Воздух

О чем вы беспокоитесь больше: о физических упражнениях, употреблении овощей или о воздухе, которым вы дышите?

Несмотря на то, что большинство вещей, которые благотворно влияют на здоровье, хорошо известны, одна из них крайне недооценена: повышение качества воздуха. Полагаю, что зачастую это самое эффективное вмешательство в здоровье, и точка. Ничто другое не является настолько важным и простым одновременно.

Давайте посмотрим на это с разумной стороны: возьмем четыре самые большие страны мира и сравним, сколько людей умерло по тем или иным причинам в 2019 году.



Трудно отдавать приоритет советам по здоровью. Мне сказали, что мне следует ограничить употребление соли и есть крестоцветные овощи, делать кардио, хорошо спать, ограничить употребление алкоголя, уменьшить уровень стресса и регулярно проходить медицинские осмотры. Но насколько каждая из этих рекомендаций имеет значение? Что делать в первую очередь, если вы безволосая обезьяна, склонная совершать ошибки?

Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужны числа. Ниже я оценил, насколько различные факторы влияют на жизнь через качество воздуха.

Образ жизни
Быть викингом стоит 4 года жизни.
Жить в Дели стоит 3 года жизни.
Постоянно ездить на поезде из Ньюарка в Нью-Йорк стоит 6 месяцев жизни
Проживание в средней части США стоит 3 месяца жизни
(Вдыхать дым от чьего-то вейпа около 0?)

Отдельно взятое событие
Если вы жили рядом с лесными пожарами на западном побережье США 2020 года, то это стоило вам 2,4 дня жизни.
Разжечь дома по-настоящему дымный огонь стоит 1 день жизни
Жечь конусное благовоние 2,3 часа жизни
Одну ночь использовать ультразвуковой увлажнитель воздуха 50 минут жизни
Жарить рыбу при закрытых окнах 45 минут жизни
Жечь благовония-палочки 27 минут жизни
Использование лака для волос 14 минут жизни
Выкурить одну сигарету 11 минут жизни
Задуть свечу перед сном 10 минут жизни

Это хорошие новости вы можете купить дополнительную жизнь с минимальными затратами денег, времени, усилий или силы воли!

Обязательно контролируйте массу тела, хорошо ешьте и начинайте бегать. Это важно, но и довольно сложно. Возможно, вам не удастся похудеть, но если вы попытаетесь повысить качество воздуха, у вас все получится. Вы должны начать с того, что дает максимальную отдачу от усилий, и это воздух.

Что я рекомендую

Если вы не хотите читать эту длинную-длинную статью (извините), просто выполните следующие действия в следующем порядке:

• Если у вас есть ультразвуковой увлажнитель воздуха, уничтожте его.
• Следите за качеством местного воздуха, как за погодой.
• Никаких благовоний.
• Свечи гасите только крышкой.
• Будьте осторожны с дымом при приготовлении пищи.
• Заведите себе счетчик частиц.
• Все время используйте дома очиститель воздуха. (Это пункт 1, если в наружном воздухе, где вы живете, много твердых частиц.)
• Установите в свой автомобиль салонный воздушный фильтр HEPA.
• Избегайте использования аэрозолей.
• При нахождении в грязном воздухе используйте маску очень осторожно.

На первый взгляд, странный список, но, похоже, именно к нему приводят доказательства.

Частицы и проблемы, которые они вызывают

Что мы измеряем

Мы измеряем частицы в единицах PM_2,5. Теоретически это можно измерить следующим образом:

Возьмите кубометр воздуха.
Отфильтруйте все твердые частицы.
Оставьте только частицы размером 2,5 микрометра/микрона (мкм) или меньше.
Взвесьте оставшиеся частицы в микрограммах (мкг).
Единицы измерения мкг/м, поскольку вы взвешиваете частицы (в мкг) в одном м воздуха.
Для справки: человеческие волосы имеют ширину около 70 микрометров, бактерии от 1 до 10, а вирусы от 0,02 до 0,4. Агентство по охране окружающей среды дает полезную визуализацию:



Вы можете спросить: все ли химические вещества равны? Одинаково ли вредны 50 мкг/м3 при сжигании угля, производстве цемента или природной пыли? Ответ нет (слышали об асбесте?). Но мы действительно не знаем, насколько эти различия имеют значение на практике.

Количественная оценка вреда

Лучшим показателем, чем количество смертей, является количество лет жизни с поправкой на инвалидность или годы жизни, скорректированные по нетрудоспособности (DALY). Это количество потерянных лет жизни плюс поправка на несмертельные условия, которые ухудшают жизнь. Например, шизофрения это очень плохо, поэтому считается, что тот, кто становится шизофреником на год, теряет половину лет жизни, скорректированных по нетрудоспособности. Это дает аналогичную картину.



Эти цифры относятся только к загрязнению атмосферного воздуха, например, из-за автомобилей, электростанций и производства. К этому добавляется загрязнение воздуха внутри помещений.

Как частицы вредят тебе

Мы беспокоимся о мелких частицах, потому что они кажутся наиболее вредными, особенно с точки зрения того, как хроническое воздействие приводит к долгосрочным проблемам со здоровьем.

Эти частицы действительно вызывают рак легких, но это одно из меньших зол. Они также вызывают хронические респираторные проблемы. Тем не менее, более половины вреда исходит вовсе не от легких, а от диабета и сердечно-сосудистых заболеваний. Вот вред, нанесенный США в 2019 году:
Вред от мелких частиц:



Как частицам удается все это делать, все еще остается предметом исследования. Основная история, по-видимому, заключается в том, что мельчайшие частицы могут проникать через легкие в кровоток. Затем эти инородные частицы активируют вашу иммунную систему, которая начинает буйствовать, вызывая всевозможные проблемы.

Почему так много сердечно-сосудистых заболеваний? Что ж, вы, наверное, можете догадаться, куда уходит кровь после того, как она покидает легкие.

Эвристика для количественной оценки вреда

Насколько сильно Вам вредят частицы? Хотя это сложно сказать точно, в этом разделе будут представлены две простые эвристики:

• Длительное воздействие 33,3 PM_2,5 стоит 1 года жизни, скорректированные по нетрудоспособности. Это лучше всего подходит для изменения образа жизни. Например, перемещение из места, где нет твердых частиц, в место с уровнем 100 PM2,5 стоит 3 года жизни, скорректированные по нетрудоспособности.
• При 2500 PM_2,5 вы теряете годы жизни, скорректированные по нетрудоспособности в реальном времени. Это лучше всего для разовых мероприятий. Например, если вы подвергаетесь воздействию уровня 5000 PM_2,5 в течение 3 часов, вы теряете 6 часов жизни, скорректированных по нетрудоспособности.

Конечно, единственный способ быть уверенным это провести рандомизированные эксперименты, в которых мы запираем людей в одинаковых средах на всю их жизнь, меняем частицы, влиянию которых они подвергаются, и наблюдаем, как долго они живут. Поскольку мы не можем этого сделать, нам остаются только наблюдательные исследования.

В статье 2013 года рассматривалась продолжительность жизни и уровни частиц в 545 округах США, при этом учитывались смешанные переменные, такие как благосостояние, курение и демография. Они обнаружили, что каждые 28,5 мкг/м3 твердых частиц стоят 1 год (без учета нетрудоспособности).

Стоит ли доверять этому числу? Большинство статей посвящено вопросам общественного здравоохранения, но мы можем извлечь некие оценки. Во всеобъемлющем документе 2017 года оценивается среднее значение PM_2,5 для населения в разных странах, а также затраты на здоровье, связанные с частицами в окружающем воздухе. Я взял их оценки и умножил их на цифры ожидаемой продолжительности жизни ВОЗ, чтобы получить оценку общего количества годов жизни, скорректированных по нетрудоспособности, которые каждый человек теряет за свою жизнь. Вот уровни частиц в зависимости от общего потерянного количества годов жизни, скорректированных по нетрудоспособности.



Прямая линия показывает соотношение. График говорит о том, что если вы подвергаетесь воздействию 33,3 PM_2,5 в течение всей жизни, в результате вы потеряете около 1 года жизни, скорректированного по нетрудоспособности. Я бы не стал слишком полагаться на это точное число. Оно варьируется от страны к стране, и все это основано на очень сложной статистике. Тем не менее, обнадеживает тот факт, что разные данные и методы приводят к цифре, близкой к статье 2013 года.

Вы можете спросить: не должен ли один и тот же уровень частиц причинять больший вред там, где люди живут дольше, поскольку у них больше времени, чтобы вдохнуть частицы?

Может быть. Я попытался связать частицы с потерей годов жизни, скорректированных по нетрудоспособности за один год, не умножая на ожидаемую продолжительность жизни. Это предполагает, что воздействие 2500 PM_2,5 в течение одного года стоит 1 года жизни, скорректированного по нетрудоспособности.



Другими словами, если вы вдыхаете частицы с концентрацией 2500 PM_2,5, вы удваиваете скорость, с которой вы движетесь к своей судьбе (с поправкой на нетрудоспособность). Если вы подвергаетесь воздействию уровня X 2500 в течение H часов, вы теряете XH часов жизни с поправкой на нетрудоспособность.

На практике это не слишком отличается от предыдущей оценки, поскольку ожидаемая продолжительность жизни в разных странах не сильно различается.

Личное воздействие

Итак, мы можем оценить, какой вред наносят твердые частицы. Следующий естественный вопрос: какому количеству частиц вы подвергаетесь? Вероятно, ответ это частицы из окружающей среды плюс некоторое дополнительное количество в помещении, но трудно сказать, насколько велико это количество.

Где люди проводят время

Есть хорошие записи об уровнях частиц на открытом воздухе, но большинство людей не очень много времени проводят на открытом воздухе. Вот обзор НNHAPS о том, как американцы проводили свое время с 1992 по 1994 год.



Время, проведенное в помещении (86,9%). На месте проживания (68,7%), офис/производство (5,4%), бар/ресторан (1,8%), другие помещения (1,8%), в транспорте (5,5%), на открытом воздухе (7,6%).

Похоже, что ни один недавний опрос не сравнится с этим. У них даже есть кривые показывающие, где люди находятся в течение дня.

Личное VS наружное воздействие

Уровни частиц в помещении такие же, как и на открытом воздухе?

Существует сильная корреляция, особенно если люди держат окна открытыми, но она варьируется. Обычно уровни в помещении выше, чем на открытом воздухе. Чен и Чжао просматривают кучу статей, в которых пытаются оценить соотношение внутреннего/внешнего соотношения:



Но на самом деле все это не имеет значения. Уровни в помещении различаются по пространству и времени. Что вас волнует, так это ваше личное воздействие, воздух, который фактически попадает в ваши легкие.

Это сложно изучать, так как вам нужно носить с собой измерительное устройство, но это уже было сделано несколько раз. В течение ранних попыток маленькую трубку помещали возле рта, которая в свою очередь пропускала воздух через фильтр, который позже был взвешен. В более поздних исследованиях используются устройства, измеряющие светорассеяние.

Я не нашел хорошего анализа, поэтому сделал свой. Вот сравнение среднего личного и уличного уровней во всех исследованиях, которые я нашел:



*Вы можете развернуть таблицу с подробностями обо всех исследованиях здесь, если хотите.
Личное воздействие сильно коррелирует с уровнями на открытом воздухе, но обычно оно немного выше. Если вы доверяете линии на графике, она предсказывает, что у кого-то с наружным уровнем 50 будет личное воздействие 62,5.

Однако личное воздействие гораздо менее предсказуемо, чем можно предположить из приведенного выше графика. Каждая точка усредняется по множеству людей. Индивидуальные исследования, которые разбирали каждую ситуацию по отдельности, показывают огромный разброс.

Итак, ваше воздействие, вероятно, равно окружающему уровню плюс некоторая величина, которая зависит от того, что вы делаете и куда идете. Чтобы понять это, нам нужно копнуть глубже.

Частицы на открытом воздухе

Большинство частиц являются результатом деятельности человека. Обычными источниками частиц являются электростанции (особенно угольные, но также природный газ и нефть), фабрики, антропогенные пожары, автомобили и грузовики. Естественные источники это пыль, лесные пожары и (как ни странно) морские брызги.

Разница по городу/региону большая: уровни сильно различаются по всему миру. Исчисления различаются, но у некоторые стран показатели действительно низкие (Новая Зеландия, Канада), а у некоторых на порядок выше (Индия, Катар). Различные местоположения внутри стран связаны частично из-за того, что вокруг дует один и тот же воздух, а частично из-за совместного контроля выбросов. Тем не менее, если в вашем городе нет ветра и много заводов и машин, уровни будут выше.

Различия относительно местоположения в пределах города/региона маленькие: насколько различаются те или иные места в одном и том же городе? Ответ: вроде бы как-то различаются. Массовое исследование, проведенное в различных местах Европы, показало, что уровни частиц вблизи улиц были примерно на 20% выше, чем в городах, которые, в свою очередь, были примерно на 20% выше, чем в регионах.

Различия, обусловленные датой умеренное: в одном и том же месте уровни меняются в течение года. Вот средняя концентрация в Лос-Анджелесе за каждый день за 20 лет, любезно предоставленная Агентством по охране окружающей среды.



Вы можете увидеть влияние от людей, запускающих фейерверки, чтобы отпраздновать свою свободу (4 июля каждого года), всех, кто остается дома из-за пандемии (март-апрель 2020 года), и массивных лесных пожаров (сентябрь 2020 года).

Кстатм, какое значение имели эти пожары? Во многих областях их уровень поднялся примерно до 100 за несколько недель, а в некоторых поднялся до 200-500. В качестве пессимистической оценки предположим, что ваши уровни выросли на 200 за полный месяц. Это увеличивает ваш средний годовой показатель на 16,67, что будет стоить 6 месяцев от года жизни, скорректированного по нетрудоспособности, если это будет происходить каждый год. Если бы это произошло всего один раз, вы бы потеряли 200/2500 = 0,08 месяца или 2,4 скорректированных жизненных дня.

Различия, обусловленные временем суток небольшое: в одном месте и в один и тот же день уровни меняются по часам. Manning (2018) объединил измерения с 3110 объектов по всему миру, чтобы получить следующий график.



Здесь у нас есть большая загадка: почему уровни самые низкие в середине и конце дня? Они предполагают, что эта замечательная глобальная однородность суточных циклов PM_2,5 предполагает влияние общих факторов, включая суточный цикл глубины смешанного слоя, модулируемый другими процессами, такими как суточные колебания выбросов.

Я думаю, это означает следующее: солнце нагревает землю по утрам. Это заставляет воздух у земли подниматься, смешивая различные слои воздуха. Это притягивает множество частиц от земли к небу, уменьшая их плотность. После того, как земля остынет, воздух перестает так сильно перемешиваться. Кроме того, возможно, это как-то связано с тем, когда люди ездят на работу и так далее.

Я очарован этим феноменом смешанной глубины слоя, но пока не смог разобраться в нем. Меняется ли он по сезонам? Поэтому качество воздуха зимой часто бывает хуже? Я не знаю.

Частицы в пути

Вождение: автомобили генерируют множество частиц. Если вы едете рядом с множеством других автомобилей, уровень частиц, вероятно, выше, чем в окружающем воздухе. В нескольких исследованиях, которые я видел, были обнаружены уровни в диапазоне от 50 до 100 в автомобилях. Другие предполагают, что это не так уж и плохо и схоже с обычным нахождением на улице. Вероятно, это зависит от вашего автомобиля, трафика, местных средств контроля выбросов и погоды.

Ходьба, езда на велосипеде и бег. Если вы находитесь на улице, ваше воздействие может быть немного выше, чем фон, но не намного. Как упоминалось выше, уличные измерения обычно немного выше, чем у городских. Если вы едете на велосипеде или бегаете, вам становится тяжелее дышать. Кажется, что типичный взрослый дышит примерно 15 раз в минуту, но может ускориться в 4 раза, если будет усиленно тренироваться. Это может означать, что частицы накапливаются в 4 раза быстрее, но я не могу найти никаких явных доказательств этому.

Мы могли бы оценить вред от загрязнения в результате бега или езды на велосипеде, но я не буду этого делать, поскольку упражнения также улучшают здоровье сердечно-сосудистой системы, и я не знаю, как рассчитать это баланс.

Езда в метро: Luglio (2020) измерил частицы для всех основных систем поездов на северо-востоке США. Делали измерения на надземных станциях, но всегда выходило мало (10-25).



Для самой опасной системы поездов поездка из Ньюарка, штат Нью-Джерси, до Всемирного торгового центра в Нью-Йорке должна стоить 7,5 минут жизни. Поездка пять дней в неделю будет стоить 0,56 годов жизни, скорректированных по нетрудоспособности.

Поездка занимает 25 минут. Предположим, вы проводите по 10 минут на двух станциях. Ваше воздействие за час, который вы проводите в этой поездке, составляет 779 10/60 + 449 25/60 = 316,9, что приводит к затратам 316,9 / 2500 = 0,126 часа.

Всего есть 10 поездок, каждая из которых увеличивает воздействие на 316,9 за один час. Это увеличивает ваше среднее недельное воздействие на 316,9 10 / (7 24) = 18,86 при затратах 18,86 / 33,33 = 0,56 годов жизни, скорректированных по нетрудоспособности.

Smith (2020) обнаружил, что в лондонском метро линия Виктория имела средний уровень 361, северная линия 194, пара других около 50, а остальные еще ниже. Линия Виктория имеет самые высокие показатели, потому что она полностью находится под землей, а это означает, что частицам некуда деваться.

Martins (2015) рассматривает многие предыдущие исследования с обнаруженными уровнями более 100 в Лондоне, Буэнос-Айресе, Париже, Пекине, Нью-Йорке, Стокгольме, Шанхае, Барселоне и Сеуле. Более низкие уровни были в Будапеште, Гуанчжоу, Хельсинки, Лос-Анджелесе, Мехико, Тайбэе и Сиднее.

Rant: Посмотрим правде в глаза, эти уровни позор. В некоторых местах над ними работают, но прогресс идет медленно, потому что сложно модернизировать поезда. Послушайте меня, транспортные агентства: не модернизируйте эти проклятые поезда. Просто установите на станциях обычные очистители воздуха. Сделайте это, потому что:

• Проблема в том, что частицы медленно накапливаются в туннелях, откуда им некуда деться. Мы можем решить проблему в источнике, медленно убирая частицы.
• Установить статические очистители на станции несложно. Вы можете использовать стандартные компоненты.
• Частицы в поездах поступают со станций и туннелей.
• Люди тоже дышат воздухом на станциях.

Очистители воздуха слишком дороги? Ну, в метро Нью-Йорка (MTA) 275 станций метро. Предположим пессимистично, что каждой станции нужно 50 очистителей, а их эксплуатация стоит 1000 долларов в год. (MTA любит сильно переплачивать.) Стоимость составит 13,75 миллиона в год, что составляет менее 0,1% бюджета MTA. Кажется, это стоит того, чтобы не подвергать миллионы людей воздействию воздуха, в пять раз более опасного, чем самые загрязненные города мира.

Частицы в помещении

Предположим, вы находитесь в своем доме. Качество воздуха, которым вы дышите, можно снизить пятью факторами:

• Уровни твердых частиц на открытом воздухе.
• Как долго частицы висят в воздухе в помещении.
• Скорость обмена между внутренним и наружным воздухом.
• Вы совершаете действия, которые создают частицы в помещении (приготовление пищи, свечи).
• Вещи, которые вы делаете для удаления частиц в помещении (работает очиститель).
• Мы уже рассмотрели 1. Давай рассмотрим все остальное.

Как долго частицы висят в воздухе

Может быть, воздух в помещении каким-то образом автоматически чище, чем воздух снаружи? Об этом свидетельствуют рекомендации общественного здравоохранения оставаться в помещении при плохом качестве воздуха.

Оставленные в покое, частицы оседают из воздуха. В абсолютно неподвижном воздухе это происходит детерминировано, когда более крупные частицы падают быстрее. В реальном (турбулентном) воздухе частицы отскакивают, пока не прилипнут к поверхности. Это приводит к экспоненциальному спаду со скоростью, зависящей от размера частиц и турбулентности воздуха. Эксперименты предполагают примерно следующее:



Мне сложно определить, насколько это время зависит от турбулентности воздуха или от того, соответствует ли скорость перемешивания реальным условиям.

Период полураспада воздуха в домах

Даже при закрытых окнах воздух постоянно проходит через щели в здании. Давайте определим это как период полураспада при вентиляции, количество времени, по истечении которого половина воздуха в помещении заменяется извне. В обычных домах это время составляет от 1 до 5 часов. Он длиннее в более энергоэффективных домах и (намного) короче, если окна открыты.

Чаще (и более запутанно) используется так называемая скорость воздухообмена.
Таким образом, если вы активно не очищаете воздух, уровни в помещении, вероятно, аналогичны уровням на открытом воздухе, плюс любые частицы, которые вы производите внутри. Воздух обменивается достаточно быстро, чтобы к тому времени, когда частицы выпали из воздуха, новые частицы пришли извне. (Однако закрытые окна должны работать для более крупных частиц, и может быть некоторая польза от открытия/закрытия окон в зависимости от изменения уровней наружного освещения.)

Воздействие с уменьшающейся концентрацией

Чтобы рассчитать влияние конкретных вещей, которые генерируют частицы, нам понадобится быстрый расчет. Если вы создадите клуб дыма с пиковой концентрацией c и периодом полураспада h, уровни со временем будут медленно падать. Какое у вас общее воздействие?
На следующем графике показана пиковая концентрация c = 1000, которая распадается с периодом полураспада h = 0,2 часа. Оказывается, это эквивалентно (такая же площадь под кривой) выдержке с константой 288 в течение 1 часа.



Откуда взялось 288? Общая формула 1.44 c h. Это вполне естественно: по математике это пиковая концентрация, умноженная на период полураспада, умноженная на дополнительную константу. Как и следовало ожидать, удвоение пиковой концентрации или периода полураспада удваивает общее воздействие.

Общая формула происходит от простого интеграла.
По прошествии некоторого времени t частицы претерпели период полураспада t/h, что означает, что общая концентрация уменьшится в (1/2) ^ (t / h) раз, и, таким образом, текущий уровень в момент времени t равен c (1/2) ^ (т / ч). Если мы проинтегрируем это, чтобы получить общее воздействие, это будет c (1/2) ^ (- t / h) dt = c h / ln (2). Бывает, что 1 / ln (2) 1,44.

Вещи, которые создают частицы в помещении

Курение: Вы слышали? Курение вредно для Вас. Shaw (2000) оценивает, что одна сигарета сокращает продолжительность жизни (без поправки на трудоспособность) на 11 минут, и указывает, что этого времени достаточно для довольно безумного полового акта. Давайте двигаться дальше.

Вейпинг: здесь речь идет исключительно о вторичном вейп-дыме. (Я не рекомендую вейпинг, если вы не делаете это для того, чтобы бросить курить.)

Иногда кажется, что сообщество общественного здравоохранения одержимо стремится уничтожить вейпинг, согласно чертовым доказательствам. Конечно, я всегда думал, что вейпинг это не здорово, но разве вред настолько большой?

Сообщество вейпинга часто ссылается на этот отчет Центры по контролю и профилактике заболеваний США, который не обнаружил никаких проблем. Однако они не проверяли наличие частиц. Это ничего не доказывает.

Многие люди измерили частицы около вейпинга и обнаружили высокие уровни. Soule (2017) обнаружил уровень частиц около 1000 на конференции по электронным сигаретам. Li (2021) обнаружил, что в шести вейп-шопах в Южной Калифорнии средний уровень составляет 276. Protano (2020) обнаружил, что один человек, пользующийся вейпом, может достичь уровня от 1000 до 10000. Множество случайных людей измеряют частицы и сообщают числа вроде 600, 546 или 1000. Некоторые сообщают, что их заставляли делать это их родители (хорошая работа, родители).

Энтузиасты вейпинга возражают, что почти все частицы состоят из воды, глицерина и небольшого количества никотина. Это похоже на правду в отличие от табачного дыма, выдыхаемый воздух вейпа не содержит значительно больше фенолов или карбонилов (таких как формальдегид или ацетон), чем обычный выдыхаемый воздух.

Я предварительно называю это Team Vape. В горах работ, в которых измеряется содержание вейп-дыма с высоким содержанием частиц, мало кто даже признает утверждение, что все это вода и глицерин. Может я что-то упускаю? Мое представление о заговоре против вейпинга не отступило.

Камины и твердое топливо

. В различных исследованиях было обнаружено, что обычный день из жизни фермера 18 века, викинга или приготовление пищи на открытом огне в Гватемале может привести к среднесуточной концентрации частиц около 200. Эти исследования всегда находят безумные уровни частиц около огня (около 1000), но в этих зданиях хорошая вентиляция, и люди не проводят так много времени возле самого сильного дыма. Это предполагает потерю примерно 6 годов жизни, скорректированных по нетрудоспособности, несмотря на то, что настоящие викинги могли снизить количество дыма после многих поколений практики использования огня.

По сей день во всем мире много людей, которые готовят дома на твердом топливе (уголь/дрова). В Индии, в том числе вред, наносимый твердыми частицами воздуха в домашних условиях, почти вдвое увеличивает (и без того большие) потери, вызываемые загрязнением атмосферного воздуха.

Насколько сильно может повредить огонь в камине? Это зависит от многих факторов: насколько велик огонь? Хорошо ли горит? Насколько хорошо вентилируется ваш дом? У вас есть стеклянная панель перед огнем? Насколько хорошо дымоход для камина втягивает воздух?
Давайте будем по-настоящему пессимистичными и представим, что у вас есть огонь с концентрацией 25000, который горит пять часов. Это будет стоить вам около 25 часов жизни с поправкой на трудоспособность. Если все сделать правильно, это, вероятно, уменьшится в 23 раза. Современная дровяная печь с плотными уплотнениями могла бы стать еще лучше.

Кулинария: А как насчет других способов приготовления? Опять же, все зависит от обстоятельств. Kang (2019) пробовал готовить разные блюда в 30 разных зданиях Кореи. В среднем суп давал пиковую концентрацию 65, жарка на масле 424 и жарка на огне 1256. И жарка на масле, и жарка на огне всегда сильно различались.

Открытие окна снизило пиковую концентрацию примерно до . Использование вытяжки (с открытым окном или без него) уменьшило его примерно до .

И как долго частицы остаются? Без вытяжки или вентиляции средний период полураспада составлял около часа. (На самом деле это более быстрый период полураспада посредством вентиляции, о котором мы говорили выше.) С вытяжкой период полураспада составлял около 20 минут. При открытых окнах это было около 6-7 минут (независимо от вытяжки).

Эти цифры показывают, что приготовление рыбы при закрытых окнах приводит к потере около 45 минут.

Свечи: Свечи образуют некоторые частицы во время горения, но подавляющее большинство их частиц появляются в тот момент, когда свеча гаснет. (Это подтверждается другими исследованиями.) Задувание свечи вызывает всплеск примерно 50-200, при этом частицы остаются в воздухе в течение 3-5 часов.

Если принять средние значения, то каждое задувание свечи будет стоить вам 10 минут. Если делать это ежедневно, то это будет стоить вам полгода.

Давайте возьмем пиковое значение в 100 и предположим, что частицы висят в воздухе 4 часа. Тогда это будет стоить 100 4/2500 = 0,16 часа или 9,6 минуты в день.

Очевидное решение избегать свечей. Если вам это не подходит, свечи, вероятно, не так уж и плохи, просто не задувайте их. Вместо этого потушите их, надев герметичную крышку.

Благовония: одна статья предполагает, что при сжигании ароматической палочки пиковая концентрация может составлять около 800, а в конусе более 4000, а период полураспада составляет около 1,6 часа.

Это предполагает, что сжигание конуса благовоний стоит 3,68 часа жизни.

Используя нашу формулу полураспада, общее воздействие составляет 4000 1,6 1,44 = 9216 часов частиц. Таким образом, общая стоимость составляет 9216/2500 = 3,68 часа с поправкой на нетрудоспособность.

Не используйте благовония.

Аэрозоли: некоторые чистящие средства образуют тонны частиц. В одной статье было описано, что использование Febreze вызывает всплеск частиц на 50-75. Они также обнаружили, что лак для волос может вызвать всплеск до 200 с периодом полураспада 2 часа. Они также являются исключительно мелкими частицами, которые очень долго висят в воздухе.

Это говорит о том, что использование лака для волос (в помещении) стоит около 14 минут.
Предположим увеличение на 200 с периодом полувыведения 2 часа. Тогда общая стоимость составит 200 2 1,44 / 2500 = 0,23 часа.

Старайтесь не разбрызгивать что-либо в воздух. Если вы действительно любите лак для волос, вы можете использовать его на улице или в хорошо проветриваемой комнате прямо перед выходом из дома.

Увлажнители: вам это не понравится, но ультразвуковые увлажнители производят огромное количество частиц. Они превращают любые минералы в воде в частицы, переносимые по воздуху. Они делают это почти намеренно! Park (2020) протестировал различные типы воды в небольшой камере с тщательно контролируемой скоростью воздухообмена и получил следующие устойчивые повышения по сравнению с фоновыми уровнями.

• Минеральная вода: ~ 265
• Водопроводная вода (Сеул): ~ 260
• Очищенная вода: ~ 50
• Дистиллированная вода: ~ 0

Похоже, это показывает, что учитываются не только частицы воды. Некоторые люди из реального мира сообщают о еще больших цифрах. Я сам это проверил и обнаружил то же самое.

Это говорит о том, что использование ультразвукового увлажнителя с водопроводной водой в ночное время в течение 8 часов стоит 50 минут. Делая это каждую ночь, вы теряете 2,6 года.
(Поскольку мы смотрим на стационарные концентрации, а не на пик, мы не рассматриваем периоды полураспада.) Ваше общее воздействие за одну ночь составляет 260 8 = 2080, при стоимости 2080/2500 = 0,832 часа = 50 минут. Если вы будете делать это каждую ночь, это повысит ваше среднее дневное воздействие на 260 8/24 = 86,66 с затратами на 86,66 / 33,33 = 2,6 года.

Ночью пользоваться увлажнителем почти так же плохо, как выкурить 5 сигарет!? Я скептически относился к реальности таких больших чисел. Я прочитал инструкции по эксплуатации нескольких ультразвуковых увлажнителей воздуха. Было несколько моментов в инструкции, откуда я понял, что они знают об этой проблеме:

• Для наполнения резервуара для воды используйте только чистую прохладную воду из-под крана (рекомендуется использовать фильтрованную или дистиллированную воду, чтобы избежать образования белой пыли, если вода из-под крана слишком жесткая).
• Лучший способ минимизировать накопление минералов использовать дистиллированную или деминерализованную воду.
• ВАЖНО: использование водопроводной воды с высоким содержанием минералов, известной какжесткая вода, с любым увлажнителем может привести к выделению мелкой белой пыли. Чтобы этого избежать, используйте дистиллированную или деминерализованную воду .

В качестве дополнительного доказательства Агентство по охране окружающей среды опубликовало отчет, в котором говорится: Недавние исследования [] показали, что ультразвуковые и импеллерные (или холодный туман) увлажнители могут рассеивать материалы, такие как микроорганизмы и минералы, из резервуаров для воды в воздух в помещении. Они рекомендуют осушать и очищать резервуар каждый день, а также использовать дистиллированную воду.

Агентство по охране окружающей среды подчеркивает, что нет никаких доказательств того, что именно эти частицы вредят здоровью. Это, конечно, интересный способ смотреть на вещи. Возможно, это подходящая логика для правительства, рассматривающего вопрос о запрете, но не для нас. Увлажнители имеют огромный эффект, и вы должны понимать, что они опасны, пока не появятся убедительные доказательства обратного.

Теоретически вы можете попытаться решить проблему, используя дистиллированную воду или увлажняя комнату, находясь вне дома или закрывая дверь. Но не стоит. Что делать, если увлажнитель загрязняется? Что делать, если частицы просачиваются из комнаты? Что делать, если у вас накапливаются бактерии и загрязняют воду? Вы действительно собираетесь отключать, чистить и сушить увлажнитель каждый раз, когда вы его используете?

Просто используйте испарительный или паровой увлажнитель воздуха, которые, кажется, почти не создают частиц.

Другие случайные вещи

Оказывается, пылесос приводит к увеличению количества частиц на 50. Сушилка для чистки ворса вызывает всплеск PM₁₀, но не PM_2,5. Вы можете получить небольшой подъем уровня частиц, застелив постель!

В целом, избежать появления частиц невозможно. Практически любая деятельность, связанная с молекулами, создаст некоторые частицы. На самом деле, воздействие в течение небольшого промежутка времени не имеет такого уж большого значения. Решение состоит в том, чтобы избежать самых серьезных проблем и убедиться, что частицы удаляются из воздуха достаточно быстро, чтобы не причинить серьезного вреда. Сделать это можно, очистив воздух. Или, если вам повезло с чистым и умеренным воздухом на улице, вы можете просто держать окна открытыми.

Что делать

Старайтесь не создавать частицы в помещении.
Прежде всего, избавьтесь от своих ультразвуковых увлажнителей воздуха. Не сжигайте продукты во время готовки. Никогда не используйте благовония. Гасите свечи крышкой. Избегайте опасных чистящих средств. Если вы пользуетесь лаком для волос, я думаю, вы могли бы делать это на улице?

Следите за уровнями частиц на открытом воздухе.
В большинстве мест в мире есть средства измерения частиц в реальном времени. Вы должны следить за ними, как и за погодой. Некоторые погодные веб-сайты/приложения уже включают подсчет частиц подумайте об их использовании.

Заведите себе счетчик частиц.
Вы можете оценить скорость воздухообмена в вашем доме и скорость, с которой ваш очиститель удаляет частицы. Вы можете попытаться уменьшить активность, генерирующую частицы в помещении. Но единственный способ убедиться это проверить.

Вы можете купить нормальный счетчик частиц за 100 долларов. Иногда носите его с собой, чтобы проверять, нет ли каких-то неприятных сюрпризов. Поделитесь этой информацией с вашими друзьями. Нам действительно нужны более совершенные портативные счетчики частиц. В идеале они должны быть встроены в часы или в телефоны.

(Многие люди просили у меня порекомендовать хороший счетчик частиц. Я не хочу рекомендовать тот, который у меня есть, потому что он несколько хреновый. Если вы ищете монитор качества воздуха, есть много вариантов, которые будут лучше. Дайте мне знать, если у вас есть счетчик частиц, который вам действительно нравится.)

Используйте в помещении очиститель воздуха

Очиститель воздуха нужен вашему дому по двум причинам:

• Для снижения стационарного уровня внешних частиц.
• Чтобы уменьшить период полураспада частиц, которые вы производите в помещении.

Оказывается, очиститель воздуха уменьшает и то, и другое в одинаковой степени. Чтобы получить более точные данные, предположим

• Период полураспада вашей вентиляции равен t, что означает, что по прошествии этого времени половина воздуха в вашем доме была заменена наружным воздухом. (Обычно это от одного до пяти часов.)
• Период полураспада вашего очищения равен s, что означает, что по прошествии этого времени ваш очиститель удаляет половину частиц из воздуха (при условии отсутствия вентиляции).

Когда вы включаете очиститель, по математическим расчетам, ваше общее воздействие как от внутренних, так и от внешних источников умножается на коэффициент

с/(с+т).

Это интуитивно понятно: вы хотите, чтобы очистка была быстрее, чем вентиляция, т.е. вы хотите, чтобы s <t. В этом случае ваше общее воздействие умножается на небольшое число.
Например, предположим, что в вашем доме средний период полураспада вентиляции составляет 120 минут, а кубовидный очиститель воздуха работает на низком уровне, что означает период полураспада очистки 15 минут в комнате объемом 31 м. Затем этот очиститель снижает ваше воздействие на долю = 15 / (15 + 120) от того, что было бы в противном случае.

Хотя это работает как для внутренних, так и для наружных частиц, помните, что всегда полезно открывать окна, если уровень на открытом воздухе в настоящее время ниже, чем в помещении например, потому что вы только что сожгли свой обед.

*Поскольку это уже подробности, я оставлю детали того, как вывести эту формулу здесь.
Сначала поговорим об устойчивом состоянии. За фиксированный промежуток времени очистители удаляют фиксированную фракцию частиц из воздуха, в то время как вентиляция заменяет фиксированную часть воздуха в помещении на наружный. Таким образом, чем больше частиц, тем быстрее работает очистка и меньше вентиляция. Устойчивое состояние это когда они равны.

Если уровни наружного воздуха равны L, оказывается, что устойчивое состояние для уровней внутри помещений равно L s / (s + t).

Например, предположим, что уровни на открытом воздухе равны 100, средний период полураспада вентиляции в вашем доме составляет 120 минут, и что вы используете кубовидный очиститель воздуха на высокой скорости в комнате среднего размера, что означает период полураспада очистки 7 минут. Тогда установившаяся концентрация будет 5,5 = 100 7 / (7 + 120).

Теперь поговорим о частицах, созданных в помещении. Допустим, вы генерируете клубок дыма и получаете максимальную концентрацию c. Если частицы уходят только из-за вентиляции, ваше общее воздействие в конечном итоге составит 1,44 ct. Теперь предположим, что у вас есть воздушный фильтр с периодом полураспада s без вентиляции. Комбинированный период полураспада составляет st / (s + t), поэтому ваше новое воздействие составляет 1,44 c s t / (s + t). Соотношение нового и старого воздействия снова s / (s + t).

Установите в машину салонный воздушный фильтр HEPA

Одна автомобильная компания всячески раздумывает над своей системой очистки воздуха. Это замечательно повышать осведомленность, но в большинстве автомобилей, выпущенных за последние 10-20 лет, есть фильтры салона, через которые воздух проходит перед тем, как попасть вам в лицо.

Обычно это не HEPA, но вы можете купить версию HEPA примерно за 1020 долларов и легко установить ее самостоятельно. В большинстве автомобилей вы просто вытаскиваете перчаточный ящик, а затем выдвигаете фильтр. Это занимает около 5 минут и не требует никаких инструментов.

Если вы похожи на большинство людей, вы скорее всего даже не подозревали, что у вас есть воздушный фильтр в салоне, так что, вероятно, пришло время его заменить. Заплатите дополнительно 5 долларов, чтобы получить тот, который удаляет мелкие частицы. (Это может немного снизить скорость воздуха.)

Маски действительно ненадежные

В некоторых частях мира принято носить маски, чтобы уменьшить воздействие частиц. Насколько это помогает? Я не думаю, что кто-то действительно знает. Тем не менее, мы можем сделать несколько убедительных заявлений:

1. Можно использовать маску, чтобы исключить большую часть воздействия частиц (уменьшение> 90%).
2. Многие широко продаваемые маски просто не работают так, как говорится в рекламе, независимо от того, как они используются.
3. Для успешного использования маски крайне важно иметь такую, которая подходит вашему лицу, и необходимо проверять ее соответствие.

Во время лабораторных испытаний исследователи покупают кучу масок n95, затем осторожно прикрепляют их либо к манекенам, либо к настоящим человеческим головам, а затем проверяют, насколько хорошо они работают. С оптимизмом Shakya (2016) обнаружил, что две маски n95 работали хорошо, и даже тканевые маски что-то делали. Ричард Сен-Сир попробовал несколько масок в Китае, очень осторожно подходя к подгонке, и получил числа от 56% до 99%. В некоторых работах (Cherrie, 2018; Pacitto, 2019) было протестировано несколько различных масок и было обнаружено, что одна или две работают хорошо, но большинство удаляют половину частиц или меньше. К сожалению, Faridi 2020 попробовал 50 различных масок, доступных в Иране, и обнаружил, что ни одна из них не работает лучше 40%, а большинство из них намного хуже.

Я предполагаю, что реальные условия ближе к плохим случаям, чем к хорошим.

Что вы можете сделать? Две вещи:

• Откажитесь от покупки какой-либо маски без независимого тестирования, чтобы доказать, что она работает.
• Навязчивый тест на подгонку проверка низкого качества заключается в том, чтобы посмотреть, что происходит, когда вы вдыхаете или выдыхаете воздух проходит по краям маски? Но на самом деле вам нужен формальный тест на пригодность.

Распространенный метод настоящих тестов сделать аэрозоль с сахарином (да, искусственный подсластитель) и проверить, блокирует ли маска запах. Provenzano (2020) дает некоторые предварительные доказательства того, что это можно сделать с небольшими затратами.

Пока нет проверенного рецепта, сделанного своими руками, но это кажется возможным. Может быть, мы сможем использовать эти чертовы ультразвуковые увлажнители воздуха, чтобы сделать аэрозоль сахарина. Кто знает, может, появится какая-то не связанная с этим причина для интереса к маскам.

---

Облачные серверы от Маклауд быстрые и безопасные.

Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!

В мире природы полно созданий, отличающихся своим необычным методом передвижения, внешним видом, гастрономическими предпочтениями, поведением и т.д. Конечно, для них самих ничего необычного нет, ибо все это является результатом сотен тысяч лет эволюции, нацеленной на выживание вида в постоянно меняющихся условиях окружающей среды. То, что является необходимостью для животного, для нас становится объектом исследований и вдохновением в разработках, применяемых в самых разных отраслях, от медицины до робототехники. Так ученые из Технологического института Джорджии (США) решили провести детальный анализ хобота слона, с помощью которого травоядный гигант способен и пить, и собирать еду. Что происходит с хоботом, когда слон пьет, какую силу он применяет, когда поднимает мелкие объекты, и где можно применить полученные данные? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Слоны хоть и являются самыми крупными обладателями хобота, но далеко не единственными. Бабочки, ленточные черви, пиявки, клопы, тапиры, морские слоны и т.д. все они обладают той или иной формой хобота. В разных случаях хобот служит органом осязание, питания и даже защиты.

Для слонов же хобот, образованный из носа и верхней губы, является своего рода швейцарским ножом. С его помощью они набирают воду (которую потом выливают в рот), подбирают мелкие предметы, срывают плоды, дышат во время переправы через водоемы, используют в коммуникации со своими сородичами и т.д.


Изображение 1

Один африканский слон (Loxodonta africana) ежедневно потребляет более 200 кг растительности, тратя около 18 часов в день на добычу травы, листьев, фруктов и коры деревьев (1a).

Самое удивительно то, что хобот слона может весить порядка 100 кг, но при этом слон с легкостью может поднять с пола мелкий и хрупкий предмет, не повредив его. Секрет такой аккуратности не только в гибкости и подвижности хобота, но и в воздухе, который он всасывает. Ученые предположили, что важную роль в том, как слон манипулирует хоботом, играют ноздри и легкие животного. Во время всасывания воды также происходят определенные изменения, вызванные сокращением мышц, что позволяет слону получать больше воды за один заход.

Факт того, что слоны используют воду и воздух в качестве дополнительных инструментов для манипуляции с объектами окружающей среды, был описан еще в 1871 году Чарльзом Дарвином. Он заметил, что слоны могут перемещать объекты вне их досягаемости с помощью дуновения через хобот. Слоны могут регулировать продолжительность дуновения в зависимости от расстояния до объекта и даже намеренно направлять струю воздуха на стену, которая затем оттолкнет объект ближе к ним.

Ученые отмечают, что животные, которые манипулируют объектами с помощью потока жидкости, обычно обитают в воде, а не на суше. Ярким примером являются рыбы из рода Toxotes (брызгуны), способные выстреливать струей воды в насекомых над поверхностью водоема.


Брызгун на охоте.

Кальмары и осьминоги также стреляют водой, но не для охот, а для передвижения. Многие виды рыб используют так называемое всасывающее кормление, когда они втягивают еду в ротовое отверстие.

Учитывая уникальность подобного поведения среди наземных существ, слоны и их хоботы требуют изучения, считают ученые. Посему было проведено несколько тестов, во время которых ученые фиксировали любые изменения морфологии хобота слона во время кормления, забора воды и манипуляций с мелкими хрупкими объектами.

Результаты исследования

В ходе тестов (14 заходов) подопытного слона кормили брюквой, нарезанной кубиками разных размеров. Захват хоботом менялся в зависимости от размера и количества кубиков (1b). Когда слону давали 10 мелких кубиков (менее 40 мм), он использовал цепкий конец хобота без всасывания. Если же мелких кубиков было больше 10, то слон предпочитал всасывание (1c). Забавно, что ученые охарактеризовали звук, которым сопровождался этот процесс, как звук работающего пылесоса.


Методы сбора мелких (16 мм) и крупных (32 мм) кубиков брюквы. В первом случае присутствует всасывание (обратите внимание на звук). Во втором его нет, так как кубики слишком большие.

Любопытно, что во время тестов с зернами всасывание не использовалось, вместо этого слон пытался захватить как можно больше зерен в пригоршню. Скорее всего всасывания не было, чтобы предотвратить застревание зерен в хоботе.

Далее трапеза слона продолжилась чипсами (тортилья), чтобы оценить его взаимодействие с крупными плоскими объектами. Толщина чипса не более 500 мкм, посему его сложно поднять с плоской поверхности (использовалась силовая платформа). Для разрушения чипса нужно приложить силу в 11 2 Н (Ньютон), что составляет около 1% от веса хобота слона.

После первого контакта процесс поднятия чипса занимал 3.0 0.2 секунды. Сам процесс можно разделить на три этапа (1d и 1e): приближение к объекту, поиск объекта, подъем объекта.


Притягивание чипса методом всасывания воздуха (видео замедлено в 5 раз).

Слон сначала не касался чипса напрямую, а дотрагивался до внешнего края силовой платформы, прикладывая при этом силу в 4 1 Н. На этапе поиска он приближался к чипсу, применяя силу в 5 Н, т.е. 50% от необходимой для разрушения чипса силы.

Во время этапа подъема наблюдалось два разных поведения. В первом случае слон применял всасывание на фиксированном расстоянии от чипса (1d). Во втором применял всасывание, прижимая хобот прямо к чипсу (1e). Любопытно и то, что в любом случае слон практически всегда поднимал чипс без его повреждения.

Визуальные наблюдения за слонами хоть и веселое занятие, но они дают слишком мало данных. Потому ученые дополнительно измеряли создаваемое давление всасывания во время тестов с водой. Дабы лучше визуализировать поток, всасываемый хоботом, в воду были добавлены семена чиа. Профиль потока кажется параболическим, о чем свидетельствует большее расстояние, пройденное семенами чиа в области центра ноздрей (2а).


Изображение 2

График 2c показывает ход потока жидкости в хоботе по времени, измеренный по мере уменьшения жидкости в резервуаре. Во время трех тестовых заходов слон всасывал воду в течение 1.5 0.1 с, что соответствует объемному расходу Q_w = 3.7 0.3 л/с. И тут ученые опять проводят странное сравнение (для американцев это вполне нормальная практика): такой объемный расход эквивалентен 20 смывам туалета (не знаю, как такое сравнение может помочь оценить или визуализировать силу потока, но ладно).


Эксперимент с всасыванием воды.

Общий объем жидкости в хоботе составил 5.5 0.41 литра. После всасывания 3 литров была пауза примерно в полсекунды, в момент которой скорость потока была 1 1.2 л/с. Затем поток снова увеличивался до 4.5 2.1 л/с в последние полсекунды цикла всасывания. Подобная динамика наблюдалась во время всех наблюдений. Ученые предполагают, что кратковременные перерывы во время всасывания необходимы для предотвращения попадания воды в постериальный сфинктер хобота.

Для дальнейшего анализа необходимо было установить внутренний объем хобота (длиной примерно 1.9 м). Для этого были использованы данные измерений поперечного сечения хобота. Полость хобота имеет радиус 1 см на дистальном конце и 3 см на проксимальном. Расчетный объем хобота в таком случае будет 5.2 литра, что почти равно объему втягиваемой воды (5.5 л). Как слон может втягивать воду в объеме большем, чем объем его собственного хобота? Ранее проведенные исследования показали наличие мышечной структуры, идущей от ноздрей, которая позволяет хоботу расширяться.

Далее ученые провели ультразвуковое исследования (3a), чтобы выяснить пределы расширения этой структуры. Ультрасонографические измерения стенок хобота проводились в трех условиях: естественное дыхание, втягивание воды и втягивание воды с отрубями.


Изображение 3

На снимках 3c и 3d видно, что радиальные мышцы сокращались, когда слон втягивал воду с отрубями.


Ультразвуковое исследование носовой стенки слона во время всасывания отрубей. Красной стрелкой отмечена граница между жидкостью и стенкой носа.

Исходный радиус хобота и ноздри равны 7.5 и 1.5 см соответственно. Следовательно, толщина исследуемой стенки хобота равна 6 см. При всасывании воды толщина стенки уменьшалась до 5.7 см, а при всасывании воды с отрубями до 5.6 см.

Было установлено, что радиус ноздри во время всасывания воздуха, воды и воды с отрубями составил: 1.5 0.2 см, 1.8 0.2 см и 1.9 0.2 см соответственно (3e). Таким образом значения радиуса во время всасывания воды и воды с отрубями увеличивались на 18% и 28% соответственно.

Если предположить, что радиус увеличивается по всей длине хобота, то внутренний объем хобота увеличивается на 40% для воды и на 64% для воды с отрубями.

Однако у любой системы есть свой предел. Ученые создали математическую модель для расчета эффективного расстояния для кормления методом всасывания (2d). Модель позволила установить максимальное давление, применяемое в экспериментах с водой, и максимального расстояния от чипса, на котором слон может его поднять с помощью всасывания.

В экспериментах с водой средняя скорость воды (u_w) в хоботе представляет собой расход, деленный на площадь поперечного сечения ноздрей: Q_w / (2a²) 2.7 м/с, где a = 2.1 см это радиус ноздри. Максимальное давление наблюдалось в конце цикла всасывания, когда вода достигает максимальной скорости и высоты в хоботе. Если рассчитать число Рейнольдса* потока внутри ноздри, можно узнать, испытывает ли жидкость турбулентность.

Число Рейнольдса* отношение инерционных сил к силам вязкого трения в вязких жидкостях и газах.

Число Рейнольдса для транспортировки воды по трубе Rew = 8.1 х 10⁴, а число Рейнольдса для воздуха 4.2 х 10⁶. Учитывая, что эти числа Рейнольдса выше 4000, для аппроксимации можно использовать закон Бернулли*. В результате было установлено, что прилагаемое давление составляет -20 кПа.

Закон Бернулли* если вдоль линии тока давление жидкости возрастает, то скорость течения убывает, и наоборот.

Если аналогичное давление применяется во время всасывания чипса, то скорость воздуха составляет 150 м/с. Также расчеты показывают, что расстояние, на котором слон может эффективно притягивать объекты, линейно зависит от размера ноздри. Следовательно, объект с меньшей массой или большей площадью может эффективно всасываться и на большем расстоянии, чем во врем экспериментов с чипсами.

В экспериментах площадь поверхности чипса составляла 113 см², а масса 10 г. Учитывая ускорение свободного падения (в расчетах было 9.81 м/с²) и рассчитанное давление (-20 кПа), ученые установили, что максимальная высота эффективного всасывания составляет 4.6 см.

Важнейшим аспектом, влияющим на эффективность всасывания, является давление в легких слона. Слоны могут создавать высокое давление в легких из-за их специализированной дыхательной системы. Растяжимая сеть коллагеновых волокон заполняет плевральное пространство, свободно соединяя легкие с грудной стенкой, при это не ограничивая движения легкого по отношению к грудной стенке (Почему у слона нет плевральной полости?, Джон Б. Уэст, 2002).

Именно эта анатомическая особенность позволяет генерировать потоки воздуха с такой большой скоростью. Кроме того, эндоторакальная фасция* у слонов в восемь раз толще, чем у людей, кроликов, крыс и мышей, что может создавать дополнительное давление в их легких.

Эндоторакальная фасция* слой рыхлой соединительной ткани глубоко в межреберных промежутках и ребрах, отделяющий эти структуры от подлежащей плевры. Фасциальный слой является самой внешней мембраной грудной полости.

Изображение 4

В заключение ученые, основываясь на полученных данных, решили определить, способны ли другие животные притягивать объекты всасыванием, как и слоны. Сначала было оценено соотношение массы тела к радиусу ноздри (4a), который увеличивается с размерами существа (из тех, что учитывались в расчетах).

У слонов самые широкие ноздри из всех исследованных млекопитающих, с радиусом ноздри от 10 мм на кончике до 30 мм на расстоянии 90 см от него. Используя слонов как точку отчета, ученые составили диаграмму максимального расстояния, на котором млекопитающие в теории может притягивать объекты всасыванием (4b). К примеру, для коров такое расстояние составляет 1 см, а для свиней и тапиров 0.65 см.

Ну и самое забавное, конечно. Человек тоже может притягивать предметы всасывая воздух, правда они будут не толще листа бумаги, а максимальное расстояние для успешности трюка с чипсом не может быть больше 0.4 мм. А любые флуктуации воздуха между чипсом и носом сделает трюк невыполнимым.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

За что можно любить науку, так это за ее безграничность. Человек готов с необъятным любопытством исследовать все, от таинственного космоса и глубин океанов до хобота слона.

В данном исследовании ученые провели эксперименты и расчеты, детально описывающие то, как именно слону удается притягивать объекты с помощью всасывания. С одной стороны это кажется весьма простым процессом, однако для его реализации необходимо множество факторов, от нестандартных легких до гибкой мышечной структуры хобота.

Для слона его хобот является и манипулятором, и датчиком окружающей среды, и инструментом по забору образцов. Обоняние слонов намного лучше нашего, а гибкость и подвижность хобота позволяют им взаимодействовать даже с самыми хрупкими предметами, не повреждая их.

Слоны это удивительные создания, которых можно с легкостью назвать примером того, как даже самые, на первый взгляд, странные причуды эволюции обладают смыслом, логикой и практическим применением.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята. :)

P.S. Большая просьба после прочтения сего материала не пробовать дома притянуть чипсы методом втягивания воздуха. Вряд ли авторы исследования хотели, чтобы вы поперхнулись, пытаясь изобразить Дамбо.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

У нас было двое взрослых, двое сопливых детей, закрытые города, полсотни тысяч заражённых, отличный темп распространения коронавируса, родители в группе риска, дефицит лекарств, а так же платные бригады скорой, коллапс медицины на юге страны и один УФ-рециркулятор в запасе. Не то чтобы это были необходимые условия для полноценного домашнего карантина, но если эпидемия накрыла с головой, становится трудно остановиться. Единственное, что вызывало у меня опасение это ультрафиолет. Ничто в мире не бывает более суровым, бескомпромиссным и порочным, чем хорошая доза 253,7 нм. Я знал, что рано или поздно мы перейдем и эту черту.
(классика)




Если же подойти к теме чуть серьёзнее, то вопрос обеззараживания воздуха возник в нашей семье намного раньше. В целом, маленькие дети более склонны к простудам и прочим ОРВИ, а когда детей несколько шанс что один заразит другого приближается к единице. Ну и мы с супругой иногда получали свою дозу вирусных частиц, подтирая детские сопли и сбивая ночами температуру. Не всегда, конечно, заболевали, но бывало (не знаю, насколько это норма, или это нам так не везло...). Но дети немного подросли, да и вопрос с нормальной вентиляцией в квартире был успешно решён, так что проблема организации правильного карантина стала не так актуальна до недавнего момента, когда вторая волна коронавируса (а может и запоздалая первая) накрыла Казахстан во всю мощь
И вот в этот самый момент мы решили включить паранойю немного подстраховаться и подготовиться к возможному домашнему карантину. И если с запасом лекарств и туалетной бумаги здравого смысла всё было более-менее нормально, то вопрос обеззараживания воздуха оставался открытым.

Стерилизуй это!

Теория обеззараживания УФ-излучением была хорошо расписана в недавней статье, так что я постараюсь не повторяться а только пройдусь по верхам для понимания общей картины.
Собственно, главный вопрос жизни и смерти микроорганизмов хорошо отражает вот этот маленький график:

Смертность под воздействием УФ-излучения определённой длины волны для бактерий в целом (синий) и отдельно для кишечной палочки (красный). [Osram]

Да, подобные лучи добра можно смело посылать нашим одноклеточным товарищам они точно оценят. Впрочем, жёсткий УФ крайне опасен для всего живого, так что при работе с ним берегите свою кожу, глаза, домашних животных и предметы в случае чего, мало никому не покажется!
Кстати, всякие чудовища УФ тоже не любят мне почему-то этот фильм из детства вспомнился:

Следующий момент, который нужно отметить все бактерии, грибки и вирусы имеют разную устойчивость к УФ-излучению. Поэтому важно определиться с понятием экспозиции или получаемой дозы облучения. Если совсем кратко, бактерицидная доза это отношение энергии бактерицидного излучения к площади облучаемой поверхности (или объему облучаемой среды). Т.е. чем сильнее жарим и чем на меньшую площадь это излучение попадает тем быстрее обнулится целевое микробное сообщество.

Если говорить о стерилизации воздуха, то для разных типов (медицинских) помещений существуют нормируемые уровни бактерицидной эффективности:

Таблица из этого замечательного документа. Там же подробная методика расчёта и таблица устойчивости разных видов микроорганизмов.

В качестве тест-организма там использовался золотистый стафилококк, но вирусы гриппа ( и коронавирусы?..) имеют схожую устойчивость. Из таблицы видно, что для жилых помещений вполне можно ориентироваться на III-IV категорию, т.е. требуемая бактерицидная доза менее 200 Дж/м3. Пока что запомним эту цифру, далее мы к ней вернёмся. Для желающих ещё больше углубиться в расчёты, есть американские данные с лампами фиксированной мощности.

Ближе к делу!

Итак, теорию пока что оставим и перейдём к практике. Задача проста максимально обеззараживать воздух в изолированном помещении (комнате), где может находиться крайне заразный человек с Ковидом (или любым другим заболеванием, передающимся воздушно-капельным путём). Прибор должен быть безопасен для людей, животных и предметов, а так же работать в режиме 24/7 (т.е. всякие кварцевые облучатели отпадают).

Изучая рынок, с удивлением обнаружил подходящее устройство у компании Вакио, где я пару лет назад брал комнатные рекуператоры. Т.к. мой опыт взаимодействия с ними был положительным, решил эту штуку и попробовать:

Вот такой прибор, принцип работы довольно прост. Это версия на 60м3/ч. Есть ещё на 120м3/ч там ещё +2 лампы и +1 вентилятор

Устанавливать его можно в любом положении, есть даже передвижная тележка (прям мечта ковид-параноика возить с собой собственный обеззараживатель воздуха...). Собран прибор хорошо, все материалы качественные и приятные.

Внутри много полированного металла (не какая-то алюминиевая фольга, а полноценная нержавейка). Качество внутренних поверхностей очень важно, т.к. от этого зависит бактерицидная эффективность рециркулятора (больше внутренних отражений более полно используется доступное УФ-излучение):

Не идеальное зеркало, конечно, но очень хорошо. Маленький Инженер оценил.

Минус такой хорошей полировки остаточное излучение немного просачивается наружу. Не сильно, но всё же снимать решётку-дефлектор и заглядывать внутрь не стОит:


При работе шумит. Хорошо слышно вентилятор, хоть он и висит на резиновых втулках. Производитель заявляет менее 45 дБа, для кого-то это будет много. Но, думаю, что в случае реальной необходимости, шум будет меньшим злом. Хотя кому как

Доверяй, но проверяй!

До силовой части я добраться не смог вся внутренняя часть прибора это цельный (!) лист полированного металла, хитро подрезанный и согнутый как картонная коробка. Прям реально круто! Но ломать я ничего не стал, поэтому пока что без Geek porn.

Однако про используемые лампы и вентилятор мне есть что рассказать. С последнего и начнём: насколько я смог выяснить, в приборе используется что-то вроде SUNON MA2082HVL

Для фактического измерения пришлось сколхозить воздуховод для выравнивания потока (чтобы сделать его ламинарным для более точных измерений):

Замер проводился на расстоянии 1,5 м от вентилятора.

Итого, намеряно чуть менее 40м3/ч. Меньше чем заявлено, но и система измерения была не идеальна. Учитывая характеристики вента, думаю фактическая производительность должна быть в районе 50м3/ч.
В общем нужно было мне выбирать версию на 120 м3/ч, тем более, что по цене она не сильно дороже. Ну да ладно, этой производительности для моих задач тоже должно хватать.

С лампами всё проще используются 2 либо 4 штуки HNS 15 W G13 OFR от фирмы Osram. Версия OFR это безозоновые лампы, бОльшая часть излучения которых приходится на ~254 нм:

Спектральное распределение мощности безозоновых ламп [Osram]

Заявленный срок службы 9000 часов. Только нужно учитывать, что все УФ-лампы со временем деградируют, причём ощутимо. Этот момент будет учитываться в дальнейшем расчёте бактерицидной эффективности этого рециркулятора.

Пример скорости деградации безозоновой лампы на 55 Вт. Для используемой в приборе 15 Вт лампы я не нашёл такой график, но данные указаны такие: спад бактерицидного потока на 12% после 5000 часов и на 20% после 8000 часов.

И наконец, мы подошли к самому интересному давайте посчитаем, какая реальная бактерицидная эффективность этого рециркулятора. Для этого обратимся всё к той же замечательной методичке и посмотрим базовую формулу для расчёта.


Здесь всё просто, за исключением пары моментов:
1) Коэффициент использования бактерицидного потока. В методичке он выбирается 0.4 для закрытых рециркуляторов. И вот на это как раз влияет отражающая способность внутренних поверхностей прибора. Оставим так, но возможно, для полированной нержавейки этот параметр будет лучше (но это не точно).
2) Коэффициент запаса. В базовой формуле его нет, но для конкретных приборов он применяется. Обычно берётся 1.5, хотя с ним ещё сложнее, т.к. много всего влияет.

Итого, с двумя лампами по 4,9 Вт бактерицидного потока и замеренной производительностью 39 м3/ч, я начитал 241 Дж/м3. Даже если фактическая производительность будет в районе 50 м3/ч, то всё равно имеем 188 Дж/м3, что даёт гарантированное 95% обеззараживание воздуха. При свежих лампах и нормальном напряжении в сети, (коэффициент запаса минимален или отсутствует) можно рассчитывать на 99% обеззараживание. Что, собственно, производитель и декларирует.

Слабоумие и отвага!

Ладно, прибор работает, но нам ведь хочется бОльшегО! Что ещё можно придумать, если под рукой есть мощные УФ-лампы в удобном корпусе?..

Ну, во-первых, можно сделать УФ-прожектор. Задняя стенка прибора полностью снимается (откручиваем 6 болтов), рециркулятор ставится на подставку и направляется в нужную сторону. Вполне себе замена кварцевой лампе для обеззараживания помещения. (только пожалуйста, включайте его через удлинитель...)

Во-вторых, внутри есть достаточно места, чтобы разместить средних размеров смартфон и стерилизовать его поверхность (лучше без чехла!):



На этом моя фантазия закончилась, так что если у вас есть мысли как ещё использовать такое устройства дома прошу поделиться в комментариях.

Выводы

В упомянутой статье об УФ-дезинфекции, автор делает вывод о бесполезности закрытых рециркуляторов. Мои выводы иные.
При небольшом помещении (комната 12-18 м2) подобный рециркулятор (тем более версия на 120 м3/ч) может обеспечить постоянное обеззараживание воздуха, даже с работающей вентиляцией.

Бонус

Уже начав писать эту статью, получил от производителя ссылку на их новый продукт, который только готовится к выходу. Мощная система очистки воздуха, рассчитанная на 100 м2 площади:


Ну и в заключение небольшой опрос. Насколько эта тема интересна и актуальна (или это я один такой любитель перестраховаться):