來源：原理

　　湍流，無處不在——在風中、在海浪中，甚至在太空中的磁場中……

　　湍流也可以存在于更短暫的現象中，比如從煙囪中滾滾而出的煙霧中，從一個人咳嗽時噴出的飛沫中……這種類型的湍流被稱為噴射湍流（puff turbulence），滾滾的煙霧或噴出的飛沫可以被稱為湍流團（turbulent puff）。當大量流體從一個局部源噴射出時，就會產生湍流團，在一個不受干擾的環境中，這些湍流團會自由地移動，并隨著時間的推移而演變。

　　無論是在工業領域還是科學領域中，湍流團都是非常重要的。它們能影響實際的健康和環保措施，比如計算咳嗽噴出的飛沫能傳播多遠，或從煙囪或香煙中釋放出的污染物會如何飄散到周圍環境中。因此，這對于了解像SARS-CoV-2這樣的病毒在空氣中的傳播有著重大意義。

　　然而，盡管它們如此重要，但目前與湍流團有關的最新理論是在20世紀70年代發展起來的，而且那項研究只關注湍流團在大尺度上的動力學，比如它移動的速度和傳播的范圍。雖然它為解釋湍流團是如何隨時間的推移而增大和減小提供了標度律（scaling law），但它沒有考慮湍流團內的小尺度湍流波動。

　　為了填補之前理論的空白，日本和意大利的科學家基于這個理論發展出了一個新的數學模型，模型將湍流團中的微小波動，以及溫度和濕度在大尺度和小尺度上所起到的影響都囊括在內。新研究表明，在更低的溫度下（15°C以下），新模型偏離了湍流團的經典模型。

　　一直以來，要建立一個完整的模型來描述氣體和液體的噴射湍流行為是很困難的。因為湍流的本質是混沌的，這意味著它本身是極其難以預測的。而對于湍流團來說，當這些噴射而出的氣體或液體在環境中受到了干擾時，它們會變得不連續。與連續湍流相比，不連續的湍流具有更復雜的特征，因此研究起來更具挑戰性。

　　在過去的一些關于湍流團的經典模型中，湍流占據了主導地位，即他們認為湍流團的行為（如所有小漩渦和渦流）都是由湍流決定的。在新的研究中，研究人員最初發現，新模型的結果與之前的模型結果是吻合的，即隨著時間的推移，湍流團以一種可預測的方式膨脹和減速，它們的變化與其初始速度、大小和流體密度有關。

　　但是從新的模型中，研究人員發現當環境變冷，之前的標度律就會發生變化。他們的結果顯示，在較冷的溫度下，湍流團中的氣體或液體的溫度要比周圍空氣的溫度要高得多，因此其密度要比周圍環境要小得多，這時，浮力便開始產生更大的影響，使得湍流團上升得更高，持續的時間更長，傳播得更遠。

　　浮力所產生的這種效應對研究人員來說是非常意外的，這是對湍流團理論的一個全新補充。他們使用一臺強大的超級計算機，利用最先進的數值模擬，成功地在大尺度和小尺度上模擬了湍流團的行為，從而驗證他們的模型，證實了這一新的理論補充。

　　有了新的模型，科學家可以更好地預測當人們在咳嗽或不戴口罩說話時，噴射到空氣中飛沫的運動，從而幫助我們更好地理解病毒是如通過空氣傳播的，以及它們又是如何隨環境的變化而演變的。

　　這項研究被發表在了《物理評論快報》上。研究人員希望新的結果能夠對于發展由湍流團攜帶的含有病毒的液滴的蒸發模型產生深遠影響。接下來，研究人員計劃將研究由更為復雜的非牛頓流體組成的湍流團。對于非牛頓流體來說，流體的流動非常容易根據所受的力改變。這對于研究COVID-19來說或許非常有幫助，因為在打噴嚏時，唾液和黏液等非牛頓流體會被強行排出。

　　#創作團隊：

　　編譯：小雨

　　#參考來源：

　　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