环境生物和物理学.doc

环 境 生 物 学环境生物学是环境科学的一个分支。它研究生物与受人类干预的环境之间相互作用的规律，及其机理。它以坦斯利提出的生态系统概念作为主要的理论基础，因而有人认为环境生物学就是生态学。 从19世纪中叶起，有的学者开始注意到水污染对水生生物的影响，并将水中微型生物进行分组分类。20世纪初，人们开始研究水污染的生物监测、城市污水和工业废水的生物处理等问题。 二十世纪50年代以来，随着工业、交通事业和城市建设的飞跃发展，地球表面环境发生了巨大的变化，一方面创造了前所未有的物质文明，另一方面产生了日益尖锐的环境问题。其中以生态平衡遭到破坏所带来的影响最为严重，很多物种从地球上消失或濒临灭绝，人类自己也受到公害的侵扰和威胁。因而关于受人类干预的环境对生物的影响以及两者相互作用的规律和机理的研究，便日益受到人们的重视。 从60年代开始，由于研究工作的开展，环境生物学逐渐从生物学分化出来，发展成为一个独立的学科。70年代以来，中国科学工作者在水、气污染的生物监测和生物净化，环境毒理和生态毒理，土壤污染和土地处理系统以及自然保护等领域开展了不少科学研究，建立了相应的研究机构，一些高等院校设立了环境生物学或与之有关的专业。 环境生物学研究的对象是受人类干预的生态系统。这里所说的人类干预包括两个方面：一是指人类活动对生态系统造成的污染；二是指人类活动对生态系统的影响和破坏，主要是人类对自然资源的不合理利用，如对森林的滥砍滥伐，对草原的过度放牧，不合理的围湖造田和大型水利工程建设等。 环境生物学研究的主要内容是环境污染引起的生态效应，生物或生态系统对污染的净化功能，利用生物对环境进行监测、评价的原理和方法以及自然保护等。其目的在于为人类合理地利用自然和自然资源，保护和改善人类的生存环境提供理论基础，促进环境和生物朝有利于人类的方向发展。 环境生物学在应用生物学和生态学等学科的研究方法的基础上形成了自己的一套研究方法。主要有现场调查、室内实验和生态模拟。 现场调查是通过对指示生物、农田生物群落结构、森林生物群落结构、草原生物群落结构、水生生物群落结构、污水生物系统的现场调查，以及对生物指数污染指数和物种的多样性指数等的分析，从宏观上研究环境中的污染物和人为干预对各种生物或生态系统产生影响的基本规律。 室内实验是指通过各种实验手段，如植物人工熏气、静水式生物测试、流水式生物测试、水生生物急性毒性试验、水生生物亚急性毒性试验、水生生物慢性毒毒性试验、水生生物亚急性毒性试验、水生生物慢性毒性试验和回避反应实验等，从微观上研究污染物和人为干预对生物产生的毒害作用及其机理。 生态模拟是利用数学模型模拟生态系统的行为和特点，预测人类活动对生态系统可能造成的影响或危害。 环境生物学今后将进一步研究污染对各类生态系统结构和功能的影响，建立生态系统的生物模拟(包括受控生态系统的实验)和数学模型研究方法，制作污染生态模型，预测和预报污染对生态系统稳定性、群落结构、物质循环和能量交换的影响，为制定最优化环境区划和规划提供依据； 进一步研究各个生态系统(如工矿农田、森林、草原和水生生态系统)内部和相互之间的调节、控制和平衡关系，以及研究由于污染而引起的区域性或全球性变化对生物圈生物资源的影响； 进一步加强对有关生物净化和生物降解的基础理论研究，建立和完善污染物生物效应数据库和生物样品库，加强毒物对生物(包括人类)的致毒机理以及环境因素引起畸变、突变、癌变的生物学基础的研究。环 境 医 学环境医学是研究环境与人群健康的关系，特别是研究环境污染对人群健康的有害影响，及其预防的一门科学，是环境科学也是预防医学的一个重要组成部分。 人类活动不断地影响自然环境，引起环境质量的变化，这种变化又反过来影响着人类正常的生活和健康。在生产活动方式比较简单、规模比较小时，人类活动对环境影响不大。产业革命推动了人类社会生产力的发展，也影响和破坏了人类环境，特别是生态系统。 二十世纪以来，随着煤炭、钢铁、石油、化学工业和交通运输业的迅猛发展，新的城市和工矿区不断出现，城市人口急剧增加。因此，废水、废气、废渣，以及农药等有机合成物质、放射性物质和噪声等严重污染环境而形成公害。 伦敦烟雾事件、美国洛杉矶光化学烟雾事件、日本水俣病、痛痛病、四日市哮喘以及米糠油事件(多氯联苯中毒)等重大公害，夺去了成千上万人的生命。另外，严重威胁人类生命的癌症以及非特异性疾病发病率和死亡率的增高，也引起人们的广泛重视，成为当代医学的重要研究课题。 几十年来，环境医学工作者应用基础医学、临床医学和预防医学的新成就，研究了环境因素对人体健康的影响及其发生、发展和控制的规律和方法。随着环境科学的发展，环境医学也逐步形成一门独立的学科。 影响人体健康的环境因素大致可分为三类：化学性因素，如有毒气体、重金属、农药等；物理性因素，如噪声和振动、放射性物质和射频辐射等；生物性因素，如细菌、病毒、寄生虫等。其中以化学性因素影响最大。当这些有害因素进入大气、水体和土壤造成污染时，就能对人体产生危害。 环境污染一般具有以下特征：环境污染物一般是浓度低、持续时间长，而且是多种毒物同时存在，联合作用于人体；环境污染物在环境中可通过生物的或理化的作用，发生转化、增毒、降解或富集从而改变其原有的性状和浓度，产生不同的危害作用；环境污染物还可通过大气、水体、土壤和食物等多种途径对人体产生长期影响，受影响的对象很广泛，包括老年、壮年、青年、幼儿，即整个人群，甚至还包括母腹中的胎儿。 环境污染物对人体健康的影响是极其巨大而复杂的。它们可从多种途径侵入人体。大气中的有毒气体和烟尘，主要通过呼吸道作用于人体；水体和土壤中的毒物，主要通过饮用水和食物经消化道被人体吸收；一些脂溶性的毒物，如苯、有机磷酸酯类和农药，以及能与皮肤的脂酸根结合的毒物，如汞、砷等，可经皮肤被人体吸收。 毒物经人体吸收后，通过血液分布到全身。有些毒物可在某些器官组织中蓄积，如铅蓄积在骨内，DDT蓄积在脂肪组织中等等。 很多毒物在体内经过生物转运和生物转化，被活化或被解毒。不少器官如肾脏、胃、肠等，特别是肝脏对各种毒物有生物转化功能。毒物以其原形或代谢产物作用于靶器官，发挥其毒作用。最后，毒物可经肾脏、消化道和呼吸道排出体外，少数可随汗液、乳汁、唾液等排出体外；有的在皮肤的代谢过程中进入毛发而离开机体。 机体对环境污染物的反应取决于污染物本身的理化性状、进入人体的剂量、持续作用的时间、个体敏感性等因素。一般存在着剂量-效应关系，即毒物对机体敏感器官所产生的效应，随毒物的剂量增加而增强。 毒物进入人体后，机体能通过代谢、排泄和蓄积在一些与毒作用无关的组织器官里，以改变毒物的质和量。毒物剂量增加，超过人体正常负荷量，机体还可动用代偿适应机制，使机体保持相对稳定，暂时不出现临床症状和体征，即呈亚临床状态。如剂量继续增加，以致使机体代偿适应机制失调，便会出现临床症状，甚至死亡。 环境污染物对人体健康的损害，可表现为特异性损害和非特异性损害两个方面。特异性损害就是环境污染物可引起人体急性或慢性中毒，以及产生致畸作用、致突变作用和致癌作用等，此外还可引起致敏作用。非特异性损害主要表现在一些多发病的发病率增高，人体抵抗力和劳动能力的下降。 环境污染物作用于人群时，并不是所有的人都出现同样的毒性反应，而是呈“金字塔”式的分布。人群接触同样程度的环境污染物，其中大多数可能仅使体内有污染物负荷或出现意义不明的生理学变化，只有一小部分人会出现亚临床变化，甚至发病或死亡。这主要和个体对环境污染物的敏感性不同有关。环境医学的一项重要任务就是及早发现亚临床变化和保护高危险人群。 环境医学主要研究内容有环境流行病学、环境毒理学、环境医学检测、环境卫生标准等。 环境流行病学的主要任务是对群体进行回顾性或前瞻性调查，分析疾病发病率、死亡率同环境污染物的关系，阐明环境污染物对人群健康的影响，为找出某些疾病的环境病因提供线索或建立假说，以便进一步深入研究。 环境毒理学研究环境污染物的急性、亚急性和慢性毒性，包括致畸、致突变和致癌作用的实验和鉴定；研究毒作用的特点和剂量一反应关系(特别是确定毒作用的阈浓度)和毒作用的机理；研究多种毒物的联合毒作用；为制定卫生标准、环境质量标准以及预防环境污染物对人体健康的损害提供毒理学依据。 环境医学监测是通过对人体生物材料(血、尿、粪、头发和唾液等)中环境污染物及其代谢产物浓度的测定，利用生理学、生物化学、免疫学等手段，研究人群体内污染物负荷及其对健康的影响，对环境质量进行环境医学评价。 公害病及其预防是综合应用临床医学、毒理学和流行病学的方法，研究公害病的病因、致病条件和对健康损害的早期表现以及公害病的临床特征和转归，为防治公害病提供医学依据。 环境卫生标准是进行卫生监督、卫生评价和环境管理的重要法定依据。应用环境毒理学实验和流行病学调查等方法，按照最敏感的原则，研究和制订环境卫生标准具有重要的卫生学意义。 当前环境医学的研究重点是严重危害人体健康的疾病如肿瘤、心血管疾病等的流行特点和规律；对环境毒理学的深入研究；以及利用现代分子生物学等的理论和方法，研究环境污染物所引起的亚临床变化和检出高危险人群，为健康预报和早期诊断提供依据等方面。环 境 毒 理 学环境毒理学是利用毒理学方法，研究环境污染物对人体健康的影响及其机理的学科。它是环境医学的一个组成部分，也是毒理学的一个分支。 环境毒理学主要通过动物实验来研究环境污染物的毒作用。环境污染物对机体的作用一般有接触剂量较小；长时间内反复接触甚至终生接触；多种环境污染物同时作用于机体；接触的人群既有青少年和成年人，又有老幼病弱，易感性差异极大等特点。 环境毒理学的任务主要有三项：研究环境污染物及其在环境中的降解和转化产物，对机体造成的损害和作用机理；探索环境污染物对人体健康损害的早期观察指标，即用最灵敏的探测手段，找出环境污染物作用于机体后最初出现的生物学变化；定量评定有毒环境污染物对机体的影响，确定其剂量与效应或剂量一反应关系，为制定环境卫生标准提供依据。 环境毒理学主要研究环境污染物及其在环境中的降解和转化产物在动植物体内的吸收、分布、排泄等生物转运过程，和代谢转化等生物转化过程，阐明环境污染物对人体毒作用的发生、发展和消除的各种条件和机理。 环境污染物对机体毒作用的评定，主要是通过以下几种动物实验方法进行的： 急性毒性试验：其目的是探明环境污染物与机体作短时间接触后所引起的损害作用，找出污染物的作用途径、剂量与效应的关系，并为进行各种动物实验提供设计依据。一般用半数致死量、半数致死浓度或半数有效量来表示急性毒作用的程度。 亚急性毒性试验：研究环境污染物反复多次作用于机体引起的损害。通过这种试验，可以初步估计环境污染物的最大无作用剂量和中毒阈剂量，了解有无蓄积作用，确定作用的靶器官，并为设计慢性毒性试验提供依据。 慢性毒性试验：探查低剂量环境污染物长期作用于机体所引起的损害，确定一种环境污染物对机体的最大无作用剂量和中毒阈剂量，为制订环境卫生标准提供依据。 为了探明环境污染物对机体是否有蓄积毒作用，致畸、致突变、致癌等作用，随着毒理学的不断进展，人们又建立了蓄积试验、致突变试验、致畸试验和致癌试验等特殊的试验方法。 环境毒理学的研究主要以动物实验研究为主，观察实验动物通过各种方式和途径，接触不同剂量的环境污染物后出现的各种生物学变化。实验动物一般为哺乳动物，也可利用其他的脊椎动物、昆虫以及微生物和动物细胞株等。 用动物实验来观察环境污染物对机体的毒作用，条件容易控制，结果明确，便于分析，是评定环境污染物毒作用的基本方法。但动物与人毕竟有差异，动物实验的结果，不能直接应用于人。因此，一种环境污染物经过系统的动物毒性试验后，还必须结合环境流行病学对人群的调查研究结果进行综合分析，才能作出比较全面和正确的估价。 随着人类对环境污染物认识的不断深入，环境毒理学将在多个方向发展，其中主要是探讨多种环境污染物同时对机体产生的相加、协同或拮抗等联合作用；深入研究环境污染物在环境中的降解和转化产物以及各种环境污染物在环境因素影响下，相互反应形成的各种转化产物所引起的生物学变化；一步研究致畸作用的机理，完善致突变作用的试验方法，找出致癌作用与致突变作用的确切关系；深入研究环境污染物对动物神经功能、行为表现以及免疫机能的早期敏感指标；深入研究环境污染物的化学结构同它们的毒性作用的性质和强度的密切关系，以便根据化学结构，作出毒性的估计，减少动物毒性试验，并为合成某些低毒化合物提供依据。环 境 流 行 病 学环境流行病学是环境医学的一个分支学科。它应用流行病学的理论和方法，研究环境中自然因素和污染因素危害人群健康的流行规律，尤其是研究环境因素和人体健康之间的相关关系和因果关系，即阐明暴露-效应关系，又称接触-效应关系，以便为制定环境卫生标准和采取预防措施提供依据。 环境流行病学起源于对自然因素引起的疾病的研究，如地方甲状腺肿、地方性氟中毒等。自二十世纪50年代以来，环境污染引起的公害病相继出现，为了查明病因，各国广泛开展了环境流行病学的调查。其目的不仅要阐明环境污染与健康之间的相关关系和因果关系，还要揭示环境污染对人群健康潜在的和远期的危害。 环境流行病学的主要内容有：调查不同地区人群的特异性疾病的地区分布、人群分布和时间分布、发病率和死亡率，并连续观察其发展变化规律；调查并检测环境中有害因素，包括污染物和某些自然环境中固有的微量元素在大气、水体、土壤以及食物中的分布、负荷水平、时空波动、理化形态、转化规律和人群暴露水平，以及引起危害和疾病的条件；分析调查资料，确定污染范围和程度，以及对人体健康的影响，即确定暴露-效应关系和剂量反应曲线。并以此为基础，研究污染物的阈限负荷，为制定环境卫生标准提供基础参数；综合分析调查资料，为公害病或环境病的病因提供线索或建立假说，进而查明因果关系。 进行环境流行病学调查，必须避免把环境与机体割裂开来，孤立和片面地进行研究。所以要求调查样本要具有代表性、调查设计要有对比性、获取资料要注意有效性。 环境污染物或某种有害因素对人群健康影响的特点是低浓度、长时间的慢性危害。因此，在选择调查对象时，应选取具有代表性的样本。样本越大，越能反映实际情况。但这样一般耗费人力、物力较大，需要时间也长。所以实际中多采用抽样调查等方法，这样既可节约人力、物力、时间和经费，又可获得预期的结果。 如果通过抽样调查仍有一些问题搞不清楚，则有必要在一定人群中，进行定群的“从因到果” (前瞻性)或“从果到因”(回顾性)的追踪调查。 前瞻性调查是将一个范围明确的居民区的居民划分为某一污染因素的暴露组和非暴露组(对照组)，在一定期间追踪观察和比较两组的健康差异和发病死亡情况。回顾性调查是追溯人群中已经发生的某种疾病，过去有无可疑的共同病因和发病的性质。综合运用这两种调查方法，并辅以各种实验，有助于病因的阐明。 揭示暴露人群与非暴露人群之间在健康反应上的差异，在无标准可依时，要严格选择非暴露人群作为对照，以便比较。对暴露区和非暴露区人群的患病率或死亡率以及某种效应的出现率，须用标准人口结构，加以标准化换算之后，才能进行比较。 环境流行病学对所要调查的某种特异性或非特异性疾病或病前效应的判断依据，须事先加以统一，并排除环境污染物和生物检测材料的采样或检测方法中的干扰因素。此外，还要注意环境中多因素联合作用。在研究某一已知因素时，力求排除其他因素的干扰；在研究原因不明的健康异常或疾病时，力求探明主导因素和辅助因素的作用。 在环境流行病学研究中，运用分析流行病学方法对探讨环境性疾病的病因有很大作用。定群追踪调查是依据有关学科提供的资料或描述流行病学的调查结果，选取某一暴露人群与条件相同的对照人群，进行一定期限的追踪和观察，然后将两个人群所发现的某种疾病或健康异常加以比较，以查明某种疾病或异常发生的决定因素。 例如美国科学家塞利科夫等人，曾对美国和加拿大从事石棉绝缘材料工作的17800名工人进行了追踪调查，了解到从1967年1月1日到1975年12月31日因肺癌死亡的情况。结果发现，2066名不吸烟工人在这一时期只有2人死于肺癌。有吸烟史的9590名工人中，有179人死于肺癌。可见香烟烟雾中的致癌物和石棉有一种相加致癌作用。 病例对照调查是将某定群中患有某种疾病的人群与对照人群，在既往史、现病史、家族史、生活习惯和居住条件等一致的情况下，按病例对照加以比较，探索这一疾病发生的决定因素。 例如1968年日本发生了“油症”，患者出现氯痤疮性皮疹。在调查病因时，采用了病例对照调查法，即随机选出与油症患者性别、年龄条件一致、住在同处的未患油症者作为对照组，对患者组和对照组食用油脂的情况进行了调查。结果表明，食用天然黄油、人造黄油和猪油的患油症家庭和对照组家庭的百分比没有差别；食用菜籽油或其他食用油的对照组比患者组多；食用米糠油的患者组则比对照组多得多。通过回顾性调查，终于查明在米糠油生产过程中的多氯联苯污染是“油症”患者发病的主因。这就是所谓米糠油事件。 随着研究领域的逐步扩大和统计学的不断发展，引入了多变量的分析方法。电子计算机的广泛应用和某些数学模型的建立，又为进一步探索环境因素与健康异常或公害病之间的动态定量关系开辟了广阔的途径。环 境 物 理 学各种物质都在不停地运动着，运动的形式有机械运动、分子热运动、电磁运动等。物质的运动都表现为能量的交换和转化。这种物质能量的交换和转化，构成了物理环境。人类生存于它所适应的物理环境，也影响着这种物理环境。研究物理环境同人类的相互作用的科学称为环境物理学。它是环境科学的一个分支。 二十世纪初期，人们开始研究声、光、热等对人类生活和工作的影响，并逐渐形成了在建筑物内部为人类创造适宜的物理环境的学科建筑物理学。 50年代以后物理性污染日益严重，不仅在建筑物内部，而且在建筑物外部，对人类造成越来越严重的危害，促使物理学的各分支学科，如声学、热学、光学、电磁学、力学等开展对物理环境的研究，并取得一定成果，在此基础上，逐渐汇集、形成一个新兴的边缘学科环境物理学。 环境物理学就其自身的学科体系而言，还没有完全定型。目前，主要是研究声、光、热、加速度、振动、电磁场和射线对人类的影响及其评价，以及消除这些影响的技术途径和控制措施。目的是为人类创造一个适宜的物理环境。 物理性污染同化学性污染和生物性污染是不同的。化学性污染和生物性污染是环境中有了有害的物质和生物，或者是环境中的某些物质超过正常含量。而引起物理性污染的声、光、热、电磁场等在环境中是永远存在的，它们本身对人无害，只是在环境中的量过高或过低时，才造成污染或异常。 例如，声音对人是必需的，但是声音过强，又会妨碍或危害人的正常活动。反之，环境中长久没有任何声音，人就会感到恐怖，甚至会疯狂。 物理性污染同化学性污染和生物性污染相比，不同之处还表现在以下两个方面：一是物理性污染是局部性的，区域性或全球性污染现象比较少见；二是物理性污染在环境中不会有残余物质存在，在污染源停止运转后，污染也就立即消失。 物理环境和物理性污染的特征决定了环境物理学的研究特点。物理环境的声、光、热、电等要素都是人类所必需的，这决定了环境物理学不仅要研究消除污染，而且要研究适宜于人类生活和工作的声、光、热、电等物理条件；物理性污染程度是由声、光、热、电等在环境中的量决定的，这就使环境物理学的研究同其他物理学科一样，注重物理现象的定量研究。 环境物理学根据研究的对象可分为环境声学、环境光学、环境热学、环境电磁学和环境空气动力学等分支学科。但总的说来，因为环境物理学是正在形成中的学科，它的各个分支学科中只有环境声学比较成熟。 环境声学的任务是为改善人类的声环境，研究人所需要的声音和人所不需要的声音噪声，尤其是研究噪声的产生、传播、评价和控制，以及对人类的生活和工作产生的影响和危害等。 声音是由固体振动、液体或气体的不稳定流动以及与固体相互作用形成的，因此有关振动的产生、传播、测试、评价以及采取隔振、防振等措施以消除其危害，也是环境声学的研究内容。 人对光的适应能力较强，人眼的瞳孔可随环境的明暗进行调节。如日光和月光的强度相差约一万倍，人都能适应。但是如果长期在弱光下看东西，目力就会受到损伤。相反，在强光下则会产生瞬时后果，甚至对眼睛造成永久性的伤害。视觉是人的重要功能，研究适宜于人的光及其变动范围，控制和改善人类需要的光环境，消除光污染的危害和影响，是环境光学的任务。 人类的生活和生产活动，不仅需要太阳辐射到地球的热能，而且需要各种燃料产生的热能。燃料的大量消费，干扰了地球环境的热平衡，使环境遭受热污染。燃料燃烧捧出大量的二氧化碳，对环境产生温室效应；城市人口密集，燃料消费量大，使城市出现热岛效应等。这些都是热污染的表现。热污染对自然环境造成的破坏，会对人类和生物产生长远的影响。 人是温血动物，适合于人类生活的温度范围是很窄的，人类主要依靠穿衣服、营居室来获得生存所需要的热环境。研究适宜于人类的热环境，揭示热环境和人类活动的相互作用，控制热污染，为人类创造舒适的热环境，是环境热学的研究内容。 人类生活在电磁场中，关于电磁场对人体的影响，定量性的研究成果还比较少。光波也是一种电磁波，环境电磁学的研究对象是波长比光波更长的电磁波，研究内容是电磁波对环境的污染及其所造成的危害。 环境空气动力学主要研究户外大尺度的空气运动。地球的旋转作用和重力作用，大气密度和温度的分层结构，大气中的相变等对大气运动的影响。在一般空气动力学中，这些虽然不很重要，而在环境空气动力学中，则是重要的研究内容。 地球大气的自然运动以及由此而产生的风、云、雨雾等现象是大气物理学的主要课题。环境污染(如烟雾污染、温室效应、热岛效应)对大气运动的影响日益严重地干扰气象的变化，大气中或者水中的污染物质在风日光、重力和环流的作用下扩散或下沉，这些都是环境空气动力学的研究内容。环境空气动力学还把大气运动对人类的影响，以及对鸟类、昆虫的飞行等影响作为研究内容。 环境物理学的研究领域是相当广阔的。如物质在作机械运动时，匀速运动对人体没有影响，而加速度的运动则有影响。当人体受到的加速度可与重力加速度相比的情况下，人就会感到不舒适。人对加速度能容忍的变化范围还是比较大的，如人体直立，横向运动的加速度达50g也不会受到伤害。 人体作机械运动或者人体处在机械振动环境中所产生的物理效应和生理效应，也是环境物理学有待深入研究的内容。环境物理学将在对物理环境和物理性污染全面、深入研究的基础上，发展自身的理论和技术，形成一个完整的学科体系。 物理性污染虽然能够利用技术手段进行控制，但是，采取各种控制技术要涉及经济、管理和立法等问题，所以要对防治技术进行综合研究，获得最佳方案。 环 境 光 学环境光学是研究人类的光环境的科学，是环境物理学的一个分支。环境光学的研究内容包括天然光环境和人工光环境；光环境对人的生理和心理的影响；光污染的危害和防治等。 环境光学是在光度学、色度学、生理光学、心理物理学、物理光学、建筑光学等学科的基础上发展起来的。环境光学的定量分析以光度学、色度学为基础；在研究光与视觉的关系上主要借助于生理光学及心理物理学的实验和评价方法。 天然光环境的光源是太阳，日光穿过大气层时被大气中的气体分子、云和尘埃扩散，使天空具有一定的亮度。地球上接受的天然光就是由直射日光和天空扩散光形成的。通常以地平面照度、天空亮度和天然光的色度值来定量描述天然光环境。地面照度取决于太阳高度角、天空亮度和大气透明度。 在世界不同的地区，由于气象因素(日照率、云、雾等)和大气污染程度的差异，光环境特性也不相同。因此须要对一个国家和地区的天然光环境进行常年连续的观测、统计和分析，取得区域性的天然光数据。这是研究天然光环境的一项首要工作。 为了利用天然光创造美好舒适的光环境，环境光学还要研究天然光的控制方法、光学材料和光学系统。这方面的成果已为建筑采光普遍应用。近年又发展了通过定日镜、反射镜和透镜系统，或是用光导纤维将日光远距离输送的设备，使建筑物的深处以至地下、水下都能得到天然光照明。 1879年爱迪生发明了白炽灯。一个世纪以来，电光源迅速普及发展。现在不同规格的电光源已有数千种世界年产量达百亿支以上，人工照明消费的电力占电力总产量的1015%。 人工光环境较天然光环境易于控制，能适合各种特殊需要，而且稳定可靠，不受地点、季节、时间和天气条件的限制。但电光源的能源利用效率很低，目前由电能转换成光能的平均效率约为10%，由初级能源转换成光能的效率则只有3%。因此，为了节约能源，不但要继续提高现有电光源的光效和质量，而且要研究控制灯光强度和分布的理论及光学器件，探索合理有效的照明方法。环境光学将在后一领域发挥重要作用。 环境光学研究内容的第二个方面是关于光和视觉的关系。在人的各种感官和知觉中，眼睛和视觉至关重要，人靠眼睛获得75%以上的外界信息。光源发出的光照射在物体上，被物体表面反射，因物体形状、质地、颜色的差异造成入射光在强弱、方向和光谱组成上的不同变化。这些光信号进入眼睛，在视网膜上形成图象。图象传至大脑，经过分析、识别、联想，最后形成视知觉。由此可见，没有光，就不存在视觉，人类也无法认识和改造环境。 人借助视觉器官完成一定视觉任务的能力叫做视觉功能。眼睛区分识别对象细节的能力和辨认对比的能力，是表述视觉功能的常用指标。两者都受照明量的影响而且彼此相关。研究视觉功能与照明条件之间的定量关系，为制订照明标准提供依据，是环境光学的重要任务。 30年来，世界各国就视觉功能和照明对人的生理及心理影响等问题开展了大量研究工作。国际照明委员会总结各国的研究成果，先后发表对照明在视觉功能方面进行评价的统一方法纲要和描述照明参量对视功能影响的分析模型等文件，提出了根据视觉功能选择照明标准的统一方法。中国科学工作者近年也在实验室条件下，对青年工人的视觉功能进行了试验研究，结果说明了照度、视角和对比三者的相互关系。 视觉与触觉不同。触觉单独感知一个物体的存在，视觉感知的却是全部环境。因此，视觉功能不但与识别对象的照度有关，还与整个光环境的质量，包括光的表观颜色、环境亮度、光的方向、光源的显色性能、直射与反射眩光等有密切联系。 优良的光环境能提高人的工作效率，保护人的健康，使人感到安全、舒适、美观，产生显著良好的心理效果。所以，研究光环境的质量评价指标，同样具有十分重要的意义。 环境光学研究内容的第三个方面是光污染及其防治方法。人类活动对光环境造成危害，使人的视觉和健康受到影响的现象称为光污染。 例如，城市大气污染严重，空气混浊，云雾凝聚，造成天然光照度减低，能见度下降，致使航空、测量、交通等室外作业难以顺利进行。又如城市灯光不加控制，夜间天空亮度增加，影响天文观测；路灯控制不当，照进住宅，影响居民休息等等。 另外，大功率光源造成的强烈眩光，某些气体放电灯发射过量的紫外线，以及像焊接一类生产作业发出的强光，对人体和视觉都有危害。为了防治光污染，需要弄清形成光污染的原因和条件，提出相应的防护措施和方法，并制订必要的法律和规定。环 境 光 学环境光学是研究人类的光环境的科学，是环境物理学的一个分支。环境光学的研究内容包括天然光环境和人工光环境；光环境对人的生理和心理的影响；光污染的危害和防治等。 环境光学是在光度学、色度学、生理光学、心理物理学、物理光学、建筑光学等学科的基础上发展起来的。环境光学的定量分析以光度学、色度学为基础；在研究光与视觉的关系上主要借助于生理光学及心理物理学的实验和评价方法。 天然光环境的光源是太阳，日光穿过大气层时被大气中的气体分子、云和尘埃扩散，使天空具有一定的亮度。地球上接受的天然光就是由直射日光和天空扩散光形成的。通常以地平面照度、天空亮度和天然光的色度值来定量描述天然光环境。地面照度取决于太阳高度角、天空亮度和大气透明度。 在世界不同的地区，由于气象因素(日照率、云、雾等)和大气污染程度的差异，光环境特性也不相同。因此须要对一个国家和地区的天然光环境进行常年连续的观测、统计和分析，取得区域性的天然光数据。这是研究天然光环境的一项首要工作。 为了利用天然光创造美好舒适的光环境，环境光学还要研究天然光的控制方法、光学材料和光学系统。这方面的成果已为建筑采光普遍应用。近年又发展了通过定日镜、反射镜和透镜系统，或是用光导纤维将日光远距离输送的设备，使建筑物的深处以至地下、水下都能得到天然光照明。 1879年爱迪生发明了白炽灯。一个世纪以来，电光源迅速普及发展。现在不同规格的电光源已有数千种世界年产量达百亿支以上，人工照明消费的电力占电力总产量的1015%。 人工光环境较天然光环境易于控制，能适合各种特殊需要，而且稳定可靠，不受地点、季节、时间和天气条件的限制。但电光源的能源利用效率很低，目前由电能转换成光能的平均效率约为10%，由初级能源转换成光能的效率则只有3%。因此，为了节约能源，不但要继续提高现有电光源的光效和质量，而且要研究控制灯光强度和分布的理论及光学器件，探索合理有效的照明方法。环境光学将在后一领域发挥重要作用。 环境光学研究内容的第二个方面是关于光和视觉的关系。在人的各种感官和知觉中，眼睛和视觉至关重要，人靠眼睛获得75%以上的外界信息。光源发出的光照射在物体上，被物体表面反射，因物体形状、质地、颜色的差异造成入射光在强弱、方向和光谱组成上的不同变化。这些光信号进入眼睛，在视网膜上形成图象。图象传至大脑，经过分析、识别、联想，最后形成视知觉。由此可见，没有光，就不存在视觉，人类也无法认识和改造环境。 人借助视觉器官完成一定视觉任务的能力叫做视觉功能。眼睛区分识别对象细节的能力和辨认对比的能力，是表述视觉功能的常用指标。两者都受照明量的影响而且彼此相关。研究视觉功能与照明条件之间的定量关系，为制订照明标准提供依据，是环境光学的重要任务。 30年来，世界各国就视觉功能和照明对人的生理及心理影响等问题开展了大量研究工作。国际照明委员会总结各国的研究成果，先后发表对照明在视觉功能方面进行评价的统一方法纲要和描述照明参量对视功能影响的分析模型等文件，提出了根据视觉功能选择照明标准的统一方法。中国科学工作者近年也在实验室条件下，对青年工人的视觉功能进行了试验研究，结果说明了照度、视角和对比三者的相互关系。 视觉与触觉不同。触觉单独感知一个物体的存在，视觉感知的却是全部环境。因此，视觉功能不但与识别对象的照度有关，还与整个光环境的质量，包括光的表观颜色、环境亮度、光的方向、光源的显色性能、直射与反射眩光等有密切联系。 优良的光环境能提高人的工作效率，保护人的健康，使人感到安全、舒适、美观，产生显著良好的心理效果。所以，研究光环境的质量评价指标，同样具有十分重要的意义。 环境光学研究内容的第三个方面是光污染及其防治方法。人类活动对光环境造成危害，使人的视觉和健康受到影响的现象称为光污染。 例如，城市大气污染严重，空气混浊，云雾凝聚，造成天然光照度减低，能见度下降，致使航空、测量、交通等室外作业难以顺利进行。又如城市灯光不加控制，夜间天空亮度增加，影响天文观测；路灯控制不当，照进住宅，影响居民休息等等。 另外，大功率光源造成的强烈眩光，某些气体放电灯发射过量的紫外线，以及像焊接一类生产作业发出的强光，对人体和视觉都有危害。为了防治光污染，需要弄清形成光污染的原因和条件，提出相应的防护措施和方法，并制订必要的法律和规定。环 境 声 学环境声学是环境物理学的一个分支学科，主要研究声环境及其同人类活动的相互作用。 人类生活的环境里有各种声波，其中有的是用来传递信息和进行社会活动的，是人们需要的；有的会影响人的工作和休息，甚至危害人体的健康，是人们不需要的，称为噪声。 为了改善人类的声环境，保证语言清晰可懂，音乐优美动听。从二十世纪初开始，人们对建筑物内的音质问题进行研究，促进了建筑声学的形成和发展。50年代以来，随着工业生产、交通运输的迅猛发展，城市人口急剧增长，噪声源也越来越多，所产生的噪声也越来越强，造成人类生活环境的噪声污染日益严重。因此，不仅要在建筑物内改善音质，而且要在建筑物内和在建筑物外的一定的空间范围内控制噪声，防止噪声的危害。 这些问题的研究涉及物理学、生理学、心理学、生物学、医学、建筑学、音乐、通信、法学、管理科学等许多学科，经过长期的研究，成果逐渐汇聚，形成了一门综合性的科学环境声学。在1974年召开的第八届国际声学会议上，环境声学这一术语被正式使用。 环境声学的内容主要是研究声音的产生、传播和接收，及其对人体产生的生理、心理效应；研究改善和控制声环境质量的技术和管理措施。 声是一种波动现象，它在传播过程中，遇到障碍物会产生反射和衍射现象，在不均匀的媒质中或由一种媒质进入另一种媒质时，也会发生折射和透射现象。声波在媒质中传播，由于媒质的吸收作用等，会随传播距离增加而衰减。对于声的这些认识，是改善和控制声环境的理论基础。 在噪声控制中，首先是降低噪声源的辐射。工业、交通运输业可选用低噪声的生产设备和生产工艺，或是改变噪声源的运动方式(如用阻尼隔振等措施降低固体发声体的振动，用减少涡流、降低流速等措施降低液体和气体声源辐射)。 其次是控制噪声的传播，改变声源已经发出的噪声的传播途径，如采用吸声降噪、隔声等措施。再次是采取防护措施，如处在噪声环境中的工人可戴耳塞、耳罩或头盔等护耳器。 噪声控制在技术上虽然已经相当成熟，但是由于现代工业、交通运输业规模很大，要采取噪声控制的企业和场所为数甚多，因此在处理噪声问题时，须要综合权衡技术、经济、效果等问题。 噪声对人的影响同噪声的声级、频率、连续性、发出的时间有关，而且同收听者的听觉特性、心理、生理状态等因素有关。所以，研究噪声对人的影响，既要研究一般影响，也要研究各种特殊的情况，为制定噪声标准提供依据。 近年来，噪声控制研究受到普遍重视，对声源的发声机理、发声部位和特性，以及振动体和声场的分析和计算，无论在理论方法或实验技术方面都有重大发展，因而有力地促进了噪声控制技术的发展。 剧场、电影院、音乐厅、会议厅等建筑物，是人群聚集进行文化娱乐和社会活动的场所。这些建筑物中的音质问题，既同混响时间有关，也同所谓“声场扩散”有关。 音质控制一方面要加强声音传播途径中有效的声反射，使声能量在建筑物内均匀分布和扩散，以保证接收者所收听的直达声有适当的响度；另一方面要采用各种吸声材料或吸声结构，消除建筑物内的不利的声反射、声能集中等现象，并控制混响时间。此外还要降低内部和外部的噪声干扰。 在降低现有噪声的手段方面，空心加气混凝土砌块在国外已广泛使用，在中国发展的微穿孔板在消声管道中也已逐渐推广，在厅堂建筑中也开始使用。最近受到注意的是有源降噪的技术。这种技术虽然是50年代的产物，但过去一直未能充分发展。 现在由于电子计算技术的日趋成熟，解决一些技术问题已无困难，所以受到比较广泛的注意。在英国，一个大型加压站的噪声，由于加了一个反声(大小相近，相位相反的声音)系统，而降低11dB，改善了周围环境。不过现在注意较多的还是小系统，在头盔内使用有源降声可把噪声降低1520dB，而且所需费用不高，这方面的研究还正在不断发展。 控制噪声污染已受到国际和一些国家的注意。国际标准化组织已接受A分贝为评价噪声的标准，并规定90dB为保护人体健康和听力的最高限，这个标准已为世界各国普遍接受。 为了控制城市噪声，城市噪声分区办法已逐渐推行。中国把城市分为六种区，以保证城市居民的安宁。在各种产品的噪声控制方面，各国除了对一般最高噪声采取限制措施外并要求生产者在铭牌上标明噪声指标，以鼓励生产者在降低产品噪声工作中的主动性。 此外，国家和地方环境保护管理部门的督促检查，以及环境声学知识的普及等，也都是对普遍改善声环境工作的重大措施。 改善声环境要求加强基础研究、技术措施和组织管理。在采取措施时，重点应放在声源上，但在很多情况下声源改变较为困难甚至不可能，要更多注意到传输通道和接受者，此外，还要注意经济、技术和要求(或标准)问题，有时还要注意建筑艺术和设计艺术问题。环 境 热 学环境热学是环境物理学的一个分支，它主要研究热环境及其对人体的影响，以及人类活动对热环境的影响的学科。 热环境是环境热特性的同义语。环境的天然热源是太阳，环境的热特性取决于环境接收太阳辐射的情况，并与环境中大气同地表(指地壳和地面以上的一切物体)之间的热交换有关。 太阳表面温度约6000K。在地球大气圈外层，垂直于太阳光线束的平面上，太阳的辐射能量(太阳辐射通量)每分钟约为1.95卡每平方厘米。这一数值被称为太阳常数。到达地表的太阳辐射通量一方面随太阳、地球相对运动而改变；另一方面依时间、地点的不同，以及当时当地大气状态的不同而改变。 大气中的臭氧、水蒸汽和二氧化碳是影响太阳辐射到达地表的强度的主要因素。在大气上层，光解作用使氧分子分解，并因复合作用而产生臭氧，在距地面2050公里的高空，形成了臭氧层。臭氧层能大量地吸收对生命物质有害的紫外线，是生物得以生存和发展的重要条件。 在密度较大的大气下层，为量较少的长波太阳辐射被水蒸汽和二氧化碳吸收。所以到达地表的主要是短波太阳辐射。对太阳辐射起反射和扩散作用的是其他气体分子以及大气中的尘粒和云。大的微粒有较强的反射作用，小的微粒对短波辐射有较强的扩散作用。 穿过大气的太阳直接辐射和散射光，一部分被地表反射，一部分被地表吸收。地表由于吸收短波辐射被加热，提高了温度，再以长波向外辐射。地表的长波辐射绝大部分被大气中的水蒸汽和二氧化碳吸收。 同样，大气吸收辐射能后被加热，也以长波向地表、天空辐射。这样，很大一部分辐射能又返回地表。大部分长波辐射能被阻留在地表和大气下层，就使地表和大气下层的温度增高。这种现象称为温室效应。 如果不存在大气层，地表的长波辐射将毫无阻挡地射向太空，地表的平均温度将在-22至26之间，而不是现在的15上下。太阳向地表和大气辐射热能，地表和大气之间也不停地进行潜热交换和以对流及传导方式进行的显热交换。 由于人体不能完全适应天然环境剧烈的寒暑变化，人类创造了房屋、火炉等设施，以防御、缓和外界气候变化的影响，形成了人工热环境。 人工热环境是人类生活不可缺少的条件。可以说，一个人一天中绝大部分时间是在人工热环境中度过的。热环境对人体有什么影响？环境与人的热舒适有什么关系？这些问题的研究成为环境热学第二方面的内容。 人处于任何环境中都要不停地与环境进行热交换。人体内部产生的热量要和向环境散发的热量保持平衡。人体的能量来自摄入的食物在体内的氧化过程。产生的能量或用于做功，或转化为体内热。 体内热必须传至体表向环境散发，不能累积在体内。因为人的体温要保持在37左右。如果热环境发生变化，人体与环境之间的热平衡不能继续维持，人体的热调节系统可借调节皮肤温度、汗液分泌改变体表与环境之间的换热率，也可以调节代谢率，来建立新的热平衡而又维持体内温度稳定。 环境温度为中性区时(2529)，人体会既不感到冷也不感到热。中性区的中点称为人的中性点，人对中性点所代表的热环境感觉舒适，所以中性点也是人的最佳舒适点。如果热环境改变，例如空气温度下降，或空气流速增加，或平均辐射温度降低，人体的散热率就增加人就会感到有些凉。 为了抗衡这种变化，人的生理反应是血管收缩，减少流向皮层的血液，使皮层的传热系数减小，内部组织向体表输送的热量减少，皮肤温度下降人体向环境的散热率便随之降低。这样只是皮下组织稍被冷却，体内温度可以保持不变。这一区间称为血管机能调节区。 环境温度更低时，人将感到冷得不舒适，这时的反应是借肌肉伸张打冷颤，或自发地活动，提高代谢率，或增加衣服，以阻止体内温度下降。这一区间称行为调节区。环境温度再下降，即进入人体冷却区，人将感到冷得难受。 但人体适应冷环境的能力还是很强的曾有人在-75的环境中停留30分钟未受冻伤。有实际意义的限值是-35。这是人穿着高效保温服装在户外能正常工作的温度低限。 在中性点的另一侧有一个窄抗热血管机能调节区。在这个区内传至表面组织的血液比在中性点时高出23倍，皮肤温度可以升高到仅比体内温度低1。环境温度再升高即进入蒸发调节区，人体可借汗液在皮肤表面蒸发向环境输送潜热以达到热平衡。 在这个区间，环境的水蒸汽分压和风速就成为影响人体散热的重要因素。当蒸发调节不能再提高体表散热率时即进入人体受热区。相对于冷区来说，热区范围很窄。 体内温度超过正常值(37)2时，人体的机能就开始丧失。体温升到43以上，只要几分钟，人就会死亡。由于人体的热调节系统有很高的效能，所以人体适应环境冷热变化的范围相当宽。但是人体感觉舒适的范围却窄得多。对热舒适的研究，在20世纪70年代取得了较大的进展。 城市排放的烟尘使大气混浊度增加，影响环境接收太阳辐射。有些尘粒作为吸湿凝结核能促进云的形成。云量增加，一方面影响短波太阳能的输入，另一方面也影响长波辐射能的输出，对环境既可以起冷却的作用，也可以起加热的作用。哪一种作用占优势要取决于尘粒的性质。 改变地表的反射率也影响环境的辐射交换。现代城市除少量园林绿地以外，大部分地面被各种人造材料覆盖，建筑物日益向高层发展，这都会使地表的反射率减小。一些航空测量的结果表明，一般城市的反射率低于农村约10%。环境的潜热交换和显热交换也因地表改变而受影响。和农村相比，城市的显热指数要大得多。 城市消耗大量的燃料。在燃烧过程中产生的能量一部分直接成为废热，另一部分转化为有用功，最终也成为废热向环境散发。随着城市急剧发展，废热环境的影响越来越大。 如纽约市1971年生产的能量约为接收太阳能的五分之二，上述各种影响的综合效应是使城市的温度升高，在城市与周围农村之间形