Como a temperatura ambiente altera as nuvens de aerossóis de uma tosse na URV

Uma tosse ou um espirro parecem algo insignificante porque acontecem num instante. Sente-se um comichão, o corpo reage e, em menos de um segundo, minúsculas gotículas e partículas saem pela boca e pelo nariz.

A maior parte é tão pequena que não se vê a olho nu. Mas não desaparece por magia: desloca-se pelo ar, mistura-se com o ambiente da divisão e, por vezes, permanece no espaço mais tempo do que imaginamos.

A pandemia de COVID-19 levou muita gente a pensar nesta “nuvem” invisível pela primeira vez. Os cientistas já sabiam que os vírus podem viajar em aerossóis, mas continuavam com várias dúvidas.

Até que distância vão estas partículas? Durante quanto tempo se mantêm agrupadas? Uma sala quente altera a sua trajectória? E uma sala fria faz com que se comportem de outra forma?

Para responder a estas perguntas, uma equipa de investigação da Universitat Rovira i Virgili (URV), em Tarragona, Espanha, decidiu usar uma máquina capaz de “tossir” de forma controlada.

Cada pessoa tosse de maneira diferente

À primeira vista, estudar tosses reais parece simples, mas não é. Cada pessoa tosse de maneira diferente.

Há quem expulse o ar com mais força. Outras pessoas têm maior capacidade pulmonar. Algumas abrem mais a boca. Até a forma do nariz, da garganta e da boca pode alterar a forma como o ar sai do corpo.

Tudo isto dificulta a comparação de resultados. Se uma tosse chega mais longe do que outra, isso acontece por causa da temperatura da sala ou porque alguém tossiu com mais intensidade?

Um simulador de tosse

Para contornar este problema, os investigadores construíram um simulador mecânico de exalação. O sistema recorria a um modelo, impresso em 3D, das vias aéreas superiores humanas - incluindo nariz, garganta e traqueia - ligado a um rosto humano também impresso em 3D.

A máquina fazia passar ar quente, carregado de partículas minúsculas de aerossol, através do modelo, de forma semelhante ao ar que sai de um corpo humano real.

A equipa utilizou uma folha de laser para iluminar a nuvem de aerossóis e uma câmara de alta velocidade para registar para onde ela se deslocava.

A temperatura da sala altera as nuvens de aerossóis

Os investigadores testaram as nuvens semelhantes às de uma tosse dentro de uma câmara com dimensões aproximadas às de uma sala de estar grande.

A temperatura ambiente foi ajustada para 27°C (80,6°F), 17°C (62,6°F) e 7°C (44,6°F). O ar exalado manteve-se a 37°C (98,6°F), próximo da temperatura corporal normal.

Nicolás Catalán é investigador no Departamento de Engenharia Mecânica da URV e coautor do estudo.

“Queríamos perceber até que ponto a temperatura ambiente pode alterar a dinâmica das nuvens de partículas”, afirmou Catalán.

O ar mais frio mantém as nuvens mais coesas

Os ensaios mostraram que a temperatura faz diferença. Quando o ar quente do corpo encontra o ar mais frio de uma sala, a mistura entre ambos não ocorre de forma simples.

A dimensão do contraste térmico influencia o quão “unida” a nuvem de aerossóis se mantém e a maneira como se desloca.

Quando a diferença de temperatura era maior, a nuvem permanecia mais compacta. Misturava-se menos com o ar à sua volta e conservava a forma durante mais tempo.

Isto é relevante porque uma nuvem compacta pode transportar mais partículas em conjunto, em vez de as dispersar rapidamente.

“O que observámos foi que, quando a diferença de temperatura entre o ar exalado e o ar ambiente aumentava, a nuvem mantinha-se mais coesa e percorria maiores distâncias”, assinalou Catalán.

A mistura do ar afecta a dispersão das partículas

Uma nuvem de tosse comporta-se um pouco como fumo. Por vezes, o fumo espalha-se depressa.

Noutras situações, mantém-se num “fio” visível durante algum tempo antes de se desfazer. Os aerossóis de uma tosse comportam-se de forma semelhante, com a diferença de que a maioria das partículas é invisível.

Quando o ar exalado se mistura intensamente com o ar da sala, a nuvem espalha-se e dilui-se. Isso reduz a concentração de partículas.

Quando há menos mistura, a nuvem mantém-se mais organizada e pode deslocar-se como um conjunto mais concentrado.

Este processo é importante em espaços interiores. Uma sala não é apenas o cenário: a sua temperatura pode moldar a forma como as partículas respiratórias se movem no ar.

O nariz altera a direcção do fluxo de ar

O estudo também indicou que o nariz tem um papel maior do que muitas pessoas poderiam esperar.

Os investigadores compararam o que acontecia quando as narinas do rosto impresso em 3D estavam abertas e quando estavam fechadas.

Com as narinas fechadas, todo o ar saía pela boca. A nuvem deslocava-se para baixo a cerca de 16 graus abaixo de uma linha horizontal.

Com as narinas abertas, cerca de 39 por cento do ar passava pelo nariz. Isso modificava a direcção e a forma de toda a nuvem.

Este resultado ajuda a perceber porque é que modelos simplificados podem falhar detalhes importantes. Um tubo básico não reproduz a forma como um rosto humano real distribui o fluxo de ar pela boca e pelo nariz. O formato das vias aéreas influencia o destino das partículas.

A intensidade da tosse molda o movimento

Os investigadores analisaram ainda o equilíbrio entre duas forças: a força da própria tosse e a flutuabilidade, que faz o ar quente subir.

No início, a força da tosse domina a nuvem. O ar avança como um jacto. Nos primeiros segundos, este impulso pesa mais do que a temperatura.

À medida que a nuvem abranda, a flutuabilidade ganha importância. O ar quente começa a subir e a derivar. A partir daí, a temperatura passa a ter um papel maior no trajecto das partículas.

Isto significa que a intensidade da tosse conta. Uma tosse mais forte projecta as partículas mais longe, sobretudo na horizontal. O estudo encontrou uma ligação clara entre um fluxo de ar mais intenso e uma maior distância percorrida na horizontal.

Já prever a altura era mais complexo, porque dependia da temperatura, do fluxo pelo nariz e da força inicial da exalação.

As condições interiores influenciam a transmissão

Estas conclusões são relevantes para hospitais, escolas, escritórios, autocarros, restaurantes e outros espaços partilhados.

A ventilação não se resume a introduzir ar fresco. Também implica compreender como a temperatura, o fluxo de ar e o desenho da sala funcionam em conjunto.

Um espaço interior quente ou com temperatura irregular pode orientar o movimento dos aerossóis de formas inesperadas. Bolsas de ar, sistemas de aquecimento e fraca circulação podem ajudar as partículas a manterem-se agrupadas ou a deslocarem-se na direcção de outras pessoas.

Uma ventilação melhor e uma mistura de ar mais homogénea podem contribuir para desfazer nuvens concentradas.

A investigação também ajuda a explicar porque é que as doenças se propagam com tanta facilidade em ambientes interiores nas épocas mais frias. As pessoas passam mais tempo dentro de casa, as janelas ficam fechadas e a ventilação tende a diminuir.

Quando as pessoas se juntam em espaços interiores, as condições do ar na sala podem influenciar a distância a que as partículas respiratórias conseguem chegar.