The Science Times

세계보건기구(WHO)는 얼마 전 공기 중 미세입자인 에어로졸을 통한 코로나19 전파가 과소평가되고 있다고 경고했다.

이런 의심처럼 만약 코로나19 보유자로부터 나오는 비말 방울(droplet)의 확산이 중요하다고 판단되면, 사회적 거리두기나 환기 시스템 및 공유 공간에 대한 보건 지침이 재고될 필요가 있다.

영국의 헤리오트-와트 대학과 에딘버러대 연구팀은 비말 물방울의 크기에 따른 다양한 움직임과 분산 메커니즘에 대한 이해가 필요하다고 보고, 대·중·소 크기의 물방울을 명확하게 구분하는 수학적 모델을 제시했다.

이들은 미국물리학회(AIP)가 발행하는 ‘유체물리학’(Physics of Fluids) 4일 자 온라인판에 발표한 연구에서, 간단한 공식을 사용해 물방울의 최대 크기를 확인할 수 있도록 했다.

연구팀은 마스크 같은 개인보호장구가 코로나19 보유자로부터 나오는 작은 물방울을 막는 데는 한계가 있다고 보고, 의료진에게는 에어로졸 추출기가 필요하다고 제안했다.

코로나19 바이러스 보유자가 호흡할 때 나오는 작은 물방울이 큰 물방울처럼 멀리 퍼지는 것으로 나타나 이에 대한 대비가 필요한 것으로 지적됐다. © Pixabay / Tumisu

물방울 역학의 지식 공백

연구팀은 물방울의 크기 확인이 코로나19 같은 공기 매개 전염병의 확산을 이해하는데 중요한 영향을 미친다고 보고 있다. 왜냐하면 물방울 분산 테스트에서 예상대로 중간 크기의 물방울은 존재하지 않는 것으로 밝혀졌기 때문이다.

헤리오트-와트 대 유체역학자인 캐털 커민스(Cathal Cummins) 조교수는 “기침하는 사람에게서 나오는 비말 흐름 물리학은 난기류 제트와 물방울 증발과도 관련돼 있어 복잡하다”고 말하고, “코로나19의 등장은 질병의 전파와 완화 전략의 물리학에서 지식 공백을 드러냈다”고 지적했다.

물리학에서의 그런 공백 중 하나는 환자가 뿜어낸 개별 물방울들이 어디로 가느냐에 대한 명확하고 단순한 설명이다.

커민스 교수는 “우리는 사람이 숨 쉬는 것에 대한 수학적 모델 개발을 목표로 했다”며, “이를 통해 현재 통용되고 있는 지배적인 물리학을 분석적으로 탐구해 볼 수 있을 것”이라고 말했다.

왼쪽은 대·중·소 크기에 따라 환자로부터 에어로졸 추출장치까지의 물방울 경로. 오른쪽 그래프는 급하거나 조용한 호흡을 할 때 나오는 물방울의 직경에 따라 확산되는 최대 수평거리. 50~80 미크론 사이의 중간 크기 물방울(빨간 점)이 가장 짧은 거리를 날아갔다. © Cathal Cummins

마스크, 작은 물방울 막는 데는 제한적

사람이 숨을 쉬면 다양한 크기의 물방울을 배출한다. 그러나 이 물방울들은 공기 흐름(airflow)을 반드시 충실하게 따르지는 않는다.

커민스 교수는 “공기와 물방울의 추출 효과를 모델링 하기 위해 호흡을 공기와 물방울의 포인트 소스(point source)로 삼고, 물방울이 가라앉는 포인트 싱크(point sink)를 포함시켰다”며, “크기와 밀도 차이를 감안하기 위해, 작지만 제한된 크기의 견고한 구체 운동을 설명하는 맥시-릴리(Maxey-Riley) 방정식을 사용했다”고 밝혔다.

이 작업은 연구자들에게 물방울 분산을 이해할 수 있는 일반적인 뼈대를 제공한다.

모델의 단순성은 공기와 물방울이라는 이원적인 양상(bimodality)이 실제로 물방울 자체의 속성일 수 있음을 보여주었고, 연구팀은 그런 물방울들이 언제 범위가 짧아질 것인가를 예측할 수 있는 공식을 제시했다.

논문 공저자인 에딘버러대 외과 펠리시티 메헨데일(Felicity Mehendale) 박사는 “이번 연구에서는 작은 물방울이나 큰 물방울 모두 중간 크기의 물방울보다 더 멀리 날아감으로써 물방울의 크기와 이동(displacement) 사이에 선형적 관계가 없는 것으로 나타났다”고 말했다.

그는 “작은 물방울이라고 해서 안심할 수 없으며, 마스크 같은 개인보호장구(PPE)는 큰 물방울에 대해서는 효과적인 장벽이지만 작은 물방울에는 덜 효과적일 수 있다”고 덧붙였다.

숨 쉴 때의 공기 흐름을 쉐도우그래프로 시각화한 모습. © WikiCommons

“의료진 보호 위해 에어로졸 추출기 필요”

메헨데일 박사는 해결책으로 에어로졸 추출 장치 개발 아이디어를 제시했다.

연구팀은 치과를 포함한 여러 의료파트의 진료 과정에서 일상적이고 광범위하게 발생되는 에어로졸로부터 의료진을 보호하기 위해 에어로졸 추출기(aerosol extractor) 제작을 계획하고 있다.

코로나19 환자 등 물방울 공급원 가까이에 배치된 추출기는 거름망 구멍의 직경이 사람 머리카락보다 가늘면 물방울을 효과적으로 포획할 수 있다는 것이다.

커민스 교수는 “이것은 코로나19 팬데믹에 중요한 영향을 미칠 수 있다”며, “더 큰 물방울은 마스크나 안면 보호대 같은 개인보호장구로 손쉽게 막을 수 있으나, 작은 물방울은 일부 형태의 PPE에 침투할 수 있으므로, 추출기가 코로나19나 향후 전염병에 대한 방호 취약성을 줄이는 데 도움이 될 수 있다”고 강조했다.

메헨데일 박사는 물방울 움직임을 더욱 잘 이해하면 에어로졸 발생 과정에 대한 안전지침에 도움이 되고, 현재와 미래의 팬데믹이나 다른 감염병 대처에 유용할 것”이라고 말했다.

그는 다양한 임상 공간의 환기시스템이 물방울 분산에 미치는 영향을 모델링 하는 기초로 이번 수학적 모델을 사용할 수 있다고 밝혔다.

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