[拼音]：huanjing rexue

[外文]：environmental heat

环境物理学的一个分支，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

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（图1），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20～50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。全球范围大气、地表之间的热平衡关系如图2所示[图中数字为热交换量，有负号的表示热能输出量，无负号的表示热能的输入量。单位为千卡／（厘米²·年）]。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。

为了描述某一区域同外界换热的关系，可以把待研究区域设想为向上延至太空，向下延至一定深度（使底面上的竖向热流等于零）的柱体，这个柱体的横截面即为所研究区域的面积，柱体（区域）与外界的换热方程为：

G=(Q+q)(1-α)+I↓-I↑-H-L_E-F式中G为柱体蓄存的能量；Q为太阳直接辐射量;q为天空散射量；α为地表短波反射率；I↓为到达地表的长波辐射；I↑为地表向外的长波辐射量；H为地表与大气交换的显热量；L_E为地表与大气交换的潜热量;E为蒸发量;L为蒸发潜热;F为柱体与外界交换的水平方向热流量。式中(Q+q)(1-α)，I↓，I↑三项的和代表该区域地表获得的净辐射能(R)，即：

R=(Q+q)(1-α)+I↓-I↑=H+L_E+F+G某一热环境的特性即取决于这个式子所表达的该环境得失能量的情况。不同地区的 R、L_E、H、F诸变量所取的值见表1。表达热环境状态的变量是地表温度t_e，大气温度t_a，以及与潜热交换有关的水蒸汽分压P_S，与对流换热有关的大气流动速度V_a。研究与上述 9个变量有关的自然现象，找出其间定量的相互依赖关系，是环境热学第一方面的内容。

热环境对人体的影响

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。人体与环境之间的热平衡关系为：

S=M-(±W )±E±R±C式中S为人体蓄热率;M为代谢率；W为外部机械功；E为总蒸发热损失率；R为辐射热损失率；C为对流热损失率。代谢率是表示人体产生能量的速率，它随着人的活动强度不同而变化。活动强度大，代谢率高。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(W)，或转化为体内热(H )。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。穿着衣服的人体与环境之间的热平衡关系同相应的试验结果如图3。图中对应环境温度（25～29℃）为中性区。在中性区人体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的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2～3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。

人类活动对热环境的影响

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（表2）。

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。因此城市的热平衡方程可改写成为：，式中R_M为人类活动向环境散发的能量。随着城市急剧发展，R_M对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成温度梯度（表3）。城市热环境的这一特征称为热岛。从全球范围看来，到目前为止人类活动对热环境的影响还很小。