvertes à la maison et au travail, et des masques pour les patients suspects – un excellent protocole pour aujourd'hui au puits.
L'étude actuelle confirme et explique ainsi les stratégies d'atténuation de Soper à utiliser pour contrôler la transmission du COVID-19. Les chercheurs affirment que les masques faciaux bloquent les gouttelettes respiratoires à l'intérieur, et certains peuvent même réduire l'inhalation de ces gouttelettes, un rôle essentiel pour les travailleurs de la santé dans la pandémie.
Une excellente ventilation est tout aussi importante pour garantir que la bouffée infectieuse sort de la pièce ou se dilue rapidement et fortement. Un effet défavorable possible de ceci est qu'une bonne ventilation peut augmenter la longueur du chemin de propagation des gouttelettes, et ces deux effets de la ventilation sur les propriétés de transmission doivent être étudiés en parallèle.
Enfin, une humidité relative ambiante plus basse aidera à accélérer l'évaporation des gouttelettes et des aérosols, réduisant l'infectivité en diminuant la durée de vie des particules infectieuses et des aérosols.
L'étude résume: «Nos résultats aident à comprendre pourquoi ces diverses stratégies d'atténuation contre le COVID-19 sont couronnées de succès…. Notre outil et notre approche actuels seront un point de départ pour des études de paramètres plus larges et pour optimiser davantage les stratégies d'atténuation.
*Avis important
medRxiv publie des rapports scientifiques préliminaires qui ne sont pas évalués par des pairs et, par conséquent, ne doivent pas être considérés comme concluants, orienter la pratique clinique / les comportements liés à la santé ou être traités comme des informations établies.
