Программная модель воздушно-капельного распространения SARS-COV-2 в воздухе

Передача вирусного заболевания COVID обусловлена распространением выдыхаемого инфицированным человеком воздуха, содержащего вирус. Моделирование распространения вирусного облака дает возможность оценить условия ограничения его распространения. Для визуализации динамической картины распространения вирусного облака применяется математическое и компьютерное моделирование. В работе представлены результаты компьютерного моделирования распространения вируса SARS-COV-2 в воздухе в виде аэрозоля из частиц слюны <5 мкм, содержащих вирус, образующихся при дыхании инфицированного человека. Приведены сравнительные размеры частиц аэрозоля выдыхаемой воздушно-капельной смеси и частиц дыма, тумана в воздухе. Сделан вывод о термодинамическом конвекционном процессе распространения аэрозольного облака в воздухе. Компьютерная модель разработана на основе уравнения Лапласа с нулевыми граничными условиями и начальными условиями – мгновенный источник в центре объема. Проведено моделирование и сделаны выводы о влиянии температуры на затухание вспышки. Вынесены предположения о необходимости применения поглощающего материала для сокращения времени затухания вспышки. С теоретической и практической точек зрения определено, что процесс распространения SARS-COV-2 в воздухе обусловлен диффузией и конвекцией потока частиц воздушно-капельной смеси в воздухе. Такой поток аналогичен распространению в воздухе дыма и тумана. В исследовании показано, что распространение вируса в воздухе происходит по законам термодинамики и может быть описано средствами математического моделирования физических явлений конвекции и диффузии в газовой среде. Компьютерная модель распространения аэрозольного вирусного облака позволяет визуально оценить масштаб и скорость распространения вируса, выдыхаемого инфицированным человеком, при различных параметрах окружающей среды.

1. Asadi S., Wexler A.S., Cappa C.D. et al. Aerosol emission and superemission during human speech increase with voice loudness. Scientific Reports. 2019;9(2348). Доступно по: https://doi.org/10.1038/s41598-019-38808-z. DOI: 10.1038/s41598-019-38808-z (дата обращения: 20.01.2021)

2. Philip Anfinrud, Ph.D. Visualizing Speech-Generated Oral Fluid Droplets with Laser Light Scattering. New England Journal of Medicine. 2020;382:2061-2063. Доступно по: https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/nejmc2007800. DOI: 10.1056/nejmc2007800 (дата обращения: 20.01.2021)

3. David A. Edwards, Jonathan C. Man, Peter Brand, Jeffrey P. Katstra, K. Sommerer, Howard A. Stone, Edward Nardell, Gerhard Scheuch. Inhaling to mitigate exhaled bioaerosols. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2004;101(50):17383-17388. Доступно по: https://www.pnas.org/content/101/50/17383. DOI: 10.1073/pnas.0408159101 (дата обращения: 20.01.2021)

4. Landman W.J.M., J.H.H Van Eck. Aerosolization of Newcastle Disease Vaccine Virus and Enterococcus Faecalis. Avian Diseases. 2001:45(3):684-87. Доступно по: https://www.jstor.org/stable/1592912. DOI:10.2307/1592912 (дата обращения: 20.01.2021)

5. Van Doremalen N., Bushmaker T. et al. Aerosol and surface stability of SARS-COV-2 as compared with SARS-COV-1. New England Journal of Medicine. 2020;382:1564-1567. Доступно по: https://www.nejm.org/doi/10.1056/NEJMc2004973. DOI: 10.1056/NEJMc2004973 (дата обращения: 20.01.2021)

6. Ignatius T.S. Yu, M.B., B.S., M.P.H., Yuguo Li et al. Evidence of Airborne Transmission of the Severe Acute Respiratory Syndrome. New England Journal of Medicine. 2004;350:1731-1739. Доступно по: https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/nejmoa032867. DOI: 10.1056/NEJMoa032867 (дата обращения: 20.01.2021)

7. Zhang H., Li X., Ma R. et al. Airborne spread and infection of a novel swine-origin influenza A (H1N1) virus. Virology Journal. 2013;10(204). Доступно по: https://doi.org/10.1186/1743-422X-10-204. DOI: 10.1186/1743.422X.10.204 (дата обращения: 20.01.2021)

8. Paul Dabisch, Michael Schuit et al. The influence of temperature, humidity, and simulated sunlight on the infectivity of SARS-CoV-2 in aerosols. Aerosol Science and Technology. 2021;55(2):142-153. Доступно по: https://doi.org/10.1080/02786826.2020.1829536. DOI: 10.1080/02786826.2020.1829536 (дата обращения: 20.01.2021)

9. Монастырский Л.М., Бондарев Р.В. К вопросу о механизме распространения запаха в воздухе. Успехи современного естествознания. 2014;12(4):448-450. Доступно по: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=34632 (дата обращения: 20.01.2021)

10. Veretekhina S.V. A.M. Karmishin, A.D. Kozlov. Analysis of initial and boundary conditions for convective diffusion of vapors and aerosols in closed volumes. EurAsian Journal of BioSciences. 2020;14(1):995-1002. Доступно по: http://www.ejobios.org/article/analysis-of-initial-and-boundary-conditions-for-convective-diffusion-of-vapors-and-aerosols-in-7586 (дата обращения: 20.01.2021)

11. Maggiore Ettore, Tommasini Matteo, Ossi Paolo. Propagation in outdoor environments of aerosol droplets produced by breath and light cough. Aerosol Science and Technology. 2020;55(3):1-12. Доступно по: https://doi.org/10.1080/02786826.2020.1847247. DOI: 10.1080/02786826.2020.1847247 (дата обращения: 20.01.2021)

12. Сомов С.А., Иванов А.С. Исследование термоконцентрационной конвекции во влажном воздухе методом голографической интерферометрии. Вестник Пермского университета. Физика. 2020;2:48–56. Доступно по: http://press.psu.ru/index.php/phys/article/view/3233/2339. DOI: 10.17072/1994-3598-2020-2-48-56 (дата обращения: 20.01.2021)