當馬桶沖水時……
每當我們沖馬桶時，周圍的空氣中就會充斥着大量隨着沖水而釋放的微小液滴。這些液滴被稱為氣溶膠羽流。眾所周知，氣溶膠可以傳播包括SARS-CoV-2、流感和諾如病毒等傳染性疾病。
過去的一些研究表明，當馬桶的坐便池中的水受到病原體感染時，即便沖刷數十次，這些病原體也仍然可能殘留在馬桶內。如此一來，沖水馬桶所釋放的氣溶膠，便有可能讓使用公共衛生間的人陷入暴露在病原體中的風險。
然而，一直以來，由於氣溶膠羽流通常肉眼不可見，這使得人們對於氣溶膠羽流的時空演變、傳播速度等科學信息都知之甚少。
現在，一個工程師團隊在近期的《科學報告》上發表了一項研究，報告了他們通過使用強激光和攝影機，對從沖水馬桶中擴散出的氣溶膠羽流的位置和運動進行的成像和測量，揭示了一個沒有蓋子的馬桶在沖水時，肉眼所不能看見的微小水滴是如何迅速噴射到空氣中的。
有激光加入的馬桶實驗
按照設計，馬桶能通過向下的運動，有效地將坐便池中的物體排入排水管。早在60多年前，科學家就已經知道在沖水時，雖然固體和液體會按照設計的那樣被衝下去，但同時還會有一些微小的、看不見的顆粒被釋放到空氣中。
在沖水時，水流強勁地流入馬桶。（圖/SouthHamsian/Wikimedia Commons, CC BY-NC-SA）
雖然早期的一些研究通過科學儀器已經證實了這些氣溶膠的存在，但它們所能提供的關於羽流的物理信息卻很少：它們是什麼樣子的，它們是如何擴散的，它們的移動速度有多快……
為了能直接可視化這些氣溶膠羽流，研究人員在實驗室里設置了一個常見的商用無蓋沖水閥式馬桶。沖水閥會利用壓力將水導入馬桶的坐便池中。
在實驗中，他們使用一套特殊的光學設備製造了一片垂直的激光，能夠從馬桶坐便池的頂部一直照射到天花板。
實驗使用強激光幫助觀測馬桶沖水時噴出的氣溶膠。（圖/Patrick Campbell/CU Boulder）
研究人員使用了兩種激光：一種是連續照射在馬桶和馬桶上方的激光；另一種則是在同一區域發出的快速脈衝光。連續的激光可以揭示氣溶膠在空間中的位置，而脈衝光可以測量它們的速度和方向。
與此同時，他們還設置了兩台攝像機來拍攝高解像度圖像。
超出預期的「高能」場面
儘管在實驗開始之前，研究人員就已經預測到會看到許多氣溶膠顆粒，但他們仍然對從坐便池中湧出的粒子的噴射強度感到驚訝。這些氣溶膠羽流比預計的更有活力、蔓延得更加迅速。他們原本以為氣溶膠顆粒會漂浮起來，卻發現它們實際上是像火箭一樣飛濺出來的。
在實驗中，馬桶產生了一股強勁的向上氣流，這些氣溶膠顆粒在空氣中以每秒2米的速度迅速噴射出來，在8秒內達到馬桶上方1.5米的高度。這些能量充沛、漂浮在空氣中的顆粒主要是向上或向後移動，但它們的運動是不可預測的。羽流會升至實驗室的天花板，當再無去路時，就會從牆壁向外擴散，進入房間。
此外，了解顆粒的數量和大小也很重要。通過使用一個光學粒子計數器，研究人員對空氣中的粒子進行了計數和測量。他們發現，那些較大的液滴往往會在幾秒鐘內沉降下來，然後附着在表面上。但較小的顆粒（<5µm）可以在空氣中懸浮幾分鐘甚至更長時間，而且它們可以逃離鼻毛的束縛，深入肺部，對人體健康造成更大的危害。
蓋蓋子、勤通風……
在實驗中，馬桶的坐便池內沒有任何固體廢物或廁紙，周圍也沒有人走動。研究人員表示，現實生活中存在的更多的變量，都可能使問題加劇。
這樣的結果或許會令你感到不安，但它也有着較為直觀簡單的解決方法，比如在沖水之前蓋上馬桶蓋子！不過，這種方法並不能完全消除氣溶膠羽流，而且許多公共場所的廁所都是沒有蓋的。此外，加強通風，採用紫外線消毒系統，也可以減少暴露在廁所的氣溶膠羽流中的風險。
未來，研究人員還將通過一系列測試來研究如何最大限度地減少因沖水馬桶而暴露於疾病的風險。新的實驗方法為未來的這些工作提供了基礎，它讓科學家能夠直觀地描述氣溶膠羽流是如何移動並分散的。這些信息對於制定減輕氣溶膠羽流的形成和降低其傳播疾病能力的戰略至關重要。
