トイレの水を流すと、そのたびに小さな水滴が周囲の空気に放出される。この水滴はエアロゾル・プルームと呼ばれ、人間の排泄物から病原菌を拡散させ、公衆トイレにいる人を伝染病にさらす可能性があるのだ。
エアロゾルの拡散に関する科学的な理解や、エアロゾルの存在に対する一般の人々の意識は、エアロゾルが通常目に見えないという事実が妨げになっていた。同僚のAaron True、Karl Linden、Mark Hernandez、Lars Larson、Anna Paulsと私は、高出力レーザーを使ってこのプルームを照射し、商業用トイレの水洗から拡散するエアロゾルのプルームの位置と動きを鮮明に画像化し、測定することに成功した。
ダウンではなく、アップを目指す
トイレは、便器内の内容物を下向きに流し、排水管に効率よく排出するよう設計されている。水洗式では、水が便器内の内容物と勢いよく接触し、空気中に浮遊する粒子の細かいしぶきを発生させる。
一般的な業務用トイレでは、毎秒6.6フィート（約2m）を超える強い上昇気流が発生し、水洗開始から8秒以内にこれらの粒子がボウルから5フィート（約1.5m）上空まで急速に運ばれることがわかった。
この噴煙を可視化するために、北米で一般的な蓋のない業務用トイレとフラッシュメーター式バルブを研究室に設置した。水洗弁は、重力の代わりに圧力で水を便器に導く仕組みになっている。私たちは、特殊な光学系を使用して垂直方向に薄いレーザー光を作り出し、便器の上部から天井までを照らした。遠隔操作で水を流すと、エアロゾル粒子がレーザー光を十分に散乱させて見えるようになり、カメラを使って粒子の噴出しを画像化することができた。
このような粒子が見えることは予想していたが、それでも、便器から粒子を噴出するジェットの強さに驚いた。
関連する研究では、理想的なトイレの計算モデルを使用してエアロゾルのプルームの形成を予測し、便器の上方で毎秒3.3フィート（毎秒1メートル）に近い速度で粒子が上方に排出されることを示したが、これは実際のトイレで観察されたものの約半分だった。
なぜレーザーなのか？
トイレの水を流すとエアロゾルが空気中に放出されることは、何十年も前から科学者たちに知られていた。しかし、トイレから発生する粒子の数や大きさを調べるための実験的研究は、主に固定した場所の空気をサンプリングする装置に依存していた。
このような初期のアプローチでは、エアロゾルの存在は確認できても、その形状、広がり方、移動速度など、プルームの物理的な情報についてはほとんど得られない。このような情報は、エアロゾルの発生を抑え、病気を媒介する能力を低下させるための戦略を開発する上で非常に重要だ。
私の研究室は、流体物理学と生態学的・生物学的プロセスの相互作用を研究している工学部の教授として、レーザーを使って複雑な流体によって様々なものがどのように運ばれるかを調べることを専門としている。多くの場合、これらの物体はレーザーで照らされるまで目に見えない。
レーザー光による流体計測の利点は、物理的なプローブとは異なり、光は計測しようとするものそのものを変化させたり、破壊したりしないことだ。さらに、レーザーで見えないものを見えるようにすることで、視覚の生き物である人間にとって、複雑な流体環境をより理解しやすくなるのだ。
エアロゾルと病気
病原体を含むエアロゾル粒子は、人間の病気を媒介する重要な物質だ。空気中に一定時間浮遊している小さな粒子は、吸入することでインフルエンザやCOVID-19などの呼吸器系疾患にさらされる可能性がある。表面上に素早く沈降する大きな粒子は、手や口との接触により、ノロウイルスなどの腸の病気を広げる可能性があるのだ。
糞便で汚染された便器の水は、何十回洗っても病原体濃度が持続することがある。しかし、トイレのエアロゾルのプルームが感染リスクをもたらすかどうかについては、まだ未解決の問題である。
私たちは、トイレのエアロゾルがどのように移動し、拡散するかを視覚的かつ定量的に説明することができたが、トイレのエアロゾルがどのように病気を媒介するかについては直接触れておらず、この点は引き続き研究課題として残っている。
トイレの噴霧の拡散を抑制する
私たちの実験方法は、トイレの水洗による疾病への曝露リスクを最小化するためのさまざまな戦略を検証する今後の研究の基盤となる。これには、新しい便器の設計や、水洗サイクルの時間や強度を変える水洗バルブから発生する噴霧の変化を評価することが含まれる。
一方、人間がトイレの水蒸気にさらされるのを減らす方法もある。明らかな対策は、水を流す前に蓋を閉めることだ。しかし、これではエアロゾルの噴出を完全に防ぐことはできず、公共施設、商業施設、医療施設のトイレの多くには蓋がない。換気または紫外線消毒システムも、トイレでのエアロゾル・プルームへの曝露を軽減することができる。
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