王秀峰, 康文杰

(陜西科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

空氣負(fù)離子是大氣中帶負(fù)電荷的氣體分子或離子團(tuán)的總稱.研究表明，空氣負(fù)離子具有改善肺、心肌功能，促進(jìn)新陳代謝，增加人體免疫力等功能，并具有殺菌、降塵和清潔空氣等作用，因此，空氣負(fù)離子被譽(yù)為“空氣維生素”，是衡量空氣清潔程度的重要指標(biāo)之一[1,2].

自然界中的空氣負(fù)離子主要來源于宇宙射線、紫外線、放射性元素等射線激發(fā)以及雷電激發(fā)；一些來源于瀑布剪切力、海浪沖擊、梵風(fēng)現(xiàn)象導(dǎo)致的摩擦力；還有一些來源于雨水分解、植物的光合作用以及尖端放電[3].目前，國內(nèi)外關(guān)于空氣負(fù)離子的研究多以森林、城市、室內(nèi)環(huán)境為對(duì)象說明其重要性[4-6]，而對(duì)于以生活、工作小區(qū)為樣本的空氣負(fù)離子濃度變化及其影響因素的研究還很少.

本實(shí)驗(yàn)研究擬以陜西科技大學(xué)校園作為一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，研究不同區(qū)域空氣負(fù)離子濃度隨天氣、時(shí)間、空間、人流等變化的規(guī)律，分析影響負(fù)離子濃度變化的因素.這項(xiàng)研究不僅能夠?qū)Τ鞘薪ㄔO(shè)提供依據(jù)，而且對(duì)于人們的日常生活、學(xué)習(xí)和工作也將有很大的參考價(jià)值.

1 研究方法

1.1 觀測點(diǎn)選取

陜西科技大學(xué)位于西安市北郊大學(xué)園區(qū)，西部和北部周圍以村莊院落為主，南部以大型建材市場為主，東部為道路和學(xué)校.周邊沒有大型森林、水系和公園干擾，便于作為一個(gè)單獨(dú)的小區(qū)系統(tǒng)來研究.校區(qū)探測點(diǎn)選擇在人群到達(dá)最多的10個(gè)特征區(qū)域：樹林、路邊綠化帶、籃球場、迎新大道、教室、走廊、廁所、室內(nèi)外停車場、湖邊.

1.2 測量方法

測量儀器為日產(chǎn)COM-3010PRO負(fù)離子檢測儀，測量范圍0～100 000 個(gè)/cc，精度≤5%，工作環(huán)境-10～50 ℃，相對(duì)濕度90%.

測量時(shí)間為每天的早(6～9時(shí))、中(11～14時(shí))、晚(19～22時(shí)).為了盡量減少誤差，每一個(gè)測量地點(diǎn)朝東、南、西、北各測5次，得到20組數(shù)據(jù)，取平均值為該點(diǎn)該時(shí)刻的負(fù)離子值.測量時(shí)，儀器離開地面1.2 m.

研究各因素對(duì)負(fù)離子的影響時(shí)，遵循單一差異原則，即考察某一因素對(duì)空氣負(fù)離子的影響時(shí)，要求其他環(huán)境因子基本相同.然后對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣負(fù)離子濃度變化特點(diǎn)

2.1.1 隨天氣變化

為了探索天氣變化對(duì)校區(qū)空氣負(fù)離子濃度的影響特征，在預(yù)報(bào)降雨的天氣之前開始，連續(xù)幾天對(duì)迎新大道和樹林中空氣負(fù)離子濃度進(jìn)行了定時(shí)定點(diǎn)測量，經(jīng)歷了晴-晴轉(zhuǎn)陰-雨-雨轉(zhuǎn)陰-晴的天氣變化，結(jié)果如圖1所示.

圖1 不同區(qū)域空氣負(fù)離子濃度 與天氣變化的關(guān)系

由圖1可知，晴天到陰天，空氣負(fù)離子濃度一直較低，只有60～80 個(gè)/cm3.雨天的空氣負(fù)離子濃度會(huì)急劇升高4～6倍，然而雨后轉(zhuǎn)陰，空氣中負(fù)離子濃度又會(huì)快速回落.這是由于雨天空氣中水分子迅速增多，促進(jìn)了負(fù)離子與水分子聚集成負(fù)離子團(tuán).而且高速運(yùn)動(dòng)的水滴降落過程中，水滴與水滴，水滴與空氣不斷碰撞、摩擦，加劇了水分子與空氣中其他分子的碰撞電離，提高了空氣中負(fù)離子的濃度[7].

研究還發(fā)現(xiàn)，晴轉(zhuǎn)陰天的空氣負(fù)離子濃度明顯低于雨轉(zhuǎn)陰天的空氣負(fù)離子濃度，同時(shí)都不足雨天的1/2.這說明雨后空氣中殘留了大量水分子，從而提高了空氣負(fù)離子濃度，即空氣負(fù)離子濃度與空氣濕度成正相關(guān)性.然而空氣濕度增加并不會(huì)帶來雨天那么劇烈的負(fù)離子增量，說明雨天負(fù)離子濃度的增加主要來源于水滴之間、水滴與空氣之間的碰撞摩擦.

另外，晴天比晴轉(zhuǎn)陰之后的空氣負(fù)離子濃度要高，是由于陰天太陽紫外線輻射效果變差，空氣負(fù)離子產(chǎn)生幾率變小[8].

2.1.2 隨晝夜變化

為探測校區(qū)負(fù)離子在一天中的變化特征，選取樹林和迎新大道作為探測點(diǎn)(樹林區(qū)多植被，迎新大道無植被影響).在晴天假日，兩探測點(diǎn)基本無人流影響的情況下，從上午6點(diǎn)開始到晚上10點(diǎn)，每兩小時(shí)跟蹤測量一組，結(jié)果如圖2所示.

圖2 假日不同區(qū)域空氣負(fù)離子 濃度與時(shí)間的關(guān)系

如圖2，兩處探測點(diǎn)的負(fù)離子濃度基本保持拋物線特征.14～16時(shí)，空氣負(fù)離子濃度達(dá)到最大值，分別為108 個(gè)/cm3和90 個(gè)/cm3.這是由于從清晨到晚上，空氣濕度逐漸降低，負(fù)離子濃度會(huì)下降，然而隨著溫度、光照強(qiáng)度的增加，植物光合作用，尖端放電以及太陽輻射產(chǎn)生負(fù)離子的能力又會(huì)不斷增強(qiáng).因此，在中午的時(shí)候空氣負(fù)離子濃度達(dá)到一天中的最大值.另外，由于迎新大道植被分布很少，負(fù)離子的產(chǎn)生主要依靠輻射，其拋物線上升緩慢且最大值低于樹林.

2.1.3 隨人流量變化

為了對(duì)比人流對(duì)探測點(diǎn)空氣負(fù)離子濃度的影響，在假日和日常工作日，分別對(duì)迎新大道和籃球場進(jìn)行全天跟蹤測量，結(jié)果如圖3所示.

研究發(fā)現(xiàn)，在人為影響較小的假日，迎新大道基本維持拋物線特征.而在日常工作日，迎新大道在一天之中出現(xiàn)3個(gè)極小值點(diǎn)，不足同時(shí)刻無人態(tài)的1/3.對(duì)比分析可知，這3個(gè)時(shí)間段正好是學(xué)校上下課時(shí)間，迎新大道人流量很大，人的消耗導(dǎo)致其出現(xiàn)短時(shí)間的負(fù)離子空白期.晚上，過了下課高峰段之后，負(fù)離子濃度開始較快回升.這主要是由于迎新大道通風(fēng)良好，周圍綠化帶空氣會(huì)與之很快互通，從而較快恢復(fù)空氣負(fù)離子水平.

圖3 人為影響下不同區(qū)域空氣 負(fù)離子濃度與時(shí)間的關(guān)系

籃球場與迎新大道環(huán)境條件基本一致，在人為影響較小時(shí)，負(fù)離子特征曲線也基本相同.因此，只對(duì)籃球場日常狀態(tài)進(jìn)行定時(shí)定點(diǎn)跟蹤測量.由圖3可知，日常籃球場的負(fù)離子濃度在14時(shí)前，一直呈緩慢上升趨勢(shì)，基本與假日迎新大道曲線重合，之后開始急速下降.這是由于14時(shí)以后，大量的學(xué)生集中到球場運(yùn)動(dòng)，人體的不斷消耗以及帶起的灰塵等空氣懸浮物容易吸附負(fù)離子降解沉積，使球場周圍的負(fù)離子急速下降.之后保持在一個(gè)很低的狀態(tài)，直到20時(shí)才開始慢慢恢復(fù).

2.1.4 室內(nèi)外差異

在晴天，選取教室、教學(xué)樓走廊與迎新大道3個(gè)探測點(diǎn)(其中教室較封閉，走廊東西通風(fēng)良好，迎新大道為露天廣場)，分別在有人和無人時(shí)，測試空氣負(fù)離子濃度.

如圖4所示，不難發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)空氣負(fù)離子濃度最低，走廊次之，室外要高很多.無人時(shí)，這種遞增關(guān)系成倍增長；有人時(shí)，負(fù)離子差距就很小了，室內(nèi)外負(fù)離子濃度都保持在較低水平.造成室內(nèi)負(fù)離子濃度低的原因除了人為因素外，樓房結(jié)構(gòu)與材料決定了室內(nèi)無法依靠太陽輻射、大地輻射等方式來獲取負(fù)離子，也沒有綠化帶來緩解壓力.因此，為了改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，建議在室內(nèi)養(yǎng)植物花卉等.

圖4 空氣負(fù)離子濃度 與室內(nèi)外條件的關(guān)系

2.2 影響空氣負(fù)離子濃度的因素探討

空氣負(fù)離子主要由各種輻射、植物光合作用、尖端放電和光電效應(yīng)等產(chǎn)生，然而一些諸如溫度、濕度、氣流，水流，空氣懸浮物等因素會(huì)影響空氣負(fù)離子的濃度.

2.2.1 溫度

為進(jìn)一步說明溫度對(duì)空氣負(fù)離子濃度的促進(jìn)作用，以實(shí)驗(yàn)室烘箱作為封閉環(huán)境進(jìn)行模擬探測.將烘箱從室溫18 ℃升到48 ℃，每隔5 ℃進(jìn)行一組測量，取平均值，如圖5所示.

圖5 溫度與空氣負(fù)離子濃度的關(guān)系

由圖5可知，隨溫度的提高，烘箱內(nèi)負(fù)離子濃度基本呈線性遞增.這說明溫度的提升能促進(jìn)空氣負(fù)離子的產(chǎn)生.從熱力學(xué)角度分析，溫度升高，空氣分子動(dòng)能增大，碰撞電離的幾率增大，促進(jìn)了負(fù)離子的產(chǎn)生.

2.2.2 濕度

很多研究已經(jīng)證明，濕度與空氣負(fù)離子濃度呈正相關(guān)性[9,10].如圖1所示，晴轉(zhuǎn)陰與雨轉(zhuǎn)陰的空氣負(fù)離子濃度比較不難發(fā)現(xiàn)，雨轉(zhuǎn)陰時(shí)的空氣負(fù)離子比較高，說明空氣濕度增大時(shí)，空氣負(fù)離子濃度增加.

濕度對(duì)空氣負(fù)離子濃度的影響，一方面是由于濕度增大，空氣中水分子增多，促進(jìn)了負(fù)離子與水分子結(jié)合，從而增加空氣負(fù)離子濃度；另一方面是由于水分子電解能只有氧氣分子的十分之一，因此濕度增大，地面輻射射線更容易大量電解水分子，增加空氣負(fù)離子濃度.

2.2.3 氣流

在雨天探測中發(fā)現(xiàn)，有風(fēng)區(qū)域負(fù)離子濃度比同條件下無風(fēng)區(qū)域大很多.因此，在雨天，選取兩塊綠化條件基本相同的露天區(qū)域，一塊通風(fēng)良好，一塊幾乎無風(fēng)，對(duì)兩個(gè)測量點(diǎn)各取10組測量值，記錄負(fù)離子數(shù)如圖6所示.

圖6 不同風(fēng)力條件下空氣 負(fù)離子濃度對(duì)比分析

由圖可知，有風(fēng)的地方空氣負(fù)離子濃度最大可達(dá)628 個(gè)/cm3，而無風(fēng)區(qū)最大只有290 個(gè)/cm3.有風(fēng)區(qū)和無風(fēng)區(qū)的負(fù)離子濃度差異主要有兩個(gè)原因：一是風(fēng)吹動(dòng)使得其他地方的負(fù)離子傳過來；二是空氣流動(dòng)使空氣分子、水分子運(yùn)動(dòng)劇烈，摩擦碰撞，分解電離的幾率增大，從而產(chǎn)生大量負(fù)離子[11].

肖家山金礦床位于欽杭成礦帶湖南段湘東北亞段。該成礦帶是我國重要礦產(chǎn)資源產(chǎn)地，帶上有黃金洞金礦、萬古金礦、雁林寺金礦等金礦床（點(diǎn)）。本文將對(duì)找礦勘探過程中獲取的礦體地質(zhì)數(shù)據(jù)與資源量的數(shù)量關(guān)系運(yùn)用單因素直方圖統(tǒng)計(jì)、相關(guān)分析、分形統(tǒng)計(jì)學(xué)、曲線擬合等方法進(jìn)行研究，以從中獲取一些有關(guān)成礦規(guī)律信息。

2.2.4 水流

水流沖擊激烈的地方負(fù)離子濃度比靜水區(qū)域大很多[12]，如校園內(nèi)，靜風(fēng)時(shí)，湖邊負(fù)離子幾乎為零，很低；反而廁所負(fù)離子濃度很大.如圖7所示，廁所中空氣負(fù)離子濃度在中午，晚上會(huì)明顯增高，是因?yàn)槿肆髟黾?，廁所?nèi)沖水的頻率增加，而高速運(yùn)動(dòng)的水分子碰撞斷裂失去電子，產(chǎn)生了大量的負(fù)離子，如同瀑布，海浪沖擊可產(chǎn)生高濃度空氣負(fù)離子一樣.

圖7 動(dòng)靜態(tài)水對(duì)空氣負(fù) 離子濃度影響的對(duì)比分析

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，湖邊負(fù)離子濃度全天都很低，說明靜水湖對(duì)空氣負(fù)離子濃度的提升沒有太大的作用.建議在湖區(qū)建設(shè)時(shí)，設(shè)計(jì)為動(dòng)態(tài)循環(huán)水或增添噴泉等裝置.

2.2.5 空氣懸浮物

為觀察空氣懸浮物對(duì)空氣負(fù)離子的影響，針對(duì)校園室內(nèi)停車場與露天停車場展開測量，并設(shè)置對(duì)照房(空地下室)與假日迎新大道(人流較少，與露天停車場環(huán)境相當(dāng))為參照，一天分3次測量，分析汽車尾氣對(duì)空氣負(fù)離子的影響，結(jié)果如圖8所示.

圖8 不同時(shí)間不同區(qū)域粉塵對(duì) 空氣負(fù)離子濃度的影響分析

研究發(fā)現(xiàn)，早晨室內(nèi)停車場空氣負(fù)離子濃度正常，與對(duì)照房相當(dāng)，而下午和晚上就降低至幾乎為零.同樣，相比于假日迎新大道，露天停車場一天中的空氣負(fù)離子濃度也較低，這表明空氣負(fù)離子濃度與空氣懸浮物濃度呈顯著的負(fù)相關(guān)性.通過分析，這主要是停車場來往較多，汽車尾氣很大，這類空氣懸浮物能吸附負(fù)離子，形成重離子沉降，從而降低負(fù)離子濃度[13].特別是室內(nèi)地下停車場，通風(fēng)不便，空氣負(fù)離子本來就少，汽車尾氣的吸附沉降，使得負(fù)離子濃度幾乎為零.

同樣，道路兩旁綠化帶負(fù)離子濃度小于遠(yuǎn)離人流、車輛的樹林，就是因?yàn)榈缆放钥諝鈶腋》蹓m多，吸附空氣負(fù)離子，而且人流較多，對(duì)負(fù)離子的消耗較大[14].

3 結(jié)束語

(1)溫度與濕度對(duì)空氣負(fù)離子濃度有很大的影響.無人為影響時(shí)，晴天空氣中負(fù)離子濃度大于陰天，雨后大于雨前 ，一天中中午的時(shí)候空氣負(fù)離子濃度最高.

(2)空氣流動(dòng)促進(jìn)空氣負(fù)離子產(chǎn)生與傳遞.有風(fēng)的廣場比空氣閉塞的區(qū)域空氣質(zhì)量要好，戶外運(yùn)

動(dòng)應(yīng)趨向于通風(fēng)良好的地方.

(3)水流沖擊產(chǎn)生更多的負(fù)離子.動(dòng)態(tài)水比靜態(tài)水更好地凈化空氣，建議有湖的區(qū)域能設(shè)置為動(dòng)態(tài)循環(huán)水或安裝噴泉類裝置.

(4)粉塵、尾氣等空氣懸浮物會(huì)大量吸附空氣負(fù)離子.地下停車場需要做好通風(fēng)措施，同時(shí)道路兩旁的綠化帶必不可少，必須保證小區(qū)綠化面積.

[1] Ryushi T,Kita I.The effect of exposure to negative air ions on the recovery of physiological responses after moderate endurance exercise[J].International Journal of Biometeorology, 1998, 41(03):132-136.

[2] Albert P Kruger, David S Sobel. Air ions and health, http://watershed.net.

[3] 邵海榮，賀慶棠.森林與空氣負(fù)離子[J].世界林業(yè)研究，2000，13(5)：19-22.

[4] 吳楚材，鄭群明，鐘林生.森林游憩區(qū)空氣負(fù)離子水平的研究[J].林業(yè)科學(xué)，2001，37(5)：75-81.

[5] 范亞民，何 平，李建龍,等.城市不同植被配置類型空氣負(fù)離子效應(yīng)評(píng)價(jià)[J].生態(tài)學(xué)雜志，2005，24(8)：883-886.

[6] 蒙晉佳，張 燕. 密閉暗房內(nèi)空氣離子濃度變化規(guī)律[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2007，30(2)：46-50.

[7] 孫明珠，田 媛，劉效蘭.北京不同功能區(qū)空氣負(fù)離子差異的實(shí)驗(yàn)研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010，33(12F)：515-519.

[8] 曾曙才，蘇志堯，陳北光.廣州綠地空氣負(fù)離子水平及其影響因子[J].生態(tài)學(xué)雜志，2007，26(7)：1 049-1 053.

[9] 張雙全，譚益民，吳章文.空氣負(fù)離子濃度與空氣溫濕度的關(guān)系研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(4)：114-118.

[10] 王繼梅，冀志江，隋同波,等.空氣負(fù)離子與溫濕度的關(guān)系[J].環(huán)境科學(xué)研究，2004，17(2)：68-70.

[11] 葉彩華，王曉云，郭文利.空氣中負(fù)離子濃度與氣象條件關(guān)系初探[J].氣象科技，2000，40(4)：51-52.

[12] 郭圣茂，杜天真，賴勝男,等.城市綠地對(duì)空氣負(fù)離子的影響[J].河北師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，30(4)：478-482.

[13] 陳佳瀛，宋永昌，陶康華,等.上海城市綠地空氣負(fù)離子研究[J].生態(tài)環(huán)境，2006，15(5)：1 024-1 028.

[14] 邵海榮，賀慶棠，閻海平,等.北京地區(qū)空氣負(fù)離子濃度時(shí)空變化特征的研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27(3)：35-39.