기침과 재채기의 과학(물리학) / KF94 마스크를 써야하는 이유! / 좋은 마스크를 제대로 써야하는 과학적인 이유
2020년 3월 11일
세계보건기구(WHO)는 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19)에 대해
세계적 대유행, 즉 팬데믹(pandemic)을 선언했습니다.
1968년 홍콩독감과 2009년 신종 인플루엔자(신종플루)에 이은 3번째 팬데믹 선언입니다.
이제는 전세계적으로 수많은 사람이 코로나19로 인해 고통을 받고 있고,
언제 끝이 날지도 모른다는 불안감이 엄습해오고 있습니다.
코로나19로 인해 무너진 일상 속에서 코로나19가 하루 빨리 끝나기를 간절히 바라는 마음으로
코로나 19 확산 방지를 위해 KF94 마스크를 꼭 써야하는 과학적인 이유에 대해 알아봤습니다.
이제는 마스크를 안쓰는 사람을 보기가 힘들어질 정도로
우리나라 국민들은 훌륭하게 마스크를 착용하고 있습니다.
그러나 여전히 카페나 식당을 비롯한 실내공간에서는
어쩔 수 없이 마스크를 잠시 벗어둬야 합니다.
실내공간에서 다른 사람과 충분히 떨어져있고
긴 시간 공공장소에 있는 것이 아니라면 마스크를 쓰지 않아도 괜찮을까요?
그리고 KF94 마스크를 구하기 힘든데 면 마스크로도 코로나19 방지가 가능할까요?
기침과 재채기의 유체역학에 대해 수년간 연구해온
매사추세츠 공대(MIT)의 부뤼바 교수팀의 충격적인 연구 결과와
마스크를 제대로 된 방법으로 쓰지 않으면
어떤 일이 일어나는지 연구한 홍콩대학교 연구원들의 연구에 대해 소개해드립니다
1. 기초 지식 - 코로나19 감염경로
코로나19의 감염경로는 크게 접촉전파, 비말전파, 공기전파가 있습니다.
접촉전파는 말 그대로 악수를 하는 행위와 같은 직접적인 접촉과,
오염된 중간 매개체를 통한 간접적인 접촉을 통해 전파되는 것입니다.
그래서 요즘은 접촉전파를 막기 위해서
오랜만에 사람을 만나도 악수조차 할 수 없게 되었습니다.
비말전파와 공기전파는 유사한 개념인데
둘 다 감염원이 포함된 입자들의 이동에 의한 전파를 의미합니다.
이 때 감염원이 포함된 입자가 5마이크로미터(0.005mm) 이상의
비교적 큰 입자이면 비말전파라고 하며
5마이크로미터보다 작은 입자들이 공기중에 떠다니다가
호흡기나 점막을 통해 감염되면 공기전파라고 합니다.
얼마전까지만해도 코로나19가 공기전파가 되냐 안되냐로 논란이 많았는데
최근 중국 보건당국에서 공기전파 가능성을 인정한 바 있습니다.
코르나19의 세가지 감염경로 중 비말전파와 공기전파를 막기 위해서는 마스크의 착용이 필수적입니다.
마스크는 감염된 사람이 기침이나 재채기를 통해 체액을 분출하는 것을 막아주기 때문입니다.
기침이나 재채기는 입이나 코로 이물질을 배출하면서 침과 각종 분비물이 강한 속도로 분사되는 현상입니다.
이 때 감염원이 포함된 미세한 입자 또한 배출되기에
기침과 재채기는 바이러스성 감염의 주요 원인으로 지목되어 왔습니다.
2. MIT 부뤼바 교수팀의 연구
세계적인 학술지인 Nature의 2016년 6월 2일자에는
기침과 재채기의 물리학에 대해 연구중인
MIT의 유체역학자인 부뤼바 교수를 소개하는 글이 실렸습니다.
부뤼바 교수는 사람이 기침이나 재채기를 할 때
일어나는 현상에 대해 생각보다 잘 모르고 있다는 사실을 발견하고
그 과정을 직접 규명해보기로 합니다.
부뤼바 교수 연구팀은 초당 최대 8000장을 찍을 수 있는
초고속카메라를 이용해 사람의 재채기 장면을 촬영하고 침
방울의 크기나 확산 범위를 분석했습니다.
그리고 그 결과는 우리의 그동안의 상식과는 달랐습니다.
우리는 재채기를 할 때, 침방울의 크기가 어느 정도 크기가 되면
1~2m 정도 가서 바닥으로 떨어질 것 이라고 생각하죠
그런데, 연구결과 큰 침방울도 기침의 경우 6미터,
순간 분출에너지가 더 큰 재채기의 경우 무려 8미터나 이동했습니다.
심지어 이 침방울이 모여 만들어진 '침방울 구름'은 최대 10분까지 지속되었습니다.
이것은 침방울이 방이 크다고 하더라고 구석구석 침투할 수 있으며,
천장의 환기장치에도 환기장치를 통해 건물 곳곳으로 보내질 수 있다는 것을 의미합니다.
또한 부뤼바 교수팀은 기침이나 재채기를 할 때 입에서 침방울만 나오는 것이 아니라
침 상태로 분출되는 양도 상당하다는 것을 밝혀내었습니다.
이런 부뤼바 교수팀의 연구는 호흡기 질환의 경우
공기전파 경로가 우리의 생각보다 큰 비중을 차지할 수도 있다는 것을 시사합니다.
일본의 니시무라, 사카타, 가가 교수팀은 기침과 재채기를 할 때
비말을 뿜어내는 속도를 조사했는데
기침의 경우 남자는 시속 48km, 여자는 시속 37km였으며,
재채기의 경우 각각 55km, 38km로 나타났다고 합니다.
재채기는 기침보다 속도가 빨랐고 비말이 넓게 퍼져나가고 날아가는 거리 또한 길었다고 합니다.
린세이 마르 버지니아공대 교수는
"오염된 공간에서 1시간 이상 호흡을 하게 되면 감염 가능성이 매우 높다"고 보고한 바 있습니다.
바이러스성 질환은 신체 접촉을 하지 않아도 감염환자로부터 반경 6피트(1.8m) 안에 있으면
전염될 가능성이 높다는 것입니다.
이상의 연구결과들은 우리들의 생각보다 훨씬 더
기침이나 재채기가 코로나19의 확산에 치명적일 수 있으며,
실내공간에 있을 때는 필수적으로 마스크를 써야한다는 것을 알려줍니다.
3. 홍콩대학교 연구원들의 연구
기침과 재채기를 통한 비말전파와 공기전파를 막기 위해서는 마스크의 착용이 필수적인데
홍콩대학교의 연구원들이 공기 중 전염 원리에 대해 설명한 논문을 참고하면
실내환경에서 물방울의 크기가 100um이면 10초동안 부유할 수 있고
20um의 경우 4분, 1-3um이면 계속 부유상태를 유지한다고 합니다.
또한 감염된 사람이 마스크를 착용하지 않으면 비말들이 가장 많이 배출되고
마스크를 착용하고 있더라도 제대로 착용하지 못해서 마스크와 얼굴사이에 틈새가 생기면
그 틈을 통한 공기흐름을 타고 새어나간 작은 방울들이 인체 주위의 열기류나 주변 기류를 타고 나가게됩니다.
그리고 실내 공간에는 공조기 시스템이나 사람이 걷는 행위나
문을 열고 닫는 행위에 의한 각종 공기흐름이 생기는데
감염자에 의해 배출된 비말이 이런 공기 흐름을 타고 다른 방으로까지 확산될 수 있습니다
이런 이유로 전염성이 강한 호흡기 질환에 걸린 환자를 치료할 때는
기압차를 이용해서 공기가 밖으로 나가지 못하게 하는 '음압병동'이 필요한 것입니다.
감염되지 않은 사람이 예방의 목적으로 마스크를 착용할 때에도
공기 중의 감염원이 포함된 아주 미세한 입자를 막기 위해서는
N95나 KF94 급의 마스크가 필요하다고 이 논문에서는 보고했습니다.
그래서 마스크도 '잘' 써야합니다.
어쩔 수 없이 마스크가 없거나, 마스크를 벗고 있어야 한다면
코로 숨을 쉬는 것이 입으로 쉬는 것보다 외부 입자 방어에 유리합니다.
코에는 털과 점액이 있어 공기 중의 작은 입자를 걸러내줄 수 있기 때문입니다.
그리고 깨끗한 소매나 손수건으로 호흡기를 가려주는 것이 도움이 된다고 합니다.
그렇지만 이런 방법들은 정말 어쩔 수 없을 때 써야할 것 같습니다.
영상으로 보시고 싶으신 분들은 여기를 참고해주세요!
내용 출처
1. 이병욱, "마스크, 이렇게 이해하고 쓰면 된다", 한겨레, 2020
2. 이병문 기자, "바이러스 막으려면 입 호흡 ‘0점` 코 호흡 `100점`", 매일경제, 2015
3. Bourouiba et al., "Violent expiratory events: on coughing and sneezing ", Journal of Fluid Mechanics, 2014
4. Scharfman et al., "Visualization of sneeze ejecta: steps of fluid fragmentation leading to respiratory droplets", Experiments in Fluids, 2016
5. Lok, "Where sneezes go", Nature, 2016
6. Wei & Li, "Airborne spread of infectious agents in the indoor environment ", American Journal of Infection Control, 2016
