大學校園空氣負離子的分布規(guī)律研究

王秀峰, 康文杰

(陜西科技大學 材料科學與工程學院， 陜西 西安 710021)

0 引言

空氣負離子是大氣中帶負電荷的氣體分子或離子團的總稱.研究表明，空氣負離子具有改善肺、心肌功能，促進新陳代謝，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，空氣負離子被譽為“空氣維生素”，是衡量空氣清潔程度的重要指標之一[1,2].

自然界中的空氣負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、梵風現象導致的摩擦力；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，國內外關于空氣負離子的研究多以森林、城市、室內環(huán)境為對象說明其重要性[4-6]，而對于以生活、工作小區(qū)為樣本的空氣負離子濃度變化及其影響因素的研究還很少.

本實驗研究擬以陜西科技大學校園作為一個生態(tài)系統(tǒng)，研究不同區(qū)域空氣負離子濃度隨天氣、時間、空間、人流等變化的規(guī)律，分析影響負離子濃度變化的因素.這項研究不僅能夠對城市建設提供依據，而且對于人們的日常生活、學習和工作也將有很大的參考價值.

1 研究方法

1.1 觀測點選取

陜西科技大學位于西安市北郊大學園區(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，東部為道路和學校.周邊沒有大型森林、水系和公園干擾，便于作為一個單獨的小區(qū)系統(tǒng)來研究.校區(qū)探測點選擇在人群到達最多的10個特征區(qū)域：樹林、路邊綠化帶、籃球場、迎新大道、教室、走廊、廁所、室內外停車場、湖邊.

1.2 測量方法

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

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

研究各因素對負離子的影響時，遵循單一差異原則，即考察某一因素對空氣負離子的影響時，要求其他環(huán)境因子基本相同.然后對得到的數據進行處理分析.

2 結果與分析

2.1 空氣負離子濃度變化特點

2.1.1 隨天氣變化

為了探索天氣變化對校區(qū)空氣負離子濃度的影響特征，在預報降雨的天氣之前開始，連續(xù)幾天對迎新大道和樹林中空氣負離子濃度進行了定時定點測量，經歷了晴-晴轉陰-雨-雨轉陰-晴的天氣變化，結果如圖1所示.

圖1 不同區(qū)域空氣負離子濃度 與天氣變化的關系

由圖1可知，晴天到陰天，空氣負離子濃度一直較低，只有60～80 個/cm3.雨天的空氣負離子濃度會急劇升高4～6倍，然而雨后轉陰，空氣中負離子濃度又會快速回落.這是由于雨天空氣中水分子迅速增多，促進了負離子與水分子聚集成負離子團.而且高速運動的水滴降落過程中，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，提高了空氣中負離子的濃度[7].

研究還發(fā)現，晴轉陰天的空氣負離子濃度明顯低于雨轉陰天的空氣負離子濃度，同時都不足雨天的1/2.這說明雨后空氣中殘留了大量水分子，從而提高了空氣負離子濃度，即空氣負離子濃度與空氣濕度成正相關性.然而空氣濕度增加并不會帶來雨天那么劇烈的負離子增量，說明雨天負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，晴天比晴轉陰之后的空氣負離子濃度要高，是由于陰天太陽紫外線輻射效果變差，空氣負離子產生幾率變小[8].

2.1.2 隨晝夜變化

為探測校區(qū)負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(樹林區(qū)多植被，迎新大道無植被影響).在晴天假日，兩探測點基本無人流影響的情況下，從上午6點開始到晚上10點，每兩小時跟蹤測量一組，結果如圖2所示.

圖2 假日不同區(qū)域空氣負離子 濃度與時間的關系

如圖2，兩處探測點的負離子濃度基本保持拋物線特征.14～16時，空氣負離子濃度達到最大值，分別為108 個/cm3和90 個/cm3.這是由于從清晨到晚上，空氣濕度逐漸降低，負離子濃度會下降，然而隨著溫度、光照強度的增加，植物光合作用，尖端放電以及太陽輻射產生負離子的能力又會不斷增強.因此，在中午的時候空氣負離子濃度達到一天中的最大值.另外，由于迎新大道植被分布很少，負離子的產生主要依靠輻射，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

為了對比人流對探測點空氣負離子濃度的影響，在假日和日常工作日，分別對迎新大道和籃球場進行全天跟蹤測量，結果如圖3所示.

研究發(fā)現，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3個極小值點，不足同時刻無人態(tài)的1/3.對比分析可知，這3個時間段正好是學校上下課時間，迎新大道人流量很大，人的消耗導致其出現短時間的負離子空白期.晚上，過了下課高峰段之后，負離子濃度開始較快回升.這主要是由于迎新大道通風良好，周圍綠化帶空氣會與之很快互通，從而較快恢復空氣負離子水平.

圖3 人為影響下不同區(qū)域空氣 負離子濃度與時間的關系

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，負離子特征曲線也基本相同.因此，只對籃球場日常狀態(tài)進行定時定點跟蹤測量.由圖3可知，日?；@球場的負離子濃度在14時前，一直呈緩慢上升趨勢，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時以后，大量的學生集中到球場運動，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離子降解沉積，使球場周圍的負離子急速下降.之后保持在一個很低的狀態(tài)，直到20時才開始慢慢恢復.

2.1.4 室內外差異

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

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

圖4 空氣負離子濃度 與室內外條件的關系

2.2 影響空氣負離子濃度的因素探討

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

2.2.1 溫度

為進一步說明溫度對空氣負離子濃度的促進作用，以實驗室烘箱作為封閉環(huán)境進行模擬探測.將烘箱從室溫18 ℃升到48 ℃，每隔5 ℃進行一組測量，取平均值，如圖5所示.

圖5 溫度與空氣負離子濃度的關系

由圖5可知，隨溫度的提高，烘箱內負離子濃度基本呈線性遞增.這說明溫度的提升能促進空氣負離子的產生.從熱力學角度分析，溫度升高，空氣分子動能增大，碰撞電離的幾率增大，促進了負離子的產生.

2.2.2 濕度

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

濕度對空氣負離子濃度的影響，一方面是由于濕度增大，空氣中水分子增多，促進了負離子與水分子結合，從而增加空氣負離子濃度；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，增加空氣負離子濃度.

2.2.3 氣流

在雨天探測中發(fā)現，有風區(qū)域負離子濃度比同條件下無風區(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，一塊通風良好，一塊幾乎無風，對兩個測量點各取10組測量值，記錄負離子數如圖6所示.

圖6 不同風力條件下空氣 負離子濃度對比分析

由圖可知，有風的地方空氣負離子濃度最大可達628 個/cm3，而無風區(qū)最大只有290 個/cm3.有風區(qū)和無風區(qū)的負離子濃度差異主要有兩個原因：一是風吹動使得其他地方的負離子傳過來；二是空氣流動使空氣分子、水分子運動劇烈，摩擦碰撞，分解電離的幾率增大，從而產生大量負離子[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資源產地，帶上有黃金洞金礦、萬古金礦、雁林寺金礦等金礦床（點）。本文將對找礦勘探過程中獲取的礦體地質數據與資源量的數量關系運用單因素直方圖統(tǒng)計、相關分析、分形統(tǒng)計學、曲線擬合等方法進行研究，以從中獲取一些有關成礦規(guī)律信息。

2.2.4 水流

水流沖擊激烈的地方負離子濃度比靜水區(qū)域大很多[12]，如校園內，靜風時，湖邊負離子幾乎為零，很低；反而廁所負離子濃度很大.如圖7所示，廁所中空氣負離子濃度在中午，晚上會明顯增高，是因為人流增加，廁所內沖水的頻率增加，而高速運動的水分子碰撞斷裂失去電子，產生了大量的負離子，如同瀑布，海浪沖擊可產生高濃度空氣負離子一樣.

圖7 動靜態(tài)水對空氣負 離子濃度影響的對比分析

對比發(fā)現，湖邊負離子濃度全天都很低，說明靜水湖對空氣負離子濃度的提升沒有太大的作用.建議在湖區(qū)建設時，設計為動態(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空氣負離子的影響，針對校園室內停車場與露天停車場展開測量，并設置對照房(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)為參照，一天分3次測量，分析汽車尾氣對空氣負離子的影響，結果如圖8所示.

圖8 不同時間不同區(qū)域粉塵對 空氣負離子濃度的影響分析

研究發(fā)現，早晨室內停車場空氣負離子濃度正常，與對照房相當，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離子濃度也較低，這表明空氣負離子濃度與空氣懸浮物濃度呈顯著的負相關性.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離子，形成重離子沉降，從而降低負離子濃度[13].特別是室內地下停車場，通風不便，空氣負離子本來就少，汽車尾氣的吸附沉降，使得負離子濃度幾乎為零.

同樣，道路兩旁綠化帶負離子濃度小于遠離人流、車輛的樹林，就是因為道路旁空氣懸浮粉塵多，吸附空氣負離子，而且人流較多，對負離子的消耗較大[14].

3 結束語

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

(2)空氣流動促進空氣負離子產生與傳遞.有風的廣場比空氣閉塞的區(qū)域空氣質量要好，戶外運

動應趨向于通風良好的地方.

(3)水流沖擊產生更多的負離子.動態(tài)水比靜態(tài)水更好地凈化空氣，建議有湖的區(qū)域能設置為動態(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大量吸附空氣負離子.地下停車場需要做好通風措施，同時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)空氣負離子水平的研究[J].林業(yè)科學，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離子效應評價[J].生態(tài)學雜志，2005，24(8)：883-886.

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

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

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

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

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

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

[12] 郭圣茂，杜天真，賴勝男,等.城市綠地對空氣負離子的影響[J].河北師范大學學報，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)空氣負離子濃度時空變化特征的研究[J].北京林業(yè)大學學報，2005，27(3)：35-39.