本文最初发布于 The Conversation。
每次冲马桶时，它都会向周围空气中释放出微小的液滴。这些被称为 气溶胶羽流 的液滴，会传播人类排泄物中的病原体，使公共卫生间里的人暴露于传染病。
公众对气溶胶羽流的科学认识——以及对其存在的公众意识——一直受到其通常是不可见这一事实的阻碍。我的同事 Aaron True、Karl Linden、Mark Hernandez、Lars Larson 和 Anna Pauls 以及我，能够利用 高功率激光照射这些羽流，从而能够以生动的细节拍摄和测量冲洗商用马桶时扩散的气溶胶羽流的位置和运动。
向上而不是向下
马桶的设计是为了通过向下进入排水管的运动来有效地清空碗中的内容物。在冲水周期中，水与碗中的内容物发生剧烈接触，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劲的向上气流，其速度超过每秒 6.6 英尺（每秒 2 米），在冲水开始后的八秒内，这些颗粒会迅速被带到马桶圈上方 5 英尺（1.5 米）处。
为了可视化这些羽流，我们在实验室里设置了一个典型的无盖商用马桶，配有在北美广泛使用的 冲水阀式阀门。冲水阀式阀门利用压力而非重力将水注入马桶。我们使用特殊的光学器件，在从马桶圈顶部到天花板的区域创建了一个薄的垂直激光光束。使用远程电气触发器冲洗马桶后，气溶胶颗粒会散射足够的激光光，使其可见，使我们能够使用相机拍摄颗粒羽流。
尽管我们预料到了这些颗粒，但喷射出颗粒的强大力量仍然让我们感到惊讶。
一项 相关研究 使用了一个理想化的马桶计算模型来预测气溶胶羽流的形成，预测到颗粒在马桶上方约以每秒 3.3 英尺（每秒 1 米）的速度向上输送，这大约是我们用真实马桶观察到的一半。
为什么使用激光？
几十年来，科学家们一直知道冲马桶会向空气中释放气溶胶颗粒。然而，实验研究 主要依赖于在固定位置采集空气的设备来确定马桶产生的颗粒的数量和大小。
虽然这些早期方法可以证实气溶胶的存在，但它们对羽流的物理特性提供的信息很少：它们看起来是什么样的，它们如何扩散，以及它们移动的速度有多快。这些信息对于制定减少气溶胶羽流形成并降低其传播疾病能力的策略至关重要。
作为一名 工程学教授，我的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 专门利用激光来确定各种物质是如何 被复杂的流体流动输送 的。在许多情况下，这些物质在被激光照射之前是不可见的。
使用激光测量流体流动的优点是，与物理探头不同，光不会改变或干扰你试图测量的东西。此外，使用激光使看不见的东西可见，有助于 视觉生物 更好地理解他们所生活的流体环境中的复杂性。
气溶胶与疾病
含有病原体的气溶胶颗粒是重要的 人类疾病传播媒介。在空气中停留一段时间的较小颗粒可以通过吸入将人们暴露于流感和 COVID-19 等呼吸道疾病。较大的颗粒会迅速沉降在表面上，通过手和嘴接触传播诺如病毒等 肠道疾病。
粪便污染的马桶水中的病原体浓度在冲洗 几十次 后仍然存在。但马桶气溶胶羽流是否构成传播风险仍然 有待讨论。
虽然我们能够直观且定量地描述气溶胶羽流的运动和扩散方式，但我们的工作并未直接解决马桶羽流如何传播疾病的问题，这仍然是研究的一个持续方面。
限制马桶羽流传播
我们的实验方法为未来测试一系列策略奠定了基础，以尽量减少从冲马桶中暴露于疾病的风险。这可能包括评估来自新型马桶设计或冲水阀的、改变冲水周期持续时间或强度的气溶胶羽流的变化。
与此同时，有一些方法可以减少人类接触马桶羽流。一个显而易见的策略是 在冲水前盖上盖子。然而，这并不能完全消除气溶胶羽流，而且许多公共、商业和医疗场所的马桶都没有盖子。通风或 紫外线消毒 系统也可以减轻浴室中气溶胶羽流的暴露。
John Crimaldi 获得美国国家科学基金会、美国国家卫生研究院和美国陆军化学与生物中心 DEVCOM 的资助。
