每次你冲马桶时，它都会向你周围的空气中释放出微小的水滴。这些飞沫被称为气溶胶羽状物，可以传播人类排泄物中的病原体，并使公共厕所里的人感染传染病。
由于通常情况下气溶胶是看不见的，因此对气溶胶扩散的科学理解——以及公众对其存在的认识——受到了阻碍。我和我的同事Aaron True, Karl Linden, Mark Hernandez, Lars Larson和Anna Pauls能够使用高功率激光照射这些羽毛，使我们能够成像和测量从冲水的商业厕所中扩散的气溶胶羽毛的位置和运动。
向上而不是向下
马桶的设计是通过向下运动将碗里的东西排入排水管来有效地排空。在冲水的过程中，水与碗里的东西猛烈接触，形成悬浮在空气中的微粒喷射。
我们发现，一个典型的商用厕所会产生一股强劲的向上气流，速度超过每秒6.6英尺(每秒2米)，在冲水开始后的8秒内，将这些颗粒迅速带到碗上方5英尺(1.5米)的地方。
为了可视化这些羽状物，我们在实验室里设置了一个典型的无盖商用马桶，该马桶带有遍布北美的冲水阀式阀门。冲水阀利用压力而不是重力将水引导到碗中。我们使用特殊的光学设备制造了一层垂直的激光薄片，从碗的顶部一直照亮到天花板。在用远程电触发器冲马桶后，气溶胶颗粒散射出足够多的激光，使我们能够用相机拍摄到粒子羽流。
尽管我们预计会看到这些粒子，但我们仍然对从碗中喷射出粒子的喷射强度感到惊讶。
一项相关研究使用了一个理想厕所的计算模型来预测气溶胶羽状物的形成，在碗上方，粒子向上移动的速度接近每秒3.3英尺(每秒1米)，这大约是我们在真实厕所观察到的速度的一半。
为什么激光?
几十年前，科学家们就知道冲马桶会向空气中释放气溶胶颗粒。然而，实验研究在很大程度上依赖于对固定位置的空气进行采样的设备，以确定厕所产生的颗粒的数量和大小。
虽然这些早期的方法可以证实气溶胶的存在，但它们提供的关于羽状物的物理信息很少:它们是什么样子的，它们是如何扩散的，以及它们移动的速度有多快。这一信息对于制定减轻气溶胶羽流形成和降低其传播疾病能力的战略至关重要。
作为一名研究流体物理与生态或生物过程之间相互作用的工程学教授，我的实验室擅长使用激光来确定复杂流体流动中各种物质是如何运输的。在许多情况下，这些东西是看不见的，直到我们用激光照射它们。
使用激光测量流体流动的一个优点是，与物理探针不同，光不会改变或破坏你要测量的东西。此外，使用激光使不可见的东西可见，有助于人类，作为视觉生物，更好地理解他们所生活的流体环境的复杂性。
气溶胶和疾病
含有病原体的气溶胶颗粒是重要的人类疾病媒介。在空气中悬浮一段时间的较小颗粒可以通过吸入使人们感染流感和COVID-19等呼吸道疾病。较大的颗粒迅速附着在物体表面，可以通过手和嘴的接触传播诺如病毒等肠道疾病。
被粪便污染的马桶水在冲洗数十次后仍有病原体浓度。但厕所气溶胶是否有传播风险仍是一个悬而未决的问题。
虽然我们能够直观和定量地描述气溶胶羽流是如何移动和分散的，但我们的工作并没有直接解决厕所羽流是如何传播疾病的，这仍然是一项正在进行的研究。
限制厕所烟羽扩散
我们的实验方法为未来的工作提供了基础，以测试一系列策略，以最大限度地减少因冲水厕所而暴露于疾病的风险。这可能包括评估新马桶设计或改变冲洗周期持续时间或强度的冲水阀所产生的气溶胶羽状物的变化。
与此同时，有一些方法可以减少人类暴露在厕所的烟羽中。一个明显的策略是在冲水之前盖上盖子。然而，这并不能完全消除气溶胶羽流，许多公共、商业和卫生保健场所的厕所都没有盖子。通风或紫外线消毒系统也可以减少暴露在浴室的气溶胶羽状物中。期刊信息:科学报告
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