运用手持技术绘制CO2浓度变化地图

李法瑞

摘要： 运用手持技术开展学生实验探究活动，分别检测上海市地铁2号线各站点区域（车厢内部、站厅及车站出口外）空气中CO2浓度数据。以不同站点的实验数据进行分析并绘制了地铁运行过程中车厢内部CO2浓度变化曲线地图，

选择三个人流密度较大的车站，绘出站厅与站外CO2浓度变化对比图，

以期为后续地铁环境空气质量优化提供一些参考数据。该探究活动有助于培养学生的实践能力。

关键词： 手持技术; 地铁交通; CO2浓度变化地图

文章编号： 1005-6629（2020）03-0065-04

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  课题背景

现今，地铁已成为全国各大城市的重要通勤方式之一。随着国家现代化进程的深入推进，越来越多的人将会选择地铁出行。由于地铁车厢身处较为封闭的地下环境中，当人流拥挤或出行高峰时，一些身体条件较差的人常常会感到不适。的确，空气中较高的CO2浓度会对人体健康产生不良影响。同时，本课题组通过问卷调查显示，在地铁高峰时段感到难受不适的人群比例较高。

研究表明，大气中的CO2是重要的温室气体，全球变暖的元凶之一[1]。与此同时，室内CO2对人体健康影响及行车安全顾虑更是不容忽视的主因之一，生活中CO2是人类每时每刻都在制造却经常被忽略的气体[2]。数据显示，人体暴露在浓度（体积分数）3%的CO2中几个小时后，人类的呼吸系统就会产生不适，会造成头晕或呼吸不畅;暴露在浓度7%的CO2中几分钟，就会造成意识丧失;而暴露在浓度15%的CO2中会立刻威胁到生命。CO2对人体造成危害的方式主要是通过排挤空气中的氧气，降低氧气浓度;同时提高血液中CO2的浓度，造成呼吸系统、神经系统方面的损伤[3]。为了探究地铁高峰时段人们感到难受不适的原因，课题组选择上海市地鐵主干线2号线各站点CO2浓度为研究对象，利用手持技术开展实验研究，重点考察地铁车厢内外CO2浓度随外界条件变化的规律，并绘制出冬季早高峰（7～9点）地铁的CO2浓度变化曲线，希望能为城市地铁建设及规划提供有益参考。

2  实验部分

2.1  实验设备

威尼尔Vernier实验探索者LabQuest2传感器采集仪、CO2传感器、湿度传感器

2.2  实验方案

（1） 实验1： 早高峰各站点车厢内CO2浓度变化曲线绘制;

（2） 实验2： 地铁站厅与地铁站外环境中CO2浓度的对比。

2.3  实验过程

（1） 课题组成员选择2019年1月21日、22日、23日三个不同工作日的早高峰时段（7～9点），依次完成实验数据采集;

（2） 每次采集时，成员在上海地铁2号线的始发站淞虹路站车厢内部（每列地铁的中间一节车厢的4门之中心点）展开测试，待发车时开启传感器采集仪、CO2传感器、湿度传感器，实时记录每个站点的CO2峰值及湿度;

（3） 同时，课题组成员选择南京西路、人民广场、南京东路三个地铁站，分别检测从地铁站厅（与地铁列车同层的最大厅之中心点）到地铁站外（出地铁站地面大门30米远人流较稀处）之间的空气中CO2浓度变化数据;

（4） 记录数据后，求出平均值，导入电脑绘制出图像并分析数据的特征值;

（5） 小组讨论分析得出相关结论。

3  结果与讨论

3.1  实验1： 早高峰各站点车厢内CO2浓度变化曲线绘制

表1  早高峰各站点车厢内CO2浓度均值

2号线淞虹路北新泾威宁路娄山关路中山公园

CO2浓度1319ppm1624ppm1743ppm1567ppm1820ppm

相对湿度64.21%66.09%65.91%62.31%65.04%

2号线江苏路静安寺南京西路人民广场南京东路

CO2浓度1697ppm2134ppm2377ppm2439ppm2729ppm

相对湿度66.29%64.09%63.11%62.61%67.35%

2号线陆家嘴东昌路世纪大道上海科技馆世纪公园

CO2浓度2636ppm2135ppm1898ppm2160ppm2057ppm

相对湿度63.49%61.02%61.66%66.37%60.56%

2号线龙阳路张江高科金科路广兰路

CO2浓度1948ppm1923ppm1729ppm1669ppm

相对湿度65.61%63.02%62.42%63.22%

注： 各数据为3次数据（分别采集于2019年1月21、22、23日早高峰时间）的平均值。

图1  早高峰各站点车厢内CO2浓度变化曲线地图（CO2浓度单位： ppm，取3次测试平均值）

CO2浓度及其变化曲线见表1及图1。

（1） 从淞虹路站至广兰路站，共计19个地铁站点。其中，南京东路站CO2浓度峰值最高为2729ppm，其次依次为陆家嘴站2636ppm、人民广场站2439ppm。而淞虹路站（始发站）为1319ppm，为CO2浓度峰值最低的站点。

（2） 不难看出，各站点车厢内部CO2浓度峰值变化，与日常出行乘客体感体验关系密切。因为，南京东路站、陆家嘴站及人民广场站是早高峰时间人流密度较大的车站，也是每日人们前往工作的重点通勤车站。同时，世纪大道站（1898ppm）、江苏路站（1697ppm）及广兰路站（1669ppm）等主要换乘车站，由于乘客到站后从车厢外出分流等原因，从而导致CO2浓度相对下降呈现明显拐点。

（3） 早高峰时段，由于南京西路到世纪公园的各站点CO2浓度峰值较高，因此，建议体质欠佳乘客在这段时间里错峰出行，以避免有可能产生的身体不适。

3.2  实验2： 地铁站厅与地铁站外环境中CO2浓度的对比研究

图2  南京东路站厅与站外CO2浓度变化对比图

图3  人民广场站厅与站外CO2浓度变化对比图

图4  南京西路站厅与站外CO2浓度变化对比图

CO2浓度变化对比图见图2～图4。

（1） 南京東路站厅内部CO2平均浓度为1180ppm，站外平均浓度为611ppm，站内外浓度比值约为1.93。

（2） 人民广场站厅内部CO2平均浓度为988ppm，站外平均浓度为650ppm，站内外浓度比值约为1.52。

（3） 南京西路站厅内部CO2平均浓度为980ppm，站外平均浓度为610ppm，站内外浓度比值约为1.61。

（4） 从三组数据分析发现，整体而言，站厅与站外CO2浓度比值在1.70左右波动。同时，虽然各站厅CO2平均浓度相比之前测量的车厢内部数值大幅降低，但一些特殊人群在站厅内仍有可能会感到不适。

4  结论

4.1  地铁站点CO2浓度偏高可能是导致乘客身体不适的重要因素

在整个研究过程中，CO2浓度最大峰值出现在南京东路站车厢内为2729ppm。虽然此浓度不至于危及生命，但仍会引起身体不适。比如，一些特殊乘客会感到气闷、

头昏、心悸甚至眩晕的情况，诸如在现实生活中，不时会有乘客在站内出现晕倒的新闻报道，应当引起我们重视。

4.2  早高峰时段地铁站点CO2浓度变化与重点通勤站点密切相关

由2号线CO2浓度变化曲线地图可知，在7～9点早高峰时段，静安寺站至龙阳路站CO2浓度均在2000ppm以上，建议特殊乘客在这段时间里错峰出行。与此同时，在江苏路、世纪大道站等重点换乘站CO2浓度也会随着乘客分流而出现相应的浓度下行拐点。

4.3  早高峰时段地铁车厢、站厅与站外CO2浓度变化差异较明显

从南京东路、人民广场、南京西路三个站点数据分析可知，地铁站厅CO2浓度是站外环境中的1.7倍左右。同时，以人民广场站为例，该站车厢内部CO2峰值浓度为2439ppm，站厅1058ppm，浓度差为1381ppm。

5  课题意义

本课题立足学生核心素养的培养，注重真实情境问题的创设，引领学生拓展性实验的开展，不仅有利于激发学生的科学探究好奇心和创新热情，有益于培养学生解决实际问题的能力，更为如何将手持技术有效运用于培养学生运用科学方法、求实精神和证据意识的教学实践，提供了课外教学新尝试与新思路。

本课题通过探究上海市地铁2号线各站点的CO2浓度变化，绘制出较为直观的CO2浓度变化曲线地图，具有一定的创新价值。同时，考虑到课题组成员均为高中学生，为了简化实验难度，实验过程全部采用便携式手持技术仪器。本研究将在今后的课题研究中选择更加精良的实验数据采集设备，进一步补充与优化实验数据，为后续地铁空气质量优化研究及人们健康出行提供有益参考。

参考文献：

[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]吴隽. 浅谈我国二氧化碳排放的特点与影响因素[J]. 科技展望， 2015， 25（30）： 39.

[3]滕霖， 李玉星， 曾克然. 超临界CO2管道泄漏扩散危害及研究进展[J]. 油气田地面工程， 2019， 38（S1）： 9～13.