南極與照明科技

郝洛西，林 怡，徐俊麗，曾 堃，崔 哲

(同濟大學建筑與城市規劃學院，上海 200092)

1 中國與南極科考

經過29年的艱苦創業，中國的極地考察事業實現了從無到有、逐步加強的歷史跨越。截至2013年，中國已經成功組織了29次南極科學考察，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據、資料和樣品，在南極地質研究、隕石標本收集、生態學、生物學、鳥類生物學沉積、日地空間環境研究、近現代環境演變、重力和地磁觀測、氣候、測繪、南大洋物理考察、南極冰蓋起源等國際熱點研究方面取得了許多具有重大科學價值的研究成果。

中國第29次南極科學考察隊由245人組成，主要執行任務：(1)新建站選址；(2)“南北極環境綜合考察與評估”專項：其中長城、中山、昆侖站實施項目 16 項，大洋考察6 項，主要集中在生態環境、物理海洋、冰川、地質等領域；(3)工程建設：主要包括長城站宿舍樓維修及車庫建設、中山站醫院工程、航空煤油罐工程、“十一五”能力建設工程續建項目及昆侖站二期部分建設工程等工作。(4)后勤保障。

作為我國第29次南極科考隊員，本文作者之一郝洛西教授前往南極長城站開展了為期三個月的科考工作，進行的是國家863課題“LED非視覺照明技術研究——極地站區半導體照明及光健康實驗研究”的現場實驗部分，該課題是與中國極地研究中心、上海第十人民醫院等單位合作，屬多領域、跨學科的前沿研究課題。在長城站主要的工作內容是：通過開展LED照明的非視覺生物效應和對人生理節律影響的研究，對度夏和越冬科考隊員實施人工光環境的干預，探討極地站區建筑適宜的自然采光和人工光環境的設計方法，推進半導體照明在極地科考站區和科考船上的示范性應用。

2 南極環境與站區設施

南極洲是指南緯60°以南的所有地區，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 極地科考站區環境概述

極地科考站區常年嚴寒,由于太陽高度角很低，再加上冰雪面的反射，致使氣溫很低，晝夜溫差大。有時候伴隨大風出現吹雪現象，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，還易使科考隊員的抵抗力下降，誘發疾病。另外，雪面對紫外輻射的反射率可以高達80%，強烈的紫外線給考察隊員的皮膚帶來不同程度的損傷。極端惡劣氣候條件會增加科考站區發生意外事件的概率。

南極洲擁有850多種植物，多數為低等植物如地衣、苔蘚、藻類等；主要動物有企鵝、海豹、海狗、磷蝦、鯨、鳥類和一些昆蟲。但科考站區附近的動、植物相對較少，周邊環境單調，缺乏生氣，給人心理上造成了一定的負面影響。

2.2 南極科考設施

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

2.2.1 中國科考站區

目前我國在極地科考中已形成“一船四站”即雪龍船、南極長城站、中山站、昆侖站和北極黃河站的南北呼應戰略格局。長城站、中山站常年運轉，“雪龍”船對南極“三站”提供后勤支持，并同時承擔大洋考察任務。

表1為中國科考站區一覽表。

表1 中國科考站區一覽表Table 1 Research Stations of China in the Polar region

2.2.2 國外著名站區

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

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

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

圖3 英國哈利ⅥFig.3 Halley Ⅵ Research Station,British

(1)比利時伊麗莎白公主站(地理坐標71°57’S，23°20’E)

比利時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，耗時兩年建成。它是南極冰蓋上第一座零碳設施。站內光源采用節能高效型光源，根據不同功能區的照度水平進行靈活組合。考慮到南極的低溫特點以及不同光源的發光特性，科考站內溫度在零度以下的區域采用TL5照明，溫度在零度以上的區域采用LED照明，異形空間區域內采用緊湊型熒光燈照明，從而最大化減少能耗。

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

位于南極極點上的美國阿蒙森—斯科特站是南極內陸最大的考察站。可以容納150名科學家和后勤人員，并建有4270米長的飛機跑道、無線電通訊設備、地球物理監測站等。考察站形狀像一個機翼，由36根“高蹺”支撐，當雪堆積得太厚時，液壓千斤頂可以將建筑抬高為兩層樓。站內設有特定波長的LED植物生長燈，不僅可以調節作物開花與結實，還能控制株高和植物的營養成分。LED植物生長燈在作為極地實驗的一部分的同時，也為極地科考站解決了蔬果供給問題。其系統發熱少，占用空間小，用于多層栽培立體組合系統，實現了低熱負荷和生產空間小型化。

(3)英國哈利Ⅵ(75°34′54″S，26°32′28″W)

英國第六代南極科考站哈利Ⅵ號，由七組相互連接的藍色模塊和一個紅色模塊組成，內部配備有實驗室、辦公室以及臥室等。特制的液壓伸縮腿使建筑主體遠離了寒冷冰地和風雪積聚，可以自由移動。這座南極科考站將成為英國科學、建筑及工程領域的標志。站內照明設計模擬日光照明模式，通過特定波長的LED光源照射，影響人體激素及生物鐘運作，從而調整科考隊員的晝夜節律，避免特殊環境下的季節性情感障礙。

2.3 科考隊員身心健康問題

在南極的科學考察隊隊員分為夏季隊員和越冬隊員，度夏隊員一般在南極1～3個月不等，時間從每年的11月至次年的3月；越冬隊員為一年。由于南極特殊的地理環境和惡劣的氣候條件，常常對科考隊員的身心健康產生不利影響。

2.3.1 越冬綜合癥

2.3.2 南極缺鈣現象

南極都是雪水，水中缺少礦物質，所以缺鈣是所有隊員面臨的共同問題。當遇到暴風雪天氣或極夜，缺少日光的照射，即便是服用鈣片，也很難保證鈣質的吸收。隊員運動時頻繁扭傷很大因素是缺鈣所造成的。

2.3.3 補給困難

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

3 南極站區光環境特點

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

3.1 極晝極夜

極晝極夜是南極光環境的突出特點。南極絕大部分地區在極圈以內，極晝極夜相對比較漫長。連續的白天和連續的黑夜，完全不同于人類通常居住的晝夜光照節律，這會對人們正常的生命節律和作息時間產生極大的影響，往往使得科考隊員難以適應。

夏季漫長的極晝，盡管可以進入室內，但是連續的光照還是會對科考隊員正常的“夜間”休息時間造成影響。戶外作業缺少自然的時間指示以及光照變化的影響，容易產生漫無止境的無措感以及對工作的厭倦感，大大降低工作效率，甚至導致輕度精神類疾病。

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，戶外活動受到嚴重影響，室外工作無法開展。科考人員長期處于室內，缺乏自然光照的沐浴，影響生命周期，容易產生“越冬綜合癥”。

3.2 視覺剝奪

南極是一個“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，大部分地區都屬于冰原地貌，映入眼簾的只有皚皚白雪，景色單調重復，多樣性匱乏，缺少豐富的色彩。南極圈內沒有草更沒有樹木，僅僅生有苔鮮類低等植物，在整個南極洲也只有兩種顯花植物生存。

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

3.3 高亮環境

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

表2 南極長城站生活棟實測亮度Table 2 Luminance level of the dormitory in the Great Wall Station

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

4 南極站區光環境設計策略

長時間以來，照明與情感、照明與健康的關系一直未受到人們的重視。近年第三視覺的發現使得晝夜節律光生物學成為熱點，照明對人的情緒的影響也成為了評價照明環境的重要標準。在施工條件惡劣的南極站區，建筑的照明設計往往較為簡單，大部分的基底站區照明只考慮了視覺功效方面的因素；有些站區由于建成較早，甚至連視覺功效的要求目前都無法達到。這樣的室內照明不僅不能對科考隊員的身心健康起到有益的影響，而且其色溫、照度等數據也不符合健康照明的要求。

為了改善這一現狀，我們可以應用照明科技，通過照明設計，改善南極站區光環境。既不影響正常的科考行動，又能解決隊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和對人體生理節律的影響”實驗研究，提出了適宜極地站區建筑的自然光和人工光環境的設計方法，通過對站區各類用房的室內光環境進行了詳細的調研和評估，完成了維護和改善的建議報告，并將生活棟室內照明的光源全部更換為光色、亮度可調的LED新型光源。

4.1 光源的選擇

南極地區地理位置與世隔絕，氣候條件嚴寒干燥并且伴隨著大風，同時南極站區建筑對設備安全性能要求高，防火安全尤其重要，而且南極地區生態環境比較特殊，特別容易遭到破壞。這就在運輸、保存、節能、安全、環保等多方面對南極站區人工照明的光源提出了較高的要求。

(1)方便運輸，使用壽命長，減少燈具更換的次數，降低在南極使用的成本。

(2)抗震動、抗沖擊，適應南極惡劣的自然條件。

(3)工作電壓和電流較安全，降低發生火災的可能性，滿足南極站區的消防要求。

(4)綠色節能，生態環保，產生的光污染少，將人類活動對南極環境的影響降到最低。

(5)方便控制和管理，照度和色溫可變，通過控制電路達到多種照度以及光譜的變化效果，設計出能干預人體生命節律的健康光環境。

4.2 人工光干預方式

南極地區自然光的變化規律不同于人類聚居地，對于人體生命節律不能起到調節作用，特殊的極晝極夜現象甚至會使得人體生命節律紊亂。室外科考行動往往安排在夏季，南極特殊的地理位置使得夏季的白天異常的長，這就使得科考隊員失去了正常的晝夜光環境對其生命節律的調整，一直處于等待工作的白晝狀態；而越冬隊員由于惡劣的氣候條件多數時間都呆在站區建筑室內進行研究工作，無法接觸到自然的光照環境，并且由于極夜現象，非視覺生物效應難以起到調節越冬隊員晝夜節律的作用。

為了解決這一問題，南極的室內照明設計需要尋找出科學的人工光干預方式，調節人體的晝夜節律，改善科考隊員的生活狀態，彌補自然光照環境的不足。人工光干預的總體理念是模擬正常的“日出而作，日落而息”的自然光照環境，通過非視覺生物效應對褪黑素的影響，來調整科考隊員的作息時間：在夏季，室內人工光環境能讓科考隊員在室外科考活動結束之后，進入正常休息狀態；在冬季，越冬隊員能在室內光環境的調節下，提高“白天”工作效率，同時又不影響“夜間”休息。

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

圖4 南極站區實驗燈具參數Fig.4 Experimental indexes of the luminaires in the Great wall station

4.3 彩色光與光藝術互動裝置

南極地區視覺要素單調，科考隊員生活枯燥乏味。特別是越冬隊員，長時間在室內工作生活，缺少戶外活動，容易產生心理問題。而通過光環境的設計豐富隊員們的生活，增加隊員們之間的交流，能夠避免產生情感上的失常和人際關系的破裂，緩解越冬生活的寂寞。

通過在極夜的時間適當引入彩色光和動態光(見圖5)，可以豐富視覺體驗，改變單調的光照環境，起到調節情感的作用。同時可以利用LED光源的特點，通過回收廢棄材料，讓隊員們自己動手做藝術裝置，或者在適當的活動區域設立互動裝置，從而形成裝置與隊員、隊員與隊員之間的互動，增加隊員之間的溝通與交流，這既能改善枯燥的越冬生活，又能減少社會隔離帶來的孤獨，還能提高室內照明品質。

圖5 光影構成作品“最長的夜，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計

南極現有的科考建筑建立時間大多較早，限于當時的經濟技術水平，室內光環境與情感和健康的關系并不在建筑設計的考慮范圍之內，甚至室內的功能性照明也處于比較低級的水準。因此，科考隊員的健康狀況在很長一段時間內受到影響。然而建筑整體設計已經完成，要做大規模的照明改造，經濟成本非常驚人，設備的更換、管線重新鋪設以及巨額的運費，都使得目前南極站區已有建筑進行大規模的整體照明改造的可能性較小。南極站區現有科考站中光環境的設計應該重點考慮燈具的替換，用照度及色溫符合人體健康需求的光源替換掉現有的燈具。考慮到運輸成本、維護周期以及惡劣的環境，主要選擇LED作為改造后的光源類型。根據現有燈具的接口型號以及電源類型，制備可以直接替換的LED光源，在經濟技術條件允許的范疇下最大限度的滿足健康型光環境的要求。在辦公、會議等工作場所，選用高色溫的LED光源進行替換；在餐廳、臥室等休息生活場所，選用色溫符合個人需要的LED光源；而在過道、衛生間等公共場所，選用色溫適中LED光源。

新建的科考建筑則應該在設計時充分考慮室內光環境的要求，建筑設計的同時考慮照明設計的要求，實現照明與建筑的一體化設計。首先，燈具的數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的需要，還要防止眩光的產生，這就要求綜合考慮結構構件、空間大小、家具排布等各種因素。其次，建筑設計時應該預留燈具控制系統的線路排布，根據人工光干預的需要實現室內光環境在一天之內色溫的變化，同時考慮到視覺功效和節能問題可以同時進行亮度的變化。再次，設計時應該根據新建建筑的實際情況以及經濟技術能力，合理的選擇控制系統的類型。在線控還是遙控方面，由于極地特殊的磁場環境，線控往往成為首選。而在自動控制還是人工控制方面，則應該根據不同的情況來進行選擇。如果選擇自動控制系統，編程時應該進行嚴格準確的控制時間點，實現室內光環境正確的色溫以及亮度的變化。最后，可以在休息和娛樂場所適當引入彩色光，在合適的位置安裝光藝術互動裝置，豐富科考隊員的視覺要素，提升科考隊員的生活品質。

5 展望與應用

南極是地球上極其特殊的區域，有著獨一無二的自然條件，在生態、地質、海洋等領域均有重大的科研意義。隨著世界各國在極地科考行動的深入，越來越多的科研人員前往極地站區進行研究。然而極地特殊的自然環境嚴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、生物效應三方面，整合不同維度的光，創造出健康的南極科考站區光環境。

5.1 整合不同維度的光

5.1.1 光的視覺功能

健康光環境的營造首先是滿足光的視覺功能。因此，在極地站區健康型光環境設計中，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，還設定了色溫、照度的自動控制，以提高作業效能。

5.1.2 光的情感作用

光讓人產生不同的心理體驗，特別是彩色光對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情緒的調節作用成為半導體照明在南極站區應用的另一技術優勢。我們通過低色溫的白光LED營造溫馨的氛圍，通過彩色光和動態光變換出豐富的視覺，進而從心理和情緒上改善科考隊員在南極的生活。

5.1.3 光的生物效應

極地特殊的環境條件下，通過研究光的非視覺生物效應對人生理節律的影響，可以改善科考隊員的“越冬綜合癥”、“季節性情感障礙”(SAD)等癥狀，而光的生物效應不僅適用于南極站區，還對高緯度地區以及冬季較長地區的半導體照明應用同樣有廣泛的借鑒價值。

此外，光對人體晝夜節律作用的研究對未來照明應用也將產生深遠影響。首先，通過特定光照強度及光譜能量分布來修復晝夜節律紊亂的狀況，比如季節性情感障礙，阿爾茨海默癥等，可以應用在醫院病房、重癥護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律穩定。通過引入自然光或者智能控制系統來達到對自然光的模擬，可以應用在水療場所、酒店、醫院病房及無窗的非工作場所。最后，效仿光對人體晝夜節律作用的方式，在照明設計中針對不同的工作場所應用特定的光譜及光照強度，以增強視敏度及提高人體警覺性，例如需要倒班的工作場所、辦公室、學校以及控制室等。

5.2 超越照明的新科技應用

照明科技在創造南極站區健康光環境，滿足視覺功能、情感作用和生物效應之外，還在植物生長、康復醫學等方面也得到全面應用。

(1)針對南極站區補給苦難，缺乏新鮮果蔬的困境，研究LED光譜能量分布及光照模式對設施植物生長、光合作用以及產量與品質的影響效應，開發智能化LED光源植物生長柜，使得在特殊的南極利用人工光來干預植物生長成為可能。

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

(3)通過研究LED對人體刺激、調節和活化作用的光學治療方法，利用LED特定光譜照射，對南極站區科考隊員的腦損傷、傷口愈合、曬傷等，可以起到加快康復的作用。

因此，積極開展中國南極科考站區健康光環境的應用研究，增強科考隊員對極地環境的適應能力，具有重大的現實意義。而半導體照明，不僅在照明領域內使多種創新應用成為可能，還能夠在其他多個交叉領域內獲得廣泛性應用。

[1] 國家海洋局極地考察辦公室.中國南極考察隊員手冊,2010.

[2] 曾堃.極地站區健康型建筑光環境研究.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] 同濟大學，復旦大學，中國科學院半導體研究所，南京農業大學,中國農業科學院,哈爾濱海格科技公司.國家高技術發展計劃項目：LED非視覺照明技術研究申請報告，2010.