旅游环境中空气负离子研究进展

旅游环境中空气负离子研究进展摘要：空气负离子被誉为“空气维生素和生长素”，对人体健康十分有益。空气负离子水平已成为评价旅游环境空气质量的重要指标。对空气负离子的基本概念、空气负离子的产生机理与保健医疗作用、旅游环境中空气负离子的评价方法与浓度分布规律的研究进展进行了综述。在此基础上，提出了以空气负离子为核心的生态旅游保健产品、科普产品的开发思路，对未来应重点关注的研究领域进行了分析。关键词：空气负离子;旅游环境;综述空气负离子被誉为“空气维生素和生长素”，对人体健康十分有益。空气负离子水平已成为评价旅游环境空气清洁程度的重要指标。自英国学者威尔逊(Wilson)与法国学者埃尔斯特(Elster)和格特尔(Geitel)证实空气负离子的存在，人们对空气负离子的研究经历了近百年的发展、应用阶段。在我国，解放区战地医院曾采用了空气雾疗法，20世纪50年代有关文献中出现了空气负离子的内容，20世纪70年代由于电子工业的蓬勃发展，研制出多种空气离子发生器和大气离子测量仪，这些仪器的问世奠定了我国空气负离子研究的物质基础。此后，空气负离子的研究在我国经历了20世纪80年代初和90年代初两个高潮。随着旅游消费层次的提高，人们不再满足于普通的观光旅游，生态保健旅游日益成为时尚。目前，从旅游环境学角度来研究空气负离子，将空气负离子应用于旅游环境评价、生态保健旅游设施设计建造和旅游商品开发还处于探索阶段。1空气负离子的基本概念当空气分子受到外界条件如电离剂的作用后，获得足够的能量，而使原子核外围的电子摆脱原子核的束缚而跃出轨道变成自由电子，使失去电子的中性分子或原子变成带正电荷的离子;而跃出的自由电子很快地附着在某些气体分子或原子(特别容易附着在氧分子或水分子上)，成为空气负离子(Aeroanion)。因此，空气负离子就是带负电荷的单个气体分子和轻离子团的总称。根据大地测量学和地理物理学国际联盟大气联合委员会采用的理论，空气负离子是O2-(H2O)n，或OH-(H2O)n，或CO4-(H2O)2。空气负离子的寿命是很短的，一般只有几十秒至数分钟。在人口众多、工厂密集的城市、工矿区，空气负离子的寿命会更短，仅有几秒钟。在森林、海滨、瀑布周围，空气负离子的寿命会稍长些，但也只有20分钟左右。2空气负离子的产生机理与保健医疗作用2.1自然条件下的空气负离子产生机理2.1.1地壳和大气中的放射性物质的电离作用岩石和土壤中含有镭、铀和钍等放射性元素。这些放射性元素会不断地放射出α射线、β射线和γ射线。大气中含有镭、氡等微量放射性物质，它们主要来自地壳中的放射性物质。岩石和土壤中的放射性物质在与大气进行气体交换时，会从岩石和土壤中逸出。大气中的放射性物质的电离作用，以α射线为最大，其次是γ射线和β射线，其电离率在近地面层可达到5I，因此大气中的放射性物质是近地层大气的主要电离源。2.1.2宇宙射线和太阳紫外线的电离作用宇宙射线是高能粒子流和它们在大气中产生的放射性粒素。宇宙射线进入大气后与空气分子发生碰撞，会使高层大气发生电离，也可能击破原子核，将电子、中子、质子等释放出来，而产生具有较大能量的次生粒子，它们又能使其它空气分子发生电离，而形成“雪崩效应”。这种电离过程可一直到达中下层大气。宇宙射线对大气的电离作用，因高度的不同而异，在近地面层为2I，5km高度约为10I。太阳紫外线能直接使空气离子化。但由于紫外线在穿过臭氧层时，大部分已被臭氧吸收，故它对30km以上的高层大气的电离作用较大，而对低层大气的电离作用较小。2.1.3水的Lenard效应水的Lenard效应，又称喷筒电效应。由于水在跌落、喷射、喷溅和冲击时，水滴因高速运动而断裂，水分子被截断后带正电荷，周围空气分子带负电荷;加之水的喷溅等作用带去了空气中的灰尘，对空气起到了清洁作用;在清洁的空气环境中，空气负离子会不断积累，从而使空气中的负离子浓度增加。2.1.4植物的“尖端放电”和“光电效应”大气中存在电场，晴天地面上大气电场的电势差约为100v/m，由于某些植物的叶呈针状等曲率半径较小，具有“尖端放电”的功能，使空气发生电离，增加空气负离子的浓度[14，15]。植物叶片在短波紫外线的作用下，发生“光电效应”，可使空气负离子浓度增加[16]。森林环境中空气负离子水平较高，这是由于岩石和土壤中含放射性物质较多，山上宇宙射线和太阳紫外线较强，森林环境中的瀑布、溪流等流动水体较多，森林植物的“尖端放电”和“光电效应”以及释放出的芳香挥发性物质都能使空气发生电离现象，并且森林具有降尘功能，使得空气负离子浓度增加，而且寿命变长。有研究表明，森林环境中的空气负离子浓度比城市室内可高出80~1600倍[8]，平均浓度达1000~3000个/cm3。此外，大气环境中的很多物理过程，如闪电、雷暴、雪暴、火山爆发以及其它形式的放电现象等，都使空气分子发生电离，一定程度上增加空气负离子的浓度。2.2人工条件下空气负离子的产生机理2.2.1电晕放电电晕放电是借助将充分高的电压施加于一对电极上，其中高压负电极连接在一根极细的针状导线或具有很小曲率的其它导体上。在放电极附近的强电场区域内，气体中原有的少量自由电子被加速到某一很高的速度，足以碰撞气体分子，并电离出新的自由电子和正离子，新的自由电子又被加速产生进一步的碰撞电离。这个过程在极短的瞬间重复了很多次，于是形成了“电子雪崩”的积累过程，在放电极附近的电晕区内产生大量的自由电子和正离子，其中正离子被加速引向负极，释放电荷。而在电晕外区，则形成大量的空气负离子。电晕放电虽然能够产生大量的空气负离子，但同时也会产生较多的臭氧。近年来，随着空气负离子发生技术的不断进步，出现了以导电纤维和加热式电晕作为电极的空气负离子发生技术，可以使起晕电压降低，从而提高空气负离子的发生浓度，减少了臭氧的产生。2.2.2水发生利用动力设备和高压喷头将水从容器中雾化喷出，雾化后的水滴以气溶胶形式带负电而成为空气负离子。其产生空气负离子的浓度取决于水的雾化状况，一般可达104~105个/cm3。水发生型空气负离子发生器具有不产生有害气体的优点，但设备结构较为复杂、成本较高、使用环境的湿度较大。2.2.3放射发生利用放射性物质或紫外线电离空气产生空气负离子，其特点是设备简单，产生空气负离子浓度较高，但需要有特殊的防辐射措施，使用不当会对人体产生极大的危害，因此在一般情况下不宜使用。2.3空气负离子的保健医疗作用应用自然的或人工产生的空气负离子治疗和预防疾病的方法，称为空气负离子疗法。目前在疗养医学界，空气负离子不仅作为一种治疗方法，而且作为一种保健手段正在广泛应用[17]。空气负离子的保健医疗作用主要包括以下7个方面：(1)空气负离子能调节中枢神经系统的功能，使其兴奋和抑制过程正常化。(2)空气负离子能促进高血压、冠心病和高脂血症等疾病的康复。(3)空气负离子具有增加血液中白蛋白，降低球蛋白，增加血红细胞、红细胞数，促进血液形态成分与物理特性恢复正常的作用。(4)空气负离子能促进黏膜上纤毛运动，腺体分泌增加，平滑肌兴奋性提高，换气功能增强。对呼吸道、支气管疾病、慢性鼻炎、鼻窦炎等具有辅助治疗作用，且无任何副作用。(5)空气负离子能提高机体的细胞免疫力和体液免疫力，增加血中抗体、补体、γ-球蛋白，提高淋巴细胞增殖能力，对淋巴细胞的存活有益。(6)空气负离子具有降尘、抑菌、除菌、除臭等净化空气的功能。(7)空气负离子具有消除疲劳、恢复体力的作用。医学研究表明，当空气负离子浓度达到700个/cm3以上时，对人体具有保健作用;当达到10000个/cm3以上时，具有治疗效果。3.旅游环境中空气负离子的评价方法与浓度分布规律3.1旅游环境中空气负离子的评价方法3.1.1单极系数(q)单极系数指空气中正离子数与负离子数的比值，用q表示，即q=n+/n-，式中n+为空气正离子数、n-为空气负离子数。有学者认为，q值应小于或等于1，才能给人以舒适感。3.1.2空气质量评价指数(CI)空气质量评价指数，由日本学者安培提出，日本空气净化协会规定的空气洁净度指标与此类似，该评价方法的计算公式如下：CI=(n-/1000)×(1/q)式中，CI——空气质量评价指数;n-——空气负离子浓度，个/cm3;q——单极系数;1000——满足人体生物学效应最低需求的空气负离子浓度，个/cm3;按空气质量评价指数可将空气质量划分为5个等级，见表1。表1空气质量分级标准3.1.3森林空气离子评价指数(FCI)根据森林环境中空气离子的特性，结合人们开展森林旅游活动的目的，在安培空气离子评价模型的基础上，提出森林空气离子评价模型[25]，表达式如下：FCI=(n-/1000)×p式中，FCI——森林空气离子评价指数;n-——空气负离子浓度，个/cm3;p——空气负离子系数，p=n-/(n-+n+);1000——满足人体生物学效应最低需求的空气负离子浓度，个/cm3;森林空气离子评价指数分级标准，见表2。表2森林空气离子评价指数分级标准一般而言，森林环境中的空气负离子浓度高于城市居民区的空气负离子浓度。因此，将森林游憩区空气负离子的临界浓度定为400个/cm3，当空气负离子浓度低于400个/cm3时，表明空气已受到一定程度的污染，对游客的健康不利;保健浓度为n-≥1000个/cm3;允许浓度为400个/cm3n-1000个/cm3。3.2旅游环境中空气负离子的浓度分布规律3.2.1不同环境状况下的空气负离子浓度陆地上空气负离子的平均浓度为650个/cm3，但分布很不均匀，有的地方平均只有50个/cm3，有的地方平均可达1000个/cm3，甚至更多，一般正离子数大于负离子数，其比值平均为1.15。海洋上空气负离子浓度比陆地上略小，但数量级相同[8]。国内有关空气负离子浓度的监测工作始于1980年，某些大专院校、科研院所、医疗卫生部门、疗养机构等，对一些森林游憩区、风景名胜区、疗养度假区、城市居住区、城市公园等区域的空气负离子浓度进行了监测，总结出不同环境状况下的空气负离子浓度水平。表3不同环境状况下的空气负离子浓度Table3Aeroanionconcentrationofdifferentenvironments3.2.2空气负离子浓度的时间分布规律日变化规律一天中，空气负离子浓度有两个波峰值，一个是07~09时，一个是22~24时;另外，19~21时也较高，而15~17时出现最低值[1]。也有学者认为，有时中午出现第2个高峰值，最小浓度值出现在中午前几个小时，有时黄昏出现第2次低值[8]。年变化规律一年中，空气负离子浓度夏、秋季高于冬、春季;且夏季最高，冬季最低[1]。3.2.3空气负离子浓度的空间分布规律空气负离子浓度在近地层一般随着海拔高度的增加而增大。室外空气负离子浓度一般高于室内。森林环境中的空气负离子浓度比城市居住区室内可高出80~1600倍;当森林覆盖率达到35%~60%时，空气负离子浓度较高，而当森林覆盖率低于7%时，空气负离子浓度仅为前者的40%~50%。3.2.4空气负离子浓度与气象要素的关系气温、相对湿度厉曙光、吴楚材等认为空气负离子浓度与气温呈极显著的负相关，与相对湿度呈显著的正相关。邵海荣、贺庆棠等认为空气负离子浓度与土壤和空气温度呈正相关，而与相对湿度呈负相关[8]。德国学者Reiter认为空气负离子浓度与相对湿度呈负相关。风叶彩华、蒙晋佳等认为空气负离子浓度与风速呈正相关，这是因为风速的大小是空气清洁度的决定因子,而空气中负离子的存活与空气清洁度关系密切。邵海荣、贺庆棠等认为空气负离子浓度与风速呈负相关。空气负离子浓度与风向有良好的相关性(P0.01)，处于下风