在我们常用的通勤方式中，潜藏着复杂的疾病传播流体动力学路径。我们乘坐的位置和开启的窗户都可能增加或阻止空气传播感染的风险。
当你读到这句话时，你已经吸入了曾经通过我们之前每个人肺部的空气。这一事实提醒我们，空气等流体具有惊人的传播和扩散其携带颗粒的能力。在新冠肺炎肆虐全球期间，我们都知道疾病可能会通过空气传播。但即便如此，如果处于空气充分混合的户外环境，我们在社交互动中交换的悬浮颗粒（或称气溶胶颗粒）的数量相对较少。
然而，在通风不良的密闭空间，情况却截然不同。呼吸道疾病主要在室内传播，其途径包括咳嗽、打喷嚏或大声说话时急速喷出的大量空气和飞沫。即使是正常的呼吸，呼出的每升空气中所含的悬浮颗粒多达1 000个。在蒸发或沉积于物体表面之前，这些微滴可以在空中悬浮几分钟，而我们周围那些看不见的漂浮热卷流也可以将它们带到很远很远的地方。
对于与家人以外的人一起乘坐乘用车（如出租车或拼车）上下班的人来说，这尤其令人担忧。可以说，这种场景是亲密社会互动的缩影。但普通汽车的内部体积只有4立方米，因此不可能保持社交距离。
座舱微气候
大多数大城市每天的拼车总量超过100万次，平均行车时间约为15分钟。世界各地的出租车和拼车公司不得不实施各种措施降低风险，如要求佩戴口罩、设置防护屏障和手部消毒等。然而，对于悬浮颗粒而言，这些措施只能起到部分防护作用。即使一个人戴着口罩，气溶胶也可以通过口罩织物和脸之间最小的缝隙渗透。我们被告知，要与他人保持6英尺（约1.8米）的距离，但气溶胶的传播距离却远远超出这一距离。几分钟之内，这些微滴就会遍布座舱空间，使乘客暴露于病毒粒子中。
临界值和安全暴露时间尚不清楚，很可能是取决于生物、性能和环境等多重因素的变量。我们能知道与陌生人共乘一辆汽车时空气传染的风险吗？在最简单的近似法中，度量标准是以每小时换气次数（ACH）表示的座舱空气质量。另外，乘客数量也是重要的衡量标准。美国疾病控制与预防中心建议，1个人的通风量应达到至少10 L/s。
但对于风险评估来说，空调开启或车窗摇下时形成的特定气流模式也很重要。为此，在过去一年中，我和我的三位同事阿希曼苏 · 达斯（Asimanshu Das）、杰夫 · 贝利（Jeff Bailey）及肯尼 · 布鲁尔（Kenny Breuer）一起研究了乘用车内部的流体动力路径。
我们并非首个开展此项研究的团队。此前，还有其他研究人员对这些最常见的气流模式进行过研究，旨在确定如何降低座舱噪音或如何稀释香烟烟雾。在研究过程中，布鲁尔率先提出了自己的想法。他认为，当空气在汽车周围流动时，会对侧窗产生压力，而前侧窗的压力要低于后侧窗。从18世纪开始，流体力学家就意识到了这种效应的存在。当时，丹尼尔 · 伯努利（Daniel Bernoulli）推断，当气流流动速度增加时，压力通常会下降。如果是这样的话，我们希望弄清楚，如果打开车窗，前后窗户之间的压力梯度是否也会导致座舱内的气流从后往前流动？
现场测试同时采用了烟雾可视化和流动棒技术，并验证了这一假设。为了解决有关座舱内气流和具有潜在传染性的气溶胶的传播等更详细的问题，我们采用了计算机模拟技术。特别的是，我们得出了简化（时间平均）版纳维斯托克斯方程的答案，而这些方程几乎适用于我们周围所有流体的运动。
气流模式
我们大致以丰田普锐斯为原型设计了汽车的几何外观，并在右后座上安排了一名乘客。在这个共2名乘员的配置中，我们以时速50英里模拟了几个车窗开启和关闭的组合。正如预期的那样，最佳方案是开启所有四扇车窗，让新鲜空气从后窗进入后在座舱内流通，最后从前窗排出。结果如下：有效空气交换率为250 ACH，或每人50 L/s。如果汽车速度减半，有效空气交换率也会降低一半左右。无论哪种情况，其数值都远远高于文献中推荐的通气量。不过，很明显，在不良天气条件下，由于寒冷、炎热或潮湿的空气会给乘员带来不适，这种极端的做法不会被采用。
幸运的是，我们发现了一些其他的设置，它们所代表的折中方案更具有实际意义。例如，只打开两扇车窗，一扇在后部，另一扇在前部，形成一条从后部到前部的交叉通风通道。令人惊讶的是，我们注意到打开离两名驾乘人员最远的窗户（即前右窗和后左窗）的几个关键优势。如图（a）所示，这种情况下会产生一股气流，从左后窗进入座舱，经过后座乘客，最后从右前窗排出。进入汽车的新鲜空气大部分在后侧右下角急转弯，只有一小部分滞留在座舱内循环。
计算机模拟乘用车以每小时50英里的速度行驶时的气流模式和气溶胶浓度，并将右前侧和左后侧的车窗均打开。（a）气流通过左后窗进入座舱，然后绕过后座，在乘客身后的右后角急转弯，从右前窗出。一小部分进入的空气在离开座舱前也会在车内循环。（b）汽车的横截面显示出座舱内的气溶胶浓度，上面的车辆显示的是驾驶员呼出的气溶胶浓度，其中只有一小部分到达乘客；下面的车辆显示乘客呼出的气溶胶到达司机的比例也很小
让我们惊讶的是，我们注意到在驾乘人员之间形成了一道气流屏障。屏障气流可以保护驾乘人员，使他们免于交叉感染，就像超市和购物中心门口的空气幕可以防止室外空气与控制温度下的室内空气混合一样。该气流还可以减轻快速流动的空气直接吹向驾乘人员时产生的不适感，但仍能确保150 ACH的良好空气交换率，或每人30 L/s。
直径小于10μm的颗粒沿该路径运动，并被进入座舱的气流稀释。在模拟过程中，我们考虑了平流和湍流扩散两种效应，发现其中一个乘员呼出的气溶胶大约有5%会到达另一个乘员所在的位置，如前述图（b）所示。
现在，您觉得拼车安全吗？要回答这个问题，我们不仅要考虑物理隔离措施和通风量，还要考虑实际的乘坐时间。对于SARS-CoV-2等新型病原体，我们只能评估其相对风险。尽管疫苗正在发挥作用，但这种病毒仍在不断进化。事实上，科学家们最初可能低估了传染病在人与人之间传播时存在的巨大生物变异性。在COVID-19这种疾病中，20%最具传染性的感染者造成了80%的疫情传播。保险起见，我们现在还不能放松警惕。
资料来源 Physics Today
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本文作者瓦吉斯·马塔伊（Varghese Mathai）是美国马萨诸塞大学阿默斯特分校物理学助理教授