Iepenzaad en zieke druppels

Wekelijks stuit Karel Knip in de alledaagse werkelijkheid op raadsels en onbegrijpelijke verschijnselen.

Deze week: wat zijn de doorslaggevende krachten die werken op deeltjes in stomingen?

Iepenzaadjes op de Kostverlorenvaart (links) en de Kloveniersburgwal en in Amsterdam.
Iepenzaadjes op de Kostverlorenvaart (links) en de Kloveniersburgwal en in Amsterdam. Foto Karel Knip

Dit zag je afgelopen zondag op het water van de Amsterdamse Kloveniersburgwal als je vanaf de Hoogstraat naar het zuidwesten keek: een lange, dubbele rij iepenzaadjes die langzaam met de wind mee dreven. Een dag later kreeg je vanaf de Beltbrug over de Kostverlorenvaart – opnieuw kijkend in zuidwestelijke richting – praktisch hetzelfde te zien. Weer iepenzaadjes maar nu ook kastanjebloesem en wat losse bladeren want inmiddels was het harder gaan waaien.

Niets bijzonders. De looprichting van gracht en vaart viel samen met de heersende windrichting. Er was geen reden om aan te nemen dat de strepen iepenzaad op een andere manier ontstonden dan de parallelle schuimstrepen die je vanaf windkracht 4 of 5 zo vaak op open watervlaktes ziet. Je vindt ze op internet verklaard onder de aanduiding ‘Langmuir circulatie’.

Ingewikkeld mechanisme

Het zijn geen eenvoudige verklaringen, in feite is het mechanisme achter het ontstaan van de schuimstrepen zó ingewikkeld dat het tot 1938 heeft geduurd voor Irving Langmuir het in Science kon uitleggen. Van belang is dat de Langmuir-verklaring zeer speciale eisen stelt aan de waterbeweging in de diepte onder de schuimstrepen. Daarvan was vanaf die bruggen helemaal niets te merken.

Bij nader inzien blijkt er voor de iepenstrepen een veel eenvoudiger verklaring. Bruggen over grachten en vaarten brengen daarin altijd een vernauwing teweeg. Water dat door de wind bij die vernauwing wordt gebracht ondergaat er stuwing en convergentie. Wrijving met de oevers bewerkstelligt dat de stroomsnelheid midden onder de brug het hoogst is. Zo kan allerlei drijvend materiaal zich in het midden van de gracht gaan concentreren. Waarom de strepen dubbel waren is nog niet duidelijk, je zou graag een timelapse zien van hun vorming. Opvallend was dat het iepenvuil bovenwinds van de Beltbrug vanuit een waterstrook grenzend aan de oever werd aangevoerd en benedenwinds ook weer snel naar de (andere) oever spoelde. Helemaal niet à la Langmuir.

Veel meer valt er niet van te zeggen. Zelfs op open water komen schuimstrepen voor die geen Langmuir-mechanisme achter zich hebben, ontdekte de oceanograaf Mirjam Glessmer uit Kiel. Ze behandelt het op haar mooi geïllustreerde blog en Twitter-account.

Fijne vochtdruppeltjes

Je ziet niet zomaar wat de doorslaggevende krachten zijn die werken op deeltjes in vloeistofstromingen, dat is hier eigenlijk de les. Hetzelfde geldt voor deeltjes in luchtstromingen. Actueel is de vraag hoe fijne vochtdruppeltjes, van het soort dat zweeft in de lucht, zich gedragen in zwakke luchtstromingen. Het kwam aan de orde in The New York Times van 17 april. De krant wilde weten of de door mensen uitgeademde, uitgehoeste of losgezongen druppeltjes (die besmettelijke virussen als het coronavirus kunnen bevatten) zich makkelijk zouden vastzetten op kleding. Nee, zei de geraadpleegde chemisch technoloog Linsey Marr (Virginia Tech), daarvoor zijn de luchtstromingen rond het lichaam te zwak. De in de lucht zwevende druppeltjes bewegen gewoon mee met de lucht en die stroomt per definitie langs het kledingoppervlak om de mensen heen. Lucht kan nu eenmaal niet loodrecht op een oppervlak stromen, altijd moet ze op het laatst wegbuigen.

Marr, die er overigens van overtuigd is dat de kleinste druppeltjes (aerosolen) wel degelijk Covid-19 kunnen overdragen, nam de auto als voorbeeld. Langzaam rijdende auto’s verzamelen ’s zomers nooit vliegjes op de voorruit, alleen snelle doen dat. Alleen als de gekromde luchtlaag rond het autofront een hoge snelheid heeft beginnen op de vliegjes voldoende sterke centrifugale krachten te werken waardoor de diertjes zich radiaal verplaatsen en als het waren ‘uit de bocht vliegen’. En op de ruit te pletter slaan.

Dit is ook het principe van de stofcycloon die al sinds 1885 wordt ingezet voor het afvangen van houtstof in zagerijen en daarbuiten veel andere toepassingen kreeg. De snelheid waarmee deeltjes zich radiaal (naar buiten toe) uit hun oorspronkelijke luchtlaag bewegen is omgekeerd evenredig met de kromming van die luchtlaag en recht evenredig met het kwadraat van diens snelheid. In supermarkten, restaurants en kantoortuinen komen geen snelheden voor die noemenswaardige radiale verplaatsingen teweegbrengen, heeft Linsey Marr gedacht.

Fietsen door de mist

Er is iets kleins dat knaagt. De fietser die door de mist fietst wordt aan de voorkant natter dan aan de achterkant. De fietser die ’s zomers in een kalm gangetje over de IJsselmeerdijk peddelt krijgt onophoudelijk vliegjes en mugjes in zijn gezicht. De vliegjes en mistdruppels zijn niet te vergelijken met de bovengenoemde fijne druppeltjes, dat is waar. Mistdruppels zweven niet maar vallen, al zou je dat niet zeggen, en ook de vliegjes zouden neerstorten als ze niet met hun vleugeltjes klapperden. Toch lijkt het erop dat Marr te snel haar conclusie trok.

Het blijkt dat modellen die beschrijven hoe ingeademde fijne druppeltjes uiteindelijk op de bekleding van keel, luchtpijp en (inwendige) neus belanden uitdrukkelijk gebaseerd zijn op die radiale verplaatsingen in gekromde luchtlagen. Het ‘uit de bocht vliegen’ wordt in dit verband inertial impaction genoemd. Chemicus Marcelo Guzman (University of Kentucky) beschrijft het in een (preprint) overzichtsartikel gewijd aan de invloed van druppelgrootte op coronaoverdracht. (Ook Guzman beschouwt de fijne druppetjes als infectueus.) Ingeademde lucht bereikt door vernauwingen in neus- en keelholte misschien tamelijk hoge snelheden maar de vraag is hoe die zich verhouden tot de bewegingen van druk gebarende personen. Het ligt niet voor de hand dat kleding coronavrij blijft.