当温度降低时，它们传播得越远

湍流，无处不在——在风中、在海浪中，甚至在太空中的磁场中……

湍流也可以存在于更短暂的现象中，比如从烟囱中滚滚而出的烟雾中，从一个人咳嗽时喷出的飞沫中……这种类型的湍流被称为喷射湍流（puff turbulence），滚滚的烟雾或喷出的飞沫可以被称为湍流团（turbulent puff）。当大量流体从一个局部源喷射出时，就会产生湍流团，在一个不受干扰的环境中，这些湍流团会自由地移动，并随着时间的推移而演变。

无论是在工业领域还是科学领域中，湍流团都是非常重要的。它们能影响实际的健康和环保措施，比如计算咳嗽喷出的飞沫能传播多远，或从烟囱或香烟中释放出的污染物会如何飘散到周围环境中。因此，这对于了解像SARS-CoV-2这样的病毒在空气中的传播有着重大意义。

然而，尽管它们如此重要，但目前与湍流团有关的最新理论是在20世纪70年代发展起来的，而且那项研究只关注湍流团在大尺度上的动力学，比如它移动的速度和传播的范围。虽然它为解释湍流团是如何随时间的推移而增大和减小提供了标度律（scaling law），但它没有考虑湍流团内的小尺度湍流波动。

为了填补之前理论的空白，日本和意大利的科学家基于这个理论发展出了一个新的数学模型，模型将湍流团中的微小波动，以及温度和湿度在大尺度和小尺度上所起到的影响都囊括在内。新研究表明，在更低的温度下（15°C以下），新模型偏离了湍流团的经典模型。

一直以来，要建立一个完整的模型来描述气体和液体的喷射湍流行为是很困难的。因为湍流的本质是混沌的，这意味着它本身是极其难以预测的。而对于湍流团来说，当这些喷射而出的气体或液体在环境中受到了干扰时，它们会变得不连续。与连续湍流相比，不连续的湍流具有更复杂的特征，因此研究起来更具挑战性。

在过去的一些关于湍流团的经典模型中，湍流占据了主导地位，即他们认为湍流团的行为（如所有小漩涡和涡流）都是由湍流决定的。在新的研究中，研究人员最初发现，新模型的结果与之前的模型结果是吻合的，即随着时间的推移，湍流团以一种可预测的方式膨胀和减速，它们的变化与其初始速度、大小和流体密度有关。

但是从新的模型中，研究人员发现当环境变冷，之前的标度律就会发生变化。他们的结果显示，在较冷的温度下，湍流团中的气体或液体的温度要比周围空气的温度要高得多，因此其密度要比周围环境要小得多，这时，浮力便开始产生更大的影响，使得湍流团上升得更高，持续的时间更长，传播得更远。

浮力所产生的这种效应对研究人员来说是非常意外的，这是对湍流团理论的一个全新补充。他们使用一台强大的超级计算机，利用最先进的数值模拟，成功地在大尺度和小尺度上模拟了湍流团的行为，从而验证他们的模型，证实了这一新的理论补充。

有了新的模型，科学家可以更好地预测当人们在咳嗽或不戴口罩说话时，喷射到空气中飞沫的运动，从而帮助我们更好地理解病毒是如通过空气传播的，以及它们又是如何随环境的变化而演变的。

这项研究被发表在了《物理评论快报》上。研究人员希望新的结果能够对于发展由湍流团携带的含有病毒的液滴的蒸发模型产生深远影响。接下来，研究人员计划将研究由更为复杂的非牛顿流体组成的湍流团。对于非牛顿流体来说，流体的流动非常容易根据所受的力改变。这对于研究COVID-19来说或许非常有帮助，因为在打喷嚏时，唾液和黏液等非牛顿流体会被强行排出。

#创作团队：

编译：小雨

#参考来源：

https://www.oist.jp/news-center/press-releases/secrets-covid-19-transmission-revealed-turbulent-puffs

https://physicsworld.com/a/coughed-particles-float-for-longer-in-cold-air-study-suggests/

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.094501

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封面来源：OIST