Supertietokonelaskentaan pohjautuva mallinnus antoi ennennäkemättömän tarkkaa tietoa ilmavälitteisen virustartunnan riskistä sisätiloissa

Ilmatieteen laitoksen tutkijat ovat tarkastelleet virusta kantavien aerosolien leviämistä sisätiloissa supertietokonelaskentaan pohjautuvan mallimenetelmän avulla. Tulokset ja niiden analyysi ovat tuottaneet uutta, tarkempaa tietoa ilmavälitteisen virustartunnan mekanismeista ja riskeistä.

Tutkimus vahvisti ymmärrystä myös toimenpiteistä, joilla tartunnan todennäköisyyksiä voidaan pienentää. Tärkeimpinä keinoina nousivat esiin perusilmanvaihdon maksimaalinen hyödyntäminen, ilman tehostettu sekoittuminen ja puhdistaminen sekä mahdollisimman lyhyt altistumisaika virukselle.

Tutkimus toi esiin merkittäviä puutteita menetelmissä, joiden avulla yleisesti arvioidaan tartuntojen todennäköisyyksiä ja ilmahygieniaa parantavien toimenpiteiden riittävyyttä sisätiloissa. Tarkka mallinnustyö osoittaa, että ilmahygieniaa parantavat toimenpiteet ovat tärkeämpiä kuin aikaisemmin on arvioitu.

Mallinnus auttaa ymmärtämään ilmavälitteisen tartuntariskien lainalaisuuksia

Ilmatieteen laitoksen tutkijat hyödynsivät tutkimuksessa Large-Eddy Simulation (LES) -menetelmää. Sen äärimmäisen tarkka laskennallinen erottelukyky pystyy huomioimaan kaikki tärkeimmät virusta kantavien aerosolien leviämiseen vaikuttavat tekijät, joita ovat esimerkiksi sisätilan muoto, korvaus- ja poistoilma-aukkojen sijainti sekä ihmisten, kylmien ikkunoiden ja lämmityselementtien aiheuttamat lämpötilaerot. Korkean erottelukyvyn ansiosta LES-mallinnukset tuottavat siis aikaisempaa huomattavasti tarkempaa ja yksityiskohtaisempaa tietoa riskiarviointia varten.

”Tuottaakseen yhden sekunnin ennusteen esimerkiksi ravintolan sisäilmassa tapahtuvasta aerosolileviämisestä malli ratkaisee noin miljardi yhtälöä sata kertaa. Tutkimuksessa tehdyissä simulaatioissa leviämisennustetta lasketaan tyypillisesti tunti. Vastaava mallinnus tavallisella tietokoneella kestäisi yli viisi vuotta”, erikoistutkija Mikko Auvinen kertoo.

Tutkimuksessa käytetty LES-malli on alun perin kehitetty ilmakehätutkimukseen, mutta tässä projektissa tutkijat valjastivat supertietokonelaskentaa äärimmäisen tehokkaasti hyödyntävän mallin sisäilmavirtauksien tutkimukseen.

Mallinnusmenetelmien luotettavuudessa on huomattavia eroja

Virustartuntojen riskejä ja turvallista oleskeluaikaa sisätilassa arvioidaan useimmiten yksinkertaisella Wells-Riley-mallilla. Nykyiset ilmanvaihtoa ja sisäilmahygieniaa koskevat suositukset pohjautuvat pääosin sen tuloksiin. ”Wells-Riley-malli soveltuu tosiasiassa vain suhteellisen riskin arviointiin eli siihen, miten tartuntariski vaihtelee eri tilanteiden välillä. Wells-Riley-malli perustuu oletukseen, että sisäilmaan uloshengitetty epäpuhtaus sekoittuu kaikkialle tilaan täydellisesti äärettömällä nopeudella. Todellisuudessa leviäminen tapahtuu sisäilman heikkojen virtausten kuljettamana. Tästä syystä malli aliarvioi viruspitoisuuksien kertymistä ja antaa ylioptimistisia arvioita turvallisesta oleskeluajasta tilassa, jossa on virustartunnan riski”, erikoistutkija Antti Hellsten huomauttaa. ”Wells-Rileyn hyödyntämistä suhteellisen riskin arviointiin puoltaa kuitenkin se, että toisin kuin LES-malli, sen käyttö ei edellytä supertietokonelaskentaa”, Hellsten jatkaa.

Raskasta supertietokonelaskentaa vuorostaan puoltaa se, että LES-menetelmän tarkkuuden ansiosta pystytään tutkimaan luotettavasti ilmavälitteisen tartuntariskeihin vaikuttavia mekanismeja ja niiden lainalaisuuksia. ”Kun lainalaisuudet ymmärretään, tutkimuksen johtopäätökset voidaan yleistää ja soveltaa tulevaisuuden tarpeisiin sekä erilaisiin ympäristöihin”, Mikko Auvinen kertoo.

Animaatio havainnollistaa mallinnusmenetelmien eroja

Alla olevassa videossa vertaillaan ensin Wells-Riley- ja LES-mallien tuottamia ennusteita virustartunnan todennäköisyydelle, kun sisätilassa oleskellaan 30 minuutin ajan. Tavoitteena on havainnollistaa, kuinka merkittävästi sisäilman sekoittumisen tarkka huomioiminen muuttaa virustartunnan todennäköisyyttä sisätiloissa.

Lisäksi videossa esitetään esimerkki, miten virusta kantavien aerosolien leviäminen todellisuudessa etenee. Animaatiossa havainnollistetaan, miten ilmanpuhdistimet alkavat asteittain vaikuttaa pitoisuuksien laimenemiseen niin puhdistamisen kuin ilman tehostetun sekoittamisen ansiosta.

Esimerkkitilanteessa ilmanpuhdistimet lisäävät huoneen perusilmanvaihtoa 60 prosentilla, mikä johtaa lainalaisuuksia noudattaen 40 prosenttia pienempiin pitkän ajan keskipitoisuuksiin. Mutta kuten tartuntariski, ilmanpuhdistimienkaan vaikutus ei jakaudu tilaan tasaisesti vaan niiden hyöty korostuu siellä missä viruspitoisuudet ovat suurimmat. Tämän esimerkin tilanteessa ilmanpuhdistimet jopa puolittavat 30 minuutin oleskeluajan infektiotodennäköisyydet sairastuneen lähialueella. Pidemmän ajan jälkeen vaikutus on vielä suurempi.

Tutkimus on tehty monitieteellisessä TUPA-hankkeessa, jonka Business Finland on rahoittanut. Lisäksi työ on saanut Suomen Akatemian COVID-19 erityisrahoitusta. Tutkimuksen tulokset ovat alustavia. Tutkimuksesta on tekeillä tieteellinen artikkelikäsikirjoitus, jota ei ole vielä vertaisarvioitu.

Lisätietoja:

Erikoistutkija, virtausfysiikan dosentti Antti Hellsten, Ilmatieteen laitos, antti.hellsten@fmi.fi, puh. 050 409 0477

Erikoistutkija, tekniikan tohtori Mikko Auvinen, Ilmatieteen laitos, mikko.auvinen@fmi.fi, puh. 050 475 0157