南极与照明科技

郝洛西，林 怡，徐俊丽，曾 堃，崔 哲

(同济大学建筑与城市规划学院，上海 200092)

1 中国与南极科考

经过29年的艰苦创业，中国的极地考察事业实现了从无到有、逐步加强的历史跨越。截至2013年，中国已经成功组织了29次南极科学考察，共有4678人次参与并完成了科考工作，获得了大批极其宝贵的数据、资料和样品，在南极地质研究、陨石标本收集、生态学、生物学、鸟类生物学沉积、日地空间环境研究、近现代环境演变、重力和地磁观测、气候、测绘、南大洋物理考察、南极冰盖起源等国际热点研究方面取得了许多具有重大科学价值的研究成果。

中国第29次南极科学考察队由245人组成，主要执行任务：(1)新建站选址；(2)“南北极环境综合考察与评估”专项：其中长城、中山、昆仑站实施项目 16 项，大洋考察6 项，主要集中在生态环境、物理海洋、冰川、地质等领域；(3)工程建设：主要包括长城站宿舍楼维修及车库建设、中山站医院工程、航空煤油罐工程、“十一五”能力建设工程续建项目及昆仑站二期部分建设工程等工作。(4)后勤保障。

作为我国第29次南极科考队员，本文作者之一郝洛西教授前往南极长城站开展了为期三个月的科考工作，进行的是国家863课题“LED非视觉照明技术研究——极地站区半导体照明及光健康实验研究”的现场实验部分，该课题是与中国极地研究中心、上海第十人民医院等单位合作，属多领域、跨学科的前沿研究课题。在长城站主要的工作内容是：通过开展LED照明的非视觉生物效应和对人生理节律影响的研究，对度夏和越冬科考队员实施人工光环境的干预，探讨极地站区建筑适宜的自然采光和人工光环境的设计方法，推进半导体照明在极地科考站区和科考船上的示范性应用。

2 南极环境与站区设施

南极洲是指南纬60°以南的所有地区，包括冰架，总面积约5200万平方公里，是地球上唯一一块没有常住人口的大陆。南极具有丰富的海洋生物资源、矿产资源、油气资源、淡水资源和南极特种微生物资源。

2.1 极地科考站区环境概述

极地科考站区常年严寒,由于太阳高度角很低，再加上冰雪面的反射，致使气温很低，昼夜温差大。有时候伴随大风出现吹雪现象，能见度极低。干燥洁净的空气，不仅让皮肤和呼吸损失的水分增加，还易使科考队员的抵抗力下降，诱发疾病。另外，雪面对紫外辐射的反射率可以高达80%，强烈的紫外线给考察队员的皮肤带来不同程度的损伤。极端恶劣气候条件会增加科考站区发生意外事件的概率。

南极洲拥有850多种植物，多数为低等植物如地衣、苔藓、藻类等；主要动物有企鹅、海豹、海狗、磷虾、鲸、鸟类和一些昆虫。但科考站区附近的动、植物相对较少，周边环境单调，缺乏生气，给人心理上造成了一定的负面影响。

2.2 南极科考设施

目前，世界上有20个国家在南极洲建立了150多个科学考察基地，这些众多的考察站，根据其功能大体可分为：常年科学考察站、夏季科学考察站、无人自动观测站三类。从各国南极科学考察站的分布来看，大多数国家的南极站都建在南极大陆沿岸和海岛的夏季露岩区。只有美国、俄罗斯(前苏联)和日本在南极内陆冰原上建立了常年科学考察站。其中，美国建在南极点的阿蒙森—斯科特站、前苏联的东方站最为著名。

2.2.1 中国科考站区

目前我国在极地科考中已形成“一船四站”即雪龙船、南极长城站、中山站、昆仑站和北极黄河站的南北呼应战略格局。长城站、中山站常年运转，“雪龙”船对南极“三站”提供后勤支持，并同时承担大洋考察任务。

表1为中国科考站区一览表。

表1 中国科考站区一览表Table 1 Research Stations of China in the Polar region

2.2.2 国外著名站区

科考站的建设代表着建筑技术与艺术的综合成就，也反映了一个国家的科学成就水平。比利时伊丽莎白公主站(见图1)、美国阿蒙森—斯科特站(见图2)、英国哈利Ⅵ(见图3)、德国诺伊迈尔Ⅲ站、法国与意大利的康科迪亚站、日本昭和基地、韩国世宗站、南非萨纳伊Ⅳ站均是极具特色的南极科考站。

图1 比利时伊丽莎白公主站Fig.1 Princess Elisabeth Base,Belgium

图2 美国阿蒙森—斯科特站Fig.2 Amundsen-Scott South Pole Station,British

图3 英国哈利ⅥFig.3 Halley Ⅵ Research Station,British

(1)比利时伊丽莎白公主站(地理坐标71°57’S，23°20’E)

比利时南极伊丽莎白公主站是全球首座温室气体零排放极地考察站，耗时两年建成。它是南极冰盖上第一座零碳设施。站内光源采用节能高效型光源，根据不同功能区的照度水平进行灵活组合。考虑到南极的低温特点以及不同光源的发光特性，科考站内温度在零度以下的区域采用TL5照明，温度在零度以上的区域采用LED照明，异形空间区域内采用紧凑型荧光灯照明，从而最大化减少能耗。

(2)美国阿蒙森—斯科特站(地理坐标89°59′51″S，139°16′22″E)

位于南极极点上的美国阿蒙森—斯科特站是南极内陆最大的考察站。可以容纳150名科学家和后勤人员，并建有4270米长的飞机跑道、无线电通讯设备、地球物理监测站等。考察站形状像一个机翼，由36根“高跷”支撑，当雪堆积得太厚时，液压千斤顶可以将建筑抬高为两层楼。站内设有特定波长的LED植物生长灯，不仅可以调节作物开花与结实，还能控制株高和植物的营养成分。LED植物生长灯在作为极地实验的一部分的同时，也为极地科考站解决了蔬果供给问题。其系统发热少，占用空间小，用于多层栽培立体组合系统，实现了低热负荷和生产空间小型化。

(3)英国哈利Ⅵ(75°34′54″S，26°32′28″W)

英国第六代南极科考站哈利Ⅵ号，由七组相互连接的蓝色模块和一个红色模块组成，内部配备有实验室、办公室以及卧室等。特制的液压伸缩腿使建筑主体远离了寒冷冰地和风雪积聚，可以自由移动。这座南极科考站将成为英国科学、建筑及工程领域的标志。站内照明设计模拟日光照明模式，通过特定波长的LED光源照射，影响人体激素及生物钟运作，从而调整科考队员的昼夜节律，避免特殊环境下的季节性情感障碍。

2.3 科考队员身心健康问题

在南极的科学考察队队员分为夏季队员和越冬队员，度夏队员一般在南极1～3个月不等，时间从每年的11月至次年的3月；越冬队员为一年。由于南极特殊的地理环境和恶劣的气候条件，常常对科考队员的身心健康产生不利影响。

2.3.1 越冬综合症

2.3.2 南极缺钙现象

南极都是雪水，水中缺少矿物质，所以缺钙是所有队员面临的共同问题。当遇到暴风雪天气或极夜，缺少日光的照射，即便是服用钙片，也很难保证钙质的吸收。队员运动时频繁扭伤很大因素是缺钙所造成的。

2.3.3 补给困难

各个国家在南极的科考站均面临着补给苦难的处境。新鲜果蔬和粗纤维的缺乏，造成肠胃蠕动变慢，尤其对亚洲科考队员的饮食习惯造成了困扰。一些站区尝试建造植物工厂，利用人工光照种植蔬菜，以改善补给不足和蔬菜腐烂的情况。

3 南极站区光环境特点

南极科考行动离不开科考建筑，同样也离不开人工光照明。在有着极夜的南极地区，人工照明显得尤为重要。不论是自然光环境，还是人工光环境，都与科考人员的工作生活息息相关。

3.1 极昼极夜

极昼极夜是南极光环境的突出特点。南极绝大部分地区在极圈以内，极昼极夜相对比较漫长。连续的白天和连续的黑夜，完全不同于人类通常居住的昼夜光照节律，这会对人们正常的生命节律和作息时间产生极大的影响，往往使得科考队员难以适应。

夏季漫长的极昼，尽管可以进入室内，但是连续的光照还是会对科考队员正常的“夜间”休息时间造成影响。户外作业缺少自然的时间指示以及光照变化的影响，容易产生漫无止境的无措感以及对工作的厌倦感，大大降低工作效率，甚至导致轻度精神类疾病。

冬季无尽的极夜，使得科考人员原本就与世隔绝的生活更加寂寞。在极夜期间，户外活动受到严重影响，室外工作无法开展。科考人员长期处于室内，缺乏自然光照的沐浴，影响生命周期，容易产生“越冬综合症”。

3.2 视觉剥夺

南极是一个“白色荒漠”，有百分之九十五以上的陆地被终年不化的冰雪所覆盖，只有不到百分之五的陆地才有岩石出露。地形地貌单一，大部分地区都属于冰原地貌，映入眼帘的只有皑皑白雪，景色单调重复，多样性匮乏，缺少丰富的色彩。南极圈内没有草更没有树木，仅仅生有苔鲜类低等植物，在整个南极洲也只有两种显花植物生存。

这一大篮子产品组合中，知名度最高的恐怕要算以葛兰许为首的奢华系列和旗舰系列，在中国市场卖得最火的要数大家耳熟能详的Bin系列了，但这几个系列之中，Bin后面各个不同数字组合之间的差异恐怕很多喝过的人都不一定能说得清楚。今天，我们就先挑着几个系列，以其中最热销的产品来重点说明一下。

由于南极恶劣的环境，鲜有动植物生存，没有绿色的植被，没有活动的生命，因此与科考队员相伴的只有冰冷的死寂，视觉要素单调，环境背景单一。在这种环境中工作生活，科考队员的视觉感官处于被“剥夺”状态，极易产生乏味厌恶的感觉，工作效率低下，情绪焦躁不安。

3.3 高亮环境

环境亮度过高是影响科考队员视觉舒适度的主要因素。南极大陆处于冰雪覆盖之下，白色的积雪对阳光反射强烈。而且不同于人类聚居地，整个室外环境缺少建筑物的遮挡与分隔。因此，南极地区室外环境亮度非常高，室内外亮度水平相差巨大(见表2)，室内外亮度比是普通地区的8～10倍。

表2 南极长城站生活栋实测亮度Table 2 Luminance level of the dormitory in the Great Wall Station

高亮的室外环境，使得科考队员外出和归来时难以适应室内外亮度变化，容易引起视觉疲劳。同时，高亮环境也造成室内与窗口的亮度差距过大，科考队员的工作生活空间光照刺目，视觉舒适度差。

4 南极站区光环境设计策略

长时间以来，照明与情感、照明与健康的关系一直未受到人们的重视。近年第三视觉的发现使得昼夜节律光生物学成为热点，照明对人的情绪的影响也成为了评价照明环境的重要标准。在施工条件恶劣的南极站区，建筑的照明设计往往较为简单，大部分的基底站区照明只考虑了视觉功效方面的因素；有些站区由于建成较早，甚至连视觉功效的要求目前都无法达到。这样的室内照明不仅不能对科考队员的身心健康起到有益的影响，而且其色温、照度等数据也不符合健康照明的要求。

为了改善这一现状，我们可以应用照明科技，通过照明设计，改善南极站区光环境。既不影响正常的科考行动，又能解决队员各种各样的健康问题。本文作者之一的郝洛西教授，在南极的度夏期间完成了“LED照明的非视觉生物效应和对人体生理节律的影响”实验研究，提出了适宜极地站区建筑的自然光和人工光环境的设计方法，通过对站区各类用房的室内光环境进行了详细的调研和评估，完成了维护和改善的建议报告，并将生活栋室内照明的光源全部更换为光色、亮度可调的LED新型光源。

4.1 光源的选择

南极地区地理位置与世隔绝，气候条件严寒干燥并且伴随着大风，同时南极站区建筑对设备安全性能要求高，防火安全尤其重要，而且南极地区生态环境比较特殊，特别容易遭到破坏。这就在运输、保存、节能、安全、环保等多方面对南极站区人工照明的光源提出了较高的要求。

(1)方便运输，使用寿命长，减少灯具更换的次数，降低在南极使用的成本。

(2)抗震动、抗冲击，适应南极恶劣的自然条件。

(3)工作电压和电流较安全，降低发生火灾的可能性，满足南极站区的消防要求。

(4)绿色节能，生态环保，产生的光污染少，将人类活动对南极环境的影响降到最低。

(5)方便控制和管理，照度和色温可变，通过控制电路达到多种照度以及光谱的变化效果，设计出能干预人体生命节律的健康光环境。

4.2 人工光干预方式

南极地区自然光的变化规律不同于人类聚居地，对于人体生命节律不能起到调节作用，特殊的极昼极夜现象甚至会使得人体生命节律紊乱。室外科考行动往往安排在夏季，南极特殊的地理位置使得夏季的白天异常的长，这就使得科考队员失去了正常的昼夜光环境对其生命节律的调整，一直处于等待工作的白昼状态；而越冬队员由于恶劣的气候条件多数时间都呆在站区建筑室内进行研究工作，无法接触到自然的光照环境，并且由于极夜现象，非视觉生物效应难以起到调节越冬队员昼夜节律的作用。

为了解决这一问题，南极的室内照明设计需要寻找出科学的人工光干预方式，调节人体的昼夜节律，改善科考队员的生活状态，弥补自然光照环境的不足。人工光干预的总体理念是模拟正常的“日出而作，日落而息”的自然光照环境，通过非视觉生物效应对褪黑素的影响，来调整科考队员的作息时间：在夏季，室内人工光环境能让科考队员在室外科考活动结束之后，进入正常休息状态；在冬季，越冬队员能在室内光环境的调节下，提高“白天”工作效率，同时又不影响“夜间”休息。

实际应用中，主要是通过光环境的色温与照度的变化来实现人工光的干预(见图4)。科学的人工光干预方式应该在清晨用高色温、高照度的光环境起到唤醒的作用，同时能影响褪黑素分泌曲线的相位，改善人体昼夜节律；工作时间仍然保持高色温、高照度的光环境，提高工作效率；而在休闲时间及夜晚，保持低色温、适中照度的光环境，缓解工作压力，保证睡眠质量。

图4 南极站区实验灯具参数Fig.4 Experimental indexes of the luminaires in the Great wall station

4.3 彩色光与光艺术互动装置

南极地区视觉要素单调，科考队员生活枯燥乏味。特别是越冬队员，长时间在室内工作生活，缺少户外活动，容易产生心理问题。而通过光环境的设计丰富队员们的生活，增加队员们之间的交流，能够避免产生情感上的失常和人际关系的破裂，缓解越冬生活的寂寞。

通过在极夜的时间适当引入彩色光和动态光(见图5)，可以丰富视觉体验，改变单调的光照环境，起到调节情感的作用。同时可以利用LED光源的特点，通过回收废弃材料，让队员们自己动手做艺术装置，或者在适当的活动区域设立互动装置，从而形成装置与队员、队员与队员之间的互动，增加队员之间的沟通与交流，这既能改善枯燥的越冬生活，又能减少社会隔离带来的孤独，还能提高室内照明品质。

图5 光影构成作品“最长的夜，最靓的光”Fig.5 Art installation works by the students of Tongji University

4.4 照明改造与一体化设计

南极现有的科考建筑建立时间大多较早，限于当时的经济技术水平，室内光环境与情感和健康的关系并不在建筑设计的考虑范围之内，甚至室内的功能性照明也处于比较低级的水准。因此，科考队员的健康状况在很长一段时间内受到影响。然而建筑整体设计已经完成，要做大规模的照明改造，经济成本非常惊人，设备的更换、管线重新铺设以及巨额的运费，都使得目前南极站区已有建筑进行大规模的整体照明改造的可能性较小。南极站区现有科考站中光环境的设计应该重点考虑灯具的替换，用照度及色温符合人体健康需求的光源替换掉现有的灯具。考虑到运输成本、维护周期以及恶劣的环境，主要选择LED作为改造后的光源类型。根据现有灯具的接口型号以及电源类型，制备可以直接替换的LED光源，在经济技术条件允许的范畴下最大限度的满足健康型光环境的要求。在办公、会议等工作场所，选用高色温的LED光源进行替换；在餐厅、卧室等休息生活场所，选用色温符合个人需要的LED光源；而在过道、卫生间等公共场所，选用色温适中LED光源。

新建的科考建筑则应该在设计时充分考虑室内光环境的要求，建筑设计的同时考虑照明设计的要求，实现照明与建筑的一体化设计。首先，灯具的数量和安装位置既要满足视觉功效的要求，又要保证工作以及居住空间人眼处的照度能满足非视觉生物效应的需要，还要防止眩光的产生，这就要求综合考虑结构构件、空间大小、家具排布等各种因素。其次，建筑设计时应该预留灯具控制系统的线路排布，根据人工光干预的需要实现室内光环境在一天之内色温的变化，同时考虑到视觉功效和节能问题可以同时进行亮度的变化。再次，设计时应该根据新建建筑的实际情况以及经济技术能力，合理的选择控制系统的类型。在线控还是遥控方面，由于极地特殊的磁场环境，线控往往成为首选。而在自动控制还是人工控制方面，则应该根据不同的情况来进行选择。如果选择自动控制系统，编程时应该进行严格准确的控制时间点，实现室内光环境正确的色温以及亮度的变化。最后，可以在休息和娱乐场所适当引入彩色光，在合适的位置安装光艺术互动装置，丰富科考队员的视觉要素，提升科考队员的生活品质。

5 展望与应用

南极是地球上极其特殊的区域，有着独一无二的自然条件，在生态、地质、海洋等领域均有重大的科研意义。随着世界各国在极地科考行动的深入，越来越多的科研人员前往极地站区进行研究。然而极地特殊的自然环境严重威胁着科研人员的身心健康，于是我们需要从光的视觉功能、情感作用、生物效应三方面，整合不同维度的光，创造出健康的南极科考站区光环境。

5.1 整合不同维度的光

5.1.1 光的视觉功能

健康光环境的营造首先是满足光的视觉功能。因此，在极地站区健康型光环境设计中，我们主要选用LED光源，不仅仅考虑了水平照度、垂直照度、均匀光分布、无眩光等基本指标，还设定了色温、照度的自动控制，以提高作业效能。

5.1.2 光的情感作用

光让人产生不同的心理体验，特别是彩色光对人的情绪影响更加直接。随着LED的问世，其可变色温和彩色光照对情绪的调节作用成为半导体照明在南极站区应用的另一技术优势。我们通过低色温的白光LED营造温馨的氛围，通过彩色光和动态光变换出丰富的视觉，进而从心理和情绪上改善科考队员在南极的生活。

5.1.3 光的生物效应

极地特殊的环境条件下，通过研究光的非视觉生物效应对人生理节律的影响，可以改善科考队员的“越冬综合症”、“季节性情感障碍”(SAD)等症状，而光的生物效应不仅适用于南极站区，还对高纬度地区以及冬季较长地区的半导体照明应用同样有广泛的借鉴价值。

此外，光对人体昼夜节律作用的研究对未来照明应用也将产生深远影响。首先，通过特定光照强度及光谱能量分布来修复昼夜节律紊乱的状况，比如季节性情感障碍，阿尔茨海默症等，可以应用在医院病房、重症护理病房及健康治疗室等地方。其次，模拟自然光以利于人体昼夜节律稳定。通过引入自然光或者智能控制系统来达到对自然光的模拟，可以应用在水疗场所、酒店、医院病房及无窗的非工作场所。最后，效仿光对人体昼夜节律作用的方式，在照明设计中针对不同的工作场所应用特定的光谱及光照强度，以增强视敏度及提高人体警觉性，例如需要倒班的工作场所、办公室、学校以及控制室等。

5.2 超越照明的新科技应用

照明科技在创造南极站区健康光环境，满足视觉功能、情感作用和生物效应之外，还在植物生长、康复医学等方面也得到全面应用。

(1)针对南极站区补给苦难，缺乏新鲜果蔬的困境，研究LED光谱能量分布及光照模式对设施植物生长、光合作用以及产量与品质的影响效应，开发智能化LED光源植物生长柜，使得在特殊的南极利用人工光来干预植物生长成为可能。

(2)针对南极科考队员普遍缺钙的难题，LED照明可以促进人体维生素D3的分解，对长期工作在缺少阳光照射的人员有较明显的补钙作用，对其他生物缺钙的治疗也有明显的效果。

(3)通过研究LED对人体刺激、调节和活化作用的光学治疗方法，利用LED特定光谱照射，对南极站区科考队员的脑损伤、伤口愈合、晒伤等，可以起到加快康复的作用。

因此，积极开展中国南极科考站区健康光环境的应用研究，增强科考队员对极地环境的适应能力，具有重大的现实意义。而半导体照明，不仅在照明领域内使多种创新应用成为可能，还能够在其他多个交叉领域内获得广泛性应用。

[1] 国家海洋局极地考察办公室.中国南极考察队员手册,2010.

[2] 曾堃.极地站区健康型建筑光环境研究.2013.

[3] 郝洛西，杨秀，王茜. LED:改变我们的思维[C].2011四直辖市照明科技论坛(天津)论文集,2011.

[4] 同济大学，复旦大学，中国科学院半导体研究所，南京农业大学,中国农业科学院,哈尔滨海格科技公司.国家高技术发展计划项目：LED非视觉照明技术研究申请报告，2010.