南極與照明科技

郝洛西，林 怡，徐俊麗，曾 堃，崔 哲

(同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，上海 200092)

1 中國(guó)與南極科考

經(jīng)過29年的艱苦創(chuàng)業(yè)，中國(guó)的極地考察事業(yè)實(shí)現(xiàn)了從無到有、逐步加強(qiáng)的歷史跨越。截至2013年，中國(guó)已經(jīng)成功組織了29次南極科學(xué)考察，共有4678人次參與并完成了科考工作，獲得了大批極其寶貴的數(shù)據(jù)、資料和樣品，在南極地質(zhì)研究、隕石標(biāo)本收集、生態(tài)學(xué)、生物學(xué)、鳥類生物學(xué)沉積、日地空間環(huán)境研究、近現(xiàn)代環(huán)境演變、重力和地磁觀測(cè)、氣候、測(cè)繪、南大洋物理考察、南極冰蓋起源等國(guó)際熱點(diǎn)研究方面取得了許多具有重大科學(xué)價(jià)值的研究成果。

中國(guó)第29次南極科學(xué)考察隊(duì)由245人組成，主要執(zhí)行任務(wù)：(1)新建站選址；(2)“南北極環(huán)境綜合考察與評(píng)估”專項(xiàng)：其中長(zhǎng)城、中山、昆侖站實(shí)施項(xiàng)目 16 項(xiàng)，大洋考察6 項(xiàng)，主要集中在生態(tài)環(huán)境、物理海洋、冰川、地質(zhì)等領(lǐng)域；(3)工程建設(shè)：主要包括長(zhǎng)城站宿舍樓維修及車庫(kù)建設(shè)、中山站醫(yī)院工程、航空煤油罐工程、“十一五”能力建設(shè)工程續(xù)建項(xiàng)目及昆侖站二期部分建設(shè)工程等工作。(4)后勤保障。

作為我國(guó)第29次南極科考隊(duì)員，本文作者之一郝洛西教授前往南極長(zhǎng)城站開展了為期三個(gè)月的科考工作，進(jìn)行的是國(guó)家863課題“LED非視覺照明技術(shù)研究——極地站區(qū)半導(dǎo)體照明及光健康實(shí)驗(yàn)研究”的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)部分，該課題是與中國(guó)極地研究中心、上海第十人民醫(yī)院等單位合作，屬多領(lǐng)域、跨學(xué)科的前沿研究課題。在長(zhǎng)城站主要的工作內(nèi)容是：通過開展LED照明的非視覺生物效應(yīng)和對(duì)人生理節(jié)律影響的研究，對(duì)度夏和越冬科考隊(duì)員實(shí)施人工光環(huán)境的干預(yù)，探討極地站區(qū)建筑適宜的自然采光和人工光環(huán)境的設(shè)計(jì)方法，推進(jìn)半導(dǎo)體照明在極地科考站區(qū)和科考船上的示范性應(yīng)用。

2 南極環(huán)境與站區(qū)設(shè)施

南極洲是指南緯60°以南的所有地區(qū)，包括冰架，總面積約5200萬平方公里，是地球上唯一一塊沒有常住人口的大陸。南極具有豐富的海洋生物資源、礦產(chǎn)資源、油氣資源、淡水資源和南極特種微生物資源。

2.1 極地科考站區(qū)環(huán)境概述

極地科考站區(qū)常年嚴(yán)寒,由于太陽(yáng)高度角很低，再加上冰雪面的反射，致使氣溫很低，晝夜溫差大。有時(shí)候伴隨大風(fēng)出現(xiàn)吹雪現(xiàn)象，能見度極低。干燥潔凈的空氣，不僅讓皮膚和呼吸損失的水分增加，還易使科考隊(duì)員的抵抗力下降，誘發(fā)疾病。另外，雪面對(duì)紫外輻射的反射率可以高達(dá)80%，強(qiáng)烈的紫外線給考察隊(duì)員的皮膚帶來不同程度的損傷。極端惡劣氣候條件會(huì)增加科考站區(qū)發(fā)生意外事件的概率。

南極洲擁有850多種植物，多數(shù)為低等植物如地衣、苔蘚、藻類等；主要?jiǎng)游镉衅簌Z、海豹、海狗、磷蝦、鯨、鳥類和一些昆蟲。但科考站區(qū)附近的動(dòng)、植物相對(duì)較少，周邊環(huán)境單調(diào)，缺乏生氣，給人心理上造成了一定的負(fù)面影響。

2.2 南極科考設(shè)施

目前，世界上有20個(gè)國(guó)家在南極洲建立了150多個(gè)科學(xué)考察基地，這些眾多的考察站，根據(jù)其功能大體可分為：常年科學(xué)考察站、夏季科學(xué)考察站、無人自動(dòng)觀測(cè)站三類。從各國(guó)南極科學(xué)考察站的分布來看，大多數(shù)國(guó)家的南極站都建在南極大陸沿岸和海島的夏季露巖區(qū)。只有美國(guó)、俄羅斯(前蘇聯(lián))和日本在南極內(nèi)陸冰原上建立了常年科學(xué)考察站。其中，美國(guó)建在南極點(diǎn)的阿蒙森—斯科特站、前蘇聯(lián)的東方站最為著名。

2.2.1 中國(guó)科考站區(qū)

目前我國(guó)在極地科考中已形成“一船四站”即雪龍船、南極長(zhǎng)城站、中山站、昆侖站和北極黃河站的南北呼應(yīng)戰(zhàn)略格局。長(zhǎng)城站、中山站常年運(yùn)轉(zhuǎn)，“雪龍”船對(duì)南極“三站”提供后勤支持，并同時(shí)承擔(dān)大洋考察任務(wù)。

表1為中國(guó)科考站區(qū)一覽表。

表1 中國(guó)科考站區(qū)一覽表Table 1 Research Stations of China in the Polar region

2.2.2 國(guó)外著名站區(qū)

科考站的建設(shè)代表著建筑技術(shù)與藝術(shù)的綜合成就，也反映了一個(gè)國(guó)家的科學(xué)成就水平。比利時(shí)伊麗莎白公主站(見圖1)、美國(guó)阿蒙森—斯科特站(見圖2)、英國(guó)哈利Ⅵ(見圖3)、德國(guó)諾伊邁爾Ⅲ站、法國(guó)與意大利的康科迪亞站、日本昭和基地、韓國(guó)世宗站、南非薩納伊Ⅳ站均是極具特色的南極科考站。

圖1 比利時(shí)伊麗莎白公主站Fig.1 Princess Elisabeth Base,Belgium

圖2 美國(guó)阿蒙森—斯科特站Fig.2 Amundsen-Scott South Pole Station,British

圖3 英國(guó)哈利ⅥFig.3 Halley Ⅵ Research Station,British

(1)比利時(shí)伊麗莎白公主站(地理坐標(biāo)71°57’S，23°20’E)

比利時(shí)南極伊麗莎白公主站是全球首座溫室氣體零排放極地考察站，耗時(shí)兩年建成。它是南極冰蓋上第一座零碳設(shè)施。站內(nèi)光源采用節(jié)能高效型光源，根據(jù)不同功能區(qū)的照度水平進(jìn)行靈活組合。考慮到南極的低溫特點(diǎn)以及不同光源的發(fā)光特性，科考站內(nèi)溫度在零度以下的區(qū)域采用TL5照明，溫度在零度以上的區(qū)域采用LED照明，異形空間區(qū)域內(nèi)采用緊湊型熒光燈照明，從而最大化減少能耗。

(2)美國(guó)阿蒙森—斯科特站(地理坐標(biāo)89°59′51″S，139°16′22″E)

位于南極極點(diǎn)上的美國(guó)阿蒙森—斯科特站是南極內(nèi)陸最大的考察站。可以容納150名科學(xué)家和后勤人員，并建有4270米長(zhǎng)的飛機(jī)跑道、無線電通訊設(shè)備、地球物理監(jiān)測(cè)站等。考察站形狀像一個(gè)機(jī)翼，由36根“高蹺”支撐，當(dāng)雪堆積得太厚時(shí)，液壓千斤頂可以將建筑抬高為兩層樓。站內(nèi)設(shè)有特定波長(zhǎng)的LED植物生長(zhǎng)燈，不僅可以調(diào)節(jié)作物開花與結(jié)實(shí)，還能控制株高和植物的營(yíng)養(yǎng)成分。LED植物生長(zhǎng)燈在作為極地實(shí)驗(yàn)的一部分的同時(shí)，也為極地科考站解決了蔬果供給問題。其系統(tǒng)發(fā)熱少，占用空間小，用于多層栽培立體組合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了低熱負(fù)荷和生產(chǎn)空間小型化。

(3)英國(guó)哈利Ⅵ(75°34′54″S，26°32′28″W)

英國(guó)第六代南極科考站哈利Ⅵ號(hào)，由七組相互連接的藍(lán)色模塊和一個(gè)紅色模塊組成，內(nèi)部配備有實(shí)驗(yàn)室、辦公室以及臥室等。特制的液壓伸縮腿使建筑主體遠(yuǎn)離了寒冷冰地和風(fēng)雪積聚，可以自由移動(dòng)。這座南極科考站將成為英國(guó)科學(xué)、建筑及工程領(lǐng)域的標(biāo)志。站內(nèi)照明設(shè)計(jì)模擬日光照明模式，通過特定波長(zhǎng)的LED光源照射，影響人體激素及生物鐘運(yùn)作，從而調(diào)整科考隊(duì)員的晝夜節(jié)律，避免特殊環(huán)境下的季節(jié)性情感障礙。

2.3 科考隊(duì)員身心健康問題

在南極的科學(xué)考察隊(duì)隊(duì)員分為夏季隊(duì)員和越冬隊(duì)員，度夏隊(duì)員一般在南極1～3個(gè)月不等，時(shí)間從每年的11月至次年的3月；越冬隊(duì)員為一年。由于南極特殊的地理環(huán)境和惡劣的氣候條件，常常對(duì)科考隊(duì)員的身心健康產(chǎn)生不利影響。

2.3.1 越冬綜合癥

2.3.2 南極缺鈣現(xiàn)象

南極都是雪水，水中缺少礦物質(zhì)，所以缺鈣是所有隊(duì)員面臨的共同問題。當(dāng)遇到暴風(fēng)雪天氣或極夜，缺少日光的照射，即便是服用鈣片，也很難保證鈣質(zhì)的吸收。隊(duì)員運(yùn)動(dòng)時(shí)頻繁扭傷很大因素是缺鈣所造成的。

2.3.3 補(bǔ)給困難

各個(gè)國(guó)家在南極的科考站均面臨著補(bǔ)給苦難的處境。新鮮果蔬和粗纖維的缺乏，造成腸胃蠕動(dòng)變慢，尤其對(duì)亞洲科考隊(duì)員的飲食習(xí)慣造成了困擾。一些站區(qū)嘗試建造植物工廠，利用人工光照種植蔬菜，以改善補(bǔ)給不足和蔬菜腐爛的情況。

3 南極站區(qū)光環(huán)境特點(diǎn)

南極科考行動(dòng)離不開科考建筑，同樣也離不開人工光照明。在有著極夜的南極地區(qū)，人工照明顯得尤為重要。不論是自然光環(huán)境，還是人工光環(huán)境，都與科考人員的工作生活息息相關(guān)。

3.1 極晝極夜

極晝極夜是南極光環(huán)境的突出特點(diǎn)。南極絕大部分地區(qū)在極圈以內(nèi)，極晝極夜相對(duì)比較漫長(zhǎng)。連續(xù)的白天和連續(xù)的黑夜，完全不同于人類通常居住的晝夜光照節(jié)律，這會(huì)對(duì)人們正常的生命節(jié)律和作息時(shí)間產(chǎn)生極大的影響，往往使得科考隊(duì)員難以適應(yīng)。

夏季漫長(zhǎng)的極晝，盡管可以進(jìn)入室內(nèi)，但是連續(xù)的光照還是會(huì)對(duì)科考隊(duì)員正常的“夜間”休息時(shí)間造成影響。戶外作業(yè)缺少自然的時(shí)間指示以及光照變化的影響，容易產(chǎn)生漫無止境的無措感以及對(duì)工作的厭倦感，大大降低工作效率，甚至導(dǎo)致輕度精神類疾病。

冬季無盡的極夜，使得科考人員原本就與世隔絕的生活更加寂寞。在極夜期間，戶外活動(dòng)受到嚴(yán)重影響，室外工作無法開展。科考人員長(zhǎng)期處于室內(nèi)，缺乏自然光照的沐浴，影響生命周期，容易產(chǎn)生“越冬綜合癥”。

3.2 視覺剝奪

南極是一個(gè)“白色荒漠”，有百分之九十五以上的陸地被終年不化的冰雪所覆蓋，只有不到百分之五的陸地才有巖石出露。地形地貌單一，大部分地區(qū)都屬于冰原地貌，映入眼簾的只有皚皚白雪，景色單調(diào)重復(fù)，多樣性匱乏，缺少豐富的色彩。南極圈內(nèi)沒有草更沒有樹木，僅僅生有苔鮮類低等植物，在整個(gè)南極洲也只有兩種顯花植物生存。

這一大籃子產(chǎn)品組合中，知名度最高的恐怕要算以葛蘭許為首的奢華系列和旗艦系列，在中國(guó)市場(chǎng)賣得最火的要數(shù)大家耳熟能詳?shù)腂in系列了，但這幾個(gè)系列之中，Bin后面各個(gè)不同數(shù)字組合之間的差異恐怕很多喝過的人都不一定能說得清楚。今天，我們就先挑著幾個(gè)系列，以其中最熱銷的產(chǎn)品來重點(diǎn)說明一下。

由于南極惡劣的環(huán)境，鮮有動(dòng)植物生存，沒有綠色的植被，沒有活動(dòng)的生命，因此與科考隊(duì)員相伴的只有冰冷的死寂，視覺要素單調(diào)，環(huán)境背景單一。在這種環(huán)境中工作生活，科考隊(duì)員的視覺感官處于被“剝奪”狀態(tài)，極易產(chǎn)生乏味厭惡的感覺，工作效率低下，情緒焦躁不安。

3.3 高亮環(huán)境

環(huán)境亮度過高是影響科考隊(duì)員視覺舒適度的主要因素。南極大陸處于冰雪覆蓋之下，白色的積雪對(duì)陽(yáng)光反射強(qiáng)烈。而且不同于人類聚居地，整個(gè)室外環(huán)境缺少建筑物的遮擋與分隔。因此，南極地區(qū)室外環(huán)境亮度非常高，室內(nèi)外亮度水平相差巨大(見表2)，室內(nèi)外亮度比是普通地區(qū)的8～10倍。

表2 南極長(zhǎng)城站生活棟實(shí)測(cè)亮度Table 2 Luminance level of the dormitory in the Great Wall Station

高亮的室外環(huán)境，使得科考隊(duì)員外出和歸來時(shí)難以適應(yīng)室內(nèi)外亮度變化，容易引起視覺疲勞。同時(shí)，高亮環(huán)境也造成室內(nèi)與窗口的亮度差距過大，科考隊(duì)員的工作生活空間光照刺目，視覺舒適度差。

4 南極站區(qū)光環(huán)境設(shè)計(jì)策略

長(zhǎng)時(shí)間以來，照明與情感、照明與健康的關(guān)系一直未受到人們的重視。近年第三視覺的發(fā)現(xiàn)使得晝夜節(jié)律光生物學(xué)成為熱點(diǎn)，照明對(duì)人的情緒的影響也成為了評(píng)價(jià)照明環(huán)境的重要標(biāo)準(zhǔn)。在施工條件惡劣的南極站區(qū)，建筑的照明設(shè)計(jì)往往較為簡(jiǎn)單，大部分的基底站區(qū)照明只考慮了視覺功效方面的因素；有些站區(qū)由于建成較早，甚至連視覺功效的要求目前都無法達(dá)到。這樣的室內(nèi)照明不僅不能對(duì)科考隊(duì)員的身心健康起到有益的影響，而且其色溫、照度等數(shù)據(jù)也不符合健康照明的要求。

為了改善這一現(xiàn)狀，我們可以應(yīng)用照明科技，通過照明設(shè)計(jì)，改善南極站區(qū)光環(huán)境。既不影響正常的科考行動(dòng)，又能解決隊(duì)員各種各樣的健康問題。本文作者之一的郝洛西教授，在南極的度夏期間完成了“LED照明的非視覺生物效應(yīng)和對(duì)人體生理節(jié)律的影響”實(shí)驗(yàn)研究，提出了適宜極地站區(qū)建筑的自然光和人工光環(huán)境的設(shè)計(jì)方法，通過對(duì)站區(qū)各類用房的室內(nèi)光環(huán)境進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)研和評(píng)估，完成了維護(hù)和改善的建議報(bào)告，并將生活棟室內(nèi)照明的光源全部更換為光色、亮度可調(diào)的LED新型光源。

4.1 光源的選擇

南極地區(qū)地理位置與世隔絕，氣候條件嚴(yán)寒干燥并且伴隨著大風(fēng)，同時(shí)南極站區(qū)建筑對(duì)設(shè)備安全性能要求高，防火安全尤其重要，而且南極地區(qū)生態(tài)環(huán)境比較特殊，特別容易遭到破壞。這就在運(yùn)輸、保存、節(jié)能、安全、環(huán)保等多方面對(duì)南極站區(qū)人工照明的光源提出了較高的要求。

(1)方便運(yùn)輸，使用壽命長(zhǎng)，減少燈具更換的次數(shù)，降低在南極使用的成本。

(2)抗震動(dòng)、抗沖擊，適應(yīng)南極惡劣的自然條件。

(3)工作電壓和電流較安全，降低發(fā)生火災(zāi)的可能性，滿足南極站區(qū)的消防要求。

(4)綠色節(jié)能，生態(tài)環(huán)保，產(chǎn)生的光污染少，將人類活動(dòng)對(duì)南極環(huán)境的影響降到最低。

(5)方便控制和管理，照度和色溫可變，通過控制電路達(dá)到多種照度以及光譜的變化效果，設(shè)計(jì)出能干預(yù)人體生命節(jié)律的健康光環(huán)境。

4.2 人工光干預(yù)方式

南極地區(qū)自然光的變化規(guī)律不同于人類聚居地，對(duì)于人體生命節(jié)律不能起到調(diào)節(jié)作用，特殊的極晝極夜現(xiàn)象甚至?xí)沟萌梭w生命節(jié)律紊亂。室外科考行動(dòng)往往安排在夏季，南極特殊的地理位置使得夏季的白天異常的長(zhǎng)，這就使得科考隊(duì)員失去了正常的晝夜光環(huán)境對(duì)其生命節(jié)律的調(diào)整，一直處于等待工作的白晝狀態(tài)；而越冬隊(duì)員由于惡劣的氣候條件多數(shù)時(shí)間都呆在站區(qū)建筑室內(nèi)進(jìn)行研究工作，無法接觸到自然的光照環(huán)境，并且由于極夜現(xiàn)象，非視覺生物效應(yīng)難以起到調(diào)節(jié)越冬隊(duì)員晝夜節(jié)律的作用。

為了解決這一問題，南極的室內(nèi)照明設(shè)計(jì)需要尋找出科學(xué)的人工光干預(yù)方式，調(diào)節(jié)人體的晝夜節(jié)律，改善科考隊(duì)員的生活狀態(tài)，彌補(bǔ)自然光照環(huán)境的不足。人工光干預(yù)的總體理念是模擬正常的“日出而作，日落而息”的自然光照環(huán)境，通過非視覺生物效應(yīng)對(duì)褪黑素的影響，來調(diào)整科考隊(duì)員的作息時(shí)間：在夏季，室內(nèi)人工光環(huán)境能讓科考隊(duì)員在室外科考活動(dòng)結(jié)束之后，進(jìn)入正常休息狀態(tài)；在冬季，越冬隊(duì)員能在室內(nèi)光環(huán)境的調(diào)節(jié)下，提高“白天”工作效率，同時(shí)又不影響“夜間”休息。

實(shí)際應(yīng)用中，主要是通過光環(huán)境的色溫與照度的變化來實(shí)現(xiàn)人工光的干預(yù)(見圖4)。科學(xué)的人工光干預(yù)方式應(yīng)該在清晨用高色溫、高照度的光環(huán)境起到喚醒的作用，同時(shí)能影響褪黑素分泌曲線的相位，改善人體晝夜節(jié)律；工作時(shí)間仍然保持高色溫、高照度的光環(huán)境，提高工作效率；而在休閑時(shí)間及夜晚，保持低色溫、適中照度的光環(huán)境，緩解工作壓力，保證睡眠質(zhì)量。

圖4 南極站區(qū)實(shí)驗(yàn)燈具參數(shù)Fig.4 Experimental indexes of the luminaires in the Great wall station

4.3 彩色光與光藝術(shù)互動(dòng)裝置

南極地區(qū)視覺要素單調(diào)，科考隊(duì)員生活枯燥乏味。特別是越冬隊(duì)員，長(zhǎng)時(shí)間在室內(nèi)工作生活，缺少戶外活動(dòng)，容易產(chǎn)生心理問題。而通過光環(huán)境的設(shè)計(jì)豐富隊(duì)員們的生活，增加隊(duì)員們之間的交流，能夠避免產(chǎn)生情感上的失常和人際關(guān)系的破裂，緩解越冬生活的寂寞。

通過在極夜的時(shí)間適當(dāng)引入彩色光和動(dòng)態(tài)光(見圖5)，可以豐富視覺體驗(yàn)，改變單調(diào)的光照環(huán)境，起到調(diào)節(jié)情感的作用。同時(shí)可以利用LED光源的特點(diǎn)，通過回收廢棄材料，讓隊(duì)員們自己動(dòng)手做藝術(shù)裝置，或者在適當(dāng)?shù)幕顒?dòng)區(qū)域設(shè)立互動(dòng)裝置，從而形成裝置與隊(duì)員、隊(duì)員與隊(duì)員之間的互動(dòng)，增加隊(duì)員之間的溝通與交流，這既能改善枯燥的越冬生活，又能減少社會(huì)隔離帶來的孤獨(dú)，還能提高室內(nèi)照明品質(zhì)。

圖5 光影構(gòu)成作品“最長(zhǎng)的夜，最靚的光”Fig.5 Art installation works by the students of Tongji University

4.4 照明改造與一體化設(shè)計(jì)

南極現(xiàn)有的科考建筑建立時(shí)間大多較早，限于當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平，室內(nèi)光環(huán)境與情感和健康的關(guān)系并不在建筑設(shè)計(jì)的考慮范圍之內(nèi)，甚至室內(nèi)的功能性照明也處于比較低級(jí)的水準(zhǔn)。因此，科考隊(duì)員的健康狀況在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)受到影響。然而建筑整體設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，要做大規(guī)模的照明改造，經(jīng)濟(jì)成本非常驚人，設(shè)備的更換、管線重新鋪設(shè)以及巨額的運(yùn)費(fèi)，都使得目前南極站區(qū)已有建筑進(jìn)行大規(guī)模的整體照明改造的可能性較小。南極站區(qū)現(xiàn)有科考站中光環(huán)境的設(shè)計(jì)應(yīng)該重點(diǎn)考慮燈具的替換，用照度及色溫符合人體健康需求的光源替換掉現(xiàn)有的燈具。考慮到運(yùn)輸成本、維護(hù)周期以及惡劣的環(huán)境，主要選擇LED作為改造后的光源類型。根據(jù)現(xiàn)有燈具的接口型號(hào)以及電源類型，制備可以直接替換的LED光源，在經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件允許的范疇下最大限度的滿足健康型光環(huán)境的要求。在辦公、會(huì)議等工作場(chǎng)所，選用高色溫的LED光源進(jìn)行替換；在餐廳、臥室等休息生活場(chǎng)所，選用色溫符合個(gè)人需要的LED光源；而在過道、衛(wèi)生間等公共場(chǎng)所，選用色溫適中LED光源。

新建的科考建筑則應(yīng)該在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮室內(nèi)光環(huán)境的要求，建筑設(shè)計(jì)的同時(shí)考慮照明設(shè)計(jì)的要求，實(shí)現(xiàn)照明與建筑的一體化設(shè)計(jì)。首先，燈具的數(shù)量和安裝位置既要滿足視覺功效的要求，又要保證工作以及居住空間人眼處的照度能滿足非視覺生物效應(yīng)的需要，還要防止眩光的產(chǎn)生，這就要求綜合考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件、空間大小、家具排布等各種因素。其次，建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該預(yù)留燈具控制系統(tǒng)的線路排布，根據(jù)人工光干預(yù)的需要實(shí)現(xiàn)室內(nèi)光環(huán)境在一天之內(nèi)色溫的變化，同時(shí)考慮到視覺功效和節(jié)能問題可以同時(shí)進(jìn)行亮度的變化。再次，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該根據(jù)新建建筑的實(shí)際情況以及經(jīng)濟(jì)技術(shù)能力，合理的選擇控制系統(tǒng)的類型。在線控還是遙控方面，由于極地特殊的磁場(chǎng)環(huán)境，線控往往成為首選。而在自動(dòng)控制還是人工控制方面，則應(yīng)該根據(jù)不同的情況來進(jìn)行選擇。如果選擇自動(dòng)控制系統(tǒng)，編程時(shí)應(yīng)該進(jìn)行嚴(yán)格準(zhǔn)確的控制時(shí)間點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)光環(huán)境正確的色溫以及亮度的變化。最后，可以在休息和娛樂場(chǎng)所適當(dāng)引入彩色光，在合適的位置安裝光藝術(shù)互動(dòng)裝置，豐富科考隊(duì)員的視覺要素，提升科考隊(duì)員的生活品質(zhì)。

5 展望與應(yīng)用

南極是地球上極其特殊的區(qū)域，有著獨(dú)一無二的自然條件，在生態(tài)、地質(zhì)、海洋等領(lǐng)域均有重大的科研意義。隨著世界各國(guó)在極地科考行動(dòng)的深入，越來越多的科研人員前往極地站區(qū)進(jìn)行研究。然而極地特殊的自然環(huán)境嚴(yán)重威脅著科研人員的身心健康，于是我們需要從光的視覺功能、情感作用、生物效應(yīng)三方面，整合不同維度的光，創(chuàng)造出健康的南極科考站區(qū)光環(huán)境。

5.1 整合不同維度的光

5.1.1 光的視覺功能

健康光環(huán)境的營(yíng)造首先是滿足光的視覺功能。因此，在極地站區(qū)健康型光環(huán)境設(shè)計(jì)中，我們主要選用LED光源，不僅僅考慮了水平照度、垂直照度、均勻光分布、無眩光等基本指標(biāo)，還設(shè)定了色溫、照度的自動(dòng)控制，以提高作業(yè)效能。

5.1.2 光的情感作用

光讓人產(chǎn)生不同的心理體驗(yàn)，特別是彩色光對(duì)人的情緒影響更加直接。隨著LED的問世，其可變色溫和彩色光照對(duì)情緒的調(diào)節(jié)作用成為半導(dǎo)體照明在南極站區(qū)應(yīng)用的另一技術(shù)優(yōu)勢(shì)。我們通過低色溫的白光LED營(yíng)造溫馨的氛圍，通過彩色光和動(dòng)態(tài)光變換出豐富的視覺，進(jìn)而從心理和情緒上改善科考隊(duì)員在南極的生活。

5.1.3 光的生物效應(yīng)

極地特殊的環(huán)境條件下，通過研究光的非視覺生物效應(yīng)對(duì)人生理節(jié)律的影響，可以改善科考隊(duì)員的“越冬綜合癥”、“季節(jié)性情感障礙”(SAD)等癥狀，而光的生物效應(yīng)不僅適用于南極站區(qū)，還對(duì)高緯度地區(qū)以及冬季較長(zhǎng)地區(qū)的半導(dǎo)體照明應(yīng)用同樣有廣泛的借鑒價(jià)值。

此外，光對(duì)人體晝夜節(jié)律作用的研究對(duì)未來照明應(yīng)用也將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。首先，通過特定光照強(qiáng)度及光譜能量分布來修復(fù)晝夜節(jié)律紊亂的狀況，比如季節(jié)性情感障礙，阿爾茨海默癥等，可以應(yīng)用在醫(yī)院病房、重癥護(hù)理病房及健康治療室等地方。其次，模擬自然光以利于人體晝夜節(jié)律穩(wěn)定。通過引入自然光或者智能控制系統(tǒng)來達(dá)到對(duì)自然光的模擬，可以應(yīng)用在水療場(chǎng)所、酒店、醫(yī)院病房及無窗的非工作場(chǎng)所。最后，效仿光對(duì)人體晝夜節(jié)律作用的方式，在照明設(shè)計(jì)中針對(duì)不同的工作場(chǎng)所應(yīng)用特定的光譜及光照強(qiáng)度，以增強(qiáng)視敏度及提高人體警覺性，例如需要倒班的工作場(chǎng)所、辦公室、學(xué)校以及控制室等。

5.2 超越照明的新科技應(yīng)用

照明科技在創(chuàng)造南極站區(qū)健康光環(huán)境，滿足視覺功能、情感作用和生物效應(yīng)之外，還在植物生長(zhǎng)、康復(fù)醫(yī)學(xué)等方面也得到全面應(yīng)用。

(1)針對(duì)南極站區(qū)補(bǔ)給苦難，缺乏新鮮果蔬的困境，研究LED光譜能量分布及光照模式對(duì)設(shè)施植物生長(zhǎng)、光合作用以及產(chǎn)量與品質(zhì)的影響效應(yīng)，開發(fā)智能化LED光源植物生長(zhǎng)柜，使得在特殊的南極利用人工光來干預(yù)植物生長(zhǎng)成為可能。

(2)針對(duì)南極科考隊(duì)員普遍缺鈣的難題，LED照明可以促進(jìn)人體維生素D3的分解，對(duì)長(zhǎng)期工作在缺少陽(yáng)光照射的人員有較明顯的補(bǔ)鈣作用，對(duì)其他生物缺鈣的治療也有明顯的效果。

(3)通過研究LED對(duì)人體刺激、調(diào)節(jié)和活化作用的光學(xué)治療方法，利用LED特定光譜照射，對(duì)南極站區(qū)科考隊(duì)員的腦損傷、傷口愈合、曬傷等，可以起到加快康復(fù)的作用。

因此，積極開展中國(guó)南極科考站區(qū)健康光環(huán)境的應(yīng)用研究，增強(qiáng)科考隊(duì)員對(duì)極地環(huán)境的適應(yīng)能力，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。而半導(dǎo)體照明，不僅在照明領(lǐng)域內(nèi)使多種創(chuàng)新應(yīng)用成為可能，還能夠在其他多個(gè)交叉領(lǐng)域內(nèi)獲得廣泛性應(yīng)用。

[1] 國(guó)家海洋局極地考察辦公室.中國(guó)南極考察隊(duì)員手冊(cè),2010.

[2] 曾堃.極地站區(qū)健康型建筑光環(huán)境研究.2013.

[3] 郝洛西，楊秀，王茜. LED:改變我們的思維[C].2011四直轄市照明科技論壇(天津)論文集,2011.

[4] 同濟(jì)大學(xué)，復(fù)旦大學(xué)，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，南京農(nóng)業(yè)大學(xué),中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院,哈爾濱海格科技公司.國(guó)家高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目：LED非視覺照明技術(shù)研究申請(qǐng)報(bào)告，2010.