Американські хіміки змоделювали розподіл повітряних потоків при грі духового оркестру в двох концертних залах штату Юта. У великому залі з сучасною системою кондиціонування знизити в тисячу разів концентрацію аерозольних частинок допомогла оптимальна розсадка музикантів і відкриті бічні двері, проте в малому залі з застарілою системою кондиціонування відкритих дверей виявилося недостатньо - потрібні додаткові повітровідні канали. Стаття опублікована в журналі.
10 березня 2020 року відбулася планова репетиція хору округу Скаджит у штаті Вашингтон. Протягом двох з половиною годин у ній брали участь 61 музикант, з яких у 53 осіб через кілька днів виявили ковид. Троє з них були госпіталізовані, а двоє померли. До таких наслідків призвело перебування всього одного зараженого чоловіка на репетиції, який за час репетиції жодного разу не чхав або кашляв. Цей випадок став одним з прикладів суперрозповсюдження, про яке ми розповідали в нашому матеріалі «Найстрашніша людина».
Поширення частинок коронавірусу може відбуватися за допомогою кашлю, чхання, розмови, співу або гри на духовому інструменті, а також при прямому контакті із забрудненою поверхнею. При цьому частинки разом з аерозолем можуть відлітати більш, ніж на вісім метрів від джерела, а за часом вони можуть перебувати в повітрі аж до 14 хвилин. І якщо за допомогою соціального дистанціювання можна попередити прямі контакти з зараженими поверхнями, то для боротьби з поширенням вірусу повітряно-крапельним шляхом необхідно розібратися, як розлітаються частинки і чи можна цим керувати. Нещодавно вчені досліджували виділення аерозольних частинок при грі на духових інструментах - найбезпечнішою виявилася туба, а інструменти з високим ризиком передачі аерозольних частинок - це труба, басовий тромбон і гобой.
Щоб дізнатися, як аерозоль з духових інструментів розлітається по сцені і як знизити його зони ураження, Тоні Саад (Tony Saad) і Джеймс Сазерленд (James C. Sutherland) з колегами з університету Юти розрахували динаміку повітряних потоків аерозольних частинок для випадків співу і грі на духових інструментах. При цьому у своїй роботі вони зосередилися тільки на учасниках виступу, не розглядаючи глядачів.
Як сцену вчені вибрали концертні зали Abravanel Hall і Capitol Theatre, в яких часто проходять заходи за участю духових інструментів. Abravanel Hall володіє розмірами, щоб розмістити 85 музикантів з інструментами. На даний момент в будівлі є система з п'яти рядів повітроводів, розрахованих на пропускну здатність 240 кубометрів повітря в хвилину. У Capitol Theatre вісім повітроводів розташовані по краях сцени - вони забезпечують пропускання 550 кубометрів повітря в хвилину.
Стратегія зменшення ризиків включає в себе перерозподіл музикантів за сценою і зміну траєкторій повітряних потоків за допомогою відкриття дверей і введення додаткових елементів. Всього вчені розглянули по три варіанти для обох концертних залів з різною ємністю музикантів. Як рівень відліку дослідники вибрали звичайне розташування музикантів з дотриманням соціальної дистанції в два метри. Інші два варіанти являли собою випадок оптимальної розсадки музикантів з відкритими або закритими дверима біля сцени - для Abravanel Hall, і відкриті двері з витяжним вентиляційним каналом або без - для Capitol Theatre.
Під час розгляду потоків повітря в Abravanel Hall вчені виявили два вихори - один уздовж задньої стіни сцени, а слабший другий на кордоні сцени. Ці вихори відповідальні за рециркуляцію аерозольних частинок, що збільшує час експозиції. Відкриті двері в початковій конфігурації музикантів послабили рециркулюючий потік у центрі сцени - що допомогло вибрати таку розсадку музикантів, в якій потік найбільш ефективно буде відходити у вентиляційні отвори.
У центр сцени вчені помістили музикантів, чиї інструменти не виділяють аерозольні частинки - фортепіано і перкусію. При цьому фаготи, які найбільшою мірою виділяють аерозольні частинки при грі, були розташовані біля дверей. Інші інструменти розташовувалися якомога ближче до вентиляційних установок з урахуванням рівня емісії аерозолю. І хоча нове розташування дозволило на порядок знизити концентрацію аерозольних частинок, навіть при такому розташуванні дерев'яні духові інструменти генерують струмені аерозолю з концентрацією одна частинка на літр, що достатньо для досягнення навколишніх сусідів і витримці їх в даному повітряному потоці. Відкриття дверей же дозволяє знизити концентрацію в більшості простору ще на два порядки - до 0.001 частинок у літрі. При оцінці ймовірності інфікування вчені використовували наближення, в якому вона лінійно пов'язана з концентрацією інфікуючого агента - а значить і ймовірність зараження знижується практично в 1000 разів.
У концертному залі Capitol Theatre подібних рециркуляційних проблем виявлено не було, проте ймовірність зараження все ще була значною. Навіть при відкритті дверей повітряний потік навколо музикантів практично не змінювався, оскільки двері знаходяться на 3 метри вище сцени. Для вирішення проблеми вчені додали витяжний канал позаду музикантів, який видуває аерозольні частинки, що утворюються під час гри. Такий підхід може допомогти сценам, що знаходяться в приміщеннях із застарілою системою кондиціонування.
Деякі розміри вихідних отворів духових інструментів були менше, ніж дозвіл решітки, а тому для розрахунків вони були збільшені. При цьому швидкість потоку залишалася такою ж за рахунок зниження швидкості видування. У добавок вчені зауважують, що їхня модель не враховує ефектів температурного градієнта, відносної вологості та підйомної сили струменів. Ці деталі суттєво впливають на поширення вірусних частинок. Проте нова робота дозволила розглянути розподіл потоків повітря у великих приміщеннях і запропонувала оптимальні конфігурації, які можна поліпшити, якщо залучити більш точні розрахунки або альтернативні методи - наприклад, замінити інструменти туманогенераторами з різними швидкостями генерації і наочно побачити розподіл аерозольних частинок.
За часів пандемії місця музикантів можуть бути замінені роботами. Кілька років тому новозеландський музикант навчив промислових роботів грати на фортепіано, бас-гітарі та барабанній установці У тому ж році робот YuMi зміг повторити рухи диригента і успішно керував філармонічним оркестром.