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Simulaciones de toses y estornudos para estudiar la transmisión aérea de enfermedades

Investigadores de la Universidad Rovira i Virgili han simulado el flujo de aire producido al toser y estornudar con un detalle sin precedentes gracias al uso de avanzados sistemas de computación. Los resultados ayudan a analizar la capacidad de los aerosoles infecciosos para dispersarse y mantenerse suspendidos, lo que facilita la transmisión del coronavirus y otros patógenos por vía aérea.

Estornudo con el penacho de gotitas salivales al ser expulsadas. / James Gathany - CDC Public Health Image library

La transmisión del virus SARS-CoV-2, responsable de la covid-19, se produce sobre todo a través de las gotitas o aerosoles emitidos cuando una persona infectada habla, estornuda o tose. 

La capacidad de estas partículas para mantenerse en suspensión en el aire y dispersarse en el entorno depende principalmente del tamaño y las características del flujo de aire generado por la exhalación más o menos violenta de aire.

Los resultados de las simulaciones numéricas permiten entender mejor las características del flujo de aire al toser o estornudar y determinar la capacidad de los aerosoles infecciosos para quedarse suspendidos o dispersarse, lo que facilita el contagio de la covid-19 y otras enfermedades

En este contexto, investigadores de la Universidad de Rovira i Virgili (URV) y otros centros han empleado simulaciones numéricas para estudiar con un nivel de detalle sin precedentes el proceso de dispersión de aerosoles generado por un episodio de tos o de estornudos.

Para conseguir un nivel de detalle tan alto se han requerido sistemas de computación de altas prestaciones, con mucha potencia de cálculo y multitud de procesadores de un superordenador trabajando al mismo tiempo.

Los resultados, publicados en dos artículos en la revista Physics of Fluidspermiten entender mejor las características del flujo producido por la respiración y determinar la capacidad de los aerosoles infecciosos para dispersarse en el entorno y mantenerse suspendidos, lo que facilita el contagio de la covid-19 y otras enfermedades de transmisión aérea.

Los datos muestran que la capacidad de ascender debido a la flotación del soplo de aire producido por la exhalación permite arrastrar las partículas de menos de 32 micras por encima de la altura de emisión, lo que genera una nube con una alta capacidad para mantenerse en suspensión y ser dispersada a distancias significativas por las corrientes de aire ambientales.

Por su parte, las partículas más grandes tienen un alcance muy limitado que no se ve alterado por el efecto de la evaporación durante la trayectoria hacia el suelo. Asumiendo valores de carga viral habituales en una enfermedad infecciosa, los datos han permitido obtener un mapa de la concentración de partículas víricas en torno a la persona infectada después de que haya tosido.

Tanto en la covid-19 como con otras enfermedades infecciosas de transmisión aérea, como la tuberculosis, la gripe común o el sarampión, el papel que tiene la dinámica de fluidos es clave a la hora de predecir el riesgo de infección por inhalación de las partículas en suspensión.

Si se considera un episodio de tos idealizado con una duración de 0,4 segundos a una velocidad de aire exhalada máxima de 4,8 m/s, el flujo genera primero un chorro turbulento de aire más caliente y húmedo que el del entorno. Una vez finalizada la exhalación, el chorro evoluciona hacia un soplo que asciende debido a la flotación de su poco peso, mientras se disipa describiendo una trayectoria ascendente.

Influencia del tamaño de las partículas

Las partículas transportadas por este flujo forman nubes con trayectorias muy diferentes según el tamaño. Las más grandes, con una dinámica dominada por la gravedad, describen líneas parabólicas con un alcance horizontal muy marcado. A pesar de la limitada capacidad para mantenerse en suspensión y el limitado alcance horizontal, la carga viral puede ser potencialmente elevada porque tienen un tamaño grande (diámetros mayores de 50 micras).

La exhalación permite arrastrar las partículas de menos de 32 micras por encima la altura de emisión, lo que genera una nube con alta capacidad para mantenerse en suspensión y ser dispersada a distancias significativas por las corrientes

En contraste, las más pequeñas (con diámetros inferiores a 50 micras) son transportadas sobre todo por la acción del arrastre ejercido por flujo de aire de fondo. Estos aerosoles son capaces de mantenerse en suspensión durante más tiempo y se dispersan sobre distancias más grandes.

Las más grandes se sostienen en el aire unos segundos, mientras que las más pequeñas pueden llegar a mantenerse varios minutos. A pesar de la carga viral inferior, estos aerosoles son capaces de superar la contención de las mascarillas faciales y viajar de una estancia a otra a través, por ejemplo, los sistemas de ventilación. El porcentaje de retención de las mascarillas baja con las partículas más pequeñas.

Este comportamiento diferenciado de la nube de partículas en función del tamaño se complica debido a los efectos de la evaporación que provoca la progresiva reducción del diámetro de la gotita a medida que se evapora.

Este estudio lo han liderado investigadores del departamento de Ingeniería Mecánica de la URV coordinados por Alexandre Fabregat y Jordi Pallarès, en colaboración con investigadores de la Universidad del Estado de Utah y la Universidad de Illinois (EE UU) y ha contado con el apoyo del Consorcio de Servicios Universitarios de Cataluña.

De izquierda a derecha y de arriba a abajo, los paneles muestran el campo de magnitud de la velocidad del aire generado por un estornudo. La exhalación de aire alcanza la máxima velocidad a 0,15 segundos y finaliza a 0,40 segundos. Los colores muestran el valor de velocidad en metros por segundo. / URV

Referencias:

Alexandre Fabregat et al. “Direct numerical simulation of the turbulent flow generated during a violent expiratory event” y “Direct numerical simulation of turbulent dispersion of evaporative aerosol clouds produced by an intense expiratory event”. Physics of Fluids, 2021

Fuente:
URV
Derechos: Creative Commons.
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