運用手持技術繪制CO2濃度變化地圖

李法瑞

摘要： 運用手持技術開展學生實驗探究活動，分別檢測上海市地鐵2號線各站點區域（車廂內部、站廳及車站出口外）空氣中CO2濃度數據。以不同站點的實驗數據進行分析并繪制了地鐵運行過程中車廂內部CO2濃度變化曲線地圖，

選擇三個人流密度較大的車站，繪出站廳與站外CO2濃度變化對比圖，

以期為后續地鐵環境空氣質量優化提供一些參考數據。該探究活動有助于培養學生的實踐能力。

關鍵詞： 手持技術; 地鐵交通; CO2濃度變化地圖

文章編號： 1005-6629（2020）03-0065-04

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 課題背景

現今，地鐵已成為全國各大城市的重要通勤方式之一。隨著國家現代化進程的深入推進，越來越多的人將會選擇地鐵出行。由于地鐵車廂身處較為封閉的地下環境中，當人流擁擠或出行高峰時，一些身體條件較差的人常常會感到不適。的確，空氣中較高的CO2濃度會對人體健康產生不良影響。同時，本課題組通過問卷調查顯示，在地鐵高峰時段感到難受不適的人群比例較高。

研究表明，大氣中的CO2是重要的溫室氣體，全球變暖的元兇之一[1]。與此同時，室內CO2對人體健康影響及行車安全顧慮更是不容忽視的主因之一，生活中CO2是人類每時每刻都在制造卻經常被忽略的氣體[2]。數據顯示，人體暴露在濃度（體積分數）3%的CO2中幾個小時后，人類的呼吸系統就會產生不適，會造成頭暈或呼吸不暢;暴露在濃度7%的CO2中幾分鐘，就會造成意識喪失;而暴露在濃度15%的CO2中會立刻威脅到生命。CO2對人體造成危害的方式主要是通過排擠空氣中的氧氣，降低氧氣濃度;同時提高血液中CO2的濃度，造成呼吸系統、神經系統方面的損傷[3]。為了探究地鐵高峰時段人們感到難受不適的原因，課題組選擇上海市地鐵主干線2號線各站點CO2濃度為研究對象，利用手持技術開展實驗研究，重點考察地鐵車廂內外CO2濃度隨外界條件變化的規律，并繪制出冬季早高峰（7～9點）地鐵的CO2濃度變化曲線，希望能為城市地鐵建設及規劃提供有益參考。

2? 實驗部分

2.1? 實驗設備

威尼爾Vernier實驗探索者LabQuest2傳感器采集儀、CO2傳感器、濕度傳感器

2.2? 實驗方案

（1） 實驗1： 早高峰各站點車廂內CO2濃度變化曲線繪制;

（2） 實驗2： 地鐵站廳與地鐵站外環境中CO2濃度的對比。

2.3? 實驗過程

（1） 課題組成員選擇2019年1月21日、22日、23日三個不同工作日的早高峰時段（7～9點），依次完成實驗數據采集;

（2） 每次采集時，成員在上海地鐵2號線的始發站淞虹路站車廂內部（每列地鐵的中間一節車廂的4門之中心點）展開測試，待發車時開啟傳感器采集儀、CO2傳感器、濕度傳感器，實時記錄每個站點的CO2峰值及濕度;

（3） 同時，課題組成員選擇南京西路、人民廣場、南京東路三個地鐵站，分別檢測從地鐵站廳（與地鐵列車同層的最大廳之中心點）到地鐵站外（出地鐵站地面大門30米遠人流較稀處）之間的空氣中CO2濃度變化數據;

（4） 記錄數據后，求出平均值，導入電腦繪制出圖像并分析數據的特征值;

（5） 小組討論分析得出相關結論。

3? 結果與討論

3.1? 實驗1： 早高峰各站點車廂內CO2濃度變化曲線繪制

表1? 早高峰各站點車廂內CO2濃度均值

2號線淞虹路北新涇威寧路婁山關路中山公園

CO2濃度1319ppm1624ppm1743ppm1567ppm1820ppm

相對濕度64.21%66.09%65.91%62.31%65.04%

2號線江蘇路靜安寺南京西路人民廣場南京東路

CO2濃度1697ppm2134ppm2377ppm2439ppm2729ppm

相對濕度66.29%64.09%63.11%62.61%67.35%

2號線陸家嘴東昌路世紀大道上海科技館世紀公園

CO2濃度2636ppm2135ppm1898ppm2160ppm2057ppm

相對濕度63.49%61.02%61.66%66.37%60.56%

2號線龍陽路張江高科金科路廣蘭路

CO2濃度1948ppm1923ppm1729ppm1669ppm

相對濕度65.61%63.02%62.42%63.22%

注： 各數據為3次數據（分別采集于2019年1月21、22、23日早高峰時間）的平均值。

圖1? 早高峰各站點車廂內CO2濃度變化曲線地圖（CO2濃度單位： ppm，取3次測試平均值）

CO2濃度及其變化曲線見表1及圖1。

（1） 從淞虹路站至廣蘭路站，共計19個地鐵站點。其中，南京東路站CO2濃度峰值最高為2729ppm，其次依次為陸家嘴站2636ppm、人民廣場站2439ppm。而淞虹路站（始發站）為1319ppm，為CO2濃度峰值最低的站點。

（2） 不難看出，各站點車廂內部CO2濃度峰值變化，與日常出行乘客體感體驗關系密切。因為，南京東路站、陸家嘴站及人民廣場站是早高峰時間人流密度較大的車站，也是每日人們前往工作的重點通勤車站。同時，世紀大道站（1898ppm）、江蘇路站（1697ppm）及廣蘭路站（1669ppm）等主要換乘車站，由于乘客到站后從車廂外出分流等原因，從而導致CO2濃度相對下降呈現明顯拐點。

（3） 早高峰時段，由于南京西路到世紀公園的各站點CO2濃度峰值較高，因此，建議體質欠佳乘客在這段時間里錯峰出行，以避免有可能產生的身體不適。

3.2? 實驗2： 地鐵站廳與地鐵站外環境中CO2濃度的對比研究

圖2? 南京東路站廳與站外CO2濃度變化對比圖

圖3? 人民廣場站廳與站外CO2濃度變化對比圖

圖4? 南京西路站廳與站外CO2濃度變化對比圖

CO2濃度變化對比圖見圖2～圖4。

（1） 南京東路站廳內部CO2平均濃度為1180ppm，站外平均濃度為611ppm，站內外濃度比值約為1.93。

（2） 人民廣場站廳內部CO2平均濃度為988ppm，站外平均濃度為650ppm，站內外濃度比值約為1.52。

（3） 南京西路站廳內部CO2平均濃度為980ppm，站外平均濃度為610ppm，站內外濃度比值約為1.61。

（4） 從三組數據分析發現，整體而言，站廳與站外CO2濃度比值在1.70左右波動。同時，雖然各站廳CO2平均濃度相比之前測量的車廂內部數值大幅降低，但一些特殊人群在站廳內仍有可能會感到不適。

4? 結論

4.1? 地鐵站點CO2濃度偏高可能是導致乘客身體不適的重要因素

在整個研究過程中，CO2濃度最大峰值出現在南京東路站車廂內為2729ppm。雖然此濃度不至于危及生命，但仍會引起身體不適。比如，一些特殊乘客會感到氣悶、

頭昏、心悸甚至眩暈的情況，諸如在現實生活中，不時會有乘客在站內出現暈倒的新聞報道，應當引起我們重視。

4.2? 早高峰時段地鐵站點CO2濃度變化與重點通勤站點密切相關

由2號線CO2濃度變化曲線地圖可知，在7～9點早高峰時段，靜安寺站至龍陽路站CO2濃度均在2000ppm以上，建議特殊乘客在這段時間里錯峰出行。與此同時，在江蘇路、世紀大道站等重點換乘站CO2濃度也會隨著乘客分流而出現相應的濃度下行拐點。

4.3? 早高峰時段地鐵車廂、站廳與站外CO2濃度變化差異較明顯

從南京東路、人民廣場、南京西路三個站點數據分析可知，地鐵站廳CO2濃度是站外環境中的1.7倍左右。同時，以人民廣場站為例，該站車廂內部CO2峰值濃度為2439ppm，站廳1058ppm，濃度差為1381ppm。

5? 課題意義

本課題立足學生核心素養的培養，注重真實情境問題的創設，引領學生拓展性實驗的開展，不僅有利于激發學生的科學探究好奇心和創新熱情，有益于培養學生解決實際問題的能力，更為如何將手持技術有效運用于培養學生運用科學方法、求實精神和證據意識的教學實踐，提供了課外教學新嘗試與新思路。

本課題通過探究上海市地鐵2號線各站點的CO2濃度變化，繪制出較為直觀的CO2濃度變化曲線地圖，具有一定的創新價值。同時，考慮到課題組成員均為高中學生，為了簡化實驗難度，實驗過程全部采用便攜式手持技術儀器。本研究將在今后的課題研究中選擇更加精良的實驗數據采集設備，進一步補充與優化實驗數據，為后續地鐵空氣質量優化研究及人們健康出行提供有益參考。

參考文獻：

[1]Houghton J.T.， Filho L.G.M.， Callander B.A.， et al. Climate Change 1995： the science of climate change [J]. Weather， 1996， 51（11）： 393.

[2]吳雋. 淺談我國二氧化碳排放的特點與影響因素[J]. 科技展望， 2015， 25（30）： 39.

[3]滕霖， 李玉星， 曾克然. 超臨界CO2管道泄漏擴散危害及研究進展[J]. 油氣田地面工程， 2019， 38（S1）： 9～13.